Introdução aos Introdução aos Sistemas EmbarcadosSistemas Embarcados
Sergio CavalcanteCentro de Informática – UFPE
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ProgramaPrograma
• Introdução aos sistemas embarcados
• O que são?• Arquitetura básica de um S.E.• Tecnologias empregadas• Metodologias de projeto• Arquiteturas Padrão• Sistemas operacionais de tempo real
Introdução aos Introdução aos Sistemas EmbarcadosSistemas Embarcados
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Intro. a Sistemas EmbarcadosIntro. a Sistemas Embarcados
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura
• Visão geral– Áreas de aplicação
– Características
– Arquitetura básica
– Mercado
• Projeto e Arquitetura
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral::
Sistemas EmbarcadosSistemas Embarcados
• São sistemas computacionais que estão inseridos em máquinas ou em sistemas maiores
• Embutidos em equipamentos eletrônicos:– telefones celulares, vídeo-cassete, forno
microondas,carros, automação de escritório....
• Encontrado em quase todas as aplicações que necessitam de algum tipo de controle....
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral::
Áreas de AplicaçãoÁreas de Aplicação
• produtos de consumo: – telefones celulares, pagers, câmaras digitais,
vídeo-cassete, vídeo games portáteis, calculadores, etc;
• eletrodomésticos: – forno de microondas, secretárias eletrônicas,
equipamentos de segurança, termostatos, máquinas de lavar e sistemas de iluminação;
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral::
Áreas de AplicaçãoÁreas de Aplicação
• Automação de escritório: – máquinas de fax, copiadoras, impressoras e
scanners;
• Automóveis: – controle de transmissão, injeção eletrônica,
suspensão ativa, freio ABS.
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SE::Visão Geral::AplicaçõesSE::Visão Geral::Aplicações
Automóveis - Volvo S80Automóveis - Volvo S80
•2 Redes CAN•250Kbps•125Kbps
•4 Redes baixa velocidade•10,4Kbps
•18 ECUs
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral::
CaracterísticasCaracterísticas• Funcionalidade única, executada repetidamente
• Entrada/Saída intensivo
• Executa tarefas em paralelo
• Restrições de projeto mais rígidas: – Custo, tamanho, peso, desempenho, potência dissipada,
etc.
• Tempo real: – O tempo para fornecer resultados é determinado pelo
tempo que o ambiente pode esperar.– Sistemas em que têm aspectos temporais na
especificação.
• Sistemas reativos– Reagem continuamente a estímulos externos
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral::
Arquitetura BásicaArquitetura Básica
• Arquitetura de Hardware– Forte comunicação com o ambiente
– Forte restrição de recursos, tamanho, potência, peso...
• Arquitetura de Software– Tratamento rápido de interrupção
– Sistemas operacionais de tempo real
– Softwares eficientes em tamanho e desempenho
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral::
Arquitetura de HardwareArquitetura de Hardware
ASIC DSPASIP uP uC Mem
Código DSP
Código uP
RTOS
A/D D/ASensores Atuadores
Eventos
Eventos
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SE::Visão Geral::ArquiteturaSE::Visão Geral::Arquitetura
Exemplo: Câmera DigitalExemplo: Câmera Digital
A/D D/ACCD preprocessor Pixel coprocessor
MicrocontrollerJPEG codec
DMA controller
Memory controller ISA bus interface UART
Display ctrl
LCD ctrl
Multiplier/Accum.
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SE::Visão Geral::Arquitetura de HardwareSE::Visão Geral::Arquitetura de Hardware
Comparação com PCsComparação com PCs
Característica PC Embed. Sys
clock 180MHz – 2,2 GHz 500KHz – 300 MHz
Instruções/seg. 400M – 8B 1M – 200M
Potência 10 – 250 W .5 – 4W
Transistores 5 – 1000 M 10K – 5 M
Custo $200 – $2000 $0.5 – $100
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SE::Visão Geral::Arquitetura de SoftwareSE::Visão Geral::Arquitetura de Software
Exemplo: Tempo de BootExemplo: Tempo de Boot
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SE::Visão Geral::Arquitetura de SoftwareSE::Visão Geral::Arquitetura de Software
Exemplo: Mudança de Exemplo: Mudança de ContextoContexto• MontaVista Linux Kernel 2.4.17
• Pior caso 436us (vs. 1743us)
• 99.9% < 195us (vs. 1420us)
Fonte: Bill Weinberg, “Linux and XScale for Wireless Consumer Electronics Devices”, IDF’Fall03
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral::
MercadoMercado
• Crescimento das aplicações– Automóvel:
• 1995: U$ 1237• 2000: U$ 2126• 2002: 15% a 30% do custo de um veículo é com
eletrônica
– Domiciliar:• 35 sistemas por residência em 1994• 240 sistemas em 2000
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral:: MercadoMercado• Crescimento de vendas
– U$:• ASIC´s + embed. Micros: U$ 60 B.
• PC´s: 34 B.
– Unidades:• Embed. Micros: 3 Billion
• PC micros: 100 million
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral:: Mercado MicrocontroladoresMercado Microcontroladores
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
US$ billionsTotal Growth (inc. DSPs)
Up to 16-bit
Up to 8-bit
Up to 4-bit
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SE::Visão Geral::SE::Visão Geral:: Time-to-marketTime-to-market
• Redução do “time-to-market”– Maior competitividade de mercado
– Redução na janela de mercado dos produtos
Mar
ket r
ise M
arket fall
TempoTime-to-market
Concepçãodo sistema
Lu
cro
s (d
óla
res)
Tempo de vida
Atraso
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Exame 1Exame 1
• O que são Sistemas Embarcados?
• O que é um Sistema de Tempo Real?
• O que são Sistemas Reativos?
• Você diria que todo S.E. é também um Sistema de Tempo Real?E é um Sistema Reativo?
• É fundamental a execução de tarefas em paralelo em um S.E.? Porquê?
• Como você compara o mercado de S.E. em relação ao de desktops?
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Intro. a Sistemas EmbarcadosIntro. a Sistemas Embarcados
• Visão geral– Áreas de aplicação
– Características
– Arquitetura básica
– Mercado
• Projeto e Arquitetura
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura– Metodologia de projeto
– Hardware
– Software
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SE::Projeto & ArquiteturaSE::Projeto & Arquitetura
Metodologia de ProjetoMetodologia de Projeto
• Principais diferenças entre o projeto de S.E. e projeto de aplicações para desktops– Requisitos não-funcionais são fundamentais: preço,
tamanho, peso, potência,...
– Flexibilidade: plataforma não definida, vários tipos de S.O., controle total da máquina.
– Grande preocupação com previsibilidade no uso de recursos
– Sistema muito restrito: eficiência no uso de recursos é fundamental
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SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
ExemploExemplo
• Projeto de um controle remoto de televisão (infra-vermelho)– Controle simples com 3 botões:
• Liga/desliga
• Seleção de canais
– Opera com bateria
– Deve ser leve
– Controla a televisão por infravermelho
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SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Exemplo: RestriçõesExemplo: Restrições
• Protocolo de comunicação com a televisão– Proprietário
– Uso de ROM fornecida pelo cliente
• Satisfazer as especificações temporais fornecidas pelo cliente:– Código de assinatura
– Comando
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SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Exemplo: Requisitos do clienteExemplo: Requisitos do cliente• Funcionamento a Bateria:
– 2 baterias AAA
– Duração: 10.000 pressões nos botões
• Características do produto final:– Peso < 100 gramas
– Dimensão: 10cm X 5cm X 1.5 cm
– Material: plástico de alta densidade
– Botão liga/desliga: vermelho e circular
– Botão canais: preto e quadrado
– Deve ser robusto o suficiente para cair de 1,5 metros sem danificar
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SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Exemplo: Requisitos do clienteExemplo: Requisitos do cliente
• Características do produto final:– Sinais de infravermelho transmitidos
conforme especificação do cliente
– Controle deve funcionar a 10 metros da TV quando posicionado até 45 graus da TV e 20 graus do sensor
– O sinal de infravermelho deve ser transmitido até 20 mseg após botão pressionado
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SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Exemplo: Definição do Hw e SwExemplo: Definição do Hw e Sw• Processador:
– Microcontrolador de 8 bits
• Sistema Operacional:– Não há necessidade
• Linguagem de programação: – C
• Bibliotecas de software:– Nenhuma
• Componentes de Hardware:– Botões
– LED infravermelho
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• Como o sistema vai satisfazer requerimentos do usuário dadas as restrições de projeto– Revisar a análise
– Especificar componentes de hardware
– Definir Interface de hardware
– Especificar subsistemas de software
– Definir interfaces de software
– Especificar processos de início e final
– Especificar tratamento de erros
– Verificar resultados da etapa de design
SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Requisitos do clienteRequisitos do cliente
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HardwareAlgoritmo
Layout
Program Convolution
SEQ i=0 FOR 2 PAR IF (x[i]>= 0 c:= x[i], x[i]<0 c:= x[i]/2)
IF (x[i+1]>= 0 d:= x[i+1], x[i+1]<0 d:= x[i+1]/2) PAR j=0 FOR 4 e[j]:= x[f(i,j)] PAR w := k*e[i] PAR j= 0 FOR 4 y[j] := y[j] + e[j]*(c+d)
Características - alto desempenho- alto desempenho- pequeno tamanho- pequeno tamanho- alto custo- alto custo- pouco flexível- pouco flexível
Hardware
SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Alternativas de implementaçãoAlternativas de implementação
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Software
Program Convolution
SEQ i=0 FOR 2 PAR IF (x[i]>= 0 c:= x[i], x[i]<0 c:= x[i]/2) IF (x[i+1]>= 0 d:= x[i+1], x[i+1]<0 d:= x[i+1]/2) PAR j=0 FOR 4 e[j]:= x[f(i,j)] PAR w := k*e[i] PAR j= 0 FOR 4 y[j] := y[j] + e[j]*(c+d)
Uso de componentesde prateleira (off-the-shelf)
Uso de componentesde prateleira (off-the-shelf)
Características- baixo custo- baixo custo- flexibilidade- flexibilidade- desempenho- desempenho- tamanho- tamanho
Software
SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Alternativas de implementaçãoAlternativas de implementação
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Program Convolution
SEQ i=0 FOR 2 PAR IF (x[i]>= 0 c:= x[i], x[i]<0 c:= x[i]/2) IF (x[i+1]>= 0 d:= x[i+1], x[i+1]<0 d:= x[i+1]/2) PAR j=0 FOR 4 e[j]:= x[f(i,j)] PAR w := k*e[i] PAR j= 0 FOR 4 y[j] := y[j] + e[j]*(c+d)
SW
HW
HW
Microprocessador
Circuitosespecíficos
Hardware/Software
SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Alternativas de implementaçãoAlternativas de implementação
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Passado
AltoCusto
System specificationSystem specification
ExplorationExploration
Sw designSw design
Implement, Integrate and testImplement, Integrate and test
Proc.Inf. Spec.
Proc.Inf. Spec.
ASICInf. Spec.
ASICInf. Spec.
Hw designHw design
Proc.C code
ASICRTL strc.
ASICRTL strc.
SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Processo de DesenvolvimentoProcesso de Desenvolvimento
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PresenteSystem specificationSystem specification
ExplorationExploration
Sw synthesis Highlevel synthesisSw synthesis Highlevel synthesis
Compilation Logic synthesis Physical designCompilation Logic synthesis Physical design
Proc.Inf. Spec.
ASICInf. Spec.
ASICInf. Spec.
MemoryVariables.
Proc.C code ASIC
RTL strc.
ASICRTL strc.
Memory
CosimulationCosimulation
SE::P & A::Metodologia de Projeto SE::P & A::Metodologia de Projeto
Processo de DesenvolvimentoProcesso de Desenvolvimento
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Presente/Futuro
Allocation Partitioning EstimationAllocation Partitioning Estimation
Sw synthesis Highlevel synthesisSw synthesis Highlevel synthesis
Compilation Logic synthesis Physical designCompilation Logic synthesis Physical design
Proc.Inf. Spec.
ASICInf. Spec.
ASICInf. Spec.
MemoryVariables.
Proc.C code ASIC
RTL strc.
ASICRTL strc.
Memory
CosimulationCosimulation
Behavior1 Behavior2Y=sqrt(x)X = x+1
Behavior3For I in 1,100 m(I)=n(I)+1
Memories Interfacing Arbitration GenerationMemories Interfacing Arbitration Generation
Hw/SwCo-design
SE::P & A::Metodologia de SE::P & A::Metodologia de Projeto Projeto
Processo de Processo de DesenvolvimentoDesenvolvimento
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Exame 2Exame 2
• O que diferencia o projeto de S.E. do projeto de aplicativos para computadores?
• Mencione pelo menos 5 restrições de projeto comuns em S.E.?
• Quais as vantagens e desvantagens de usar Software e/ou Hardware para implementar um S.E.?
• O que vem mudando na forma de projetar S.E. ao longo do tempo?
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Intro. a Sistemas EmbarcadosIntro. a Sistemas Embarcados
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura– Metodologia de projeto
– Hardware
– Software
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura– Metodologia de projeto
– Hardware
– Software
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura– Metodologia de projeto
– Hardware• Processadores• Memória• Periféricos
– Software
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SE::Projeto & Arquitetura::HardwareSE::Projeto & Arquitetura::Hardware Dispositivos Processadores
• Transformam, movem dados, tomam decisões e/ou executam ações.
• Não precisam ser programáveis
• Tipos:– Processadores de uso geral
– Processadores de Aplicação Específica
– Processadores de propósito único
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SE::P & A::Hw::ProcessadoresSE::P & A::Hw::Processadores
TecnologiaTecnologiaProcessadores variam na adequação ao problema
Processador de uso geral
Processador de
propósito único
Processador de aplicação específica
Funcionalidade
Desejada
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SE::P & A::Hw::ProcessadoresSE::P & A::Hw::Processadores Processadores de uso geralProcessadores de uso geral
• Programados via software
• Memória para dados e programa
• Vantagens– Pequenos time-to-market e
custo não recorrente
– Alta flexibilidade
• Ex: PowerPC, Pentium, Z80
+ + * /
Memória Disp. E/S
Processador
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SE::P & A::Hw::Processadores de Uso GeralSE::P & A::Hw::Processadores de Uso Geral Processadores p/ desktops• Facilidade para desenvolvimento de
software
• Necessário adicionar muitos dispositivos auxiliares
• Conjunto de instruções não ideal
• Alto consumo de energia
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SE::P & A::Hw::Processadores de Uso GeralSE::P & A::Hw::Processadores de Uso Geral Processadores Embarcados• Proc. de uso geral adaptados para
sistemas embarcados:– Dispositivos internos
– Menor potência
– Facilidade para desenvolver software
Produto Clock(MHz)
No.I/O
PortasSeriais
Timers/Contad.
CanaisDMA
WDT ControleInterrupção
RefreshDRAM
80386DX 16,20,25,33 0 Não 0 0 Não Não Não
80386EX 25 24 3 3 2 Sim Sim (8259A) Sim
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SE::P & A::Hw::ProcessadoresSE::P & A::Hw::Processadores Proc. de Aplicação Específica (ASIPs)Proc. de Aplicação Específica (ASIPs)
• Processador programável otimizado para uma classe de problema
• Características– Memória interna
– Unidade de Execução otimizada
– Periféricos especiais internos
• Vantagem– Bom compromisso entre flexibilidade, velocidade, tamanho e potência
• Ex: Microcontroladores (ex.Nitron, 8051) DSPs (Digital Signal Processors)
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SE::P & A::Hw::ProcessadoresSE::P & A::Hw::Processadores Proc. de Aplicação Específica (ASIPs)Proc. de Aplicação Específica (ASIPs)
• Projeto de ASIPs:
– O ASIP e seu compilador são projetados em paralelo (Hw-Sw co-design)
– Melhor escolha de implementação de instruções (em hardware ou em software)
43
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SE::P & A::Hw::Processadores::ASIPsSE::P & A::Hw::Processadores::ASIPs MicrocontroladoresMicrocontroladores• Não há consenso sobre a diferença de microcontroladores e processadores embarcados
• Nossa definição:– microcontroladores não são derivados de famílias de processadores de propósito geral e têm, normalmente, um poder de processamento menor.
• Para diversificar as opções, lançam-se famílias de microcontroladoes
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SE::P & SE::P & A::Hw::Processadores::ASIPs::MicrocontroladoresA::Hw::Processadores::ASIPs::Microcontroladores
Família NitronFamília Nitron• Lançada pela Motorola Semicondutores (Brasil) em
setembro/2002
• Vendeu mais de 1 milhão de unidades até dez/2002
• Mais de 40 milhões encomendados
• Prêmio "Product of the Year" como melhor lançamento do ano de 2002 (revista Electronic Products)
• Preço de $0.70 por unidade
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SE::P & SE::P & A::Hw::Processadores::ASIPs::MicrocontroladoresA::Hw::Processadores::ASIPs::Microcontroladores
Família NitronFamília Nitron• Baseado na família HC, com 8 ou 16 pinos
• Memória Flash (1,5 K a 4 Kbytes) reprogramável na aplicação
• Timer de dois canais de 16 bits, com comparação e PWM
• Conversor A/D de 8 bits e quatro canais
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SE::P & SE::P & A::Hw::Processadores::ASIPs::MicrocontroladoresA::Hw::Processadores::ASIPs::Microcontroladores
Família 8051• Fabricada por várias companhias como Philips, Atmel, Dallas Semiconductors, Intel
• Preços baixos
• Muitas opções
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SE::P & SE::P & A::Hw::Processadores::ASIPs::MicrocontroladoresA::Hw::Processadores::ASIPs::Microcontroladores
Família 8051Port
1Port
3
Port
2Port
0
Seri
al
Timer1
CPU RAM EPROM
Timer0Oscil.
Latc
hLa
tch
Latc
hLa
tch
DPTRPC
MBRInterrupt
Data Bus
Address Bus
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SE::P & SE::P & A::Hw::Processadores::ASIPs::MicrocontroladoresA::Hw::Processadores::ASIPs::Microcontroladores
Outras Outras Famílias• ARM da Intel, PIC da Microchip, Série HC da
Motorola e Transputers da SGS-Thomson.
• Escolha da família:
– fatores técnicos: velocidade, potência, tamanho, periféricos
– ambientes de desenvolvimento existentes
– conhecimento prévio do time de desenvolvimento
– facilidade de compra, número de fornecedores,etc.
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SE::P & A::Hw::ProcessadoresSE::P & A::Hw::Processadores
Seleção de ProcessadoresSeleção de Processadores
Processor Clock speed Periph. Bus Width MIPS Power Trans. Price General Purpose Processors
Intel PIII 1GHz 2x16 K L1, 256K L2, MMX
32 ~900 97W ~7M $900
IBM PowerPC 750X
550 MHz 2x32 K L1, 256K L2
32/64 ~1300 5W ~7M $900
MIPS R5000
250 MHz 2x32 K 2 way set assoc.
32/64 NA NA 3.6M NA
StrongARM SA-110
233 MHz None 32 268 1W 2.1M NA
Microcontroller Intel 8051
12 MHz 4K ROM, 128 RAM, 32 I/O, Timer, UART
8 ~1 ~0.2W ~10K $7
Motorola 68HC811
3 MHz 4K ROM, 192 RAM, 32 I/O, Timer, WDT, SPI
8 ~.5 ~0.1W ~10K $5
Digital Signal Processors
TI C5416 160 MHz 128K, SRAM, 3 T1 Ports, DMA, 13 ADC, 9 DAC
16/32 ~600 NA NA $34
Lucent DSP32C
80 MHz 16K Inst., 2K Data, Serial Ports, DMA
32 40 NA NA $75
Sources: Intel, Motorola, MIPS, ARM, TI, and IBM Website/Datasheet; Embedded Systems Programming, Nov. 1998
Sources: Intel, Motorola, MIPS, ARM, TI, and IBM Website/Datasheet; Embedded Systems Programming, Nov. 1998
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SE::P & A::Hw::ProcessadoresSE::P & A::Hw::Processadores Proc. de Propósito ÚnicoProc. de Propósito Único
• Circuito digital projetado para executar um único algoritmo
• Características– Contém apenas o necessário ao algoritmo
– Não tem memória de programa
• Vantagens– Projeto sob encomenda pode obter o melhor do tamanho,
potência, velocidade, mas perde em flexibilidade
• Ex: co-processadores e periféricos
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SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito Único SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito Único
Application-Specific Integrated Circuit-ASICApplication-Specific Integrated Circuit-ASIC
• Preço elevado inicial
• Perda de flexibilidade com relação a mudanças
• Uso depende dos requisitos de performance, consumo, tamanho, preço, etc.
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SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito Único SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito Único Field-Programable Gate Array – FPGAField-Programable Gate Array – FPGA
• Dispositivos de hardware programáveis
• Reconfigurável on-line (tipo RAM)
• Tipos de programação:
– tipo PROM, programáveis uma única vez
– tipo EPROM, re-programáveis em laboratório
– tipo RAM, re-programáveis durante a execução.
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SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito Único::FPGA Único::FPGA
FPGA - Bloco básicoFPGA - Bloco básicoSaída
Entrada
Look-upTable
ABCD
clock
X
Y
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SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito Único::FPGA Único::FPGA
FPGA: estrutura geralFPGA: estrutura geral
Blocos BásicosBlocos de I/O
Interconexões
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SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito SE::P & A::Hw::Processadores de Propósito Único::FPGA Único::FPGA
FPGA: estrutura geralFPGA: estrutura geral• Custo por unidade maior que o custo
unitário de um ASIC
• Não tem custo relacionado à fabricação da primeira unidade
Custo
Volume de Produção
ASIC
FPGA
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Especificação Especificação InicialInicialEspecificação Especificação InicialInicialSíntese algorítmicaSíntese algorítmica(alto nível)(alto nível)Síntese algorítmicaSíntese algorítmica(alto nível)(alto nível)
Process(x)Begin y := 0.22 + 0.889 x; i := 0; do until i > 3 loop y:= 0.5(y + x/y); i := i + 1; end do;
Process(x)Begin y := 0.22 + 0.889 x; i := 0; do until i > 3 loop y:= 0.5(y + x/y); i := i + 1; end do;
ComportamentoComportamento
LayoutLayout
ASICASIC
Process(x)Begin y := 0.22 + 0.889 x; i := 0; do until i > 3 loop y:= 0.5(y + x/y); i := i + 1; end do;
Process(x)Begin y := 0.22 + 0.889 x; i := 0; do until i > 3 loop y:= 0.5(y + x/y); i := i + 1; end do;
+ + * /
Controle ProcessamentoArquiteturaArquitetura
+ + * /
ArquiteturaArquitetura
EstruturaEstrutura
Alg.RTL
Comp.Estr.
Geom.
Síntese lógicaSíntese lógicaSíntese lógicaSíntese lógicaSíntese de layoutSíntese de layoutPrototipaçãoPrototipaçãoSíntese de layoutSíntese de layoutPrototipaçãoPrototipação
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System Design Logic Design Physical Design
Simulation Schematic entry Placement /Routing
Hierarchy,Generators
Logic-Level Synthesis
High-Level SynthesisSystem-Level Synthesis
homem-mês para 20KPortas
70
SE::P & A::Hw::Processadores::Implementação SE::P & A::Hw::Processadores::Implementação
Redução do Tempo de ProjetoRedução do Tempo de Projeto
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SE::P & A::Hw::Processadores::ImplementaçãoSE::P & A::Hw::Processadores::Implementação Lei de MooreLei de Moore• Uma tendência que se mantém e foi prevista em 1965 por Gordon Moore
Número de transistores praticamente dobra a cada 18 meses
10,000
1,000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
Tra
nsi
stor
es p
or
chip
(em
mil
hõe
s)
1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
Note: logarithmic scale
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 60
SE::P & A::Hw::Processadores::ImplementaçãoSE::P & A::Hw::Processadores::Implementação Lei de Moore: Ilustração Lei de Moore: Ilustração GráficaGráfica
1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002
10.000transistores
150.000.000transistores
Um chip de 2002 pode conter 15.000 chips de 1981
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 61
SE::P & A::Hw::Processadores::ImplementaçãoSE::P & A::Hw::Processadores::Implementação Produtividade de ProjetoProdutividade de Projeto
100,000
10,000
1,000
100
10
1
0.1
0.01
19831981 1987 1989 1991 19931985 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
Produtividade(K) Trans./Pessoa – Mës
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 62
SE::P & A::Hw::Processadores::ImplementaçãoSE::P & A::Hw::Processadores::Implementação Produtividade de Projeto X Produtividade de Projeto X Tam.ChipTam.Chip• O número de transistores por chip aumentou muito mais que a capacidade de projeto
• Maior chip em 1981 requer 100 homem.mês– 10.000 transistores / 100 transistores / mês
• Maior chip em 2002 requer 30.000 homem.mês– 150.000.000 / 5.000 transistores / mês
• Custo aumentou de $1M para $300M
10,000
1,000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
Tra
nsi
stor
es/c
hip
(mil
hõe
s)
100,000
10,000
1000
100
10
1
0.1
0.01
Pro
du
tivi
dad
e(K
) T
ran
s./H
omem
.Mês
1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
Capacidade do CI
produtividade
Gap
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 63
SE::P & A::Hw::Processadores::ImplementaçãoSE::P & A::Hw::Processadores::Implementação The mythical man-monthThe mythical man-month
• O problema é pior na realidade
• O aumento da equipe pode, em algum momento, tornar o projeto mais lento, devido a complexidade de gerenciamento e comunicação
• Esse efeito é conhecido na comunidade de software como “the mythical man-month” (Brooks 1975)
10 20 30 400
10000
20000
30000
40000
50000
60000
43
24
19
1615
1618
23
Tempo
Duração em meses
Designers
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 64
SE::P & A::Hw::Processadores::ImplementaçãoSE::P & A::Hw::Processadores::Implementação System-On-A-ChipSystem-On-A-Chip• Sistema completo implementado em um único chip
• Uso de núcleos de processadores (cores)
• Baixo custo de fabricação em série
• Alta qualidade
• Diminuição de defeitos de montagem e fabricação em geral
• Baixa potência consumida
• Pequeno tamanho
• Alta velocidade
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 65
SE::Projeto & Arquitetura::HardwareSE::Projeto & Arquitetura::Hardware MemóriaMemória
• Tipos básicos– Memória volátil
• Perde informações quando não tem energia
• Usada para armazenar dados
– Memória não-volátil• Mantém informações quando não tem
energia
• Usada para armazenar programas e dados permanentes (configuração)
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 66
SE::P & A::Hw::MemóriaSE::P & A::Hw::Memória Nomenclatura BásicaNomenclatura Básica
Memária volátil– RAM = Random Acces
Memory
– SRAM = Static RAM
– DRAM = Dynamic RAM
– VRAM - Video RAM
– WRAM - Windows RAM
Memória não-volátil– ROM = Read Only Memory
– PROM ou OTP = Programmable ROM ou One-Time Programmable
– EPROM = Erasable PROM
– EEPROM = Electrically Erasable PROM (apagamento byte a byte)
– Flash EPROM = Fast erasable EPROM (apagamento por bloco)
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 67
SE::P & A::Hw::MemóriaSE::P & A::Hw::Memória RAM Dinâmica vs. EstáticaRAM Dinâmica vs. Estática
• DRAM (Dynamic Random Acess Memory)– Grande capacidade de integração (baixo custo por Grande capacidade de integração (baixo custo por
bit)bit)
– Perda de informação após algum tempo: Perda de informação após algum tempo: Necessidade de refreshingNecessidade de refreshing
• SRAM (Static Random Acess Memory)– Pequeno tempo de acessoPequeno tempo de acesso
– Não existe necessidade de refreshingNão existe necessidade de refreshing
– Alto custo por bit (baixa integração)Alto custo por bit (baixa integração)
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 68
SE::P & A::Hw::MemóriaSE::P & A::Hw::Memória Características BásicasCaracterísticas Básicas
Tipo de Memória Categoria Apagamento Escrita Volatil
Random-Access Mem. (RAM)
Read-Write
Elétrico byte a byte
Elétrica Volátil
Read-Only Mem. (ROM)
Read-
I mpossível
Máscara
Programmable ROM (PROM)
only
Erasable PROM (EPROM)
Ultra-violeta Elétrica
não-
Electrically EPROM (EEPROM)
Read-mostly
Elétrico byte a byte
volátil
Flash EPROM Elétrico por bloco
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 69
SE::Projeto & Arquitetura::HardwareSE::Projeto & Arquitetura::Hardware PeriféricosPeriféricos• Teclados e Visores de cristal líquido
• Temporizadores e contadores
• Interfaces Seriais
• Transdutores
• Conversores Digital-Analógicos e Analógico-Digitais
• Modulação de largura de fase - PWM
• Motores de passo
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 70
SE::P & A::Hw::PeriféricosSE::P & A::Hw::Periféricos Timer(temporizador)/ContadorTimer(temporizador)/Contador• Dispositivo que gera interrupções em intervalos
regulares de tempo. Ex: Timer do 8051
TH0TH0 TL0TL0
CarryCarryCarry
InterruptClock/12
ContadoresContadores
Data BusData BusRDRD WR RDRD WRWR
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 71
SE::P & A::Hw::PeriféricosSE::P & A::Hw::Periféricos
TecladoTeclado
N1N2N3N4
M1M2M3M4
buffer
Controlador de Teclado
Tecla apertada
Código da Tecla
4
• Para saber se esta tecla está apertada, o controlador do teclado põe nível 1 em M2 e testa o valor de N3
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 72
SE::P & A::Hw::PeriféricosSE::P & A::Hw::Periféricos Interfaces SeriaisInterfaces Seriais
• Comunicação em que cada bit é enviado em seqüência por um único fio
Registradorde
Deslocamento Clock
Data BusData Bus
WriteWrite
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 73
SE::P & A::Hw::PeriféricosSE::P & A::Hw::Periféricos Interfaces SeriaisInterfaces Seriais
• Exemplo de Comunicação
Registradorde
DeslocamentoClock
Data BusData Bus
WriteWrite
Registradorde
DeslocamentoClock
Data BusData Bus
ReadRead
ReceptorReceptor TransmissorTransmissor
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 74
SE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces SeriaisSE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces Seriais
RS232RS232• RS232: Recommended Standard 232 da EIA
– Comunicações ponto a ponto
– Usado por modems, mouses e algumas impressoras
– Baixa imunidade a ruído
– Mencionado no padrão:
• limite de transmissão 20kbps
• distância máxima entre dispositivos: 15 metros
– Na prática:
• pode-se transmitir até cerca de 200kbps
• atinge 100m.
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 75
SE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces SeriaisSE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces Seriais
RS422 e RS485RS422 e RS485• Adequadas para condições adversas de
operação
• comunicação por pares de fio trançados
• velocidades superiores a 100Mbps
• distâncias de vários quilômetros
• conexão de vários dispositivos na mesma linha
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 76
SE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces SeriaisSE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces Seriais
Universal Serial Bus - USBUniversal Serial Bus - USB• Taxas de até 12Mbps
• Até 127 periféricos por linha
• Conexão com sistema ligado (hot plugging)
• Reconhecimento automático do dispositivo(Plug-and-Play)
• Microcontroladores dotados de interfaces USB
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 77
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces Sem-FioInterfaces Sem-Fio
InfravermelhoInfravermelho• IrDA (Infrared Data Association – 1993)
– Vários padrões de comunicação
• IrDA-Data, IrDA-Control, e o Air
– IrDA-Data
• ponto-a-ponto
• cone de incidência estreito (30º)
• distância máxima de 1 metro
• velocidades de 9600 bps a 16 Mbps.
– base instalada com alta taxa de crescimento.
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 78
SE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces Sem-FioSE::P & A::Hw::Periféricos::Interfaces Sem-Fio
BluetoothBluetooth• ondas de rádio• comunicação de voz e dados
• pequenas distâncias (10cm a 10m)
• ponto-a-multiponto (broadcast)
• faixa de frequência usada é de 2.4 GHz
• suporta rede de até 8 dispositivos
• fácil integração com protocolo TCP/IP.
• Várias companhias adotando como Motorola, Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba, Intel, entre outras.
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 79
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::
Visor de Cristal Líquido - LCDVisor de Cristal Líquido - LCD• vários modelos
– alfanuméricos, que só apresentam letras, números e caracteres de pontuação
– gráficos que permitem o acesso a cada ponto independentemente
• vários tamanhos
• com ou sem iluminação (backlight)
• interface, em geral, paralela.
• Ponto importante da interface com o usuário
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 80
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos:: TransdutoresTransdutores• Capazes de converter tipos de energia
• Exemplo: microfones de carvão– A pressão do ar (onda sonora) desloca o diafragma– que muda a densidade de partículas de carvão– variando a resistência elétrica– que produz uma onda elétrica similar à sonora
corrente
-+diafragma
Partículas de carvão
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 81
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos:: TransdutoresTransdutores
•A corrente elétrica variável é aplicada à bobina•que induz um campo magnético•que movimenta o diafragma•que desloca o ar formando uma onda sonora
SN imã
Diafragma
Bobina
corrente
• Alto-falante
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 82
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos:: TransdutoresTransdutores
• Materiais especiais
– piezzo-elétricos, são capazes de se expandir ou contrair de acordo com a voltagem (e vice-versa)
• sensores de pressão, peso, e em microfones e tweeters
– termopares, geram voltagens proporcionais à sua temperatura
– células fotoelétricas, geram voltagens ou modificam a resistência proporcionalmente à iluminação sobre elas
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 83
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos:: Conversores Conversores Analógico/DigitaisAnalógico/Digitais
• Conversão de valores analógicos (contínuos no tempo e na amplitude) em valores digitais (números binários)
Onda sonora
Onda elétrica
analógica
Valores binários(amostras temporais)
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 84
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::
Conversores Analógico/DigitaisConversores Analógico/Digitais
Relação de Valores
Vmax = 7.5V
0V
11111110
0000
0010
0100
0110
1000
1010
1100
0001
0011
0101
0111
1001
1011
1101
0.5V1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V
3.5V4.0V4.5V5.0V
5.5V6.0V6.5V7.0V
ConversãoAnalógico Digital
4
3
2
1
t1 t2 t3 t40100 1000 0110 0101
tempoEntrada Analógica
(V)
Saída Digital
ConversãoDigital Analógico
4
3
2
1
0100 1000 0110 0101
t1 t2 t3 t4tempo
Saída Analógica (V)
Entrada Digital
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 85
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::
Modulação de largura de pulso Modulação de largura de pulso (PWM)(PWM)
• Onda quadrada– definição do período
– definição do duty cycle (percentual do tempo em que o sinal fica em 1)
Período
30%30% 70%
Duty cycleDuty cycle
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 86
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::
Modulação de largura de pulso (PWM)Modulação de largura de pulso (PWM)
clkpwm
duty cycle 25% – tensão média = 1.25V
clkpwm
clkpwm
• Gera pulsos com “duty cycle” definido
• Controla a tensão média de um dispositivo externo (ex: motor, lâmpada)
– Mais simples que conversor DC-DC ou A/D
duty cycle 50% – tensão média = 2,5V
duty cycle 75% – tensão média = 3,75V
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 87
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::
Modulação de largura de pulso (PWM)Modulação de largura de pulso (PWM)
• Controle de motores de corrente contínua e de solenóides
Mola
Bobina
Imãpermanente
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 88
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::
Motores de PassoMotores de Passo
• Tipos de motores que giram “passo a passo”, girando alguns graus por vez
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 89
SE::P & A::Hw::Periféricos::SE::P & A::Hw::Periféricos::
Motores de PassoMotores de Passo
AA’BB’
Sequencia A B A’ B’ 1 + + - - 2 - + + - 3 - - + + 4 + - - + 5 + + - -
• Para rodar o motor é necessário seguir uma seqüência de acionamento das bobinas
• Existem controladores para facilitar esta tarefa
• Requer “driver” de potência
Q2
1K
1KQ1
+V
EntradaSaida
Driver de potência
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 90
Intro. a Sistemas EmbarcadosIntro. a Sistemas Embarcados
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura– Hardware
• Processadores• Memória• Periféricos
– Software
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura– Hardware
– Software
• Visão geral
• Projeto e Arquitetura– Hardware
– Software• Linguagens
• Sistemas operacionais de tempo real
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 91
SE::Projeto & Arquitetura::SoftwareSE::Projeto & Arquitetura::Software
Linguagens Empregadas• Segundo uma pesquisa recente da www.8052.com
– 49% assembly
– 33% C
– 5% Basic
– 3% Pascal
– 9% outras linguagens
• A previsibilidade no uso de recursos e tempo de execução é fundamental para sistemas críticos
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 92
SE::P & A::Sw::LinguagensSE::P & A::Sw::Linguagens
Linguagens orientadas a objetosLinguagens orientadas a objetos• Linguagens orientadas a objeto
– ciclo de desenvolvimento mais rápido
– melhores métodos de estruturação e modularização
– reutilização de objetos
– criação e destruição dinâmica de objetos, garbage collectors criam problemas para previsibilidade temporal e de alocação de memória
– Java, não há um modelo definido para o escalonamento das threads. Inviabiliza tempo real
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 93
• C e Assembly– Excelente controle do hardware e do tempo de execução
– Alta performance
– Dificuldades no desenvolvimento
– Assembly:
• Difícil modularização e reutilização
SE::P & A::Sw::LinguagensSE::P & A::Sw::Linguagens
Linguagens imperativasLinguagens imperativas
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 94
• Ada
– Projetada pelo Department of Defense dos EUA
• Esterel
– Voltada para sistemas reativos
– Baseada em eventos e ações
– Semelhante às linguagens visuais (ex. Visual Basic)
SE::P & A::Sw::LinguagensSE::P & A::Sw::Linguagens
Linguagens especiaisLinguagens especiais
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 95
SE::P & A::SoftwareSE::P & A::Software
Sistemas de Tempo RealSistemas de Tempo Real
• Sistemas computacionais de tempo real:– Tem aspectos temporais em sua especificação
– Submetidos a requisitos de natureza temporal
– Resultados devem estar corretos lógica e temporalmente “Fazer o trabalho usando o tempo disponível”
– Requisitos definidos pelo ambiente físico
• Aspectos temporais– Não estão limitados a uma questão de desempenho
– Estão diretamente associados com a funcionalidade
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 96
SE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo RealSE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo Real
STR e o AmbienteSTR e o Ambiente
STR
Ambiente
EstímulosSensores
RespostasAtuadores
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 97
SE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo RealSE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo Real
STR e o AmbienteSTR e o Ambiente
• Fluxo de controle definido pelo ambiente– Tarefas ativadas por estímulos do ambiente– STR geralmente não tem como limitar estes
estímulos
• Tempos de resposta ao ambiente definem deadlines
• Dados com prazos de validade– Dados desatualizados podem conduzir a
respostas incorretas
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 98
SE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo RealSE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo Real
Áreas de PesquisaÁreas de Pesquisa
• Escalonamento (mais estudado)
• Modelos e linguagens de programação
• Protocolos de comunicação
• Arquitetura de computadores
• Metodologias de desenvolvimento
• ...
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 99
SE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo RealSE::P & A::Sw::Sistemas de Tempo Real
Conceitos BásicosConceitos Básicos
Tarefa ( task )• Segmento de código cuja execução possui atributo temporal próprio• Exemplo: método em OO, subrotina, trecho de um programa
Deadline• Instante máximo desejado para a conclusão de uma tarefa
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 100
SE::P & A::Sw::STR:: Conceitos BásicosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos Básicos
CriticidadeCriticidadeSistema de tempo real crítico (Hard real-time system)
• Todas as tarefas têm Hard Deadline
– Perda do deadline pode ter conseqüências catastróficas
• É necessário garantir requisitos temporais ainda durante o projeto
• Exemplo: usina nuclear, industria petroquímica, mísseis
Sistema de tempo real não crítico (Soft real-time system)
• O requisito temporal descreve apenas o comportamento desejado
• Perda do deadline não tem conseqüências catastróficas
• Existe interesse em terminar a tarefa mesmo com atraso
• Exemplo: início de gravação de vídeo-cassete
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 101
SE::P & A::Sw::STR:: Conceitos BásicosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos Básicos
CriticidadeCriticidade
Deadline Firm
• Perda do deadline não tem conseqüências catastróficas
• Não existe valor em terminar a tarefa após o deadline
• Exemplo: ler o valor da temperatura
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 102
SE::P & A::Sw::STR:: Conceitos BásicosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos Básicos
Modelagem das TarefasModelagem das Tarefas
• Deadline – Tempo máximo para término de uma tarefa
• Release-time – Tempo mínimo para início de uma tarefa
• Tempo de execução: considera o pior caso
– WCET – Worst-Case Execution Time
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 103
SE::P & A::Sw::STR:: Conceitos BásicosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos Básicos
Modelagem das TarefasModelagem das Tarefas
• Periodicidade
– Tarefas Aperiódicas
• São disparadas em intervalos imprevisíveis de tempo
• Não garantem escalonabilidade
– Tarefas Esporádicas
• É conhecido o intervalo mínimo entre execuções (inter-arrival time)
– Tarefas Periódicas
• Devem ser executadas em intervalos regulares de tempo
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 104
SE::P & A::Sw::STR:: Conceitos BásicosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos Básicos
Modelagem das TarefasModelagem das Tarefas
• Folga (slack) = deadline – liberação – tempo de execução
• Atraso = MÁX( 0, conclusão – deadline)
deadlineChegada(arrival)
Liberação(release)
Início(start time)
Conclusão(end time)
tempo de execução(execution time)
atraso na liberação(release jitter)
tempo
Tempo de resposta (response time)
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 105
SE::P & A::Sw::STR:: ConceitosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos::::Modelagem das Modelagem das TarefasTarefas
Tarefas PeriódicasTarefas Periódicas
A1
tempo
P
D
a1 r1 s1 e1 d1
A2
P
D
a2=r2 s2 e2 d2
J1
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 106
SE::P & A::Sw::STR:: ConceitosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos::::Modelagem das Modelagem das TarefasTarefas
Tarefas EsporádicasTarefas Esporádicas
E1
tempo
minIT
D
a1 s1 e1 d1
E2
minIT
D
a2=s2 e2 d20
evento1evento2
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 107
SE::P & A::Sw::STR:: ConceitosSE::P & A::Sw::STR:: Conceitos::::Modelagem das Modelagem das TarefasTarefas
Relações entre tarefasRelações entre tarefas• Relações entre tarefas
– Precedência: XY• A tarefa X deve terminar antes de Y começar
– Exclusão mútua: XY• As tarefas X e Y não podem executar simultaneamente
– Co-execução: X||Y• As tarefas X e Y têm que executar simultaneamente
– Preempção: XY• A tarefa X é interrompida para que Y possa executar e, após o
término de Y, a tarefa X continua a executar
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 108
Abordagens deMelhor Esforço
Abordagens com Garantiaem Tempo de Projeto
ExecutivoCíclico
Dirigido aPrioridades
TécnicasAdaptativas
Abordagens comGarantia Dinâmica
SE::P & A::Sw::STR SE::P & A::Sw::STR
EscalonamentoEscalonamento
Métodos de Escalonamento
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 109
Escalonamento de ProcessosEscalonamento de Processos AbstraçãoAbstração
• Uma máquina para cada processo
• Paralelismo real
T11
T12
T0
P1
P2
P3
T22P3
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 110
Escalonamento de ProcessosEscalonamento de Processos
RealidadeRealidade
• Compartilhamento do tempo
• Pseudoparalelismo
T11T12
T0 T22T0
1 121905141 t70
P1
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 111
Tipos de EscalonamentoTipos de Escalonamento
PreemptivoPreemptivo• Permite a suspensão temporária de processos
• Quantum ou time-slice: período de tempo durante o qual um processo usa o processador a cada vez
T11T12
T0 T22T0
1 121905141 t70
P1
Preempção
Quantum grande: Diminui núm. de mudanças de contexto e overhead do S.O. Ruim para processos interativos
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 112
Escalonamento de ProcessosEscalonamento de Processos
ProcessoProcesso• Estados de um processo
Pronto Rodando
Bloqueado
Criação TérminoID do Processo
Estado
Program Counter
Ponteiros da MemóriaContexto (regs.)
I/O Status
Prioridade
Informações gerais• tempo de CPU• limites, usuário, etc.
Process Control Block - PCB
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 113
Filas de Filas de EscalonamentoEscalonamento
Long-term
queue
Short-term
queueCPU
I/Oqueue
I/Oqueue
I/Oqueue
I/O
I/O
I/O
Processrequest FIM
High-levelscheduling
Short-termscheduling
I/O scheduling
InterruptHandler
Interruptof process
Interrupt from I/O
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 114
Tipos de EscalonamentoTipos de Escalonamento
Round-RobinRound-Robin• Uso de uma lista de processos sem
prioridade• Escalonamento preemptivo• Simples e justo• Bom para sistemas interativos
Tar. BContextoTar. BContexto
Tar. CContextoTar. CContexto
CPU:RunningCPU:Running
Tar. AContextoTar. AContexto
Tar. AContextoTar. AContexto
Tar. AContexto
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 115
Tipos de EscalonamentoTipos de Escalonamento
First-In First-Out (FIFO)First-In First-Out (FIFO)
• Uso de uma lista de processos sem prioridade
• Escalonamento não-preemptivo
• Simples e justo
• Bom para sistemas em batch B C D E F … N B C D E F … NCPUCPU
A
FIM
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 116
Tipos de EscalonamentoTipos de Escalonamento
ExemploExemplo
• Três processos
• Cada um consome 1 hora de CPU
• Calcule o tempo de resposta considerando
a) Round-robin (time-slice = 10ms)
b) FIFO
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 117
Características de Características de EscalonamentoEscalonamento• Justiça (fairness)
– Todos os processos têm chances iguais de uso dos processador
• Eficiência– O objetivo é manter o processador 100% ocupado
• Tempo de Resposta– Tempo entre a requisição da ação e a obtenção do resultado
• Throughput– Número de tarefas por unidade de tempo
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 118
SE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoSE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoGarantia Dinâmica e de Melhor EsforçoGarantia Dinâmica e de Melhor Esforço• Não existe garantia que os deadlines serão cumpridos
• Sempre que uma tarefa é ativada ocorre uma análise da sua escalonabilidade
• Passível de sofrer sobrecarga
• Capaz de fornecer análise probabilística– Simulação, teoria das filas de tempo real, etc
• Algumas abordagens oferecem Garantia Dinâmica– Garante o deadline (ou não) no início da ativação
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 119
SE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoSE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoGarantia Dinâmica e de Melhor EsforçoGarantia Dinâmica e de Melhor Esforço
Descarte de Tarefas na Sobrecarga • As tarefas executadas cumprem o deadline
• Mais apropriado para tarefas com deadline firm
• Pode cancelar ativações individuais ou tarefas completas
• Objetivo é maximizar o número de tarefas executadas
• Tarefas podem ter importância (peso) diferentes
– Maximiza o somatório dos pesos das tarefas executadas
• Abordagem semelhante: aumenta o período das tarefas
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 120
SE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoSE::P & A::Sw::STR::Escalonamento
Garantia Dinâmica e de Melhor EsforçoGarantia Dinâmica e de Melhor Esforço
Perda de deadlines na sobrecarga• Em sobrecarga ATRASA algumas tarefas
• Possui uma função que indica o valor de cada tarefa em função do seu instante de conclusão (time-value function)
• Objetivo é maximizar o valor total do sistema (somatório de todas as tarefas)
d0
valor
Tempo de Resposta
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 121
SE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoSE::P & A::Sw::STR::Escalonamento
Garantia Dinâmica e de Melhor EsforçoGarantia Dinâmica e de Melhor EsforçoRedução da Precisão na Sobrecarga• Em sobrecarga diminui a precisão de algumas tarefas
• Objetivo é fazer o possível dentro do tempo disponível
• Exemplos:
– Ignorar bits menos significativos de cada pixel
– Trabalhar com amostras de áudio menos precisas
– Alterar resolução e tamanho de imagem na tela
– Simplificar animações
– Usar algoritmos de controle mais simples
– Interromper pesquisa em algoritmos de inteligência artificial
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 122
Sistemas de Prioridade Dinâmica
• Earliest-Deadline-First (EDF)– Escalonamento preemptivo de prioridade dinâmica
– O deadline é calculado quando a tarefa é disparada.
– O escalonador põe para executar a tarefa com menor deadline
• Least Slack Scheduling– Escalonamento não-preemptivo de prioridade dinâmica
– A tarefa com menor sobra (slack) tem maior prioridade
SE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoSE::P & A::Sw::STR::Escalonamento
Garantia Dinâmica e de Melhor EsforçoGarantia Dinâmica e de Melhor Esforço
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 123
SE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoSE::P & A::Sw::STR::Escalonamento
Abordagens com Garantia em ProjetoAbordagens com Garantia em Projeto
• Para obter garantias em projeto é necessário:
– Conhecimento completo das tarefas e do método de implementação
– Análise feita em projeto
– Carga limitada e conhecida
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 124
SE::P & A::Sw::STR::EscalonamentoSE::P & A::Sw::STR::Escalonamento
Abordagens com Garantia em ProjetoAbordagens com Garantia em Projeto
• Vantagens
– Determina em projeto que todos os deadlines serão cumpridos
– Necessário para aplicações críticas
• Desvantagens
– Necessário conhecer exatamente a carga
– Necessário reservar recursos para o pior caso
– Difícil determinar o pior caso em soluções off- the- shelf
– Gera enorme subutilização de recursos
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 125
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em ProjetoProjeto
Modelos de ImplementaçãoModelos de Implementação• Time-driven systems
– Sistemas em que a execução é regida pelo tempo
– Não existe outra fonte de eventos além do timer interno
– A ordem de execução é toda definida a priori
• Event-driven systems– A execução é regida por eventos externos e eventos do timer
– A garantia em projeto se dá pelo uso de prioridades fixas para as tarefas
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 126
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Time-Driven SystemsTime-Driven Systems
Executor Cíclico
• Tarefas são arranjadas numa lista que define a ordem e tempo de execução de cada uma
• Cada tarefa é colocada em execução em momentos controlados por um temporizador (timer)
• A lista é executada repetidamente, caracterizando ciclos de execução
• Não é usada concorrência: tarefas grandes devem ser quebradas manualmente se necessário.
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 127
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Time-Driven Systems: Time-Driven Systems: Exemplo 1Exemplo 1• Considere 4 funções com as seguintes características:
– Função 1: ciclo de 50Hz (20ms)
– Função 2: ciclo de 25 Hz (40ms)
– Função 3: ciclo de 12,5 Hz (80ms)
– Função 4: ciclo de 6,25Hz (160ms)
Ciclo Principal (160ms) Ciclo Principal (160ms)
10ms
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 128
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Time-Driven Systems: Time-Driven Systems: Exemplo 2Exemplo 2
20 50
0 50
10 60 70
C ( = 20) D ( = 20)
A ( = 20)
Relations: A C B C
Processor1
Processor2
40 80
20
30
d’Ar’A
d’B d’C d’Dr’C r’B, r’
D
B ( = 20)cB cCcD
cA
20 50
0
10 60 70
B ( = 20)C ( = 20) D ( = 20)
A ( = 20)
Relations: C A B C
Processor1
Processor2
40 80
30
30
d’Ar’A
d’B d’Dr’C d’Cr’,BD
cBcCcD
cA
50
r’
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 129
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Time-Driven Systems: Time-Driven Systems: Exemplo 3Exemplo 3Relations: A B, B C, C D
Relations: B A, B C, C D
20 60 70
1
2
9540 100
4025
d’C
d’D
r’C
r’A d’A r’D
0
r’B
5
d’Er’E
45 55
D
80
E
60
d’B
C
B
70
2
95
4525
d’C
d’D
r’C
r’,A r’D
0
r’B
5
d’Er’Ed’A
45 55 80
60
d’B
25
C
EDA B
75
A
Relations: A B, B C, C D
Relations: B A, B C, C D
20 60 70
1
2
9540 100
4025
d’C
d’D
r’C
r’A d’A r’D
0
r’B
5
d’Er’E
45 55
D
80
E
60
d’B
C
B
70
2
95
4525
d’C
d’D
r’C
r’,A r’D
0
r’B
5
d’Er’Ed’A
45 55 80
60
d’B
25
C
EDA B
75
A
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 130
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Time-Driven Systems: Executor CíclicoTime-Driven Systems: Executor Cíclico
Função 1
Função 2
Função 3
Função 4
Disp. E/S
Disp. E/S
ExecutorCíclico
Interrupçãodo Timer
• Arquitetura de Software
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 131
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Event-Driven SystemsEvent-Driven SystemsSistemas de Prioridade Fixa• Tarefas têm prioridades definidas em tempo de projeto
• Tarefas de maior prioridade preemptam as de menor prioridade
• Prioridades são definidas com base nas restrições temporais
• A concorrência requer mecanismos para evitar deadlock e inversão de prioridade (exemplo: semáforos, herança de prioridade)
• Para garantir respostas previsíveis, tarefas aperiódicas não são tratadas
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 132
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Event-Driven SystemsEvent-Driven SystemsSistemas de Prioridade Fixa• Escalonamento Rate-Monotonic (RMS)
– Escalonamento preemtivo de prioridade fixa
– Tarefas mais freqüentes têm maior prioridade
– Os deadlines devem ser iguais aos períodos
– Tarefas não têm nenhuma relação entre si (precedência, exclusão, etc)
– É ótimo, ou seja, nenhum outro método é melhor que este com estas condições
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 133
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Event-Driven SystemsEvent-Driven Systems
Sistemas de Prioridade Fixa
• Deadline-Monotonic Scheduling:
– Semelhante ao RMS, mas quanto menor o deadline da tarefa maior sua prioridade
– Os deadlines são fixos e relativos aos começos dos períodos
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 134
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Event-Driven SystemsEvent-Driven Systems
Tarefa 1
Tarefa 2
Tarefa 3
Tarefa 4
Disp. Entrada
Interrupçãodo Timer
Recurso 1
Recurso 2
Atuador
Disp. SaídaSensor
Arquitetura de Software
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 135
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Event-Driven SystemsEvent-Driven SystemsAnálise de EscalonabilidadeEscalonamento Rate-Monotonic (RMS)• Notação:
Processo: pi Período: Ti Tempo de Computação: Ci
Deadline: Di
• Em um conjunto de n processos periódicos independentes escalonados pelo RMS sempre obedecerá o seu deadline se (condição suficiente mas não necessária):
onde, U(n) é o limite de utilização para n processos.
n U(n) 69%
12...1
1
1 n
n
n nnUTC
TC
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 136
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Event-Driven SystemsEvent-Driven SystemsEscalonamento Rate-Monotonic (RMS)
• U(n) = 1,0 se o conjunto de tarefas é harmônico– Um conjunto de tarefas é harmônico se os períodos
de todas as tarefas são múltiplos ou sub-múltiplos entre si
• U(n) = 0,88 na média de tarefas randômicas
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 137
SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em SE::P & A::Sw::STR::Escalonamento::Garantia em Projeto Projeto
Event-Driven SystemsEvent-Driven SystemsAnálise de Escalonabilidade • Análise baseada em Tempo de Resposta
• Calcula tempo de resposta no pior caso e compara ao deadline
• Para a tarefa mais prioritária R1 = C1
• Demais tarefas sofrem interferência das tarefas com prioridade maior
Neste caso, Ri = Ci + Ii
• Interferência é máxima a partir do Instante Crítico– Instante onde todas as tarefas são liberadas simultaneamente
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 138
Garantia em Projeto :: Event-Driven SystemsGarantia em Projeto :: Event-Driven Systems
Análise de EscalonabilidadeAnálise de Escalonabilidade
Interferência entre tarefas
Seja Pj uma tarefa com prioridade maior que Pi– Quantas vezes Pj pode acontecer durante a execução de Pi ?
Ri/Tj
– Qual a interferência total de Pj sobre Pi ?
Ri/Tj x Cj
– Qual a interferência total sobre Ti ?
∑ Ri/Tj x Cj, onde Pri(j)>Pri(i)
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 139
Garantia em Projeto :: Event-Driven SystemsGarantia em Projeto :: Event-Driven Systems
Análise de EscalonabilidadeAnálise de EscalonabilidadeO tempo máximo de resposta de pi é Ri = Ci + Ii
Ri = Ci + ∑ Ri/Tj x Cj
O cálculo é feito recursivamente em iterações sucessivas, até:– Tempo de resposta passar do deadline (falha)
– Resultado convergir, ou seja, iteração x+ 1 igual a iteração x
Wix+1 = Ci + ∑ Wi
x/Tj x Cj, onde Wi0= Ci
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 140
Garantia em Projeto :: Event-Driven SystemsGarantia em Projeto :: Event-Driven Systems
Análise de EscalonabilidadeAnálise de Escalonabilidade
Exemplo
p1 p2 p3
T1=7 T2=12 T3=20
C1=3 C2=3 C3=5
Pri1=1 Pri2=2 Pri3=3
Resposta:
R1 = 3 R2 = 6 R3 = 20
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 141
Garantia em Projeto :: Event-Driven SystemsGarantia em Projeto :: Event-Driven Systems
Análise de EscalonabilidadeAnálise de Escalonabilidade
Suponha uma tarefa esporádica liberada por evento externo
– Eventos podem ser amostrados periodicamente
– Sinalização do evento pode ter atraso variável
– Release Jitter: Atraso máximo na liberação da tarefaRi = Ji + Wi, Wi = Ci + ∑ (Wi+Jj)/Tj x Cj
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 142
Garantia em Projeto :: Event-Driven SystemsGarantia em Projeto :: Event-Driven Systems
Análise de EscalonabilidadeAnálise de Escalonabilidade
Bloqueios
• Ocorrem devido às relações de exclusão mútua
• Suponha p1 e p2, p1 com maior prioridade– Se p2 fica bloqueada esperando por p1
Ok, p1 tem mesmo prioridade superior
– Se p1 fica bloqueada, esperando por p2Cálculo do tempo de resposta deve incluir a espera máxima Bi
Ri = Ji + Wi
Wi = Ci + Bi + ∑ (Wi+Jj)/Tj x Cj
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 143
Garantia em Projeto :: Event-Driven SystemsGarantia em Projeto :: Event-Driven Systems
Análise de EscalonabilidadeAnálise de Escalonabilidade
• Seções Críticas e Inversão de Prioridades
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 144
Garantia em Projeto :: Event-Driven SystemsGarantia em Projeto :: Event-Driven Systems
Análise de EscalonabilidadeAnálise de Escalonabilidade
• Protocolo de Herança de Prioridades
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 145
Sistemas Operacionais de Tempo Sistemas Operacionais de Tempo RealReal
• Escalonamento preemptivo
• Escalona processos com base em prioridades (não é justo, pode provocar starvation)
• Todas as chamadas ao S.O. tem tempo máximo de execução definido e otimizado
• A mudança de contexto tem tempo limitado, conhecido (fixed overhead) e otimizado
• Tratamento de inversão de prioridade
Sérgio Cavalcante - CIn/UFPE Introdução aos Sistemas Embarcados 146
ReferênciasReferências
• Livro de Sistemas de Tempo RealJean- Marie Farines, Joni da Silva Fraga, Rômulo Silva de Oliveira. Escola de Computação’2000 - IME- USPhttp:// www. lcmi. ufsc. br/ gtr/ livro/ principal. Htm
• IEEE Computer Society, Technical Committee on Real- Time Systems (IEEE- CS TC- RTS)http:// www. cs. bu. edu/ pub/ ieee- rts
• The Concise Handbook Of Real-Time Systems.TimeSys Corporation, Versão 1.1, 2000.http://www.timesys.com