UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y DISEÑO 15765 SISTEMAS EMPOTRADOS PRESENTA: DR. EVERARDO INZUNZA GONZÁLEZ Profesor – Investigador Email:[email protected] Tel. 175 0744 Ext. 64321 Ensenada Baja California; a febrero del 2016. 1 COMPETENCIA DEL CURSO Diseñar e implementar sistemas empotrados utilizando sistemas en tiempo real comerciales para la solución de problemas en forma analítica y eficiente, ordenada y disciplinada. 2 CONTENIDO DEL CURSO I. Introducción a la arquitectura de sistemas de alta escala. II. El Kernel en tiempo real y técnicas de interconexión. III. Programación en C para microprocesadores empotrados de 32 Bits. IV. Programación en Python para microprocesadores empotrados de 32 bits. V. Programación en Octave para microprocesadores empotrados de 32 bits. VI. Tratamiento digital de señales mediante procesadores empotrados de 32 bits. VII. Procesamiento digital de imágenes con procesadores empotrados de 32 bits. 3 Evidencia del Desempeño (Proyecto Final) q Implementar un sistema embebido utilizando una plataforma de tiempo real donde el alumno demuestre las habilidades adquiridas en el curso para la solución de un problema de medición, procesamiento de datos, así como entradas y salidas de datos (manejo de teclado, pantallas LCD/Touch, cámara digital). Ejemplos de proyectos (EMPLEANDO EL INTERNET DE LAS COSAS) Implementación de un GPS empleando un procesador embebido de 32 bits Detector de sismos/ con monitoreo por internet Automatización/alarma de una casa con monitoreo por internet Estación climatológica/ con monitoreo por internet Robot manipulador/controlado remotamente empleando el internet Instrumento para medición de tres variables físico/químicas con procesamiento de los datos/internet 4 Conocimientos previos Ø Diseño digital Ø Microcontroladores Ø Lenguaje ensamblador Ø Procesamiento digital de señales Ø Programación en C, C++, MatLab 5 BIBLIOGRAFÍA Embedded Systems: Introduction to ARM® CortexTM-M Microcontrollers Jonathan W Valvano CreateSpace Independent Publishing Platform Año 2012, Quinta Edición Embedded Systems Architecture Tammy Noergaard Newnes Año 2012, Segunda Edición Embedded Systems Glossary Michael Barr Netrino Technical Library Año 2007 Embedded systems design Heath, Steve EDN series for design engineers 2da edición Año 2003 6 BIBLIOGRAFÍA Raspberry Pi, User Guide Eben Upton, Gareth Halfacree Wiley ISBN: 978-1-118-92166-1 Programming the Raspberry Pi, Getting Started with Python Simon Monk Mc-Graw Hill ISBN: 978-0-07-180783-8 Raspberry Pi, Projects for the Evil Genius Donald Norris Mc-Graw Hill ISBN: 978-0-07-182158-9 Adventures in Raspberry Pi Carrie Anne Philbin Wiley ISBN: 978-1-119-04602-8 7 FORMA DE EVALUAR SISTEMAS EMPOTRADOS • Exámenes teóricos y prácticos (4 parciales) 50%. (Promedio min. 60 para exentar ordinario). • Laboratorio 20% • Proyecto 20% • Tareas 10% Ø REQUISITOS PARA ACREDITAR EL CURSO 1. Haber acreditado el laboratorio. 2. Cumplir con las asistencias establecidas en el reglamento. 3. Haber entregado el proyecto Final. (Equipos de 3 personas máx.) Nota: El alumno que no cumpla con alguno de los requisitos anteriores no tendrá derecho a calificación Ordinaria. Dr. Everardo Inzunza G. Firma del profesor Nombre y firma del representante de grupo 8 FORMA DE EVALUAR LABORATORIO DE SIST. EMPOTRADOS Ø REQUISITOS PARA ACREDITAR EL LABORATORIO 1. Cumplir con el 80% de asistencia. 2. Entregar el 90% de las prácticas (Experimentos y reportes). 3. Entregar proyecto final. 4. Aprobar examen práctico Dr. Everardo Inzunza G. Firma del profesor Nombre y firma del representante de grupo 9 ÍNDICE DE PRESENTACIÓN Ø INTRODUCCIÓN A LA ARQUITECTURA DE SISTEMAS DE ALTA ESCALA 10 q INTRODUCCIÓN Ø SISTEMA EMPOTRADO/EMBEBIDO Un sistema embebido (anglicismo de embedded) o empotrado (integrado, incrustado) es un sistema de computación diseñado para realizar una o varias tareas dedicadas, usualmente en un sistema de computación en tiempo real [Michael Barr, 2007] y [Heath Steve, 2003]. Al contrario de lo que ocurre con las computadoras de propósito general (por ejemplo una PC) que están diseñadas para cubrir un amplio rango de necesidades, los sistemas embebidos se diseñan para cubrir necesidades específicas. 11 Sistemas embebidos En un sistema embebido la mayoría de los componentes se encuentran incluidos en una placa base (la tarjeta de video, audio, módem, etc.) y muchas veces los dispositivos resultantes no tienen el aspecto de lo que se suele asociar a una computadora personal. Un ejemplo de un sistema embebido. Las partes marcadas incluyen un microprocesador (4), RAM (6), y una memoria flash (7). 12 Detalles que incluye el ejemplo de sistema embebidos Esta imagen muestra la parte interna de un Modem/Router Netgear DG632 ADSL. Este actua como un ruteador entre un puerto ethernet y una conexión a internet de banda ancha tipo ADSL. Las partes etiquetadas son: 1. Telephone decoupling electronics (for ADSL). 2. Multicolour LED (displaying network status). 3. Single colour LED (displaying USB status). 4. Main processor, a TNETD7300GDU, a member of Texas Instruments AR7 product line. 5. JTAG (Joint Test Action Group) test and programming port. 6. RAM, a single ESMT M12L64164A 8 MB chip. 7. Flash memory, obscured by sticker. 8. Power supply regulator. 9. Main power supply fuse. 10. Power connector. 11. Reset button. 12. Quartz crystal. 13. Ethernet port. 14. Ethernet transformer, Delta LF8505. 15. KS8721B ethernet PHY transmitter receiver. 16. USB port. 17. Telephone (RJ11) port. 18. Telephone connector fuses. 13 Introducción a los sistema embebidos Algunos ejemplos de sistemas embebidos podrían ser dispositivos como un taxímetro, un sistema de control de acceso, la electrónica que controla una máquina expendedora o el sistema de control de una fotocopiadora entre otras múltiples aplicaciones. Por lo general los sistemas embebidos se pueden programar directamente en el lenguaje ensamblador del microcontrolador o microprocesador incorporado sobre el mismo, o también, utilizando los compiladores específicos, pueden utilizarse lenguajes como C o C++; en algunos casos, cuando el tiempo de respuesta de la aplicación no es un factor crítico, también pueden usarse lenguajes interpretados como JAVA, PYTHON, OCTAVE. 14 Introducción a los sistema embebidos Debido a que los sistemas embebidos se pueden fabricar por decenas de millares o por millones de unidades, una de los principales objetivos es reducir los costos. Los sistemas embebidos suelen usar un procesador relativamente pequeño y una memoria pequeña para ello. Los primeros equipos embebidos que se desarrollaron fueron elaborados por IBM en los años 80’s. Un programa de sistema embebido normalmente se enfrenta a tareas de procesamiento en tiempo real. 15 Introducción a los sistema embebidos - Componentes de un sistema embebido En la parte central se encuentra un Microprocesador, o bien un microcontrolador ó un DSP (Digital Signal Processor) por lo general incluyen una memoria RAM interna. Puertos de Comunicación RS-232, Ethernet, SPI, I2C, CAN, USB, HDMI, Wi Fi, GSM, GPRS, etc. En ocasiones puede contener una pantalla gráfica, táctil, LCD, alfanumérica, etc. Módulo de Entradas/Salidas analógicas y digitales. Módulo de reloj. El subsistema de energía. 16 Introducción a los sistema embebidos - Ejemplos de sistemas embebidos (INTEL Galileo) La tarjeta de desarrollo Intel® Galileo Gen 2 contiene un procesador de aplicaciones Intel® Quark SoC X1000 (sistema en un chip (SoC)) Intel® Pentium® de 32-bit. Es la primera tarjeta con arquitectura Intel® diseñada para ser compatible con software y hardware con cubiertas diseñadas para el Arduino UNO R3. Esta plataforma proporciona la facilidad del desarrollo de la arquitectura Intel a través de soporte para Microsoft Windows*, Mac OS* y los Intel Galileo Gen 2 Board Single GALILEO2 sistemas operativos de host, Linux*. También trae la simplicidad del software de entorno de desarrollo integrado (IDE) Arduino. Además contiene un ranura PCI Express, puerto Ethernet 100Mb, ranura Micro –SD, puerto UART, Puerto USB, NOR Flash de 8 MB y salida PWM. 17 Introducción a los sistema embebidos - Arquitectura de la tarjeta INTEL Galileo 18 Introducción a los sistema embebidos - Ejemplos de sistemas embebidos – Beagle board ó Beaglebone Procesador: AM335x 1GHz ARM® Cortex-A8 512MB DDR3 RAM 4GB 8-bit eMMC on-board flash storage 3D graphics accelerator NEON floating-point accelerator 2x PRU 32-bit microcontrollers Conectividad USB client for power & communications USB host Ethernet HDMI 2x 46 pin headers Compatibilidad de Software Linux Debian Android Ubuntu Cloud9 IDE on Node.js w/ BoneScript library Robustez para aplicaciones industriales C, C++ 19 Introducción a los sistema embebidos - Ejemplos de sistemas embebidos – Otras opciones interesantes (Con procesadores ARM) En placas: OlinuXino, o-doidx, arndale, wandboard, etc. En caja: Cubie board, Rikomagic Cubox-I, Utilite, etc. 20 Introducción a los sistema embebidos - Ejemplos de sistemas embebidos – Otras opciones interesantes con gran rendimiento computacional 21 TAREA #1 Investigar la historia de Raspberry Pi q Fecha de pre-lanzamiento y lanzamiento a la venta q Inventores q País de orígen q Modelos fabricados y sus específicaciones técnicas q Sistemas operativos que pueden ejecutar 22 Introducción a los sistema embebidos - Ejemplos de sistemas embebidos – Raspberry Pi 2 Modelo B Microprocesador ARM Cortex-A7 CPU 900MHz Quad-Core Opcional Overclocking a 1.1 GHz Memoria RAM 1GB Tambien contiene: 4 puertos USB 40 pines GPIO