Sistemas embebidos basados en FPGAs para instrumentación

Transcripción

1 Sistemas embebidos basados en FPGAs para instrumentación Introducción a los sistemas de instrumentación basados en microprocesador Guillermo Carpintero del Barrio

2 Introducción al contenido de la asignatura Sistema de instrumentación: esquema de bloques Transductor Acond. señal A/D Procesamiento de datos: Almacenamiento Visualización Comunicación Tratamiento de datos Extracción de información Tarjeta de adquisición de datos + SW 2

3 Introducción al contenido de la asignatura Sistema de instrumentación: integración en sistemas embebidos Transductor + Acond. señal Transductor + Acond. señal + conversión V-f Microcontrolador Microcontrolador Smart sensors Visualización de datos Tratamiento de datos Comunicación de datos Transd. + Acond. + A/D + interfaz Microcontrolador 3

4 Introducción al contenido de la asignatura Sistema de instrumentación: intelligent sensors Sensor o sensores Extracción automática de información Distintas plataformas: PC DSP o µcontrolador FPGAs Algoritmos Autocalibración Autotest Extracción de características Soft-sensor. 4

5 Introducción al contenido de la asignatura Sistema de instrumentación embebidos: aplicaciones Domótica - Electrodomésticos - Consolas - Iluminación - Climatización - Seguridad Automoción - ABS - Sistemas de navegación - Control del motor Sistemas eléctricos - Control de demanda - Calidad del suministro Medicina Otros - Marcapasos - Imagen (resonancia magnética) 5

6 Arquitectura de un sistema embebido Qué es un sistema embebido? Computador... Propósito general Gran cantidad de recursos Programa principal un S.O. Cualquier otro tipo de sistema con un procesador es Embebidos... Propósito específico Recursos limitatos Propgrama principal RTOS 6

7 Arquitectura de un sistema embebido Software (SW) Aplicación Real Hardware (HW) VLSI nos permite poner más HW en menor espacio Aumento de Complejidad 7

8 8

9 Ejemplo de un sistema embebido Memory Controllers Interface Software Coprocessors Processor ASIC Converters Analog Digital Analog 9

10 Tipos de sistema embebido Simples (Tostadora, Microondas, Lavadora) Complejos (Control de combustión de motor) Herramientas de diseño: Verilog Modelado y Síntesis de HW UMLy Prog. Estructurada Diseño SW C implementación de SW 10

11 Ciclos de diseño de sistema embebido Diseño del Hardware Diseño del Software Fusión de ambos Depuración... Y más Depuración Captura de Requisitos Especificación del Sistema Diseño Funcional Diseño Arquitectura Prototipo 11

12 Diagrama de Bloques de un Sistema Embebido basado en Microprocesador CORE Memoria while(1) { Embedded Program } system bus Processor (CPU) E/S 12

13 Address Tamaño Data Control system bus Word Size Harvard Núm. de Buses Princeton 13

14 Representación de Datos Punto Fijo(4 bits) Representación de los datos mediante 16 combinaciones Enteros sin signo xxxx 0 a 16 Enteros con signo ±xxxx -8 a 7 Real xxx.x 0 a 7.5 (7.1 number) xx.xx 0 a 3.75 (3.2 number) x.xxx 0 a (1.3 number) Nround Ntrunc -2 -n /2 < ET< 2 -n /2-2 -n < ET< 0 14

15 Punto Flotante Ancho de palabra = 32 bits combinaciones. ANSI/IEEE Std ±3.4 x 1038 a ±1.2 x Salto entre dos números consecutivos es 107 veces menor que el valor numérico de estos. 15

16 S Exp mantissa v = s 2 Exp mantissa s = +1 (números positivos) cuando S es 0 s = 1 (números nega vos) cuando S es 1 e = Exp 127 ("biased with 127") m = 1,Fracción en binario 16

17 Princeton Harvard Procesador Procesador Memoria Memoria Datos Memoria Programa Instruction Word Size = Native Data Format PARALELIZA ACCIONES Aumenta el ancho de banda con la Memoria 17

18 Principio de ejecución secuencial INSTR RUCTION DATA Memoria AD DDRESS CO ONTROL Pasos que implican accesos a memoria y por tanto Instruction Fetch Decode Data Fetch Microprocesador tiempo Execution 18

19 Pipeline de Instrucciones Oscilador Ciclo de Instrucción Tiempo que tarda en ejecutarse una instrucción. 19

20 Registros Internos Profundidad Pipeline CPU Juego de InstruccionesModos Direccionamiento Ciclos x Instrucción Longitud Instrucciones Processor Microchip PIC Microcontrolador Cypress PSOC Implementación Atmel ATMEGA FPGA IP CORES 20

21 CISC RISC Processor 21

22 Clasificación de las Instrucciones Instrucciones de Transferencia de Datos Movimiento (Move) Alteración Datos (Clear, Inc, Dec) Rotación Bits (Shift, Rotate) Instrucciones Aritméticas Instrucciones Lógicas Instrucciones Booleanas Instrucciones de Salto (Add, Sub, Mult, Div) (And, Or, Xor) (Set bit, Clear bit, Jump if bit set, Jump if bit clear) Control (Jump, Conditional jumps) Ralacionadas con Subrutinas (Push, Pull) Relacionadas con Interrupción (Retorno de Int.) 22

23 Modos de direccionamiento Medio para especificar en la instrucción la ubicación de los operandos. Inmediato Inherente Directo Indirecto 23

24 Directo Indirecto Indexado a través registro a través registro Indice Indice Offset 24

25 Microchip PIC Memory = Massive blocks + Special registers!!! Figura de PIC microcontrollers: An introduction to Microelectronics M. Bates Elsevier/Newnes

26 Microchip PIC Memory Address Data Input/Output CPU 26

27 MicroBlaze Opciones en Arquitectura Procesador - Pipeline, Instrucciones - Caches, FPU - MMU - Coprocesadores Selección de Interfases E/S - Ethernet, PCI - UART, SPI, I2C, GPIO - Definidos por Usuario Interfases con memoria - DDR, DDR2, SRAM, Flash 27

28 MicroBlaze 28