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Sistemas Empotrados
Sistemas informáticos industriales
2017
SISTEMAS EMBEBIDOS ó EMPOTRADOS
Son una combinación de hardware de computadora, software y elementos adicionales, diseñados para una función específica.
Son sistemas informáticos de uso específico construido dentro de un sistema mayor.
En la mayoria de ellos, éstos reciben señales externas de un sistema mayor, procesan esa información, y envian comandos como respuesta a esas señales o variables leídas del mundo externo.
Ejemplos de estos sistemas son las minicomputadoras que se insertan en electrodomesticos, automoviles, sistemas para instrumental de ingeniería, equipamiento médico, etc.
Las diferencias principales son el precio y el consumo.
SISTEMAS EMBEBIDOS ó EMPOTRADOS El costo es bajo porque solo estan constituidos por el CPU y una
memoria RAM. En algunos dispositivos mas avanzados, incluyen otros componentes que los hacen un poco mas versatiles.
Los elementos que forman parte de un sist. Embebido son: Microprocesadores, Microcontroladores, DSPs (Digital Signal Process), PLCs (Programmable Logic Controller), etc. Es decir, un CPU mas una memoria interna o externa.
Las comunicaciones entre el sistema y los dispositivos externos (actuadores), son de extrema importancia en el diseño.
En la actualidad, esta puede ser del tipo cableado (mediante conductores) o inalambrica.
Las comunicaciones se realizan a traves de los llamados “puertos” del microprocesador, microcontrolador, etc., entre los cuales los puertos RS 232, RS 485, USB, los mas usados y difundidos.
Les llamamos “actuadores” a los elementos mediante los cuales el microprocesador (por ejemplo) modifica el estado de un dispositivo externo: motor, relé, llave de apertura o cierre, etc.
SISTEMA EMBEBIDO
actuador
actuador
actuador
motor
relé
llave
MICROPROCESADORES
Son sistemas empotrados compuestos de un CPU, memorias RAM y puertos de entrada/salida.
Mediante esos puertos, el μP recibe mediciones en formato digital de variables del sistema que controla, y envia comandos para corregir esas variables si fuese necesario.
La ventaja de estos sistemas es como se dijo, su bajo costo y alta versatilidad, pudiéndolos adaptar a una gran variedad de aplicaciones.
Son pequeñas computadoras que tienen un programa en la memoria RAM, que decide las acciones a llevar a cabo.
Los programas son escritos en lenguaje ensamblador el cual es una forma de programar “en bajo nivel”, significando esto que las instrucciones son aproximadas al lenguaje que el μP entiende.
Este conjunto de instrucciones se denomina “set de instrucciones” y no es igual para cada μP.
La programación es bastante mas complicada que en los lenguajes de “alto nivel”, como el Pascal, C, etc., pero es mucho mas segura ya que existen menos interfaces entre el programa y el hardware del CPU.
En general, no disponen de otros “chips” o circuitos para conversión analógica/digital de señales, ni sistemas de comunicaciones hacia los actuadores con los cuales se comunica.
Mayormente disponen de un teclado elemental y un display para escribir programas, leerlos, ver datos, etc., el cual esta incluido en una plaqueta de circuito impreso.
MICROCONTROLADORES
Están constituidos de manera idéntica a los μP, con la diferencia que incorporan otros circuitos que llevan a cabo las conversiones de D/A y A/D.
También pueden incorporar temporizadores, y sistemas de comunicaciones para los dispositivos externos.
Como en el caso de los microprocesadores, pueden traer un teclado y un display muy elementales. En otros casos, disponen de puertos de comunicaciones para conectarlos a una computadora personal y desde allí realizar las tareas de escritura, lectura, etc.
PLCs
Son dispositivos muy similares a los microcontroladores. Disponen de entradas y salidas analógicas y digitales, y de
teclados y display para su manejo. La mayoría incluye una caja de presentación, indicaciones
para el manejo del mismo, de tal manera que están listos para ser conectados y utilizados.
En los últimos tiempos su uso ha ido en aumento debido a la facilidad de programación y su uso en forma directa, a pesar de ser un poco mas caros que los microprocesadores y microcontroladores.
RESUMIENDO:
Un sistema empotrado o embebido consiste en un sistema con CPU y hardware y software dedicados a resolver problemas específicos.
Normalmente interactúan con el entorno para controlar algun proceso mediante el uso de sensores y actuadores.
Como se dijo, los S.E. estan insertados en otros sistemas de mayor embergadura, como por ejemplo electrodomesticos, Computadoras Personales, automoviles, sistemas industriales, domótica, etc.
EJEMPLO DE SISTEMAS EMBEBIDOS: EL MICROPROCESADOR MC 6800 Fue uno de los primeros μP en divulgarse masivamente.
Es muy simple de programar.
Se usa todavía en aplicaciones elementales.
Tiene limitaciones por su simplicidad.
Es un μP de 8 bits y 64 kB de memoria RAM.
Tiene dos registros de trabajo.
Unidad
Lógica
Aritmética
(ALU)Bus de datos
Bus de direcciones
16 bits o conductores
8 bits o conductores
Memoria RAM
Memoria ROM
periféricos
a los puertos
DIAGRAMA SIMPLIFICADO DEL MC 6800
00000001000200030004
MEMORIAS RAM y ROM
Las memorias RAM son chips en las cuales se pueden guardar 1 byte (8 bits) por cada dirección.
La cantidad de direcciones depende de cada memoria. Cada una de ellas tiene asociado un numero para identificarlas. En cada una de ellas podemos escribir un numero que representa una cantidad ó una letra.
Las letras se representan en consecuencia con números, correspondiéndole un solo número a cada una.
Las equivalencias están establecidas en la tabla de valores ascii, aunque hay otras.
El valor o letra que se quiera escribir, se envía por el bus de datos, mientras que el lugar donde se va a escribir, se ubica en el bus de direcciones.
Por ejemplo, si deseo escribir en la dirección 1000 la letra ‘a’ a la que le corresponde en nro. 65 en la tabla de valores ascii. El μp enviara por el bus de direcciones el valor 1000 y por el bus de datos el valor 65, siempre en codigo binario.
1000
Del bus de direcciones
0 1 0 0 0 0 0 1
Del bus de datos
De esa manera se escriben los programas en las memorias de todos las microcomputadoras (microprocesadores, microcontroladores, PLC, etc).
La ALU va leyendo la memoria y decodificando cada numero, para interpretar que significa y realizar las acciones que cada uno representa.
El proceso de escritura de un programa en este tipo de dispositivos, es hecho por el programador, lo cual nos da una idea de la complejidad y posibilidad de errores en la misma.
Cada microprocesador u otro dispositivo, tienen, como ya se dijo, un conjunto de instrucciones con el que se puede realizar cualquier operación y acciones sobre dispositivos externos a través de los puertos.
Sistemas Microprocesados y Microcontrolados
Sistemas informáticos industriales
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Sistemas Microprocesador y Microcontrolados
El microprocesador, o simplemente procesador, es el circuito integradocentral más complejo de una computadora u ordenador; a modo deilustración, se le suele asociar por analogía como el "cerebro" de unacomputadora.
El procesador es un circuito integrado constituido por millones decomponentes electrónicos integrados. Constituye la Unidad Central deProcesamiento (CPU) de un PC catalogado como microcomputador.
Desde el punto de vista lógico, el microprocesador está compuestobásicamente por: varios registros, una unidad de control, una unidadaritmética lógica (ALU), y dependiendo del procesador, puede contener unaunidad de coma flotante (también conocida como coprocesadormatemático o FPU), que permite operaciones por hardware con númerosdecimales, elevando por ende notablemente la eficiencia.
Desde el punto de vista funcional es, básicamente, el encargado de realizartoda operación aritmético-lógica, de control y de comunicación con el restode los componentes integrados que conforman un PC, siguiendo elmodelo.
También es el principal encargado de ejecutar los programas, sean deusuario o de sistema; sólo ejecuta instrucciones programadas a muy bajonivel, realizando operaciones elementales, básicamente, las aritméticas ylógicas, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas binario yaccesos a memoria.
Buses del procesador
En los sistemas procesados el procesador, la memoria de datos y deinstrucciones y los dispositivos de entrada salida están conectados através de un circuito impreso que recibe el nombre de Placa Madre.
Todos los procesadores poseen un bus principal o de sistema por el cualse envían y reciben todos los datos e instrucciones.
Por este bus también se envían las direcciones desde los integrados delchipset o desde el resto de dispositivos. La velocidad se mide en bits porsegundo.
Generalmente la forma más antigua es el bus paralelo en el cual se definenlíneas especializadas en datos, direcciones y para control.
Líneas de Control
Zona de Entrada – Salida
Puertos Paralelos (LPTI) Puertos Series (COM) Monitor, Controlador de Teclado, …etc.
Procesador
CPU
Bus de Direcciones (32 bit)
Bus de Datos (32 bit)
Memoria Principal
Esquema básico de una arquitectura Von Neumann
El Bus de Direcciones
El Bus de Direcciones (Address Bus) es un conjunto de líneas (cada línea envíaun bit de la palabra de dirección) y es la via por la cual el procesador seleccionamediante una dirección única un determinado registro de cualquier dispositivode memoria o de entrada/salida que este alojado en su mapa de direcciones.
La cantidad de líneas del Bus de Direcciones definen el espacio de trabajo(Zona de memoria y Zona de entrada/Salida) del sistema microprocesador.
El Bus de datos
El Bus de datos es un conjunto delineas que definen la capacidad y resolucióndel dato a ser transmitido (8 bit = Byte, 16 bit = Palabra, 32 Bit = Palabra doble,64 bit. Tec.).
El Bus de Control
El bus de Control posee líneas que posibilitan el manejo, el control de acceso, lasincronización y el tipo de operación que se realiza entre el microprocesador, lamemoria y los demás dispositivos periféricos (READ, WRITE, CLOCK, M/IO,ADEN, READY, RESET, INTERRUPCIONES INTR Y NMI, ETC.)
Aquel dispositivo de memoria o de entrada/salida que es seleccionado se conectaal Bus de Datos (Data Bus) ya sea para recibir o enviar información. Los demásdispositivos permanecen con sus conexiones al Bus de Datos en alta impedanciapara evitar coaliciones de información que se transmiten por el.
La arquitectura de von Neumann
La arquitectura de von Neumann es una familia de arquitectura de computadorasque utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instruccionescomo para los datos (a diferencia de la arquitectura Harvard).La mayoría de computadoras modernas están basadas en esta arquitectura,aunque pueden incluir otros dispositivos adicionales.
El conexionado entre la CPU, la memoria de datos y de instrucciones a través deun solo Bus, lleva al embotellamiento de Von Neumann, al rendimiento deprocesamiento está limitado (tarifa de transferencia de datos) entre la CPU y a lamemoria comparada a la cantidad de memoria.
En la mayoría de las computadoras modernas, el rendimiento de procesamientoes mucho más pequeño que la tarifa en la cual la CPU puede trabajar. Esto limitaseriamente la velocidad del proceso eficaz cuando la CPU se requiere pararealizar el proceso mínimo en grandes cantidades de datos.
Microcontrolador o sistema embebidoUn microcontrolador es un circuito integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: Unidad Central de Procesamiento CPU, memoria y perifericos de entrada y salida.
Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácilconvertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chipsexternos de apoyo. El dispositivo es programado a través de sus pines en elmodo programación. Estos mismos pines tienen una función diferente cuandoel Microcontrolador está en operación.
Esquema básico de un Microcontrolador
Un microcontrolador típico tiene un generador de reloj integrado y unapequeña cantidad de memoria RAM y/o ROM/EEPROM/FLASH, significandoque para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita es un pequeño programade control y un cristal de sincronización.
Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada - salida, como:
Convertidores analógico a digital.
Temporizadores.
Unidades de transmision serie UART y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN.
Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación como el C que se utiliza bastante con este propósito.
Arquitecturas de los Microcontroladores
Básicamente existen dos arquitecturas de computadoras, que están presentesen el mundo de los microcontroladores: Von Neumann y Harvard. Ambas sediferencian en la forma de conexión de la memoria al procesador y en los busesque cada una necesita.
La arquitectura Von Neumann es la que se utiliza en las computadoraspersonales y algunos microcontroladores, para ella existe una sola memoria,donde coexisten las instrucciones de programa y los datos, accedidos con unbus de dirección, uno de datos y uno de control (MicrocontroladoresMOTOROLA).
La otra variante es la arquitectura Harvard, y utilizada en microcontroladores, ysistemas integrados en general.
En este caso, además de la memoria, el procesador tiene los buses separados,de modo que cada tipo de memoria tiene un bus de datos, uno de direcciones yuno de control (Microcontroladores MICROCHIP, ATMEL).
La ventaja fundamental de esta arquitectura es que permite adecuar el tamañode los buses a las características de cada tipo de memoria; además, elprocesador puede acceder a cada una de ellas de forma simultánea, lo que setraduce en un aumento significativo de la velocidad de procesamiento.
Genralmente los sistemas con esta arquitectura pueden ser varias veces másrápidos que sistemas similares con arquitectura Von Neumann.
Clasificación de las Memorias
Clasificación por el tipo de acceso:
Memorias de Acceso Aleatorio (RAM): También denominadas memorias de acceso al azar. En estas memorias el tiempo que tarda en acceder a la información (tiempo de acceso) es independiente de la ubicación de la celda seleccionada.
Memorias de Acceso Secuencial: el tiempo que tarda en obtenerse un dato depende de la ubicación del registro de datos (dirección) en el dispositivo. Ejemplo: Cinta magnética, Registro de desplazamiento, Cola, Pila, etc.
Memorias de Acceso Asociativo: La ubicación de la información se realiza por comparación de un campo o conjunto de campos de un registro y el tiempo de acceso depende de ello. Ejemplo: Memoria Caché, Base de Datos, etc.
Clasificación por el uso:Memoria de Lectura y Escritura (RWM): Son memorias cuyo dato o contenido es alterable, están generalmente constituidas por celdas de memoria o flip flops. Normalmente son empleadas para almacenar variables y constituyen la memoria principal de un sistema microprocesado. La denominacion correctas es RWM (por las siglas de Read Write Memory) RAM.
Memorias de Solo Lectura (ROM): llamadas habitualmente ROM (Read Only Memories). Son dispositivos cuyo contenido se programa en fábrica mediante un sistema de mascara, para luego acceder a la información en un proceso de solo lectura.
Memorias programables por el usuario: se denominan PROM (Pogrammable ROM). Pueden ser programados solo una vez y por ello también reciben el nombre de OTPROM (One Time PROM o ROM de una sola programación).
Memoria de Lectura Mayoritaria (RMM) (Read Mostly Memory) : Son dispositivos que se utilizan normalmente para leer la información contenida, pero pueden ser programadas. y entre ellas podemos encontrar las EPROM, EEPROM, FLASH.
Clasificación Según la Provisión de Energía.Memorias Estáticas (SRAM): Son aquellas memorias en las que la energía de alimentación se provee en forma permanente. SRAM (Static RAM) .
Memorias Dinámicas (DRAM): La provisión de energía se realiza en forma discontinua. Los pulsos de energia reposición de los datos lleva el nombre de refresco. (Dinamic RAM).
Clasificación por la persistencia de la Información ante la falta de EnergíaMemorias volátiles: La información se pierde al eliminarse la alimentación. Ejemplos: memorias RWM - RAM de una PC. Memorias Perennes: La información no se pierde al privarle la alimentación. Por ejemplo un disquete ROM, EPROM, EEPROM, FLASH, Discos Magnéticos (disco duro y disquete), discos ópticos (CD), cintas magnéticas, etc.
Semiconductoras: dispositivos donde el mecanismo de almacenamiento se basa en un semiconductor. Memorias PMOS, NMOS, CMOS, FLASH.
Magnéticas: El almacenamiento se logra mediante la orientación de los espines magnéticos en la superficie de un material generalmente para-magnético. Ejemplo Disco rígido, disquete, cinta magnética (tape).
Opticas: Son dispositivos que son programados usando un haz luminoso de adecuada potencia (láser). La información reside en una superficie originalmente reflectora (todos 0"), donde se indujeron o programaron zonas no reflectoras (1"). Los datos almacenados son leídos con la misma técnica. Ejemplo son los CD (R/RW) y los DVD.
Opto - Magnéticas: Combinan ambas técnicas una para el posicionamiento (direccionamiento) y la otra para la lectura/escritura de los datos. Generalmente son cartuchos de cintas poseen una doble banda, una banda óptica reflectora donde están rotuladas la ubicación de los cluster , track y registros, mientras que la otra banda, es la contienen los datos y es sensible a la magnetización usando un cabezal. Ejemplos comerciales: cintas o "Tape cartridges Jazz" (1 Gigabyte) y "Zip" (100 MB).
Estructura de las Memorias
Las memorias pueden ser consideradas como un conjunto de localizaciones llamados registros los cuales están constituidos por celdas de almacenamiento.
Fig. 1
Bus de Direcciones (Address Bus):Un conjunto de N líneas (A0…AK-1) que ingresan a lamemoria proveen la dirección o localización del registro.
N Líneas de Direcciones seleccionan 2N registros: Ejemplo 10 líneas → 210=1024 registros
Los registros generalmente poseen un conjunto de celdas de un bit de información Ejemplo (8, 16, 32, 64 bits). La información es accedida a través del Bus de Datos
Memorias EPROM.
Sustrato P (Si)
Luz UV
Canal
PolisilicioMetal
Polisilicio
Puerta (Metal)
N++ N++
DrenadorFuente Drenador
Puerta (Metal)
Fuente
Programación mecanismo de tunelización llamada Fowler- Nordheim Tunneling.El borrado se realiza removiendo las cargas de la compuerta flotante de la celda, alhacer incidir luz ultravioleta. Los electrones acumulados originan un campo (Ep) sobre elcanal.
Luz UV
Ventana de cristal de cuarzo
Canal tipo N (inducido)+VDD GND
EG=Campo Eléctrico originado por VG
EP=Campo Eléctrico originado por iones
Corriente por el canal
Memorias EEPROM (Eléctricamente Borrable y Programable ROM)
La memoria EEPROM es un dispositivo (MOS) Programable y Borrable Eléctricamente. La programación: se realiza por el mecanismo de tunelización llamada Fowler- Nordheim Tunneling ). Tensiones de programación= 15 V
El borrado: se realiza removiendo cargas de la compuerta flotante de la celda, usando una técnica de recombinación de cargas llamado "inyección de electrones de alta energía“ (hot electron injection - CHEI). El tiempo de programación / borrado: de las celdas es de 5 milisegundos promedio, esto hace a estos dispositivos sean de lectura mayoritariamente – RMM.
Canal inducido
Sustrato P (Si)
N++ N++Polisilicio
MetalPolisilicio
Puerta (Metal)
Drenador
Fuente
+5 VGND+5 V
Memorias Flash
La memoria Flash fue desarrollada en el año 1988, esta es una memoria programable no volátil no tiene partes móviles y puede ser borrada, leída, y programada en un sistema sin ser extraída de la placa madre (On Board).
Drenador
Generalidades
Las memorias Flash ofrecen, bajo costo por GByte, además, características comogran resistencia a los golpes, bajo consumo y es muy silencioso, ya que nocontiene ni actuadores mecánicos ni partes móviles.Su pequeño tamaño también es un factor determinante a la hora de escoger paraun dispositivo portátil, así como su ligereza y versatilidad para todos los usos hacialos que está orientado.Sin embargo, todos los tipos de memoria flash sólo permiten un número limitado deescrituras y borrados, generalmente entre 10.000 y un millón, dependiendo de lacelda, de la precisión del proceso de fabricación y del voltaje necesario para suborrado.