Aula 3 - Sistemas Embarcados

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Sistemas 
Embarcados
Aula 3
Nelson Vasconcellos
nelson.vasconcellos@uva.br
Aula 1 – Definições Básicas
Sistemas Embarcados
Arquitetura Básica
Sistemas Embarcados
Funcionamento
Como Funcionam
Definições Básicas
• São gerenciados por Microcontroladores ou DSP – Processadores 
Digitais de Sinais, ASIC (Application – specific integrated circuits), FPGA 
(Field – programmable gate arrays), tecnologia GPU, Gate arrays
(Arranjo de portas programáveis de campo)
• Sua programação é chamada de firmware, é armazenada numa 
memória ROM (read Only) ou em EEPROM (memória flash), rodam com 
recursos computacionais reduzidos. Se conectam com o mundo externo 
através de periféricos.
Definições Básicas
Sistemas Embarcados
ASIC DSPASIP uP uC Mem
Código
DSP
Código
uP
RTOS
A/D D/ASensores Atuadores
Eventos
Eventos
Arquitetura de Hardware
Estrutura Básica
Definições Básicas
• Sensores – Mede e converte uma unidade física para um pulso elétrico, 
que será lido e tratado por um sistema interno e sua informação 
guardada na memória
• Conversor A-D – Converte um sinal analógico recebido para um sinal 
digital
• Processadores & ASIC: Processador o dado a ser medido na saída e 
armazena na memória
• Conversor D-A – Converte um sinal digital recebido para um sinal 
analógico
• Atuador – Compara uma saída recebida do conversor D-A com a saída 
atual armazenada e armazena a saída aprovada
Visão Geral::Arquitetura
Exemplo: Câmera Digital
Visão Geral::Arquitetura
Comparação 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 
 
 
Visão Geral::Arquitetura
Exemplo: Tempo de Boot
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
Projeto & Arquitetura::Hardware 
Tecnologia
Processadores variam na adequação ao problema
Projeto & Arquitetura::Hardware 
Processadores 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
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
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
Portas
Seriais
Timers/
Contad.
Canais
DMA
WDT Controle
Interrupção
Refresh
DRAM
80386DX 16,20,25,33 0 Não 0 0 Não Não Não
80386EX 25 24 3 3 2 Sim Sim (8259A) Sim
Proc. de Aplicação Específica (ASIPs)
Processadores
• 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)
Proc. de Aplicação Específica (ASIPs)
Processadores
• 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)
Processadores::ASIPs
Microcontroladores
• 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
STMicroelectronics STM32
Famílias de MCU da STMicroelectronics
(Fonte: STMicroelectronics)
Processadores::ASIPs
Microcontroladores
Preços acessíveis, estão disponíveis em muitas configurações e
graus de desempenho diferentes, e podem ser depurados e
programados usando, por exemplo, o ambiente de
desenvolvimento STM32CubeIDE gratuito da ST. Sua linha
STM32 de MCUs é baseada nos núcleos de processador ARM
Cortex.
Processadores::ASIPs
Microcontroladores
Nordic
Semiconductor nRF
Microcontrolador nRF54 Bluetooth LE 
(Fonte: Nordic Semiconductor)
Microcontrolador com capacidade sem fio, como aqueles
que permitem conectividade Bluetooth ou WiFi e baixo
consumo de energia.
Tipicamente, a embalagem dessas peças pode se tornar
muito pequena e pode aumentar os custos de fabricação
e montagem da PCB, embora eles também ofereçam
tipos de pacotes QFN ‘mais acessíveis’.
Processadores::ASIPs
Microcontroladores
Espressif ESP32
Microcontrolador ESP32-C3 
(Fonte: Mouser)
Módulo Pré-Certificado 
ESP32 (Fonte: Mouser)
É uma alternativa ao nRF, a Espressif oferece sua linha de
microcontroladores ESP32 (ou RFSoCs).
São microcontroladores de núcleo duplo, capacidade WiFi e
Bluetooth, e uma quantidade razoável de periféricos. Além disso, a
comunidade online e a base de usuários do ESP32 são muito grandes
Processadores::ASIPs
Microcontroladores
Raspberry Pi RP2040
Raspberry Pi RP2040 (Fonte: Raspberry Pi)
Um microcontrolador relativamente novo é o RP2040 da Raspberry Pi, mais
famosamente conhecido por seus computadores de placa única Raspberry Pi. Este
microcontrolador possui um processador dual-core ARM Cortex-M0+, vários
periféricos, bem como algo muito interessante conhecido como uma seção de I/O
Programável. Os grandes atrativos do RP2040 são seu baixo preço (menos de 1 USD em
pequenas quantidades), flexibilidade e disponibilidade.
https://www.cnx-software.com/2021/01/27/a-closer-look-at-raspberry-pi-rp2040-programmable-ios-pio/
Processadores::ASIPs
Outros Microcontroladores
Microchip, NXP e Texas Instruments
Assim como a linha de microcontroladores STM32, outros fabricantes, como Microchip, NXP
e Texas Instruments, oferecem suas próprias séries de MCUs em uma variedade de versões.
As capacidades dessas peças entre esses fabricantes são tipicamente bastante semelhantes.
De 8 bits a 32 bits, passando por MCUs capazes de DSP e também com capacidade sem fio,
a Microchip é bem conhecida por seus microcontroladores PIC. A NXP oferece
microcontroladores de propósito geral, i.MX em tempo real e voltados para o setor
automotivo. Por último, a Texas Instruments também possui um portfólio considerável de
microcontroladores - no entanto, pela minha experiência pessoal, não tenho visto esses tão
frequentemente em designs comerciais, comparado aos outros fabricantes.
Processadores
Outros Microcontroladores
•ARM Cortex A8 / A9 / A15
•Famílias Intel Atom e Intel Quark
•Qualcomm Snapdragon
•AMD Geode LX
•Texas Instruments AM335x
Application-Specific Integrated Circuit-ASIC
Processadores 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
Field-Programable Gate Array – FPGA
Processadores de Propósito Único 
• 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.