Sistemas Integrados

SISTEMAS INTEGRADOS (“EMBEBIDOS”)

Presentado por Juan Pablo Gómez [email protected]

QUÉ ES UN SISTEMA INTEGRADO? Es un sistema de computadora de propósito especial diseñado para llevar a cabo una función específica. A diferencia de las computadoras de propósito general, como las computadoras personales, un sistema integrado lleva a cabo tareas predefinidas, generalmente con requerimientos muy específicos, y a

SOFTWARE HARDWARE

+ Características : •Son programables y generalmente tienen una interfaz de programación •El hardware se modela por componentes el software hace parte como uno de sus componentes principales (“Firmware”) •Se diseñan optimizados para la tarea

COMPUTADORAS OCULTAS

Relój con cámara CASIO

PlayStation Portable SONY

Televisor Web APPLE

Kindle

Black Berry NOKIA

Iris

TIPOS DE SISTEMAS INTEGRADOS POR FUNCIÓN Computación general Sistemas de control Procesamiento de señales Redes y comunicaciones

RETOS TÉCNICOS

Rendimie nto

Concurren cia

Complejid ad

Desarrollos antiguos

SISTEMAS INTEGRADOS MÁS COMPLEJOS Tamaño típico de los sistemas embebidos. Aumento de 40 % por año aprox.

Fuente : “A 10-Year Retrospective,” Embedded Systems Programming, November 1998

LINEA DEL TIEMPO DEL CI 1947 : Primer transitor

1985 : Primer circuito integrado

1971: Primer microprocesador

Actualidad : Circuitos impresos 8 capas

RETOS DE DISEÑO Tamaño típico de los sistemas embebidos. Aumento de 40 % por año aprox. Cost o

Rendimie nto

Potenc ia

Tama ño

Mantenimie nto

Tiempo para salir a

LEY DE MOORE : TRANSISTORES 1.5 por año

DESARROLLO DE SISTEMAS INTEGRADOS : SOFTWARE O HARDWARE

DESARROLLO DE UN S.I

Frameworks de desarrollo

F PGA

DS P

Microcontrolado res

UTILIZANDO FRAMEWORKS .NET compact framework : Es ideal

para desarrollar software de PDA y de celulares. Utiliza librerias de .nety específicas. Se pueden desarrollar en C# y VB.NET. . NET micro framework :Es una plataforma de código manejado para sistemas embebidos Pequeños. Puede ser desarrollado utilizando el mismo ambiente de desarrollo de Visual Studio .NET J2ME (Java Micro Edition): Plataforma hecha para desarrollar aplicaciones para dispositivos que tengan chips java, pueden ir desde Sistemas embebidos pequeños hasta

.NET COMPACT FRAMEWORK VS J2ME

“

Las aplicaciones hechas en J2ME corren en casi todos los

dispositivos de teléfonos celulares ya que J2ME esta hecho muy pegado a las especificaciones del hardware de los dispositivos y Compact Network solo corre en PocketPC u otros dispositivos que tengan Windows CE o se le pueda instalar el Compact Framework. De entrada podemos asumir que si quieres desarrollar una aplicación para un teléfono celular Nokia es muy probable que utilices J2ME y si quieres hacer una aplicación para una PocketPC de Hewlett-Packard debes utilizar Compact Framework.

”

FPGA (Field Programmable

Gate Array)

LÓGICA PROGRAMABLE •Equivale a tener un sistema embebido que puede permite cambiar su funcionalidad “al vuelo “. •El hardware puede ser cambiado de acuerdo a la entrada del sistema •Rápido tiempo de reconfiguración 100 uS hasta 1mS

PROCESADORES BLANDOS     

Permite realizar diseños con los periféricos y las interfaces estrictamente necesarias Al ser descritos por software pueden ser actualizados y manterse competitivos en los requerimientos técnicos. Se puede incrementar el rendimiento sin cabbiar el diseño del sistema. Eliminar el riego de obsolecencia del procesador. Eliminar costos y abstraer la complejidad.

CARACTERÍSTICAS DE UNA FPGA •A pesar que la FPGA son más lentas que un CPLD (Complex Programmable Logic Device) son mucho más flexibles puesto que manejan mayor cantidad de componentes que cualquier otro dispositivo programable •A comparación de diseño de componentes de diferentes fabricantes, las fpga puede trabajar mucho más rápido con los componentes que tengan en la placa. •Las FPGA son ideales para hacer prototipos rápidamente. •Varias FPGA soportan correr sistemas operativos.

ALTERA DE2

TENDENCIA : UTILIZAR SISTEMAS OPERATIVOS 

Rápidos desarrollos.



Drivers existentes, más fácil utilización del hardware.



Utilización de programas de computadoras.



Práctica muy utilizada, comunidades populares en internet.



Ideales para correr en procesadores blandos.



Fácil mantenimiento.

Sistemas operativos soportados por FPGA 

Montavista: Distribución no gratuita que actualmente puede usarse en boardsXUPV2P, VIRTEX4, VIRTEX5 (Xilinx), basada en GNU/Linux. Soporte empresarial.



uCLinux : Distribución gratuita, se ha portado a diferentes plataforma. Para FPGA soporta tanto boards de Xilinx como de Altera, está basada en GNU/Linux. El soporte lo da la misma comunidad a través de la lista de distribución.



Petalinux : Distribución gratuita basada en GNU/Linux. Soportado únicamente para boards Xilinx, es un trabajo derivado de los hackers desarrolladores de uClinux. El soporte puede pagarse a petalogix o puede ser solicitado gratuitamente por la lista de correo de la comunidad.

DSP : DIGITAL SIGNAL PROCESSING

D S P

IGITAL : Señales discretas representadas por

valores numéricos.

IGNAL : Es un efecto eléctrico que varia para

transmitir datos.

ROCESSING : Operaciones realizadas de acuerdo a

APLICACIONES DEL DSP EN LA BIOMEDICINA •Análisis de señales biomédicas, diagnósticos,monitores de pacientes, organos artificales Electrocardiograma : Permite a los especialistas adquirir información sobre el corazón de los pacientes. Electroencefalograma : Entrega información de la actividad cerebral de un

APLICACIONES DEL DSP PARA LA VOZ Reducción del ruido : Eliminar sonidos no deseados de una fuente sensible, un micrófono.

Reconocimiento de voz: Identificar sonidos, palabra que ocurren simultáneamente.

Texto a voz : Leer texto en voz alta.

APLICACIÓN DE DSP PARA LAS COMUNICACIONES Telefonía IP: Desarrollos de teléfonos, equipos y redes para telefonía transmitida a través de TCP/IP

Equipos de red : Desarrollos de mòdems, routers, equipos para mejorar el tráfico en las redes.

APLIACIÓN DSP PARA PROCESAMIENTO DE IMÀGENES

OCR: Identificar texto de imágenes provenientes de una cámara o de un escáner.

Edición de imágenes : Desarrollo de editores de imágenes o generación de efectos. Compresión de imágenes : Desarrollo de sistemas que implementen algoritmos de compresión.

IMPLEMENTACIÓN DEL DSP OPERACIONES Entra da

Señal análoga

DIGITALIZACIÓN

Señal digital

DSP

Señal digital

RECONSTRUCCION

Señal análoga

Salid a

El DSP realiza las operaciones aritméticas, asignaciones En memoria interna, operaciones lògicas.

DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL El muestreo puede presentar problemas para distinguir altas y bajas frecuencias. La señal se vuelve indistinguible. “Aliasing”

Se debe utilizar el doble de la frecuencia de la señal para evitar este problema. De esa manera se tiene la Información suficiente

RECONSTRUCCIÓN DE LA SEÑAL Para recuperar la señal de salida se toman las muestras originales Y no solo son concatenadas para recuperar la señale original, también se

Limitantes del muestreo

Resolución de frecuencia : Solo se toman muestras durante cierto periodos de tiempo.

Error de cuantifiación: El muestreo depende de la cantidad de bits muestreados y de la aritmètica.

Dominio en el tiempo EJEMPLO : Reconocimiento de voz Existen problemas en el dominio del tiempo para identificar cada

NUESTRO OÍDO Los nervios auditivos en el oído interno llevan los sonidos al cerebro. Los nervios más largos captan las bajas frecuencias y los más cortos las altas frecuencias. Las diferentes presiones de aire en el dominio del tiempo son transformadas al dominio de la EL OÍDO ES UN ANALIZADOR NATURAL DE LA TRANSFORMADA DE FOURIER

DESCUBRIMIENTO DE FOURIER

Jean BaptisteFourier descubrió que cualquier señal puede construida con la unión de tonos puros (Ondas seno) en la apropiada

LA TRANSFORMADA DE FOURIER La transformada de fourieres la herramienta matemática que nos permite para calcular la frecuencia, la amplitud y la fase que necesita cada onda seno para construir la señal

SÍMIL DE LA TRANSFORMADA Luz blanc a

Espectr o de

TRANSFORMADA DE FOURIER

El prisma divide la luz blanca en un espectro de colores La luz blanca es la mezcla de todas las frecuencias El prisma permite

DOMINIOS TIEMPO/FRECUENCIA Podemos llevar una señal en el dominio en el tiempo o en el dominio de la frecuencia sin perder ninguna información. Propiedad de simetría Características : •Hay señales más fáciles ver en el dominio de la frecuencia. •Hay señales más fáciles de ver en el dominio en el tiempo. •Hay señales más fáciles de definir en el domino del tiempo (Cantidad de información necesaria) •Hay señales más fáciles de definir en el domino de la frecuencia (Cantidad de información necesaria) La transformada de Fourier es una herramienta muy utilizada

RYTHM RELOADED

IDEAS PARA DESARROLLAR Tanto para FPGA como para DSP es posible utilizar un sistema operativo Lo que nos ayuda a elaborar prototipos rápidamente Video juegos Efectos de video cámaras Gadget de relojes Efectos de instrumentos musicales Sintetizador MIDI Telefonos VOIP

Referencias Elena Punskaya : DSP class Stephen Sedwards : Embedded systems class Sanjiv Malik : FPGA Overview Rythm reloaded project.