Sistemas Empotrados

Sistemas informáticos
industriales
2015
Sistemas Empotrados
SISTEMAS EMBEBIDOS ó EMPOTRADOS
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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
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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.
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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.
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Las comunicaciones entre el sistema y los dispositivos externos
(actuadores), son de extrema importancia en el diseño.
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En la actualidad, esta puede ser del tipo cableado (mediante
conductores) o inalambrica.
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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.
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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.
actuador
motor
SISTEMA
EMBEBIDO
actuador
relé
actuador
llave
MICROPROCESADORES
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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.
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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
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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
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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.
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RESUMIENDO:
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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.
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EJEMPLO DE SISTEMAS EMBEBIDOS: EL
MICROPROCESADOR MC 6800
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Fue uno de los primeros μP en divulgarse masivamente.
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Es muy simple de programar.
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Se usa todavía en aplicaciones elementales.
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Tiene limitaciones por su simplicidad.
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Es un μP de 8 bits y 64 kB de memoria RAM.
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Tiene dos registros de trabajo.
16 bits o
conductores
0004
0003
0002
0001
0000
Memoria
RAM
Memoria
ROM
periféricos
Bus de
direcciones
Lógica
Aritmética
8 bits o
conductores
(ALU)
Bus de datos
DIAGRAMA SIMPLIFICADO DEL MC 6800
a los puertos
Unidad
MEMORIAS RAM y ROM
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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.
Del bus de
direcciones
1000
Del bus de
datos
0 10 0 0 0 0
1
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
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 informáticos
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Sistemas Microprocesados
y Microcontrolados
Sistemas Microprocesador y Microcontrolados
El microprocesador, o simplemente procesador, es el circuito integrado
central más complejo de una computadora u ordenador; a modo de
ilustración, se le suele asociar por analogía como el "cerebro" de una
computadora.
El procesador es un circuito integrado constituido por millones de
componentes electrónicos integrados. Constituye la Unidad Central de
Procesamiento (CPU) de un PC catalogado como microcomputador.
Desde el punto de vista lógico, el microprocesador está compuesto
básicamente por: varios registros, una unidad de control, una unidad
aritmética lógica (ALU), y dependiendo del procesador, puede contener una
unidad de coma flotante (también conocida como coprocesador
matemático o FPU), que permite operaciones por hardware con números
decimales, elevando por ende notablemente la eficiencia.
Desde el punto de vista funcional es, básicamente, el encargado de realizar
toda operación aritmético-lógica, de control y de comunicación con el resto
de los componentes integrados que conforman un PC, siguiendo el
modelo.
También es el principal encargado de ejecutar los programas, sean de
usuario o de sistema; sólo ejecuta instrucciones programadas a muy bajo
nivel, realizando operaciones elementales, básicamente, las aritméticas y
lógicas, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas binario y
accesos a memoria.
Buses del procesador
En los sistemas procesados el procesador, la memoria de datos y de
instrucciones y los dispositivos de entrada salida están conectados a
través de un circuito impreso que recibe el nombre de Placa Madre.
Todos los procesadores poseen un bus principal o de sistema por el cual
se envían y reciben todos los datos e instrucciones.
Por este bus también se envían las direcciones desde los integrados del
chipset o desde el resto de dispositivos. La velocidad se mide en bits por
segundo.
Generalmente la forma más antigua es el bus paralelo en el cual se definen
líneas especializadas en datos, direcciones y para control.
Bus de Direcciones (32 bit)
Procesador
Bus de Datos
(32 bit)
CPU
Zona de Entrada – Salida
Líneas
de
Control
Memoria
Principal
Puertos Paralelos (LPTI)
Puertos Series (COM) Monitor,
Controlador de Teclado, …etc.
Esquema básico de una arquitectura Von Neumann
El Bus de Direcciones
El Bus de Direcciones (Address Bus) es un conjunto de líneas (cada línea envía
un bit de la palabra de dirección) y es la via por la cual el procesador selecciona
mediante una dirección única un determinado registro de cualquier dispositivo
de 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 resolución
del 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, la
sincronización y el tipo de operación que se realiza entre el microprocesador, la
memoria 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 conecta
al Bus de Datos (Data Bus) ya sea para recibir o enviar información. Los demás
dispositivos permanecen con sus conexiones al Bus de Datos en alta impedancia
para 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 computadoras
que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones
como 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 de
un solo Bus, lleva al embotellamiento de Von Neumann, al rendimiento de
procesamiento está limitado (tarifa de transferencia de datos) entre la CPU y a la
memoria comparada a la cantidad de memoria.
En la mayoría de las computadoras modernas, el rendimiento de procesamiento
es mucho más pequeño que la tarifa en la cual la CPU puede trabajar. Esto limita
seriamente la velocidad del proceso eficaz cuando la CPU se requiere para
realizar el proceso mínimo en grandes cantidades de datos.
Microcontrolador o sistema embebido
Un 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 fácil
convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips
externos de apoyo. El dispositivo es programado a través de sus pines en el
modo programación. Estos mismos pines tienen una función diferente cuando
el Microcontrolador está en operación.
Esquema básico de un Microcontrolador
Un microcontrolador típico tiene un generador de reloj integrado y una
pequeña cantidad de memoria RAM y/o ROM/EEPROM/FLASH, significando
que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita es un pequeño programa
de 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 presentes
en el mundo de los microcontroladores: Von Neumann y Harvard. Ambas se
diferencian en la forma de conexión de la memoria al procesador y en los buses
que cada una necesita.
La arquitectura Von Neumann es la que se utiliza en las computadoras
personales y algunos microcontroladores, para ella existe una sola memoria,
donde coexisten las instrucciones de programa y los datos, accedidos con un
bus de dirección, uno de datos y uno de control (Microcontroladores
MOTOROLA).
La otra variante es la arquitectura Harvard, y utilizada en microcontroladores, y
sistemas 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 y
uno de control (Microcontroladores MICROCHIP, ATMEL).
La ventaja fundamental de esta arquitectura es que permite adecuar el tamaño
de los buses a las características de cada tipo de memoria; además, el
procesador puede acceder a cada una de ellas de forma simultánea, lo que se
traduce en un aumento significativo de la velocidad de procesamiento.
Genralmente los sistemas con esta arquitectura pueden ser varias veces más
rápidos 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 Energía
Memorias 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 paramagnético. 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 la
memoria 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.
Luz UV
Puerta (Metal)
Fuente
Drenador
Drenador
Polisilicio
Metal
Polisilicio
N++
Puerta
(Metal)
N++
Sustrato P (Si)
Canal
Fuente
Programación mecanismo de tunelización llamada Fowler- Nordheim Tunneling.
El borrado se realiza removiendo las cargas de la compuerta flotante de la celda, al
hacer incidir luz ultravioleta. Los electrones acumulados originan un campo (Ep) sobre el
canal.
EG=Campo Eléctrico
originado por VG
Ventana de cristal
de cuarzo
EP=Campo Eléctrico
originado por iones
Canal tipo N (inducido)
+VDD
GND
Corriente por el canal
Luz
UV
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.
Puerta
(Metal)
Fuente
+5 V
GND
+5 V
Drenador
Polisilicio
Metal
Polisilicio
N++
N++
Sustrato P (Si)
Canal
inducido
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 como
gran resistencia a los golpes, bajo consumo y es muy silencioso, ya que no
contiene ni actuadores mecánicos ni partes móviles.
Su pequeño tamaño también es un factor determinante a la hora de escoger para
un dispositivo portátil, así como su ligereza y versatilidad para todos los usos hacia
los que está orientado.
Sin embargo, todos los tipos de memoria flash sólo permiten un número limitado de
escrituras y borrados, generalmente entre 10.000 y un millón, dependiendo de la
celda, de la precisión del proceso de fabricación y del voltaje necesario para su
borrado.