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TEMA 1: Introducción y conceptos básicos

1. Clasificación

Los sistemas de propósito general se pueden diferenciar de los sistemas empotrados, pero no es una clasificación estricta sino más bien un rango o gradiente. !

• Sistema tiempo real VS Sistema convencional: Freno ABS frente a procesador de texto.
• Sistema de uso industrial VS Producto de consumo: Máquina de empaquetado de patatas fritas frente a consola de videojuegos.
• Sistema dirigido por eventos VS Sistema dirigido por datos: Freno ABS frente a MP3.
  • Procesadores digitales de señal (DSP): para procesar flujos de datos.
• Sistema artesanal/prototipo VS Sistema industrializado: Puerta de garaje autoconstrucción frente a lavadora comercial.

Dispositivos comunes

• PC sobremesa.
• Autómatas Programables Industriales (API) o Controladores Lógicos Programables (PLC).
• Microcontroladores.
• Procesadores Digitales de Señal (DSP).
• Lógica programable (FPGAs, PLDs).
• Sistemas Full Custom.

Principales diferencias GPC VS Embedded System

[EXAMEN] !

2. Características especiales de los sistemas empotrados

Memoria

• Siempre ejecutan el mismo código: necesitan normalmente más ROM que RAM, el código se encuentra en la ROM y el stack en la RAM, aunque algunos no tienen.
• [EXAMEN] Las variables en la ROM son constantes, pero ¿las globales en RAM se inicializan explícitamente?
  • Si la variable la declaramos e inicializamos a la vez, mientras tengamos el microcontrolador conectado al IDE, es válido. Sin embargo, al funcionar el microcontrolador independientemente, si queremos inicializar una variable global, deberíamos declararla y luego inicializarla dentro del código, ya que no hay intérprete ni nada que la inicialice en tiempo de ejecución. ACTUALMENTE se soluciona con un código startup antes del main para inicializar este tipo de variables globales. En el código startup también se inicializan punteros de pila.
  • Se puede usar la palabra reservada const para establecer que ese código está en ROM, y en este caso se podría inicializar en la declaración.
• No requiere soporte de almacenamiento tipo HD.
• Pueden poseer o no protección para acceder a datos/código internos.
• Por compatibilidad y limitaciones, uso de bancos de memoria.

Datos e instrucciones

• Preparados para manipulación de bits
• El ISA suele ser recortado: instrucciones de salto condicional, instrucciones aritméticas, signo, modos de direccionamiento, registro de estado "pobre"...

Fallos y robustez

• No suelen ser sistemas atendidos, el usuario no es consciente de que es un computador.
• Implementan sistemas de tolerancia y recuperación de fallos
• Se han ampliado los rangos de funcionamiento en cuanto a temperatura, radiación, niveles de alimentación, etc

Consumo

• Optimizados para bajo consumo
• Utilización en aplicaciones móviles modos de bajo consumo (ej: mando a distancia)

Programación y desarrollo

• Difícil de depurar
• Siempre ejecutan el mismo software
• Los programas no suelen acabar while(1) {...}

Tamaño y precio

• En grandes cantidades son muy baratos
• Multitud de formatos para satisfacer la industria

3. Sistemas tiempo real

!

Sistema Tiempo Real

Sistema informático en el que la corrección del resultado depende tanto de su validez lógica como del instante en que se produce.

Computador Empotrado

Computador integrado en algún mecanismo físico para implementar un tipo de control de procesos o toma de datos.

Sistema Empotrado Tiempo Real

Sistema informático que ejecuta alguna aplicación de tiempo real y tiene al menos un elemento que sea un computador empotrado.

Variables en C

• Estáticas: heap, memoria principal
• Automáticas: pila
• Dinámicas: asignación y liberación de memoria con malloc y free
  Como ejemplo de esto:
  int* a = malloc(10*sizeof(int));

¿Se puede reservar dinámicamente en SSEE?

Como la cantidad de memoria en los SSEE es limitada, no es que no se pueda usar, pero hay que tener mucho cuidado al usar la asignación dinámica ya que puede llegar un momento en que se pida reservar más memoria de la disponible. Para asegurar que el sistema sea seguro, se recomienda usar variables estáticas

### Tareas Esencialmente hay dos tipos de tareas: - **Esencial:** presenta restricciones temporales - **Críticas:** SIEMPRE se debe completar dentro del plazo - **Acríticas:** puede completarse fuera de plazo "sin problemas" - **No esencial:** no presenta restricciones temporales Dadas estas definiciones, se pueden clasificar los sistemas de tiempo real en **duros** y **blandos**: - **STR Duro:** al menos posee una tarea crítica - **STR Blando:** todas sus tareas son acríticas ### Técnicas de programación #### 1. Procesamiento secuencial (`while(1)`) ```C int main() { while(1) { TareaA(); TareaB(); TareaC(); TareaI(); // añadida temporización } } ``` #### 2. Foreground/Background !Pasted image 20250213110517.png #### 3. RTOS

TEMA 2: Estructura de los μC

1. Conceptos generales

Familias de μC

• Al igual que los GPP, se agrupan en familias.
• Suelen poseer un núcleo común, pero hay más diversidad dentro de las familias.
• Los fabricantes sacan una gran variedad para cubrir cada necesidad.
• Familias históricas 8 bits: Intel 8051, Motorola 68XX, Atmel AVR, etc.
• Familias 32 bits: ARM, Freescale 683XX, etc.

Estructura de memoria

• Desde el punto de vista del programador, hay al menos dos tipos de memoria (ROM y RAM).
• Si se usa la arquitectura Harvard, las instrucciones para acceder a código o datos pueden ser distintas, y a los registros internos se le pueden asociar punteros de diversos tamaños. !Pasted image 20250213120645.png La más adecuada para μC es la de Harvard ya que los μC suelen tener ROM/Flash para código y memoria de datos.
• En un μC puede estar justificado el que haya múltiples elementos con buses de direcciones distintos:
  • Memoria Programa Interna
  • Memoria Datos Interna
  • Memoria Programa Externa
  • Memoria Datos Externa
  • Registros E/S
  • Direccionamiento bit a bit en memoria y periféricos

Nota

Single Chip (Microcontrolador, MCU): RAM y ROM internas

Modo expandido (Microprocesador, MPU): se sacan desde el chip buses de datos, direcciones y líneas de control hacia fuera para RAM y ROM externas

2. Intel 8051

!Pasted image 20250220110642.png !Pasted image 20250220110558.png !

Características

• Punteros de datos y de pila de distinto tamaño que PC (Program Counter) o IP (Instruction Pointer) porque es Harvard.
• Complejidad de mapa de memoria.
• Juego de instrucciones limitado.
• La pila está en memoria de datos interna y limitada a 256B por ser el SP de 8b.
• Instrucciones de acceso memoria-memoria sin pasar por un acc.
• Acumuladores accesibles por dir. directo.
• Necesario acceder a memoria de código para datos constantes -> movc.

Mapa de memoria

! Asignación memoria variables:

• DATA: 128B bajos en RAM interna
• BDATA: memoria direccionable bit
• IDATA: 128B direccionamiento indirecto
• PDATA: memoria por bancos
• XDATA: memoria datos externa
• CODE: memoria de código Ejemplos:

code unsigned char var1;

bdata char var2;
sbit var2bit2 = var2^2;
var2bit2 = 1;

3. Cortex M

Introducción

• Arquitectura ARM (Advanced RISC Machines)
• Empezó en 1983 de parte de Acorn Computers Ltd.
• Originalmente para PCs (arquitectura Von Neumann)
• RISC -> instrucciones de 4B. Los más recientes traen un conjunto de instrucciones de 16 bits adicional, llamado Thumb.

Buses

Tipos de buses

• AHB (Advanced High performance Bus): memoria, periféricos rápidos...
• APB (Advanced Peripheral Bus): periféricos generales
• PPB (Private Peripheral Bus): acceso al debugger e interrupciones !Pasted image 20250227115420.png

Buses internos

• Buses CORE:
  • Icode bus AHB: acceso a la memoria de código (ROM, Flash...) alineados de 32 en 32 bits (al usar instrucciones de 16 bits se toman instrucciones de 2 en 2).
  • Dcode bus AHB: acceso a datos almacenados en memoria de código sin alineamiento.
  • System bus AHB: acceso R/W a la zona de memoria SRAM (interna, externa, extendida), periféricos y controladores rápidos (DMA)
  • Internal PPB: debugger, interrupciones, etc

Mapa de memoria

!Pasted image 20250227120032.png

Registros

Set de instrucciones

4. Manipulación de bits

5. Interrupciones