Firmware

Projeto de Sistemas Embarcados Microcontrolados
Departamento de Engenharia Elétrica

Universidade de Brasília
Introdução ao desenvolvimento
de firmwares
Prof. Geovany A. Borges

gaborges@ene.unb.br
Firmwares de sistemas embarcados
O firmware é responsável por:
Fazer inicialização básica do hardware (e.g., BIOS):
Exemplo: Verificação da memória disponível;
Exemplo: Configuração padrão E/S;
Repassar o controle para um sistema operacional

(bootloader )
Implementar as funcionalidades do sistema embarcado:

Firmware estruturado: um único thread e interrupções por
hardware.
Firmware baseado em kernel: várias tarefas e serviços em
execução.
2
Modalidades de desenvolvimento
TARGET: para sistemas capazes de armazenar e
executar as ferramentas de desenvolvimento
3
HOST e TARGET: ferramentas de desenvolvimento
cruzado em um microcomputador hospedeiro
4
HOST, TARGET e unidade de armazenamento
removível: indicado para estágios iniciais de
configuração/otimização do kernel
5
Ciclo de desenvolvimento
Requisitos: coleta de informações com o cliente.
Funcionalidades, interface com usuário, desempenho,
custo, tamanho/peso, consumo...
Especificação: requisitos colocados na linguagem
do projetista.
Interfaces E/S, tempos de resposta, comunicação,
periféricos, interdependência entre as partes...
6
Definição da arquitetura de hardware/software:
esboço na forma de diagrama de blocos dos
componentes de hardware e de software do
sistema.
Hardware: Processador e interconexão com periféricos
Software: Componentes de software, módulos,
bibliotecas.
Escolha das ferramentas de desenvolvimento
Hardware: kit de desenvolvimento, emuladores
Software: sistema operacional, linguagem de
programação, bootloaders, IDE
Ferramentas de projeto de esquemáticos/PCB
Ferramentas de documentação
7
Implementação: uso de ferramentas de auxílio ao
projeto
Formalismos: Unified Modeling Language (UML), FSM
Implementação de Hardware/Software
Testes: verificação de adequação do sistema
conforme as especificações
Integração de sistemas: implantação do sistema e
avaliação acerca da satisfação dos requisitos
8
Tópicos desenvolvidos para a disciplina
Introdução à linguagem C
Consultar documento linguagemC.pdf
Desenvolvimento com o µC ATMega8

Consultar documento desenvolvimentoATmega8.pdf
Arquiteturas de firmwares
Firmware estruturado
Firmware baseado em Kernel
9
Organização genérica
RESET
Inicialização de registros
Inicialização primária
do hardware
S
Bootloader? Bootloader
Inicialização de
variáveis
Inicialização secundária
Laço principal ISR 1 ... ISR N
do hardware
10
Operações atômicas em regiões críticas
Região crítica: segmento de código que não pode ser
interrompido.
Exemplos:
Variáveis globais compartilhadas entre diferentes níveis de
interrupção
Funções não reentrantes
Registros de E/S que possuem validade temporal (e.g,
contadores de temporizadores)
Gerenciamento por softawre de handshake
Acesso a uma seqüência de registros de um dispositivo de
hardware
Conversão A/D “simultânea” de dois ou mais canais sem S-
H externo
Solução para firmwares estruturados: desabilitar
globalmente a ocorrência de interrupções.
11
Exemplo: interrupções iniciando com bit I desabilitado
volatile unsigned int Counter1msTicks = 0;
volatile unsigned char DAOutput;
SIGNAL (SIG_OUTPUT_COMPARE1A) Vetor 7: maior prioridade

{
// Decrementa Counter1msTicks a cada interrupção se diferente de 0.
if(Counter1msTicks!=0){
--Counter1msTicks;
}
}
SIGNAL (SIG_2WIRE_SERIAL) Vetor 18: menor prioridade

{
do{
send_twi_digital_to_analogic(DAOutput);
delay(5);
}
while(!receive_twi_analogic_to_digital_device());
}
12
Exemplo: interrupções iniciando com bit I desabilitado
void delay(unsigned int time_ms) // limitado em até 65535 ms.

{
unsigned int counter = 1;
ENTER_CRITICAL();
Counter1msTicks = time_ms;
LEAVE_CRITICAL();
while(counter>0){
sleep_mode();
ENTER_CRITICAL();
counter = Counter1msTicks;
LEAVE_CRITICAL();
}
}
13
Exemplo: soluções para as macros de acesso
Solução 1
#define ENTER_CRITICAL() cli()
#define LEAVE_CRITICAL() sei()
Solução 2
#define LOCAL_CRITICAL_CONTROL() volatile char cSREG
#define ENTER_CRITICAL() cSREG = SREG; cli()
#define LEAVE_CRITICAL() SREG = cSREG
void delay(unsigned int time_ms)

{
unsigned int counter = 1;
LOCAL_CRITICAL_CONTROL();
ENTER_CRITICAL();
.
.
.
14
Quantização e overflow em operações
Considera-se o problema da obtenção da grandeza medida pela
leitura de um conversor A/D
Sistema T Sensor 10 mV/oC Amplificador 50 mV/oC Conversor A/D X

LM35CZ
Térmico G=5 10 bits, Vref=5V
T
Tmax T = K·X + a
(Tmax -Tmin)
K=
(Xmax -Xmin)
a = Tmax- K·Xmax = Tmin- K·Xmin
Tmin
T = K·(X-Xmin) + Tmin
Xmin Xmax X
15
leitura de um conversor A/D (ponto flutuante)
Solução 1 : T = K·(X-X
min) + Tmin
#define Xmax 1023

#define Xmin 0
#define Tmax 99.90234375 /* Temperatura para Xmax */
#define Tmin 0.0 /* Temperatura para Xmin */
float convert_temperature(unsigned int X)

{
return (Tmax - Tmin)*(X - Xmin)/(Xmax - Xmin) + Tmin;
}
Problema de quantização
16
leitura de um conversor A/D (ponto flutuante)
min) + Tmin
#define Xmax 1023

#define Xmin 0
#define Tmax 99.90234375 /* Temperatura para Xmax */
#define Tmin 0.0 /* Temperatura para Xmin */
float convert_temperature(unsigned int X)

{
return ((Tmax - Tmin)*(X - Xmin))/(Xmax - Xmin) + Tmin;
}
17
leitura de um conversor A/D (ponto fixo)
min) + Tmin
#define Xmax 1023

#define Xmin 0
#define Tmax 100 /* Temperatura aproximada para Xmax */
#define Tmin 0 /* Temperatura aproximada para Xmin */
unsigned int convert_temperature(unsigned int X)

{
return ((Tmax - Tmin)*(X - Xmin))/(Xmax - Xmin) + Tmin;
}
Possível problema de overflow
18
leitura de um conversor A/D (ponto fixo)
min) + Tmin
#define Xmax 1023

#define Xmin 0
#define Tmax 100 /* Temperatura aproximada para Xmax */
#define Tmin 0 /* Temperatura aproximada para Xmin */
unsigned int convert_temperature(unsigned int X)

{
unsigned long int aux;
aux = (X - Xmin);
aux = ((Tmax - Tmin)*aux); aux /=(Xmax - Xmin);
return ((unsigned int)(aux)) + Tmin;
}
19
Look-up tables (LUTs)
Em algumas situações, em vez lugar de avaliar uma
função em tempo de execução, é preferível armazenar
resultados indexados em uma tabela e acessá-los quando
necessário.
Função: Look-up table:
x
y = f(x)
quantização i
yi
interpolação
y
tabela
20
Look-up tables (LUTs)
Situações para as quais usa-se LUTs:
Cálculo trigonométrico com inteiros (e.g., geração de uma
onda senoidal através de conversor D/A);
Leitura A/D de variáveis de característica não-linear (e.g.,
leitura de termopares, RDTs);
Máquina de inferência Fuzzy (e.g, controle Fuzzy);
Conversão de código Gray para decimal (e.g., leitura de
codificadores ópticos absolutos);
Leitura de interfaces de entrada (e.g., conversão de
scancodes de teclados em ASCII ou UNICODE).
Exercício: geração de sinal PWM para acionamento de

motores monofásicos
21
Tópicos não abordados, mas importantes:
Manutenção do tempo
Medição de período/freqüência
Leitura de dados por conversão A/D
Máquinas de estado
FIFOs
Listas encadeadas
22
O que vem a ser um kernel ?
Funcionalidades mínimas providas por um kernel:
Gerenciamento de memória
Gerenciamento de processos e comunicação entre
processos (IPC)
Recursos de E/S
Níveis de abstração (processadores avançados):
Espaço usuário e espaço kernel
Abstração dos dispositivos de E/S (UNIX e Linux)
Abstração da camada de hardware: reduz dependência do
hardware, tais como unidade de gerenciamento de
memória, controladores de interrupção, temporizador,
DMA, controlador de tarefas, ...
23
Classificação de kernels: (wikipedia)
Kernel monolítico:
Todos os serviços estão no kernel
Aspectos:
(-) menor estabilidade: a falha de um serviço derruba o sistema;
(+) se bem feito, alcança elevado nível de desempenho;
Exemplos: Linux, Windows 95-98-Me
24
Microkernel:
Serviços básicos:
gerenciamento de memória
processos e IPC
Extensão por meio de servidores

Aspectos:
(+) maior estabilidade: a falha de um serviço não derruba o
sistema;
(+) menor footprint e fácil de manter;
(-) em geral, se sobrecarregam com mais facilidade;
Exemplos: QNX, Minix, AmigaOS
25
Nanokernels:
Controlam o fluxo de interrupções de hardware,
redirecionando-as para outros sofwares.
Usados como forma de virtualização do hardware, permitindo
que vários sistemas operacionais co-existam ao mesmo tempo
Limitações de uso de kernels clássicos para
sistemas embarcados:
Tamanho de memória
Não-determinismo de algumas funções
Alto jitter para comutação de tarefas
Escalonadores buscam maximizar o número de tarefas por
período de execução
26
Sistemas operacionais de tempo real (RTOS)
27
Escalonador
Associado a uma interrupção de temporizador de alta
prioridade e periodicidade constante.
Responsável por:
Atualização dos estados das tarefas
Aplicação da política de escalonamento
Execução das tarefas
Chaveamento de contexto
28
Tarefas: modelo e estruturas associadas
Estado, prioridade,
SP, ponteiros para
próximo TCBs
vizinhos na lista,...
Modelo POSIX
Em outros sistemas,
a tarefa se encerra
(return)
29
Tarefas: estados
[Li & Yao, 2003] [Laplante, 1993]
Pode ser diferente conforme o sistema e o número de processadores

30
Tarefas: exemplo
void tarefa1(void) void tarefa2(void)

{ {
for(;;){ for(;;){
printf(“Tarefa 1”); printf(“Tarefa 2”);
} }
} }
31
Políticas de escalonamento: round-robin
Prioridade
Alta
Média
Baixa T1 T2 T3 T1 T2 T3 T1 T2 ...
Escalonador:
32
Políticas de escalonamento: round-robin com prioridade
Prioridade
Alta
Média T5 T5
Baixa T1 T2 T3 T1 T2 T3 ...
Escalonador:
33
Políticas de escalonamento: preemptivo
Prioridade
Alta T3 Encerramento
Média T2 T2 (cont.)
Preempção ...
Baixa T1 T1 (cont.)
Escalonador:
34
Políticas de escalonamento: round-robin e preemptivo
Prioridade
Alta T6
Preempção Conclusão de T6
Continuação de T3
Média
Baixa T1 T2 T3 T3 T1 T2 ...
Escalonador:
35
Políticas de escalonamento: exemplo (revisitado)

{ {
for(;;){ for(;;){
} }
} }
Que padrões de saída espera-se ter quando...

(a) escalonamento round-robin
(b) escalonamento round-robin com prioridade (P2 > P1)
36
Semáforos
Objetos que permitem lidar com o acesso a recursos
compartilhados
Estrutura de um semáforo:
37
Semáforos
Semáforo binário:
38
Semáforos
Semáforo com contador:
39
Semáforos
Mutex:
40
Semáforos
Semáforos: implementações com bloqueio [Laplante, 1993]
_inline void Wait(unsigned char Status)

{
while(Status==TRUE);
Status = TRUE;
}
_inline void Signal(unsigned char Status)

{
Status = FALSE;
}
41
Semáforos
Semáforos: implementações sem bloqueio [Stallings, 2001]
42
Semáforos
Emprego de semáforos
Sincronismo espera e sinaliza:
Sincronismo espera e sinaliza de múltiplas tarefas:
43
Semáforos
Sincronismo com contagem de sinalização:
Acesso a recurso compartilhado:
44
Semáforos
Múltiplo acesso a recurso compartilhado:
45
Semáforos
Exemplo: recurso stdout compartilhado

{ {
for(;;){ for(;;){ Sem semáforo
binário
} }
} }

{ {
for(;;){ for(;;){
wait(S); wait(S); Com semáforo
binário
signal(S); signal(S);
} }
} }
46
Message queues
Permite a transferência de dados entre tarefas/processos
Estrutura:
47
Message queues
Estados:
48
Message queues
Procedimento de uso:
49
Message queues
Emprego de message queues:
Comunicação em sentido único sem inter-travamento:
Comunicação em sentido único com inter-travamento:

Mailbox: message queue
com comprimento 1
wait signal
Inicialmente 0
50
Message queues
Emprego de message queues:
Comunicação em sentido duplo com inter-travamento:
51
Rate-monotonic schedulers: a prioridade de uma tarefa é
determinada em função de sua freqüência
Outros tópicos:
Processos
Objetos de sincronismo: eventos
RTOS para microcontroladores AVR:

FreeRTOS: http://www.freertos.org/
AvrX: http://www.barello.net/avrx/
52
Referências
[Li & Yao, 2003] LI, Q.; YAO, C. Real-Time Concepts for Embedded
Systems. CMPBooks, 2003.
[Laplante, 1993] Laplante, P.A. Real-Time Systems Design and
Analysis – an engineer’s handbook, IEEE Computer Society Press,
1993;
[Stallings, 2001] William Stalling, Operating Systems: Internals and
Design Principles, Prentice Hall, 2001.
53

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Repassar o controle para um sistema operacional

Implementar as funcionalidades do sistema embarcado:

Desenvolvimento com o µC ATMega8

SIGNAL (SIG_OUTPUT_COMPARE1A) Vetor 7: maior prioridade

SIGNAL (SIG_2WIRE_SERIAL) Vetor 18: menor prioridade

void delay(unsigned int time_ms) // limitado em até 65535 ms.

void delay(unsigned int time_ms)

Sistema T Sensor 10 mV/oC Amplificador 50 mV/oC Conversor A/D X

a = Tmax- K·Xmax = Tmin- K·Xmin

#define Xmax 1023

float convert_temperature(unsigned int X)

#define Xmax 1023

float convert_temperature(unsigned int X)

#define Xmax 1023

unsigned int convert_temperature(unsigned int X)

Possível problema de overflow

#define Xmax 1023

unsigned int convert_temperature(unsigned int X)

Função: Look-up table:

Exercício: geração de sinal PWM para acionamento de

Extensão por meio de servidores

[Li & Yao, 2003] [Laplante, 1993]

Pode ser diferente conforme o sistema e o número de processadores

void tarefa1(void) void tarefa2(void)

void tarefa1(void) void tarefa2(void)

Que padrões de saída espera-se ter quando...

_inline void Wait(unsigned char Status)

_inline void Signal(unsigned char Status)

Sincronismo espera e sinaliza de múltiplas tarefas:

Acesso a recurso compartilhado:

void tarefa1(void) void tarefa2(void)

void tarefa1(void) void tarefa2(void)

Comunicação em sentido único com inter-travamento:

RTOS para microcontroladores AVR:

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