Transcript Apresentação do PowerPoint

INTRODUÇÃO AO
DESENVOLVIMENTO DE
SOFTWARE EMBARCADO
19 e 20 de julho
2011
Alexandra Aguiar, Sérgio Johann, Felipe
Magalhães, Fabiano Hessel
Programação
2

Sala Ponta Negra, Bloco C

19/07 – Terça-feira
 17h

as 19h
20/07 – Quarta-feira
 11h
as 13h
 17h as 19h
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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Magalhães, Fabiano Hessel
Apresentação
3

Faculdade de Informática (FACIN) – PUCRS

CC (Ciência da Computação) – 498 alunos

EC (Engenharia de Computação) – 328 alunos (compartilhada com FENG)

SI (Sistemas de Informação) – 551 alunos

PPGCC (Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação) – 82 MSc; 44 PhD
Linha de pesquisa
SESD – Sistemas Embarcados e Sistemas Digitais
Grupos
GSE – Grupo de Sistemas Embarcados
Gaph – Grupo de Apoio ao Projeto de Hardware
Equipe
7 – professores
24 – alunos mestrado
11 – alunos doutorado
32 – alunos de graduação
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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Magalhães, Fabiano Hessel
Projetos industriais GSE / GAPH
4




Telecom

Parks

Digistar

Datacom

Novus
Automação industrial

Novus

Innalogics

INCT-Sec
RFID chip

Innalogics

Ceitec

Hp

Tsystems
Aplicações espaciais

AEL

INPE
• Apoio governamental
• Capes
• CNPq
• Fapergs
Cooperação Acadêmica
5

Cooperação Nacional





UFRGS
UNICAMP
UFSM
UFSC
Cooperação Internacional

França




TIMA (Grenoble)
CEA – LETI (Grenoble)
LIRMM (Montpellier)
Holanda

Philips Research Labs (EindHoven)
GSE – Equipe Hellfire
6

Dr. Fabiano Hessel – (Supervisor)


Alexandra Aguiar (Doutorado)


[email protected]
Oliver Bellaver Longhi (Graduação)


[email protected]
Felipe Magalhães (Mestrado)


[email protected]
[email protected]
Sérgio Johann Filho (Doutorado)

[email protected]
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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Sumário – Curso teórico-prático
7

Teoria (aprox. 3 horas)
 Sistemas
Embarcados
 Sistemas de Tempo Real

Prática (aprox. 3 horas)
 Hellfire
framework
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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8
Contextualização
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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Introdução
9

Sistemas Embarcados
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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Introdução
10

Restrições
 Temporais
 De
área
 De consumo de energia
 De custo
 ...

Time-to-market
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Introdução
11

Plataformas
 SoC
 MPSoC


Desafios de sistemas de propósito geral presentes
em sistemas embarcados
Software em sistemas embarcados
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Introdução
12

Desenvolvimento de Firmware

Automação de processos

Área de Robótica

Aero-espacial

Automobilística
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13
Conceitos básicos e de hardware
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Sistemas embarcados
14


Sistema dedicado a uma ou mais tarefa(s) específica(s)
Possui diversas restrições em relação ao seu
desenvolvimento
Não pode ser reprogramado em tempo de execução
 Normalmente alimentados por baterias


Leva em consideração as características da aplicação
em seu projeto

Alta confiabilidade
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Sistemas embarcados – Restrições
15

Energia



Capacidade




''Quanto de memória há disponível?''
Tempo de Desenvolvimento


''Que tipo de CPU será usada?''
''Qual o tipo adequado?''
''Hardware, Software ou Hardware e Software?''
Memória


''Alimentado por baterias?''
''Como reduzir consumo?''
''Quanto tempo para lançar o produto?''
Tempo Restrito de Resposta (Tempo Real)

''Qual a responsividade esperada?''
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Sistemas embarcados
16



Integração de diversos
componentes em uma única
pastilha de silício
Uma unidade de processamento,
uma unidade de memória e uma
unidade de E/S
Primeiro produto em 1974
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Sistemas embarcados
Platform Around CPU bus
Abstrações
SW call OS routines to send Frame
to DCT IP (bus priority)
Aglomerações
SW
HW
i

Register-transfer level model
data[1011011] (critical path latency)
abstract
1970’s
abstract
Transistor model
(t=RC)
cluster
abstract
abstract
Gate level model
1/0/X/U (D ns)
abstract

RTL
cluster
SW Tasks
OS/drivers
CPU
SWtasks
tasks
SW
SW
tasks
OS
OS
SW adaptation
MPU
MPU
MPU
core
Comm.int.
int.
Comm.
HW
adaptation
IPs
HW adaptation
cluster
IPs
1980’s
1990’s
2000’s
2010+
Adapted from F. Schirrmeister (Cadence Design Systems Inc.)
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HW
on-chip
communication
Network
HW
adaptation
cluster
SW
Comm.interc.
SW
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Sistemas embarcados
18
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Sistemas de tempo real
19

Sistemas computacionais de tempo real:




Aspectos temporais



NÃO estão limitados a uma questão de maior ou menor
desempenho
Estão diretamente associados com a funcionalidade
Sistemas em geral:


Submetidos a requisitos de natureza temporal
Resultados devem estar corretos lógica e temporalmente
Requisitos definidos pelo ambiente físico
“Fazer o trabalho usando o tempo necessário”
Sistemas de tempo real:

“Fazer o trabalho usando o tempo disponível”
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Sistemas de tempo real
20

Conceitos EQUIVOCADOS
Tempo real significa execução rápida
 Computadores mais rápidos vão resolver todos os
problemas
 Sistemas de tempo real são pequenos, escritos em assembly
 Sistemas de tempo real são formados apenas por

Tratadores de interrupção, e;
 Drivers de dispositivos


Sistemas de tempo real operam em ambientes estáticos
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Sistemas de tempo real
21

Soft real-time systems

Desempenho é degradado


Firm real-time systems

não cumprimento de restrições temporais pode ser tolerado.


Ex: sistemas multimídia
Ex: engarrafamento de refrigerantes.
Hard real-time systems

Consequências para vidas humanas e/ou meio ambiente

Ex: sistemas de segurança crítica
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Sistemas de tempo real
22
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Arquiteturas Embarcadas
23

System-on-Chip – SoC
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Arquiteturas Embarcadas
24

Multiprocessor System-on-Chip
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Arquiteturas Embarcadas
25

Comunicação – Barramento
 Topologias
 Simples,
hierárquico...
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Arquiteturas Embarcadas
26

Comunicação – Network-on-Chip – NoC
 Tendência
de comunicação
 Utiliza roteadores para gerenciar o tráfego
 Conexão ponto a ponto
 Comunicação paralela
 Maior área e complexidade para implementação
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Arquiteturas Embarcadas
27

Comunicação – Network-on-Chip – NoC
 Topologias
 Mesh
2D, Anel, Direta
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Arquiteturas Embarcadas
28

Virtualizadas

Hypervisor Tipo 1
Hypervisor Tipo 2
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Arquiteturas Embarcadas
29
Ring de-privileging
Paravirtualização
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30
Software Embarcado
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Software embarcado
31

Crescente utilização

Diversas camadas

Aplicação e Sistema Operacional
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Software Embarcado
32

Sistemas Operacionais Embarcados
 Lidam
com restrições de memória e armazenamento
 Geralmente não possuem interface para usuário
 Estrutura simplificada em relação ao SO de propósito
geral
 Certos módulos podem não estar presentes
 Maior diversidade de processadores
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RTOS Embarcados
33

Real-time Operating System – Embarcados
 Atender

requisitos dos Sistemas de Tempo Real
Conceitos básicos
 Tarefa
 Periódicas
x aperiódicas
 Esporádica
 Preemptiva x não preemptivas
 Estática x dinâmica
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RTOS Embarcados
34

Tempo de computação ou execução (computation time)


é o tempo utilizado por uma tarefa para a execução completa
de suas atribuições.
Casos especiais de tempo de execução incluem:

BCET (Best Case Execution Time) - melhor (menor) tempo de
execução possível de uma determinada tarefa;

ACET (Average Case Execution Time) - tempo médio de execução
de uma determinada tarefa, e;

WCET (Worst Case Execution Time) - pior (maior) tempo de
execução possível de uma determinada tarefa.
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RTOS Embarcados
35

tempo limite de execução (deadline)


tempo de início (start time)


é o instante de tempo em que se completa a execução da tarefa;
tempo de chegada (arrival time)


é o instante de início do processamento da tarefa em ativação;
tempo de término (completion time)


é o tempo máximo permitido para que uma tarefa seja executada;
é o instante em que o escalonador toma conhecimento de uma ativação
da tarefa, e;
tempo de liberação (release time)

corresponde ao instante de inclusão da tarefa na fila de tarefas
prontas a ser executadas.
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RTOS Embarcados
36




Controle de aplicações com restrições de tempo
real
Sub-sistema semelhante a Sistemas Operacionais
de Propósito Geral
Inclusão de uma unidade escalonadora de tempo
real
Algoritmos de escalonamento de tempo real
 Earliest
Deadline First - EDF
 Rate Monotonic – RM
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RTOS Embarcados
37

Estados de uma tarefa
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RTOS Embarcados
38

Estados de uma tarefa
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RTOS Embarcados
39





Modelo de tarefa
Conjunto de tarefas
Fator de utilização
do processador
Fator de carga do
processador
Idle time
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RTOS Embarcados - Escalonamento
40

On-line versus off-line

Preemptivo versus não preemptivo


Melhor esforço (best effort) versus intolerâncias a
falhas de tempo (timing fault intolerance)
Centralizado versus distribuído
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RTOS Embarcado – Taxa Motônica
(Rate Monotonic – RM)
41


Desenvolvido por Liu & Layland.
Produz escalas em tempo de execução através de
escalonadores preemptivos dirigidos a prioridades.
 Online:

Escala é produzida em tempo de execução
É um esquema de prioridade fixa, ou seja, tarefas
sempre possuem a mesma prioridade.
 Estático:
prioridades não variam em tempo de
execução
RTOS Embarcado – Taxa Motônica
(Rate Monotonic – RM)
42

O algoritmo RM trabalha sobre um modelo de
tarefas bastante simples, que obedece às seguintes
premissas:
 As
tarefas são periódicas e independentes.
 O “deadline” de cada tarefa coincide com o seu
período (Di = Pi)
 O tempo de computação (Ci) de cada tarefa é
conhecido e constante (Worst Case Computation Time)
 O tempo de chaveamento entre tarefas é assumido
nulo.
RTOS Embarcado – Taxa Motônica
(Rate Monotonic – RM)
43

Idéia: Dar maior prioridade às tarefas de menor
período.
Tarefas
Periódicas
Período
Tempo de
Computação
Prioridade
RM
Utilização
Tarefa A
10
2
1
0,2
Tarefa B
15
4
2
0,267
Tarefa C
35
10
3
0,286
RTOS Embarcado – Taxa Motônica
(Rate Monotonic – RM)
44
Tarefas
Periódicas
Período
Tempo de
Computação
Prioridade RM
Utilização
Task A
10
2
1
0,2
Task B
15
4
2
0,267
Task C
35
10
3
0,286
Até o tempo 40:
11 trocas de contexto
3 preempções
RTOS Embarcado – Taxa Motônica
(Rate Monotonic – RM)
45

A análise de escalonabilidade pode ser feita
através de um teste que define uma condição
suficiente.
RTOS Embarcado – Taxa Motônica
(Rate Monotonic – RM)
46

Aplicando a fórmula no exemplo utilizado, temos:
RTOS Embarcado – Taxa Motônica
(Rate Monotonic – RM)
47


Muito utilizado devido a sua simplicidade de
implementação.
É um algoritmo ótimo para a classe de problemas
que se propõe
 Tarefas
P
periódicas.
= D.
 Prioridade Fixa.
RTOS Embarcado – Earliest Deadline
First (EDF)
48



Desenvolvido por Liu & Leiland
Produz escalas em tempo de execução através de
escalonadores preemptivos dirigidos a prioridades.
É um esquema de prioridade dinâmica.
 On-line
e Dinâmico.
RTOS Embarcado – Earliest Deadline
First (EDF)
49

O algoritmo EDF trabalha sobre um modelo de tarefas
bastante simples, que obedece as seguintes premissas:
As tarefas são periódicas e independentes.
 O “deadline” de cada tarefa coincide com o seu período
(Di = Pi)
 O tempo de computação (Ci) de cada tarefa é conhecido e
constante (Worst Case Computation Time)
 O tempo de chaveamento entre tarefas é assumido nulo.

RTOS Embarcado – Earliest Deadline
First (EDF)
50

Idéia: Atribuição dinâmica de prioridades de
acordo com os deadlines de cada tarefa.
Tarefas
Periódicas
Período /
Deadline
Tempo de
Computação
Utilização
Tarefa A
20
10
0,5
Tarefa B
50
25
0,5
RTOS Embarcado – Earliest Deadline
First (EDF)
51

A análise de escalonabilidade pode ser feita
através do teste abaixo que define uma condição
suficiente e necessária.
RTOS Embarcado – Earliest Deadline
First (EDF)
52


Embora consiga trabalhar com um conjunto maior
de casos, EDF possui implementação complexa.
É um algoritmo ótimo para a classe de problemas
que se propõe
 Tarefas
P
periódicas.
= D.
 Prioridade Dinâmica.
Modelos e técnicas de programação
53
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Propósito Geral x Propósito Específico
54





Alto nível
Recursos virtualmente ilimitados
Voltados ao usuário
Estruturas pré prontas (suporte de ferramentas)
Exemplos de linguagens







Java
C#
C, C++
Visual Basic
PHP
ASP
...
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Propósito Geral x Propósito Específico
55





Baixo nível
Recursos Limitados
Voltado a serviços
Confibiabilidade mais importante que desempenho
Exemplos de linguagens
 Assembly
 C,
C++
 ...
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Virtualização de software
56
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57
Hellfire Framework
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Hellfire Framework
58


Framework para criação, simulação e debug de
MPSoCs
Integra em uma única ferramenta três módulos
HellfireOS – Sistema Operacional de Tempo Real
 N-MIPS – Simulador de MPSoCs
 Ferramenta de Geração de Arquitetura





Geração de relatórios de funcionamento
Geração de gráficos de funcionamento
Ferramenta de inclusão de políticas de escalonamento
Interface WEB
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Hellfire Framework – Design Flow
59
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HellfireOS
60

Características
 Sistema
operacional de tempo real preemptivo
 Parametrizável
 Gerenciamento dinâmico de tarefas
 Chamadas de sistema
 perdas
de deadline
 trocas de contexto
 parâmetros de tarefas
 uso de processador
 memória
 ...
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HellfireOS
61







Diferentes políticas de escalonamento (RM, PRR, EDF,
DM)
Primitivas de exclusão mútua, semáforos
Proteção contra inversão de prioridades (priority
inheritance)
Alocação, liberação e gerenciamento dinâmico de
memória
LibC customizada
Emulação de ponto flutuante de precisão simples
Comunicação entre tarefas e migração de tarefas
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HellfireOS
62


Periféricos mapeados em
memória
Camada de abstração de
hardware
 Permite
maior portabilidade
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HellfireOS
63
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HellfireOS
64

Temporização (Tick) e trocas de contexto
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HellfireOS
65

Tarefas (TASKS)
 Possuem
o comportamento definido em um bloco de
código
 São adicionadas ao sistema durante a inicialização ou
execução, com parâmetros que definem seus requisitos
de tempo real, tamanho da pilha, consumo de energia
...
 Estruturas de controle e pilha alocadas dinamicamente
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HellfireOS
66

Tarefas (TASKS)
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HellifreOS
67

Estados das tarefas
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HellfireOS
68

Particionamento e mapeamento inicial

Definido manualmente por grupos de tarefas (particionamento) e
posição dos grupos (mapeamento)
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HellfireOS
69

Comunicação entre tarefas
 Localmente
 Mutexes,
por memória compartilhada
semáforos, mailboxes
 Remotamente
por trocas de mensagem
 Modelo
produtor / consumidor
 Filas individuais para cada tarefa
 Primitivas send() e receive()
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HellfireOS
70

Migração de tarefas
 Uso
de primitiva do OS
 OS_TaskMigrate
(origem, destino);
 Migra
apenas contexto
 Tarefa é “morta” na origem e inicializada com o
contexto no destino
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HellfireOS
71

API do HellfireOS
 Dividida
em 5 grupos
 Manipulação
de Tarefas
 Exclusão Mútua
 Manipulação de Memória
 Comunicação entre Processadores
 LibC
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HellfireOS
72

API do HellfireOS - Manipulação de Tarefas
 Usadas
para gerenciamento das tarefas
 Inclusão
de tarefas no sistema
 Manipulação de informações de funcionamento do sistema e
de tasks




Uso de CPU, energia e memória
CPU em que está rodando
Informação/Mudança de prioridade, período, deadline e WCET
Frequência do processador
 Mudança
do estado de uma tarefa
 Inicializar o OS
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HellfireOS
73

API do HellfireOS
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HellfireOS
74
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HellfireOS
75
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HellfireOS
76
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HellfireOS
77

API do HellfireOS – LibC
 Função
básicas da
linguagem C
 Reimplementadas
visando otimizar seu uso
para sistemas
embarcados
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N-MIPS
78

Ferramenta N-MIPS
 Escrita
em linguagem C, simula, em nível de abstração mais
alto que HDL, entretanto mantém precisão de ciclo
 Caracterização do HW (CPUs, comunicação, filas …)
 Modelos de tempo e energia
 Atualmente utilizada para simular a arquitetura
 Simula até 128 processadores
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Geração de Arquitetura
79

Interface gráfica pra criação de MPSoC
 Estrutura
do tipo drag-and-drop e push-button
 Geração de makefiles automatizada
 Caracterização individual de cada processador do
sistema
 Tarefas
do usuário
 Tamanho da pilha das tarefas
 Tamanho do heap
 Tamanho do tick
 Ativação/desativação de drivers
 Politica de escalonamento
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Geração da Arquitetura
80
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Geração da Arquitetura
81
Processadores
Disponíveis
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Geração da Arquitetura
82
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
Alexandra Aguiar, Sérgio Johann, Felipe
Magalhães, Fabiano Hessel
Geração da Arquitetura
83
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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Magalhães, Fabiano Hessel
Geração da Arquitetura
84
Meio de
Comunicação
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Geração da Arquitetura
85
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Geração da Arquitetura
86
Configuração
Individual
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Geração da Arquitetura
87

Interface Gráfica –
Configuração do
Processador
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88
Exemplos de Uso
HellfireFW
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Site e Acesso inicial
89


http://hellfire.gse.inf.br/
WebFramework
 Subscribe
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Exemplos de Uso
90
Novo Projeto
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Exemplos de Uso
91
Descrição do
Projeto
Nome do Projeto
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Exemplos de Uso
92
Criar Arquivo
Fonte
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Exemplos de Uso
93
Nome do
Fonte
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Exemplos de Uso
94

Hello World –
Template da
aplicação
criada
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Exemplos de Uso
95
Habilitar Edição
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Exemplos de Uso
96
Linha Adicionada
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Exemplos de Uso
97
Salvar Alterações
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Exemplos de Uso
98

Hello World – Aplicação Final
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Exemplos de Uso
99

Arquitetura
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Exemplos de Uso
100
Compilar
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Exemplos de Uso
101
3
Resultado da
Compilação
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Exemplos de Uso
102
Unidade de
Simulação
30
Passo da
Simulação
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Iniciar
Simulação
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Exemplos de Uso
103
Resumo do
Sistema
Saida Padrão
Log ciclo a ciclo
Gráficos de
Funcionamento
Relatórios
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Exemplos de Uso
104

Novo projeto
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Exemplos de Uso
105
Carregar Exemplo
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Exemplos de Uso
106
Escolher Exemplo
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Exemplos de Uso
107
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Exemplos de Uso
108
Introdução ao desenvolvimento de software embarcado
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Exemplos de Uso
109
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Exemplos de Uso
110

Contador Distribuído
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Exemplos de Uso
111

Contador Distribuído
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Exemplos de Uso
112

Migração de
Tarefas
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Exemplos de Uso
113

Migração de Tarefas
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114
Desafios
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Desafios
115

Algoritmo de ordenação de vetores
 Implementar
um dos algoritmos clássicos de ordenação
de vetores (Bubble sort, quick sort, …) utilizando o
ambiente de desenvolvimento HellfireFW.

Algoritmo de ordenação distribuído
 Re-escrever
o algoritmo de ordenação implementado
de modo que o mesmo funcione de modo distribuído,
utilizando as primitivas de comunicação do HellfireOS.
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Desafios
116

Filtro Sobel Embarcado
 Implementar
o algoritmo de detecção de bordas
Sobel. Esse algoritmo aplica dois operadores sobre
cada ponto g da imagem:
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Desafios
117
Filtro Sobel Embarcado
gx = img[y-1][x-1] +2*img[y][x-1] + img[y+1][x-1] img[y-1][x+1] -2*img[y][x+1] - img[y+1][x+1]

gy = img[y-1][x-1] +2*img[y-1][x] + img[y-1][x+1] img[y+1][x-1] -2*img[y+1][x] - img[y+1][x+1]
nova_imagem[y][x] = |gx| + |gy|;
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Desafios
118

Filtro sobel embarcado
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Desafios – Filtro Sobel
119
buffer[128 x 128]
novo_buffer1[64x64]
novo_buffer2[64x64]
novo_buffer3[64x64]
novo_buffer4[64x64]
exemplo para buffer1:
y=0
x=0
for (v = 0; v < 64; v++)
for (u = 0; u < 64; u++)
novo_buffer1[v*64+u] = buffer[(y+v)*128+(x+u)];
Para os buffers seguintes apenas adotar esses valores de y e x:
y = 0 e x = 64
y = 64 e x = 64
y = 64 e x = 0
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Avaliação
120
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Para que possamos melhorar nossa ferramenta, por
gentileza, envie sugestões/críticas/dificuldades e
comentários para [email protected]

Coloque no assunto [cursojai]

Sua participação é muito importante para nós!
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Considerações Finais e Agradecimentos
121




Sistemas cada vez mais presentes
Inúmeros desafios no desenvolvimento embarcado
Ferramentas de apoio ao projeto (hardware +
software) são mandatórias
Apresentação do sistema Hellfire
 Atividades

práticas com a ferramenta
Agradecimentos gerais
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INTRODUÇÃO AO
DESENVOLVIMENTO DE
SOFTWARE EMBARCADO
http://hellfire.gse.inf.br/
19 e 20 de julho
2011
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