Metodologia de desenvolvimento de aplicações
• Organização:
– O desenvolvimento de aplicações para
microprocessadores / microcontroladores
– Sistemas de desenvolvimento
– O ambiente de projecto da KEIL
– O gerador de formas de onda revisitado
– Co-projecto: Um exemplo na aquisição e visualização de
sinais analógicos
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 1
O desenvolvimento de
aplicações para Ps / Cs
• As ferramentas de apoio para o desenvolvimento de
aplicações baseadas Ps ou em Cs são idênticas,
mas é importante distinguir que:
– As aplicações baseadas em Ps estão normalmente
associadas ao processamento de informação e o trabalho
do projectista é sobretudo ao nível algorítmico
– As aplicações baseadas em Cs situam-se a maior parte
das vezes ao nível do pormenor (muitas vezes mesmo ao
bit), em estreita ligação com o hardware da aplicação
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 2
O ciclo de projecto
• As quatro principais etapas no projecto com Ps /
Cs (tal como noutras áreas da electrónica) são as
seguintes:
Especifi- Represen- EspecifiSíntese
cação
tação
cação
inicial
formal
formal
Etapa 1
Circuito
mínimo
Etapa 2
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 3
Verificação de
projecto
Validação
Produto
Protótipo de
projecto
Etapa 3
Etapa 4
O ciclo de projecto
(cont.)
Especifi- Represen- EspecifiSíntese
cação
tação
cação
inicial
formal
formal
Etapa 1
Etapa 2
Circuito
mínimo
Verificação de
projecto
Validação
Produto
Protótipo de
projecto
Etapa 3
Etapa 4
• Em relação a este modelo de projecto, repare-se que:
– A mesma base (i.e. o mesmo hardware) pode ser
reutilizado de aplicação para aplicação, muitas vezes sem
qualquer alteração, o que não sucede com as soluções
baseadas em hardware dedicado
– A maior flexibilidade (para acomodar modificações) é
contra-balançada pela menor rapidez, face à alternativa
da solução baseada em hardware dedicado
– Poderão co-existir ambas? (Cs, hardware dedicado)
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 4
O ciclo de projecto
(cont.)
Especifi- Represen- EspecifiSíntese
cação
tação
cação
inicial
formal
formal
Etapa 1
Circuito
mínimo
Etapa 2
Verificação de
projecto
Validação
Produto
Protótipo de
projecto
Etapa 3
Etapa 4
• Assumindo o pressuposto da reutilização do
hardware, o ciclo de projecto costuma também
representar-se da seguinte forma:
Detecção de erros por simulação
Desenvolvimento
(escrita
de rotinas)
Simulação
Implementação
Detecção de erros por experimentação
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 5
Experimentação
Regras básicas de projecto
• Existem dois factores principais que condicionam o
sucesso do trabalho de projecto (e o sucesso não se
restringe a colocar o sistema a funcionar...):
– A definição de uma organização modular que oriente o
desenvolvimento das rotinas e que esteja em sintonia com
as características da aplicação-alvo
– A escolha de uma linguagem com o nível de abstracção
mais adequado à complexidade e características da
aplicação-alvo (assembly? C?)
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 6
Regras básicas de projecto
(cont.)
• Satisfeitos os factores principais, a maior parte das
dificuldades no projecto ficam a dever-se à não
observância de questões triviais, como por exemplo:
– Garantir a inicialização de uma área de stack
– Guardar o conteúdo de registos e posições de memória,
no início de subrotinas ou atendimento a interrupções
– Analisar em detalhe a forma como são actuadas as flags
– Comentar de forma sucinta e concisa o código assembly
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 7
Regras básicas de projecto:
Modularidade e hierarquia
• Aspectos principais a referir:
– Começar por esboçar um modelo organizativo da solução
– Identificar as relações de hierarquia e inter-dependência
entre as várias rotinas que integram o modelo anterior
– Identificar e caracterizar os parâmetros de entrada e de
saída associados a cada uma das rotinas
– Só então começar com o trabalho de escrita de código
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 8
Regras básicas de projecto:
Escolha da linguagem
• A escolha a efectuar resume-se, na maior parte dos
casos, às duas alternativas seguintes:
– Baixo nível de abstracção (assembly), sobretudo para
pequenos segmentos de código, onde queremos ter um
conhecimento preciso do que se passa ao nível temporal
– Alto nível de abstracção (C), em todos os restantes casos
• Em ambos os casos, no entanto, as ferramentas de
apoio ao projecto têm um papel fundamental
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 9
Sistemas de
desenvolvimento
• Os sistemas de apoio ao desenvolvimento de
aplicações baseadas em Ps / Cs integram
normalmente duas componentes principais:
– Aplicações (sobretudo para) Windows para controlar /
observar o sistema-alvo: Correr uma rotina passo-apasso, visualizar o conteúdos dos registos, etc.
– Uma ponta de emulação, para substituir o P / C no
sistema-alvo, de forma a permitir realizar as operações
anteriores
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 10
Sistemas comerciais de
baixo custo: Ceibo
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 11
Aplicações do domínio
público: ApBuilder 2.21
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 12
O ApBuilder 2.21 (cont.)
• Configuração do porto série num 80C51
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 13
O ApBuilder 2.21 (cont.)
• Porto série: Código ASM produzido pelo ApBuilder
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 14
O ApBuilder 2.21 (cont.)
• Descrição da
instrução cjne:
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 15
O ambiente de projecto da
KEIL
Detecção de erros por simulação
Desenvolvimento
(escrita
de rotinas)
Simulação
Implementação
Experimentação
Detecção de erros por experimentação
• Actividades correspondentes às primeiras duas
etapas do ciclo de desenvolvimento:
– Criação dos ficheiros que integram a arquitectura modular
– Geração do código objecto (via compilador ou assembler)
– Ligar (link) os vários ficheiros de código objecto num único
bloco
– Simular o funcionamento do código executável (para
detectar e corrigir os erros, antes da implementação)
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 16
O ambiente de projecto da
KEIL (cont.)
• A KEIL proporciona várias ferramentas para apoio a
estas etapas, com destaque as seguintes:
–
–
–
–
–
Compilador de C para código objecto (C51)
Cross-assembler (A51)
Linker (BL51)
Gestor de bibliotecas de ficheiros (LIB51, library manager)
Um ambiente de simulação / depuração (debugging), com
a designação de dScope
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 17
O ambiente de projecto da
KEIL (cont.)
• O ambiente integrado de
desenvolvimento pode
representar-se pela
interacção entre as quatro
primeiras ferramentas
(numa aplicação interactiva
designada por Vision) e o
dScope:
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 18
Vision
C51:
Compilador
Biblioteca
C
A51: Macro
Assembler
LIB51:
Gestor da
Biblioteca
RTX51:
Sist. oper.
tempo real
BL51: Linker
dScope
Simulador
de CPU e
periféricos
Monitor-51
Emulador /
Programador
de PROM
O Vision
• As principais
componentes do
Vision são o
editor, o gestor
de projecto e o
gerador do
código objecto
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 19
O dScope
• Esta aplicação
permite-nos
realizar a
depuração do
código
desenvolvido,
mesmo sem
hardware exterior
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 20
O dScope
(cont.)
• Repare-se na
percentagem de
código que foi já
executado (que
importância tem
esta indicação?)
e na visualização
mista (ASM+C)
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 21
O gerador de formas de
onda revisitado
• Para comparar a complexidade relativa do
desenvolvimento em C e em ASM, para um caso de
complexidade reduzida (embora não trivial),
revisitaremos o gerador de formas de onda
• O desenvolvimento da solução em C permite-nos
avaliar estas duas abordagens quanto à facilidade do
processo de projecto, bem como comparar o código
objecto produzido nas duas situações
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 22
Atribuição de recursos
Forma de onda
+
P0.0
Frequência
+
P0.1
Valor máximo
+
P0.2
Valor mínimo
+
87C51
P0
8
1
0
P0.5
Tecla Menos (-)
P0.7
Saída
analógica
AmpOps
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 23
Função 2
P0.6
P1
8
P0.4
Tecla Mais (+)
P0.3
Conversor
D/A
Função 1
1
0
(que modificações foram
efectuadas, em relação à
atribuição inicial?)
Organização das rotinas
• Mantendo uma organização semelhante à que foi
anteriormente considerada, quando se efectuou o
desenvolvimento em assembly, resultam quatro
rotinas principais:
–
–
–
–
A rotina principal propriamente dita (main)
A geração das formas de onda
O atraso que determina a frequência
A gestão do sistema
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 24
O gerador de formas de
onda no Vision
• Vision:
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 25
O gerador de formas de
onda no dScope
• dScope:
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 26
Co-projecto na aquisição e
visualização de sinais
• Encerraremos as metodologias de projecto com a
consideração de um caso em que a mesma
especificação funcional tanto pode ser implementada
com um C como com hardware dedicado:
– Em hardware dedicado, proporcionando maior rapidez
– Com um C, ganhando em flexibilidade
– Ou mesmo com base numa solução mista (co-projecto)
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 27
Conceitos básicos de coprojecto
• O co-projecto procura identificar quais as partes da
especificação funcional a implementar em:
– Hardware dedicado, que através de paralelismo
(possibilidade de realizar várias operações em simultâneo)
permite satisfazer requisitos de rapidez elevada
– Código residente em memória, mais lento (só uma
instrução é executada de cada vez) mas com vantagens
de outros tipos (custo, em última análise)
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 28
Conceitos básicos de coprojecto (cont.)
• O co-projecto está essencialmente associado a
metodologias e ferramentas que tem por objectivo
automatizar a actividade de projecto, sendo por isso
vocacionado sobretudo para complexidade elevada
• Contudo, mesmo para exemplos relativamente
simples é possível ilustrar as alternativas em
confronto e as soluções de compromisso procuradas
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 29
Especificação do sistema
• Em termos gerais, o objectivo consiste em
desenvolver um sistema para:
– Capturar (digitalizando e guardando em memória) sinais
analógicos de muito baixa frequência
– Visualizar as formas de onda associadas a estes sinais,
usando para o efeito um osciloscópio de baixo custo
• Porque é que a visualização directa não é possível?
• Quais são as dificuldades principais a enfrentar?
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 30
Especificação do sistema:
Captura
• Principais especificações da captura:
– Pretende-se um, dois ou quatro sinais de entrada, com
selecção por uma só tecla e indicação por três leds
– Memória total para aquisição: 32 Kbytes
– Pretende-se 10 alternativas para o tempo total de captura,
entre 1 s e 24 h, com selecção por uma só tecla e com
indicação através de 10 leds
– O fim da captura provoca a passagem à visualização
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 31
Especificação do sistema:
Visualização
• Principais especificações da visualização:
– É o modo definido por omissão (o sistema deve passar a
este modo após reset ou após completar a aquisição)
– A especificação do número de canais activos (1, 2 ou 4)
vale também para a visualização
– A visualização de mais do que um sinal de entrada deve
ser feita em faixas horizontais distintas do écran do
osciloscópio
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Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 32
Representação
visual
Canais de entrada analógicos
Circuitos
limitadores
Saída
analógica
para o
osciloscópio
NV RAM
(32 Kbytes)
15
Base de
tempo
8
Reset
Tecla de
início de
captura
Tecla do
modo de
captura e
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
visualização
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 33
Sistema a
desenvolver
3
Saída de
trigger
10
Indicação Tecla do
Indicação do
do modo de tempo total tempo total
de captura de captura
captura e
visualização
Indicação
de captura
completa
Representação visual e
interface com o utilizador
INI: Inicialização
1
canal
2
canais
4
canais
NCA: Número de canais activos
TTC: Tempo total de captura
IC: Início de captura
NCA
Ligar
Modo de
visualização
Modo de
aquisição
IC
Aquisição
completa
TTC
INI
Simbologia:
1s
5s
30 s
1m
15 m
30 m
2h
6h
12 h
24 h
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 34
Tecla
LED
A importância do coprojecto
• O que é que torna este exemplo particularmente
interessante sob o ponto de vista do co-projecto?
– Seria possível a implementação da componente da
especificação funcional correspondente à captura através
de um C da família 80C51 a 12 MHz?
– E no que respeita à componente da especificação
funcional que diz respeito à parte da visualização?
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 35
Implementação apenas com
um C
Entradas
analógicas
Saída de trigger
LED (14)
Teclas (4)
Porto
Microcontrolador
com A/D
(para o D/A)
Dados
Endereços e controlo
Saída
analógica
EPROM
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 36
NV RAM
Conversor D/A
Implementação apenas
com um C(cont.)
Entradas
analógicas
LED (14)
Teclas (4)
Porto
Microcontrolador
com A/D
Saída de trigger
(para o D/A)
Dados
Endereços e controlo
• Apesar de não nos permitir satisfazer os
requisitos de rapidez na visualização,
deveríamos equacionar se seria admissível:
EPROM
Saída
analógica
NV RAM
Conversor D/A
– Aceitar uma visualização menos confortável, o que
permitiria aumentar o tempo entre operações consecutivas
de escrita no conversor D/A?
– Reduzir o número de amostras por canal, para que
diminuísse o número de operações de escrita no D/A por
intervalo de tempo?
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 37
Implementação apenas com
hardware dedicado
D[0..7]
Entradas
analógicas
A[0..15]
Gerador de
endereços para a
NVRAM
Bloco de
aquisição
(inclui o
conversor
A/D)
/RD, /WR
Bloco de
visualização
Controlador
(máquina de
estados)
Teclas
4
Interface com
as teclas e LED
14
LED
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 38
Para o
conversor
D/A
Saída de
trigger
Bloco de
temporização
Implementação apenas com
hardware dedicado (cont.)
• Apesar de permitir verificar todos os requisitos
apresentados, esta implementação apresenta as
desvantagens principais seguintes:
– Flexibilidade para permitir modificações posteriores,
voluntariamente ou em resultado de erros de projecto
– Maior complexidade (exercício: representar o diagrama de
transição de estados do controlador)
– Custo superior, a não ser em casos especiais (quais?)
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 39
Implementação mista
Entradas
analógicas
LED (14)
Teclas (4)
Microcontrolador
com A/D
Dados
Endereços e
controlo
(para o D/A)
Saída
analógica
EPROM
DP RAM
Controlador de
visualização
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 40
Conversor D/A
Saída de trigger
Implementação
mista (cont.)
Entradas
analógicas
LED (14)
Teclas (4)
• Continuamos a poder satisfazer todos
os requisitos da especificação, mas:
Microcontrolador
com A/D
Dados
Endereços e
controlo
(para o D/A)
Saída
analógica
EPROM
DP RAM
Controlador de
visualização
Conversor D/A
Saída de trigger
– A memória para armazenamento dos valores digitalizados
terá agora que dispor de um duplo porto de acesso
– Se o controlo da visualização não for suficientemente
simples para poder ser implementado num dispositivo
programável de média complexidade,como é que esta
alternativa de implementação se compara com a anterior?
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 41
Co-projecto: Conclusão
• O exemplo considerado continha apenas duas
componentes funcionais, com características que
tornavam simples a identificação das vantagens e
desvantagens associadas à implementação por
hardware dedicado ou código residente em memória
• Nos casos reais em que a metodologia de co-projecto
tem aplicabilidade, a complexidade das situações
requer o uso de ferramentas de apoio à decisão
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 42
Conclusão
• Objectivo principal do capítulo: Introduzir as
metodologias de desenvolvimento de aplicações
baseadas em microcontroladores e apresentar alguns
exemplos concretos
• Pistas para a continuação do estudo:
– Projecto de “sistemas embutidos” (embedded systems)
– Modelação e síntese automática no co-projecto entre
hardware e software
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Metodologia de desenvolvimento de aplicações - 43