exemplo de sistema embarcado com conectividade web andrey brito andrey@dsc.ufcg.edu.br andrey

Exemplo de Sistema Embarcado com Conectividade Web

Andrey Brito

andrey@dsc.ufcg.edu.br

www.lsd.ufcg.edu.br/~andrey

30 de maio de 2005 Arquitetura de Computadores 2

Objetivo

• Apresentar um exemplo de sistema embarcado completo– Sensores, atuadores, processamento,

interface com usuário e conectividade de rede

• Ilustrar a arquitetura de um “computador com interface de rede”

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Introdução

• O que é um sistema embarcado?– Um sistema encapsulado pelo dispositivo que

controla– Podem ser isolados ou em rede– Dificilmente possuem um SO– Microcontroladores são bons candidatos

• São basicamente utilizados para controle e monitoramento

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Exemplo de sistema em rede

• O sistema embarcado controla/monitora o dispositivo– Pode ser distribuído

• O PC possui uma GUI (supervisório)– Visualização e ajuste de ponto de operação

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Exemplo de supervisório

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Roteiro

• O Hardware– MSP430 Internet Connectivity

• MSP430F149• CS8900A

• O Software– Organização do Software– uIP

• A Aplicação

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Nosso hardware

• Kit de desenvolvimento projetado pela Texas– MSP430 Internet Connectivity – www.ti.com– Vendido por vários montadores (por exemplo,

www.olimex.com)

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Arquitetura do hardware

LCD

MicrocontroladorControlador Ethernet

Relés

Sensores

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Arquitetura do hardware

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O microcontrolador MSP430F149

• Custo: US$ 0,50 a 8

• Velocidade: 0 a 8 MHz, mas instruções podem consumir até 6 ciclos de clock

• Consumo: 2,5 µA em 4 KHz a 2,4 mA em 8 MHz

• Periféricos: 6 portas E/S, ADC, Timers, UART, Multiplicadores

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O microcontrolador MSP430F149

• Memória: 60 KB Flash, 2 KB RAM

• CPU: RISC, 27 instruções (+ 24 emuladas), 16 registradores

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O microcontrolador MSP430F149

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O microcontrolador MSP430F149

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O microcontrolador MSP430F149

CPU

RAM

FLASH

E/S DigitalADC

Timers

MSP430F149

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O Controlador Ethernet CS8900A

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O Controlador Ethernet CS8900A

Control

RAM

En/Decoder

CS8900A

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Funcionamento do Controlador Ethernet

• Configuração– Que interface usar (por exemplo, RJ45?)– Que frames aceitar– Que eventos causam interrupções

• Recebimentos, transmissões, colisões, etc.

– Como os frames recebidos são transferidos para o hospedeiro

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Recebendo um pacote

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Transmitindo um pacote

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Transmitindo um pacote

Preamble + Start_of_Frame + Data + PAD + CRC

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Roteiro

• O Hardware– MSP430 Internet Connectivity– MSP430F149

• Aquisição de dados e ativação/desativação de saídas– CS8900A

• Configuração, recepção e transmissão de pacotes

• O Software– Organização do Software– uIP

• A Aplicação

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“The uIP Embedded TCP/IP Stack”

• Pilha de protocolos open-source para pequenos processadores– http://www.sics.se/~adam/uip

• Cabe em 6 KB de ROM e 1,5 KB de RAM

• Já foi portado para MSP430, 8051, AVR, etc.

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“The uIP Embedded TCP/IP Stack”

• Suporta IP, TCP, UDP, ICMP, ARP– Faz toda a parte de abertura e gerenciamento de conexões,

falta só gerar os dados– Possui um arcabouço de uma linguagem de script para páginas

HTML dinâmicas

• Desvantagem: armazenamento das páginas

static const char data_index_html[] = {

/* /index.html */

0x2f, 0x69, 0x6e, 0x64, 0x65, 0x78, 0x2e, 0x68, 0x74, 0x6d, 0x6c, 0, 0x48, 0x54, 0x54, 0x50, 0x2f, ... };

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Ambiente de desenvolvimento

• Rowley Associates CrossWorks Studio– ARM, AVR e MSP430– Oferece uma versão do uIP com driver do

controlador CS8900A para o MSP430 Internet Connectivity

– Muitos recursos– Demo de 30 dias– Caro! (£495)

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Ambiente de desenvolvimento

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Funcionamento do software (local)

void main(void) {

// Iniciação

// periféricos

// CS8900A

// httpd e aplicação

while(1) {

// Processa entradas/saídas da aplicação local

// Trata botões, faz aquisição de dados

// Processa pacotes e eventos de rede

}

}

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Funcionamento do Software (rede)

Pacote Recebido

ARP IP

uip_arp_arpin()

Endereço começacom /cmd/

Envia /arq.htmlhandleCommand() interpretaScript()

uip_process()

httpd_appcall()

Endereço começacom /cgi/

Envia o arquivo solicitado

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Funcionamento do Software (rede)

• handleCommand()– pressYellowButton();– pressBlackButton();– pressWhiteButton();– pressGreenButton();

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Funcionamento do Software (rede)

• interpretaScript()– Exemplo “/cgi/arq”

i /arq_header.html

c d

i /arq_footer.html

.

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Roteiro

• O Hardware– MSP430 Internet Connectivity– MSP430F149

• Aquisição de dados e ativação/desativação de saídas– CS8900A

• Configuração, recepção e transmissão de pacotes

• O Software– Organização do Software– uIP

• A Aplicação

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A Aplicação

• Um sistema que gerencia uma caixa de abastecimento de água– Tanque– Bomba– Válvula– Alarme

• O sistema é automático– Exceto, talvez, pela válvula

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A Aplicação

• No entanto, pode ser necessário atuar no sistema remotamente– Verificar se o alarme está ativado– Verificar se o tanque está enchendo

• Será que o reservatório secou?

– Ligar/desligar a válvula que libera o fornecimento

• Durante períodos de racionamento

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A Aplicação

Flash

Dinâmico

Flash

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Funcionamento do Software (rede)

• interpretaScript()– Exemplo “/cgi/arq”

i /arq_header.htmlc di /arq_footer.html.

– “c d”• constrói a tabela

– bombaState, alarmState, energySaveState, valvulaState e getLevel

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Executando a aplicação (visão de Hardware)

CPU

RAM

FLASH

E/S Digital

ADC

Timers

MSP430F149

Control

RAM

En/Decoder

CS8900A

Sensor

BotãoBotões

RelésRelés

Página Web

Ethernet/Internet

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Executando a aplicação (visão de Hardware)

CPU

RAM

FLASH

E/S Digital

ADC

Timers

MSP430F149

Control

RAM

En/Decoder

CS8900A

Sensor

BotãoBotões

RelésRelés

Página Web

Ethernet/Internet

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Executando a aplicação (visão de Hardware)

CPU

RAM

FLASH

E/S Digital

ADC

Timers

MSP430F149

Control

RAM

En/Decoder

CS8900A

Sensor

BotãoBotões

RelésRelés

Página Web

Ethernet/Internet

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Considerações finais

• Usar um kit de desenvolvimento e o uIP reduz o trabalho de fazer um sistema “útil” de meses para dias.– Mas o resultado não é muito flexível, você

deve montar o seu framework em cima disso

• Sistemas embarcados ilustram muitos aspectos importantes de um computador comum