Um sistema embarcado (ou sistema embutido) é um sistema microprocessado no qual o computador é completamente encapsulado ou dedicado ao dispositivo ou sistema que ele controla. Diferente de computadores de propósito geral, como o computador pessoal, um sistema embarcado realiza um conjunto de tarefas predefinidas, geralmente com requisitos específicos. Já que o sistema é dedicado a tarefas específicas, através de engenharia pode-se otimizar o projeto reduzindo tamanho, recursos computacionais e custo do produto.
Sistemas como PDAs são geralmente considerados sistemas embarcados pela natureza de seu hardware, apesar de serem muito mais flexíveis em termos de software. Fisicamente, os sistemas embarcados passam desde MP3 players à semáforos.
CARACTERÍSTICAS DE SISTEMAS EMBARCADOS
Sistemas embarcados são desenvolvidos para uma tarefa específica. Por questões como segurança e usabilidade, alguns inclusive possuem restrições para computação em tempo real. O software escrito para sistemas embarcados é muitas vezes chamado firmware, e armazenado em uma memória ROM ou memória flash ao invés de um disco rígido. Por vezes o sistema também é executado com recursos computacionais limitados: sem teclado, sem tela e com pouca memória, exceto pelos processadores de smartphones, que atualmente apresentam um alto poder de processamento, demandando um número maior de memória, frequência de operação, etc.
Todos estes fatores também podem ser traduzidos em custo reduzido. Processadores utilizados em alguns sistemas embarcados podem ter preços menores que US$1.
ARQUITETURAS DE PROCESSADORES EMBARCADOS
Sistemas embarcados utilizam vários tipos de processadores: DSPs(digital signal processors - processadores digitais de sinais), micro-controladores, micro-processadores. Ao contrrário do mercado de computadores pessoais, que é basicamente dominado pelos processadores de arquitetura x86 da Intel/AMD, sistemas embarcados utilizam amplamente as arquiteturas ARM, PowerPC, PIC, AVR, 8051, Coldfire, TMS320. O processador ARM será a familia de processadores discutido mais adiante.
PROCESSADORES ARM
A ARM é umas das empresas líder de mercado no fornecimento de processadores de 32-bis embarcados, oferecendo uma vasta linha de processadores baseadas em uma mesma arquitetura em comum que possui alta performance, eficiencia de energia e baixo custo. O seu portifolio com mais de 20 tipos de processadores é capaz de atender cada aplicação desejada. Mais de 25 bilhões de processadores ARM já foram fabricados e cerca de 16 milhões de processadores são vendidos por dia.
Visão Geral
Os processadores da série A da Cortex são processadores de alta performance, com frequencia típica de 2Ghz ou mais, possuindo de um à quatro núcles com a opcional tecnologia NEON™ para processamento multimídia e avançadas unidades para cálculos em ponto flutuante.
Suas aplicações incluem: Smartphones, Netbooks, leitores de eBook e TV Digital.
ARM Cortex Embedded Processors
Os processadores da série M foram desenvolvidos para atender primariamente o ambiente dos microcontroladores, com a necessidade de serem rápidos, altamente determinísticos e com o menor consumo de energia possível. Suas aplicações incluem: microcontroladores, sensores inteligentes, controle eletronicos de airbags automotivos e unidades de armazenamento.
Os processadores da série R foram desenvolvidos para aplicações de tempo real, aonde a necessidade de baixo consumo de energia e uma operação sem interrupções são balanceadas com uma excepcional performance e alta compatibilidade com plataformas existentes. Suas aplicações incluem: Sistemas de rede e impressão, controle eletronico de freios automotivos.
ARM Classic Processors
São processadores para uso geral, com várias especificações distintas de performance. Atualmente possuem as séries ARM11, ARM9 e ARM7.
ARM Specialist Processsors
São processadores destinados a demandas específicas do mercado. A série SuperCore é destinada a aplicações que necessitam de segurança, como aplicações que realizam identificação e que detectam e evitam ataques à segurança (SIMs, SmartCards, sistemas de pagamento). A série FPGA é feita para atender fabricantes de FPGA's que desejam obter compatibilidade com a arquitetura ARM mas que desejam a programação de dispositivos FPGA.
Arquitetura dos processadores ARM
Os processadores ARM são baseados nos principios RISC de 32 bits (exceto pela mais nova arquitetura lançada, ARMv8, de 64 bits), entre eles:
- Arquitetura Load-Store: as instruções somente processarão (soma, subtração, etc) valores que estiverem nos registradores e sempre armazenarão os resultados em algum registrador.
- Instruções fixas de 32 bits de largura (com exceção das instruções Thumb compactas de 16 bits) alinhadas em 4 bytes consecutivos da memória, com execução condicional, com poderosas instruções de carga e armazenamento de múltiplos registradores, capacidade de executar operações de deslocamento e na ULA com uma única instrução executada em um ciclo de clock .
- Formato de instruções de 3 endereços (isto é, os dois registradores operandos e o registrador de resultado são independentemente especificados)
- 15 registradores de 32 bits para uso geral
- Manipulação de periféricos de I/O como dispositivos mapeados na memória com suporte à interrupções.
- Conjunto de instruções aberto a extensões através de co-processador, incluindo a adição de novos registradores e tipos de dados ao modelo do programador.
- Pipelines de 3 e 5 estágios;
- Baixo Consumo de energia;
- Tamanho do núcleo reduzido;
Além disso, a arquitetura ARM fornece algumas funcionalidades adicionais, como:
- Instruções que combinam operações lógicas e aritméticas;
- Auto-incremento e auto-decremento de endereçamento para maximizar o loop de programas;
- Leitura e escrita de multíplas instruções para maximizar o throughput de dados;
- Execucão condicional de quase todas as instruções para maximizar o throughput de execução.
Estas melhorias em uma arquitetura RISC básica permitem os processadores ARM ter um bom balanceamento entre alta performance, tamanho de código pequeno, pouco consumo de energia e pouco espaço físico ocupado.
SMARTPHONES E PROCESSADORES ARM
Entre os smartphones de maior desempenho, encontramos os processadores ARM adaptados em duas principais fabricantes: Qualcoom com sua linha de SoC (System on a chip) Snapdragon e a NVidia com o Tegra. Abaixo, um diagrama de blocos de como é a arquitetura ARM em um smartphone e alguns vídeos demonstrando a capacidade de processamento encontrada nesses dispositivos:
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