Plataforma para Aplicação em Sistemas Embarcados

Plataforma para Aplicação em Sistemas Embarcados Baseada em Processador
Geode LX
Helano Castro, Jardel Silveira, Raul Moreira, Caio Ramos, Vanilson Leite, Alex Vasconcellos, Emílio
Miranda, Alexandre Coelho, Marcelo Araújo
Laboratório de Engenharia de Sistemas de Computação (LESC) / Departamento de Teleinformática
(DETI) / Universidade Federal do Ceará (UFC)
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
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Resumo
Este trabalho apresenta o desenvolvimento e resultado
dos testes de uma plataforma de hardware apta a atender
os requisitos dos sistemas embarcados modernos. Foram
realizados protótipos da plataforma proposta e os
resultados dos testes funcionais, de verificação de
engenharia e de compatibilidade eletromagnética são
apresentados.
1. Introdução
As aplicações que se utilizam de sistemas embarcados
modernos, além de exigirem destes, características
tradicionais, como baixo consumo e tamanho reduzido,
também exigem agora um alto poder de processamento,
similar àquele encontrado em sistemas computacionais do
tipo desktop. Em parte, isso deve-se aos atuais recursos de
multimídia e conectividade, agora disponíveis nestas
aplicações. Nesse sentido, como forma de atender a esses
requisitos, observa-se o surgimento de novas plataformas
de desenvolvimento de sistemas embarcados.
Do ponto de vista do software, não é mais viável
utilizar sistemas operacionais proprietários, ou
desenvolvidos especificamente para as aplicações
modernas, devido à velocidade com que novos protocolos
de comunicação e novas tecnologias se tornam
disponíveis.
A arquitetura x86 é utilizada para computadores
pessoais desde que estes surgiram na década de 80 e, por
isso, existe uma vasta gama de sistemas operacionais e
device drivers disponíveis para esta plataforma. Portanto,
do ponto de vista do software, essa plataforma é adequada
ao desenvolvimento dos sistemas embarcados modernos.
Neste trabalho foi desenvolvida uma plataforma para
utilização em sistemas embarcados modernos, baseada no
processador Geode LX [1], o qual é baseado na
arquitetura x86.
Alguns outros sistemas embarcados ou simples
aplicações portáteis foram desenvolvidos baseados no
processador Geode LX [2-4].
2. Arquitetura Geode LX
O processador Geode LX da AMD (Advanced Micro
Devices) é compatível com a arquitetura x86. Na verdade,
a arquitetura desse processador é composta pelo conjunto
dos seguintes cores:
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CPU Core;
Controlador de Memória (GLMC);
Controlador do Processador (GLCP);
Bloco de Segurança;
Porta de Entrada de Vídeo (VIP);
Geode PCI Link (GLPCI);
Processador de Vídeo;
Controlador de Display;
Processador Gráfico;
Unidade de Interface GeodeLink 0 (GLIU0);
Unidade de Interface GeodeLink 1 (GLIU1).
A comunicação entre os diversos cores ocorre através
das GLIUs, os quais são roteadores da comunicação
interna do chip, cujo diagrama de blocos é mostrado na
Figura 1.
O GLMC é responsável pela comunicação e controle
dos módulos de memória externa DDR SDRAM.
Com exceção das interfaces de memória RAM e
interfaces de vídeo (VIP, TFT e CRT), a comunicação
entre o Geode LX e qualquer outro periférico (incluindo
memória flash de inicialização do processador) é feita
através do barramento PCI, o qual é tratado pelo core
GLPCI.
O processador Geode LX foi concebido para trabalhar
em conjunto com o chipset CS5535/CS5536 [5] também
da AMD, o qual é referenciado por esta como companion
chip ou simplesmente companion.
A arquitetura da plataforma Geode (Figura 3) é
composta principalmente por dois chips, o próprio
processador e o companion, e é similar a arquitetura de
hardware encontrada em placas-mãe (Figura 4) de
computadores pessoais.
Figura 1. Diagrama de blocos do processador
Geode LX
Figura 3. Diagrama de blocos de arquitetura de
placa-mãe baseada em Geode LX
O companion (Figura 2) provê ao processador, através
do barramento PCI, interfaces de comunicação para todos
os periféricos do sistema, exceto memória RAM e
interfaces de vídeo. Os seguintes cores compõem o
companion chip:
As placas-mãe de computadores pessoais são formadas
por 3 chips principais: o processador, o north bridge e o
south bridge. Assim como o Geode, os processadores de
computadores pessoais modernos têm o controlador de
memória RAM integrado ao processador, o qual em
processadores anteriores, era integrado ao north bridge.
Nos computadores pessoais modernos, a principal função
do north bridge é controlar as interfaces de vídeo e
estabelecer comunicação com o south bridge através de
um link de média velocidade, se compararmos com o link
de comunicação entre processador e north bridge, que é
conhecido como Front Side Bus, ou simplesmente FSB.
Conforme dito anteriormente, o processador Geode LX
integra em sua pastilha de silício os controladores de
interface de vídeo. Portanto, se compararmos a arquitetura
de um sistema baseado em Geode LX e aquela encontrada
nas placas-mãe dos computadores pessoais modernos,
podemos considerar que o north bridge está integrado ao
processador.
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GLIU;
GLPCI;
Controlador AC97;
Controlador de interface com barramento LPC;
Controlador do Processador (GLCP);
Controlador para 4 portas USB;
Controlador de dispositivo de armazenamento com
interface IDE ou Memória Flash.
3. Plataforma Desenvolvida
Figura 2. Diagrama de blocos do companion chip
O projeto de nossa plataforma, mostrada na figura 4,
foi desenvolvida baseando-se no processador Geode LX,
e foi concebida para ser utilizada tanto em sistemas
embarcados como em Thin Clients [6].
O layout das interfaces de velocidade foi feito baseado
no documento de layout de referência [7]. Além de seguir
as recomendações deste documento, simulações pré e pós
layout permitiram otimizar o desempenho de tais
interfaces e garantir o funcionamento do sistema na
primeira revisão de hardware.
limites
definidos
pelas
especificações
das
mesmas[12][13][14][15].
Três das quatro portas USB foram aprovadas no teste
de pre-compliance para USB 2.0 [13], executado com o
osciloscópio 54855A da Agilent Technologies, e equipado
com um kit de pontas de provas ativas, adequadas para
medição de sinais de alta velocidade. Apresentamos
abaixo (Figura 5) o diagrama de olho de uma das portas
aprovadas no teste.
Figura 4. Diagrama de blocos da placa
desenvolvida
Todas as características da PCB (Printed Circuit
Board) que abriga a eletrônica projetada foram calculadas
de forma a dar o maior desempenho e menor custo. O
stack-up de apenas 4 camadas contribui para manter o
baixo custo da plataforma. As características geométricas
do layout [8][9] foram calculadas de forma a garantir a
funcionalidade de todas as interfaces. Esse estudo garante
que, os sinais de uma mesma interface que compõem um
subgrupo, estejam sincronizados dentro de margens de
atraso, aceitáveis pela tecnologia dos buffers da interface.
4. Testes e Resultados
Protótipos da plataforma desenvolvida foram
submetidos a testes funcionais e testes de verificação de
engenharia.
Os testes funcionais validam a plataforma em nível
sistêmico, ou seja, submetendo a mesma a uso nas
condições para as quais foi projetada. Para esses testes,
foi utilizado o software PC Diagnosis, desenvolvido pelo
LESC [10]. Além disso, outro programa de teste, o TC
Diagnosis (Thinclient Diagnosis), foi utilizado. Esse
programa executa paralelamente processos do tipo I/O
bound e CPU bound [11] para verificar se o sistema
funciona adequadamente em condições extremas.
Além de testes funcionais, que comprovaram o perfeito
funcionamento do projeto, foram executados ainda testes
complementares como forma de verificar se os parâmetros
elétricos das interfaces internas e externas estão dentro de
Figura 5. Diagrama de olho da porta USB 2
A Figura 6 mostra o diagrama de olho da porta que foi
reprovada pelo teste, onde é possível ver que o sinal
atravessa a região de referência demarcada em cinza, a
qual delimita a abertura mínima do olho. Foram realizadas
alterações no roteamento dos sinais de dados dessa porta,
de forma a melhorar a qualidade do sinal e resolver este
problema. Testes posteriores validaram a porta
inicialmente reprovada.
Figura 6. Diagrama de olho da porta USB 4
Para realização dos testes de compatibilidade
eletromagnética (EMC) [16][17], a plataforma foi
utilizada para aplicação em um thin client. Para essa
aplicação, o sistema foi submetido a testes de emissão
radiada segundo a norma CISPR22 [18] para classes A e
B, a qual se aplica a produtos industriais e residenciais,
respectivamente. As figuras 7 e 8 comparam os resultados
dos testes para a norma CISPR22, das revisões 1 e 2 do
sistema,
para polarização vertical e horizontal,
respectivamente. A linha tracejada nas figuras indica os
limites máximos permitidos de emissão (eixo y) em cada
freqüência (eixo x) para classe B (aplicações industriais) e
a linha contínua indica os limites máximos de emissão
permitidos em cada freqüência para classe A (aplicações
residenciais). A curva em cinza nos gráficos mostra a
emissão radiada para a revisão 1 do sistema e a curva em
preto para a revisão 2. Os melhoramentos para a revisão 2
incluíram alterações no layout, mas principalmente na
blindagem do case do thin client.
5. Conclusão
A revisão 1 da plataforma passou em todos os testes
funcionais. Soluções para os problemas encontrados nos
testes de verificação de engenharia de compatibilidade
eletromagnética (EMC) foram propostas e implementadas
na revisão 2. Esta revisão 2 passou nos testes funcionais e
de compatibilidade eletromagnética. Com exceção dos
testes de USB, os quais foram feitos por laboratório
externo para a revisão 1, os demais testes de verificação
de engenharia foram refeitos e a plataforma foi aprovada.
A plataforma concebida provou-se extremamente
competitiva, tanto do ponto de vista de desempenho e
funcionalidades, como também de custo. Sistemas
operacionais comerciais foram embarcados na plataforma,
de modo a se obter parâmetros de validação dessas
características.
Os autores gostariam de agradecer a Manoel Barbin,
pela contribuição nos testes de validação da plataforma e
preparação das figuras que ilustram os resultados dos
testes de EMC.
6. Referências
Figura 7. CISPR 22 – Emissão radiada – 10
metros – Polarização Vertical
Figura 8. CISPR 22 – Emissão radiada – 10
metros – Polarização Horizontal
[1] Amd Geode LX Processors Data Book, May 2007,
Publication ID: 33234F
[2] Brotherton, T. et al, Generic integrated PHM/controller
system, Aerospace, 2005 IEEE Conference, Page(s):3427-3437
[3] Observatory Lawrence Ashley, The Aastino: Automated
Astrophysical Site Testing International,
citeseer.ist.psu.edu/595568.html
[4] One Laptop Per Child (OLPC) Hardware Specification,
http://wiki.laptop.org/go/Hardware_specification
[5] Amd Geode CS5536 Companion Device Data Book, May
2007, Publication ID: 33238G
[6] Richards, D. Linux Thin Client Networks Design and
Deployment, Packt Publishing, August 2007
[7] Amd Geode LX Processor and CS5535/5536 Companion
Devices Layout Recommendation, October 2005, Publication
ID: 32739E
[8] Johnson, H.,Graham, Martin., A Handbook of Black Magic,
Pretince Hall, 1993
[9] Douglas Brooks, Signal Integrity Issues and Printed Circuit
Board Design, Third printing, Pretince Hall, 2003.
[10] PC Diagnosis software, http://www.lesc.ufc.br/projetos.php
[11] Modern Operating Systems, Tanenbaum, A. Prentice Hall,
3rd. Edition, December 2007
[12] Intel Low Pin Count (LPC) Interface Specification,
http://www.intel.com/design/chipsets/industry/lpc.html,
August 2002, Revision 1.1, document number 251289001
[13] USB 2.0 Specification,
http://www.usb.org/developers/docs/, April 27, 2000
[14] Conventional PCI 3.0,
http://www.pcisig.com/specifications/conventional/
o.
[15] Jedec Standard n 79E, Double Data Rate (DDR)
SDRAM Specification, http://www.jedec.org, May 2005
[16] Ott, H., Noise Reduction Techniques in electronics
Systems, Second Edition, John Willey & Sons, 1988
[17] Bruce Archambeault, PCB Design For Real-World EMI
control, Second Printing, Kluwer Academic Publishers, 2004.
[18] Information technology equipment – Radio disturbance
characteristics – Limits and methods of measurement, Fourth
Edition, IEC, 2003-04