Componentes dos sistemas de hardware incorporados: processador, memória (RAM/ROM), dispositivos de E/S, unidades de conversão analógica/digital (A/D, D/A), módulos de comunicação, módulos de alimentação. Este artigo fornece uma introdução detalhada à unidade central dos sistemas de hardware incorporados: o processador.
Tipos de processadores incorporados
Unidade de Microcontrole (MCU)
Os microcontroladores incorporados, também conhecidos como microcontroladores de chip único, integram todo o sistema informático num único chip. Eles normalmente têm um núcleo de microprocessador e integram vários componentes funcionais e periféricos necessários dentro do chip, como ROM, EPROM, RAM, barramentos, lógica de barramento, temporizadores, contadores, watchdogs, portas de E/S, portas seriais, saídas de modulação por largura de pulso, conversores A/D, conversores D/A, Flash RAM, EEPROM e muito mais.
Os MCUs são comumente usados em sistemas de controle, como controle de voo em drones, controle de chassi em aspiradores de pó robóticos e ABS em automóveis, principalmente para executar tarefas.
Os DSPs são chips projetados para o processamento de sinais digitais, conhecidos por sua alta velocidade, flexibilidade e baixo consumo de energia. Eles empregam uma arquitetura Harvard aprimorada, separando o armazenamento de programas e dados, e geralmente incluem multiplicadores de hardware. Na era digital, os DSPs desempenham um papel fundamental na comunicação, computação e produtos eletrônicos de consumo.
Os processadores DSP são projetados especificamente para tarefas de processamento de sinais digitais em tempo real, e os algoritmos DSP estão sendo cada vez mais incorporados ao domínio embarcado, passando da implementação de funções DSP usando instruções regulares em microcontroladores gerais para o uso de processadores DSP embarcados.
Unidade de Microprocessador (MPU)
A MPU integra a unidade aritmética e o controlador em um único chip. A unidade aritmética executa principalmente operações aritméticas e lógicas, enquanto o controlador controla a execução do programa, incluindo o controle de instruções, o controle de tempo e o controle de operação. Ele busca instruções da memória principal, determina a localização da próxima instrução na memória, decodifica instruções, gera sinais de controle e gerencia o fluxo de dados entre a CPU, a memória principal e os dispositivos de entrada/saída.
Os microprocessadores incorporados empregam microprocessadores de uso geral aprimorados. Devido ao seu uso típico em ambientes adversos, os microprocessadores incorporados têm requisitos mais elevados de temperatura de trabalho, compatibilidade eletromagnética e confiabilidade em comparação com os microprocessadores de uso geral padrão.
O SoC pode ser entendido como um chip que combina um núcleo de microprocessador genérico com vários blocos IP (propriedade intelectual) e periféricos, encapsulando diferentes módulos para criar um chip de nível de sistema. O SoC pode incluir RAM/ROM integrada, juntamente com os poderosos recursos de um MPU, formando um circuito integrado dedicado, adaptado para fins específicos.
Processadores incorporados ARM
Os processadores ARM foram projetados pela empresa britânica Acorn Limited e são conhecidos por sua arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) de baixo consumo de energia e custo-benefício. Os processadores ARM são inerentemente projetos de 32 bits, mas também incluem um conjunto de instruções de 16 bits, oferecendo normalmente uma redução de até 35% no tamanho do código em comparação com o código equivalente de 32 bits, mantendo todas as vantagens de um sistema de 32 bits.
Os processadores ARM são classificados em cinco categorias: processadores ARM clássicos, processadores ARM Cortex incorporados, processadores ARM Cortex incorporados em tempo real, processadores ARM Cortex de aplicação e processadores ARM especializados.
Processadores ARM Cortex
Série Cortex-A (A = Aplicação), projetada para aplicações de ponta com altas frequências de clock, excelente desempenho e consumo de energia razoável. Os modelos A5 a A15 são de 32 bits, enquanto os modelos A53 a A57 são versões de 64 bits. Eles são conhecidos como processadores de aplicação ARM Cortex.
Série Cortex-R (R = Real Time), adaptada para aplicações de controle em tempo real com tempos de resposta rápidos, desempenho razoável e baixo consumo de energia. Eles são conhecidos como processadores embarcados em tempo real ARM Cortex.
Série Cortex-M (M = Microcontrolador), destinada a aplicações de microcontroladores com alta relação custo-benefício, baixo custo e consumo mínimo de energia. Eles são conhecidos como processadores embarcados ARM Cortex.
De modo geral, as séries -R e -M são chamadas de processadores Cortex incorporados. Os processadores especializados para aplicações de cartões inteligentes, com ênfase na segurança e confiabilidade, são chamados de Processadores Especialistas em Segurança ou Processadores Especialistas (SecurCore). Eles incluem três séries: SC000 baseada em ARM7TDMI, SC100 baseada em Cortex-M0 e SC300 baseada em Cortex-M3.
