Graduação · Sistemas Embarcados · UTFPR Curitiba
Manual dos laboratórios de Sistemas Embarcados
Na primeira aula, você vai executar um programa em Assembly e ver o que muda nos registradores do microcontrolador a cada instrução. Abra o exemplo resolvido da aula 1. O projeto já vem com a placa e o código que você vai usar.
Em cada aula
- Comece pelos exemplos. O primeiro traz o código e a solução comentada. O segundo usa o mesmo assunto em outra situação. Execute os dois antes de passar aos exercícios.
- Faça os laboratórios A, B e C. Cada um tem um projeto próprio. Abra-o pelo link do enunciado para trabalhar com a placa, os arquivos e os pinos daquela atividade.
- Entregue um relatório por aula. Na aba Relatório da aula, reúna as três respostas e as medições que o roteiro pede. Exporte o HTML e envie-o com os projetos usados.
Com o exemplo aberto, pressione F7 para compilar. Depois, pressione F11 e observe qual instrução será executada em seguida. Na aba Arquitetura, acompanhe os registradores enquanto avança pelo programa.
Onde encontrar as instruções
Plano das 20 aulas · Instrumentos da bancada · Relatório e avaliação · Boas práticas · Anexo de análise do código · Diagrama de estados no editor
Planejamento da disciplina
Aulas 1 a 10 · Assembly e periféricos
Nas cinco primeiras aulas, você escreve programas em Assembly e acompanha registradores, memória e pilha. A partir da aula 6, passa a trabalhar com os pinos da BlackPill e com os periféricos ligados a eles.
| Aula | Assunto | O que procurar na bancada |
|---|---|---|
| 01 | Registradores, aritmética e flags | Qual instrução produziu o valor e alterou Z? |
| 02 | Desvios condicionais e laços | Em qual iteração o desvio deixa de ser tomado? |
| 03 | Organização e acesso à SRAM | Qual byte muda e quais bytes são preservados? |
| 04 | Sub-rotinas, pilha e convenção de chamada | Onde R4 e o endereço de retorno ficam salvos? |
| 05 | Operações com bits e barramentos GPIO | Qual sequência de quatro bits aparece em PA3…PA0? |
| 06 | GPIO digital e polaridade de entradas e saídas | Quais níveis correspondem ao botão e ao LED ativos? |
| 07 | SysTick e interrupções periódicas | Onde o programa registra a passagem pelo handler? |
| 08 | USART e protocolos de comando | Qual comando produz cada estado de saída? |
| 09 | I²C, aquisição e histerese | Como duas inclinações iguais podem produzir estados distintos? |
| 10 | SPI e atualização de displays | Quais pixels mudam a cada entrada no contador de lotação? |
Planejamento da disciplina · Aulas 11 a 20
Aulas 11 a 20 · Máquinas de estados e FreeRTOS
Nas aulas 11 a 15, você programa controladores que respondem a botões, temporizadores e falhas. Na aula 16 começam os projetos com FreeRTOS. Neles, você acompanha quando cada tarefa executa, por que fica bloqueada e como isso afeta o tempo de resposta.
| Aula | Assunto | O que procurar na bancada |
|---|---|---|
| 11 | Estados, eventos e transições | Em que estado o mesmo toque acende a luz? Em que estado inicia o pisca? |
| 12 | Temporizadores e guardas de transição | Qual condição decide a transição no instante em que o temporizador vence? |
| 13 | Sequências e protocolos de eventos | O que ocorre depois de um evento fora de ordem? |
| 14 | Falhas e recuperação | Quando a falha é confirmada? O que permite sair do estado seguro? |
| 15 | Máquinas cooperativas | Qual evento confirma que o trabalho solicitado chegou ao fim? |
| 16 | Tarefas periódicas e escalonamento | Qual tarefa ganha a CPU quando as duas estão prontas? |
| 17 | Filas, buffers circulares e comunicação entre tarefas | A fila preserva a ordem dos pulsos? Em que ponto um buffer cheio impede uma escrita? |
| 18 | Sinalização e sincronização por eventos | Qual evento acorda a tarefa? Ela espera semáforo, notificação ou bits de um grupo? |
| 19 | Mutexes, exclusão mútua e herança de prioridade | Quando uma tarefa espera pelo mutex, a prioridade de quem o detém muda? |
| 20 | Preempção, tempo de resposta e deadlines | Por quanto tempo a sirene foi preemptada e qual foi sua folga ou atraso? |
As condições, os projetos e os critérios de cada ensaio estão no plano de aulas da trilha.
Operação da plataforma
Ferramentas da bancada
Escolha a ferramenta de acordo com o que precisa observar. Para saber se o botão foi lido, acompanhe o pino de entrada. Se a dúvida for quanto tempo o programa levou para responder, acompanhe também o pino de saída.
| O que investigar | Onde e como observar |
|---|---|
| Registradores e memória | Em Arquitetura ou Memória & pilhas, observe o valor antes e depois de F11. Se estiver lendo a SRAM, anote o endereço e se a instrução acessa um byte, meia palavra ou uma palavra. |
| Escrita em um endereço | Em Watches & breakpoints, configure um watchpoint de escrita com o endereço e a largura do acesso. Execute o programa. Quando a execução parar, confira qual instrução fez a escrita. Para apenas acompanhar o valor, use um Watch. |
| Entradas e saídas | Abra Ver circuito para acionar a entrada. Em Analisar sinais, selecione os pinos e marque as duas bordas com os cursores A e B. As ligações da placa física estão em Montagem no protoboard. |
| Mudança de estado | Abra Estados e selecione a transição. O editor mostra a atribuição correspondente. Coloque um breakpoint nessa linha e acompanhe a variável de estado em Watches. |
| Dados na interface | Para a USART, envie o comando pelo Terminal serial e confira a resposta. Para o I²C, abra o decodificador e procure o endereço do dispositivo, o sentido da transferência e os bytes recebidos. |
| Interrupção | No NVIC, confira se a interrupção está habilitada, se há uma solicitação pendente e se alguma máscara impede o atendimento. Um breakpoint na entrada da rotina permite confirmar que ela foi chamada. |
| Execução de uma tarefa | Em Threads, congele a captura e selecione a linha da tarefa. Posicione o cursor no intervalo que quer examinar e leia o estado da tarefa. Use Exportar relatório para guardar a captura. |
O painel pode mostrar passos do simulador, ticks do kernel ou segundos simulados. Use a unidade indicada na tela. No arquivo VCD, 1 ns por passo é uma convenção de exportação. Para obter um tempo físico, faça a medição na placa.
Entrega dos ensaios
O que entregar
Abra Relatório da aula na página da atividade. O formulário tem um espaço para cada laboratório. Preencha os três no mesmo arquivo.
- Informe o nome dos integrantes, a turma, a placa utilizada e as configurações que você alterou.
- Antes de executar o projeto, escreva em Hipótese o resultado que espera. Em Procedimento e instrumentos, diga o que alterou no programa e qual instrumento usou para verificar a mudança.
- Em Resultados e unidades, informe o que mediu. Para uma medida de tempo, identifique os dois eventos que marcam o intervalo. Em Interpretação, responda à pergunta do roteiro usando a sua medição.
- Em Capturas de evidência, inclua as imagens pedidas em PNG ou JPEG. Se estiver comparando duas versões, identifique cada uma na legenda.
- Selecione Exportar relatório HTML e reabra o arquivo para conferir as três respostas. Exporte também os projetos usados em
.cortex.jsone envie-os com o relatório pelo canal indicado pelo professor. Inclua CSV, VCD ou relatório de threads nas atividades que pedirem esses arquivos.
Critérios de avaliação
| Critério | O que permite verificar o trabalho |
|---|---|
| Projeto | O projeto entregue abre, compila e permite repetir o teste descrito. |
| Medições | Os valores têm unidade e a captura mostra o intervalo ou a mudança que a atividade pede. |
| Análise | A resposta usa o código e as medições para explicar o comportamento do programa. |
| Conclusão | O relatório identifica as condições testadas e discute diferenças entre a previsão e a medida. |
Projeto de firmware
Como organizar o firmware para os testes
Defina o início e o fim da medição
No projeto da sirene, o tempo de resposta começa quando chega o pedido e termina quando a saída é acionada. Use esses mesmos eventos em todas as medições. Anote o prazo e indique se uma resposta exatamente nesse limite é aceita.
Localize a leitura, a decisão e a saída
No inclinômetro, encontre a leitura do sensor, a comparação com os limiares e a escrita no LED. Para testar a histerese, passe pelo mesmo ângulo uma vez na subida e outra na descida. Em cada passagem, anote o estado anterior do alarme.
Filas, notificações e mutexes
| Necessidade | Escolha e pergunta de teste |
|---|---|
| Transportar valores em ordem | Fila. Numere as mensagens e reduza a velocidade do consumidor. Confira o que o produtor faz quando a fila enche. |
| Avisar que há trabalho | Notificação ou semáforo. Gere dois avisos antes de a tarefa voltar a executar. Verifique se o programa precisa contar os dois ou se basta saber que há trabalho pendente. |
| Proteger um recurso compartilhado | Mutex. Localize as operações que reservam e liberam a UART, inclusive nos caminhos de erro. Meça quanto tempo cada tarefa retém o recurso. Na aula 19, observe a herança de prioridade enquanto a outra tarefa espera. |
Tratamento de falhas
Confira o retorno das funções que criam as tarefas, filas e mutexes. No produtor, trate o caso de fila cheia. Nas rotinas de interrupção, use a função FromISR correspondente e confira as prioridades permitidas no projeto. Se houver um prazo a verificar na placa, deixe acessíveis os pinos que marcam o pedido e a resposta.
Anexo · Análise do código · 1 de 4
Assembly · registradores e flags
No código da aula 1, a soma grava o resultado em R2. A última instrução compara esse valor com 17. Execute o trecho passo a passo e acompanhe R2 e o bit Z em xPSR.
movs r0, #12
movs r1, #5
adds r2, r0, r1
subs r3, r0, r1
cmp r2, #17- Compile com F7 e abra Código de máquina. Em Arquitetura, acompanhe o PC. Avance com F11 até a instrução
cmp, antes de executá-la. Nesse ponto, R2 deve conter 17 e R3 deve conter 7. - Pressione F11 mais uma vez. A comparação calcula 17 − 17 para atualizar os flags. Confira que Z passou a 1 e que R2 ainda contém 17.
- Troque a primeira constante de 12 para 9 e recompile. Nos mesmos pontos, confira a nova soma (R2 = 14), a subtração (R3 = 4) e o resultado da comparação (Z = 0).
cmp r2, #17, a CPU lê R2 e atualiza os flags em xPSR.Quando o código estiver em C
No Fluxograma, localize a decisão que quer acompanhar. Marque um breakpoint na linha correspondente. Uma linha de C pode gerar várias instruções. Se precisar saber qual delas escreveu na memória ou no periférico, abra Código de máquina e avance pelo endereço da instrução.
Anexo · Análise do código · 2 de 4
GPIO e interrupções na BlackPill
Na aula 6, o programa consulta o botão em PA0. Na aula 18, uma tarefa dispara a interrupção por software. Use o procedimento correspondente ao projeto que abriu.
Aula 6 · botão e LED
Confira as ligações em Chip e conexões. Em Analisador lógico, selecione PA0 no canal 1 e PC13 no canal 2. Execute o projeto, pressione o botão, mantenha-o pressionado e solte. Congele a captura com os dois sinais visíveis desde o repouso.
No projeto-base, PA0 cai para zero quando o botão é pressionado e PC13 cai para zero quando o LED acende. Marque A na primeira borda e B na segunda. Leia o intervalo em passos. Se as bordas aparecerem sobrepostas, amplie a captura ou use os instantes das duas transições no CSV.
Aula 18 · interrupção e notificação da tarefa
A tarefa fonte coloca EXTI0_IRQn em estado pendente. A rotina de interrupção chama vTaskNotifyGiveFromISR e libera a tarefa led. Quando o escalonador a seleciona, ela executa a escrita em PC13.
fonte. A última etapa é a escrita da tarefa led em PC13.Primeiro, coloque um breakpoint na entrada da rotina para confirmar que ela executou. Retire o breakpoint antes de medir. Em Threads, localize o início da execução de led. No analisador lógico, localize a mudança em PC13. O intervalo entre esses eventos inclui as instruções que a tarefa executa antes de escrever no pino.
Anexo · Análise do código · 3 de 4
Máquinas de estados · lanterna e alarme de porta
Na lanterna da aula 11, o primeiro toque acende o LED e o segundo inicia o pisca. O botão é o mesmo nas duas vezes. O que muda é o estado da lanterna antes de cada toque.
Lanterna de três modos
Abra o projeto da lanterna, deixe KEY solto e selecione PA0 e PC13 no analisador. Pressione KEY por mais de 20 ms para passar pelo filtro do botão. Solte, aguarde o reconhecimento da soltura e pressione outra vez. Congele a captura durante o pisca, antes do terceiro toque.
| Estado anterior | Evento | Estado seguinte e leitura esperada |
|---|---|---|
| APAGADA | Pressão confirmada | FIXA. PC13 passa a zero e o LED acende. |
| FIXA | Pressão confirmada | PISCA. A primeira fase é acesa e cada fase dura 250 ticks de 1 ms. |
| PISCA | Pressão confirmada | APAGADA. PC13 volta a um. |
Em PISCA, meça de uma borda de descida de PC13 à próxima borda de descida. As duas fases de 250 ticks completam um período de 500 ms. Se o analisador exibir passos, anote esse valor em passos e use o contador do firmware para conferir o período em milissegundos.
Alarme de porta
Abra o projeto do alarme. Pressione KEY para abrir a porta e solte após cerca de 1 s no relógio do firmware. Depois, mantenha-a aberta por mais de 2 s. O temporizador começa na abertura confirmada. Se a porta fechar durante a espera, o firmware cancela o alarme. Se o fechamento e o vencimento forem reconhecidos na mesma atualização, o fechamento tem prioridade.
Na tabela do relatório, inclua o estado inicial, o evento, o instante e a saída prevista e observada. Registre um evento ignorado e um teste que ultrapasse o limite de tempo.
Bancada · Diagrama de estados
Como usar a aba Estados
O diagrama da lanterna mostra em que parte do código um toque muda a luz fixa para o modo intermitente. Você pode abrir essa linha diretamente pelo diagrama.
Localize a transição de FIXA para PISCA
- Abra o projeto da lanterna e selecione Estados. Se houver mais de um controlador, use Máquina para escolher a variável e o arquivo.
- Selecione a seta de
FIXAparaPISCA. Marque um breakpoint na atribuição indicada, compile e execute. Pressione e solte KEY até chegar à linha. Avance uma instrução ou linha de cada vez até a atribuição terminar e confiramem32(estado)em Watches. - Troque o destino dessa atribuição para
APAGADA. Volte a Estados e confira a nova seta. Recompile e repita os dois toques. Observe o que acontece em PC13 no segundo toque.
Outros projetos da disciplina
| Aula | Experimento | Evidência no relatório |
|---|---|---|
| 12 · Guardas | Pressione KEY antes e depois de o flash terminar de recarregar. | Anote o instante do toque e o estado seguinte em cada tentativa. |
| 13 · Sequências | Envie !1; pela USART2. Partindo do mesmo estado, repita com os caracteres fora de ordem. | Indique o primeiro caractere que levou a uma transição diferente. |
| 14 · Falhas | Provoque a falha, retire o estímulo e tente rearmar o sistema. | Identifique a condição para detectar a falha e a condição para voltar a operar. |
| 15 · Cooperação | Na catraca, siga o pedido no primeiro controlador e a confirmação no segundo. | Registre os estados dos dois controladores e o evento de confirmação. |
O editor reconhece estados e ramos explícitos no código C. Se o próximo estado for calculado durante a execução ou definido em uma macro, confira a cobertura indicada no painel e acompanhe a variável com um Watch.
Anexo · Análise do código · 4 de 4
FreeRTOS · tempo de resposta da sirene
Na aula 20, a subida de PB0 marca o pedido e a subida de PB1 marca o acionamento da sirene. Localize PRIO_PAINEL, PRIO_SIRENE e PRAZO_ALARME_MS no projeto. Abra Threads para ver quando a sirene ganhou a CPU entre essas duas bordas.
| Prioridade do painel | Pedido | Início da sirene | Resposta | Resultado |
|---|---|---|---|---|
| 3 | 3 ticks | 2.412 ticks | 2.812 ticks | 1.309 ticks de atraso |
| 1 | 4 ticks | 11 ticks | 411 ticks | 1.093 ticks de folga |
Os dados da tabela vêm de duas execuções do simulador. A sirene tem prioridade 2, o tick vale 1 ms e o prazo é de 1.500 ms. Em cada linha, use o instante do pedido daquela execução.
Com o painel em prioridade 3, passaram 2.812 − 3 = 2.809 ms entre pedido e resposta. A sirene excedeu o prazo em 1.309 ms. Com o painel em prioridade 1, o tempo caiu para 411 − 4 = 407 ms, com 1.093 ms de folga.
Em Threads, congele a captura e selecione Medir tempo · A/B. Compare as bordas de PB0 e PB1 com os contadores da UART para o mesmo pedido. Os contadores avançam de um em um tick. Os cursores podem indicar um valor entre dois ticks.
O exemplo resolvido traz outra captura, com 2.801 ticks na UART para uma previsão de 2.800. Use os valores da sua execução. Para verificar um prazo na placa física, meça os mesmos sinais na placa.
Para testar uma carga maior, abra Controle de motor no limite ou Concentrador de telemetria no limite. Em uma janela com vários períodos, anote a porcentagem de tempo em IDLE e a menor folga entre o fim de uma ativação e seu prazo. Altere a carga e compare.
Fontes para consulta · STM32F411CE e documentação da ST · Estados de tarefas no FreeRTOS · Mutexes no FreeRTOS.