Sistemas embarcados começam a ser muito explorados em aplicações biomédicas e tendem a se expandir cada vez mais. Podemos citar, por exemplo, sistemas de controle de próteses de membros artificiais, controles de cadeiras de rodas inteligentes, tecnologias assistivas baseadas em exoesqueletos etc. Assim, o uso de dispositivos embarcados para coleta, tratamento e processamento de sinais em tempo real tem recebido cada vez mais atenção de empresas e laboratórios de pesquisa em todo mundo. Neste workshop focaremos nossa atenção nos dispositivos fabricados pela empresa ARM Holdings plc, em especial na linha de controladores Cortex M4 e M7. Além dos dispositivos, a ARM também disponibiliza um grande conjunto de funções para processamento de sinais, especificamente desenvolvida para uso otimizado do processador Cortex. Funções matemáticas básicas, transformadas, filtros digitais, funções estatísticas e de interpolação são parte desse conjunto conhecido como CMSIS-DSP (Cortex Microcontroller Software Interface Standard - Digital Signal Processing). Nesse workshop, será apresentado o CMSIS-DSP através de exemplos aplicados ao processamento de sinais biomédicos, evidenciado a sua forma de uso e vantagens. Os participantes deverão implementar pequenos sistemas de processamento em tempo real em kits contendo os controladores Cortex M.

1. COBEC-SEB 2017
Processadores Cortex M7
Prof. Dr. Marcelo Barros de Almeida
Prof. Dr. Márcio José da Cunha

2. Instrutores
Prof. Dr. Marcelo Barros
Formado em 1996 pela UNIFEI Itajubá, sempre
atuando na área de desenvolvimento de sistemas
embarcados.
Mestre e doutor pela UFMG.
Atualmente professor na UFU (+3a)
marcelo.barros@ufu.br
(34) 98846-8116

3. Instrutores
Prof. Dr. Márcio José da Cunha
Formado em 2000 pela UNIP Ribeirão Preto.
Mestre e doutor pela USP/SC.
Professor da FEELT, Controle e automação.
mjcunha@ufu.br

4. Bibliografia Recomendada
The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4, por
Joseph Yiu (Autor)
Mastering STM32, por Carmine Noviello

5. Agenda
DuraçãoDuração DescriçãoDescrição
50m
Introdução aos processadores Cortex M e microcontrolador
STM32F7
20m Ecossistema de desenvolvimento da ST Eletronics
30m Hands On: Hello World
20m CMSIS e os componentes RTOS e DSP
30m Coffe break
15m Casos de uso com CMSIS DSP
55m Uso avançado do STM32F7 (DMA, ADC, DAC, Timers)
50m Hands on: Amostragem e processamento de sinais

6. 6
Mercado de
Microcontroladores
http://www.icinsights.com/news/bulletins/Microcontroller-Unit-Shipments-Surge-But-Falling-Prices-Sap-Sales-Growth/
PCs: 260M, 2016 !
ARMs ~25% !

7. 7
Modelo de Negócio da ARM
● A ARM não fabrica chips, somente núcleos de
processadores para licenciamento.
● Outras empresam crias sistemas personalizados
usando esses núcleos.

8. Processador ou
Microcontrolador ?

9. 9
Profiles ARM Cortex
Cada tipo de núcleo tem um foco específico (profile):
● Cortex A:
– Processador de aplicação, usado em aplicações com display, rede intensa,
elevado processamento. Beaglebone, RPi, Cube, Toradex, smartphones,
tablets, relógios inteligentes, roteadores, servidores…
● Cortex R:
– Foco em aplicações de hard real time, como modems para telefonia, HDD,
SSD. Sendo empregado em modens 5G, por exemplo, e áreas críticas com
redundância (automotiva, aviônica). Suporte a virtualização.
●
Cortex M:
– Aplicações microcontroladas, menos restritivas no quesito real time. Custo
efetivo. Boa parte dos fabricantes do mercado de microcontroladores usam
Cortex M hoje em dia.
● SecureCore:
– Aplicações microcontroladas mas com requisitos de segurança com tamper
detection, ID único, modos de segurança, etc. Smartcards, modems, IoT,
aparelhos fiscais, etc.

10. 10
Evolução dos
processadores ARM
Arquitetura v7E-M: Cortex M7
Arquitetura v8-M: Cortex M23, M33
Arquitetura v8-R: Cortex R52
Arquitetura v8-A: Cortex A32, A53, A57, A72, A73

11. Diagrama de Blocos de um
Cortex M7
Referência: Apresentação da ARM, “ARM Cortex M7 – Bringing high performance to the Cortex-M processor series

12. Características do
Cortex M7
● Arquitetura ARMv7E-M (RISC)
● 32 bits de endereçamento (4GB)
● Barramento do tipo Harvard
● Cache de instruções e dados
● Ponto flutuante de dupla precisão
● Divisão e multiplicação por hardware
● Instruções de DSP
● Pipeline de 6 estágios e predição de salto
● Unidade de proteção de memória

13. Características do
Cortex M7
● NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller), com até 240
requisições de interrupção e uma NMI
● Latência fixa de atendimento de interrupções:
– 12 ciclos (sem ponto flutuante)
– 29 ciclos (com ponto flutuante)
– 6 ciclos (quando já interrompido)
● Acesso a bit (áreas de região de memória “bit band”)
● Suporte a O.S. (systick, SP sombreado, PendSV, SVC,
thread mode x handler mode)
● Reuso de código via CMSIS (Cortex Microcontroller
Software Interface Standard)

14. Compatibilidade da Arquitetura
ARM Cortex M

15. Conjunto de Instruções do
Cortex M7
Referência: Apresentação da ARM, “ARM Cortex M7 – Bringing high performance to the Cortex-M processor series

16. 16
ARM Cortex M
Comparativo Qualitativo
M0 M0+ M3 M4 M7
Família ARMv6-M ARMv6-M ARMv7-M ARMv7-M ARMv7E-M
Preço ■ ■ ■■■ ■■■■ ■■■■■
Conjunto de
Instruções
■ ■ ■■ ■■■■ ■■■■■
Debug ■ ■ ■■■■ ■■■■ ■■■■■
Tratamento de
Interrupções
■ ■ ■■■ ■■■■ ■■■■■
Desempenho ■ ■ ■■■ ■■■ ■■■■■
Suporte a
RTOS
□ ■ ■■■■ ■■■■ ■■■■
Ponto
Flutuante
□ □ □ ■■■ ■■■■■
DSP ○ ○ ○ ● ●●
DMIPS/MHz 0,84 0,93 1,25 1,25 2,14

17. Modos de Operação e Estados
● Nem todas as instruções/registros estão
disponíveis em modo não privilegiado (NVIC,
por exemplo)
● Kernel mode x User mode

18. Registros do processador
Cortex M7
Somente pode ser
usado em thread
mode
SP default, usado
após a inicialização

19. Program Status Register

20. Floating point Registers

21. NVIC (Nested Vectored
Interrupt Controller)● Até 240 entradas de interrupção
● Non-Maskable Interrupt (NMI*)
● Até 16 exceções do processador
● A quantidade de níveis e de interrupções é determinada pelo integrador mas a forma de tratamento é
igual (256 níveis, no máximo, até 128 níveis de preempção). Números mais baixo indicam
interrupções mais prioritárias.
● Exceção x Interrupção x Falha:
– Exceção: evento que altera o fluxo de programa, retornando depois do tratamento
– Uma interrupção é uma exceção (geralmente associado a periférico)
– Falha é uma exceção também (associada ao processador)
* Finalmente !

22. Exceptions

23. Inicialização (Reset)

24. Desempenho dos processadores
Cortex M (EEMBC)
STM
32H743
STM
32F746NG
H6
AM
57xx
C66x
RX231
PIC32M
X795F512L
NXP
K70
STM
32L053
dsPIC33FJ256
M
SP430F5529
ATm
ega2560
0
1
2
3
4
5
6
5,05 5,01
4,72
4,36
3,72
3,4
2,35 2,31
1,11
0,53
CoreMark/MHz
AM
57xx
C66x
STM
32H743
STM
32F746NG
H6
NXP
K70
RX231
PIC32M
X795F512L
dsPIC33FJ256
STM
32L053
M
SP430F5529
ATm
ega2560
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000 3543,3
2020,6
1082,4
510
139,7 111,7 92,6 75,2 27,7 4,3
CoreMark
AM
57xx
C66x
STM
32H743
STM
32F746NG
H6
NXP
K70
RX231
PIC32M
X795F512L
dsPIC33FJ256
STM
32L053
M
SP430F5529
ATm
ega2560
0
100
200
300
400
500
600
700
800
750
400
216
150
32 30 40 32 25 8
Clock (MHz)
Fonte: http://www.eembc.org/coremark/index.php
STM
32H743
STM
32F746NG
H6
AM
57xx
C66x
RX231
IC32M
X795F512L
NXP
K70
STM
32L053
dsPIC33FJ256
M
SP430F5529
ATm
ega2560
0
10
20
30
40
50
60
24,13
17,07
55,65
8,17
12,42
19,54
4,5
10,25
7,84
12,2
US$

25. Suporte a Sistema Operacional
● Recursos disponíveis para Sistemas Operacionais de
Tempo Real (RTOS)
– Kernel mode x User mode
● Níveis privilegiados e não privilegiados de acesso
● Stack pointers separados (MSP x PSP)
– SysTick: um temporizador (geralmente de 1ms), usado
como base de tempo para o RTOS
– SVC (Supervisor Call): uma forma de fazer uma chamada
de serviços do sistema (system call), geralmente imediata
– PendSV (Pendable Service Call): outra forma de realizar
uma chamada, mas com baixa prioridade
– Instruções de acesso exclusivo (mutex)