Diseño de aplicaciones para sistemas empotrados basado en CycloneV-SoC

Abstract

Un sistema embebido o sistema empotrado, es un sistema de computación diseñado para realizar una o varias funciones dedicadas a tiempo real. Un sistema embebido cubre una necesidad específica, a diferencia de, por ejemplo, un ordenador personal que está diseñado para cubrir una amplia gama de necesidades. A pesar de no ser un término tan utilizado como Internet, smartphones o incluso empresas como Google, estos sistemas son omnipresentes en nuestro día a día y son igual de causantes, o incluso más, del estado tecnológico y de bienestar que tenemos actualmente en los países desarrollados. Es difícil mirar a tu alrededor y no ver un dispositivo que esté basado en un sistema embebido, que van desde teléfonos, vehículos y neveras, hasta los sistemas de control de una central nuclear. Cada vez es más común la aparición de este tipo de sistemas, debido a su rendimiento, su coste y su tamaño. La utilización de procesadores embebidos en una Field-Programmable Gate Array (FPGA en adelante), hace que ambos dispositivos se complementen perfectamente, por un lado, una FPGA es capaz de realizar varias tareas de forma paralela sin tener la necesidad de competir por recursos y por otro el procesador es capaz de correr un sistema operativo sobre el que poder albergar drivers para controlar el distinto hardware modelado en la FPGA, al tiempo que proporciona servicios de alto nivel que dan un valor añadido a la aplicación, como son la conexión a Internet, etc. La utilización de sistemas embebidos como soluciones a problemas de ingeniería han dado paso a una serie de nuevos ingenieros en los cuales los conocimientos tanto de hardware como software son esenciales. El propósito general de este documento es reflejar todas las fases de desarrollo que ha llevado este Proyecto de Fin de Grado cuyo objetivo es cubrir todo el proceso de diseño de la realización de una aplicación completa basada en un sistema embebido. Se describen las distintas etapas de desarrollo, desde la generación del modelado hardware realizado en VHDL, la configuración de un sistema operativo, hasta la implementación de un driver en C capaz de ser cargado como módulo en el sistema operativo del procesador embebido. Esta aplicación será un sistema de recepción y envió de comando infrarrojos utilizando uno de los protocolos más extendido hoy en día, el protocolo NEC, creado por la empresa homónima NEC Electronics. Para la realización del proyecto se ha necesitado hacer uso de las herramientas de IntelFPGA (anteriormente Altera) Quartus Prime, Platform Designer y SoC EDS, así como herramientas de software libre como Ubuntu, empleado en este caso desde una máquina virtual; buildroot, cuya herramienta simplifica la configuración de Linux pudiendo realizarla de una forma sencilla y Linux embebido que nos permiten abstraernos de la arquitectura del procesador a la hora de realizar el driver.
Abstract:
An embedded system its a computing system designed to perform one or several functions on real time, unlike for example a personal computer which has designed to cover a wide range of needs, an embedded system just cover a specific need. Despite nowadays we don’t hear about them as much as about internet, smartphones or firms like Google, they are so present in our day to day and they are the same or more the reason for our technological and welfare state that we currently have in developed countries. It is difficult to look around and not see a device that is base on an embedded system, ranging from telephones, vehicles and refrigerators, to control systems of a nuclear power plant. The use of this type of system is becoming more common, due to its performance, cost and sizem. The use of embedded processor in an FPGA makes both devices complement each other, on the one hand, and FPGA can perform several tasks in parallel without competing for resources and on the other hand, the processor is able to run an operating system on which he can host drivers to control the different hardware modeled in the FPGA, while providing high-level services that add value to the application, such as Internet connection. The use of embedded systems as solutions to engineering problems has given way to a series of new engineers in which the knowledge of hardware and software are essential. The general purpose of this document is to reflect all the phases of development that this project has taken to cover the entire design process of the implementation of a complete application based on an embedded system, through the different stages of development, from the generation of the hardware modeling performed in VHDL, the configuration of an operating system, to the implementation of a drive in C capable of executing in the operating system of the embedded processor. This application will be a system for receiving and sending IR commands using one of the most widespread IR protocols nowadays, the NEC protocol, created by the homonymous company NEC Electronics. In order to carry out this Project it has been necessary to use the tools of IntelFPGA (previously Altera) Quartus Prime, Platform Designer and SoC EDS, as also free software tools such as Ubuntu, used in this case through a virtual machine; buildroot, whose tool simplifies the configuration of Linux and can do it in a simple way and embedded Linux that allows the user to extract the architecture of the processor when making the driver.