PSI3441 Documentação

Sumário:

Atividade 1 (LEDs)

Problema

Fazer um programa para piscar os 3 LEDs como em um semáforo utilizando uma máquina de estados.

Perguntas

  1. Por que os LEDs são Active Low (acendem quando se coloca 0 na saída)?

  2. Quais funções você usou para acender e apagar os LEDs?

  3. Explique o que é o Device Tree.

  4. Explique as abstrações feitas pelo Sistema Operacional.

Atividade 2 (Controle Interativo de Cor e Intensidade)

Problema

Fazer um programa para que o LED da placa frdm-kl25z, exiba a cor laranja e seja possível variar a intensidade em tempo real pelo terminal serial (UART).

  • Ajuste de Cor: Utilize canais de PWM para misturar as cores e obter o tom laranja. Ajuste a frequência do sinal para que a oscilação não seja perceptível ao olho humano.

  • Interatividade via Terminal: O programa deve solicitar que o usuário digite um valor de 0 a 100 (porcentagem) no console.

  • Cálculo de Duty Cycle: O código deve calcular o novo duty cycle dos LEDs mantendo a proporção da cor laranja, mas alterando a intensidade total conforme o valor digitado.

  • Abstração de Hardware: É obrigatório o uso do _Device Tree_ (DTS) e das APIs do Zephyr para acessar os controladores de PWM, evitando o uso de endereços ou pinos fixos (hardcoded) no meio do código principal.

Atividade 4 (adc bare metal)

Problema

Escreva um código em C configurando os registradores da frdm-kl25z para realizar as seguintes tarefas:

  1. Efetuar uma aquisição analógica utilizando o conversor A/D (ADC).

2. Acender o LED azul quando a tensão medida estiver próxima de 3,3 V; 2. Acender o LED verde quando a tensão medida estiver próxima de 0 V.

Atividade 5 (Biblioteca para Sensor Ultrassônico)

Problema

O módulo de ultrassom pode ser utilizado para medir distâncias por meio do envio e da recepção de ondas sonoras. Nesta atividade, você deverá desenvolver uma biblioteca para facilitar a utilização desse módulo em projetos futuros.

  1. Geração do sinal de Trigger com PWM

    Crie o sinal de trigger utilizando um periférico de PWM. O sensor requer um pulso de, no mínimo, 10 μs para iniciar uma medição.

    • Escolha uma frequência e um duty cycle adequados para gerar esse pulso.

    • Defina também a taxa de atualização das medições, ou seja, quantas vezes por segundo o sensor realizará uma nova medida de distância.

    • Observe que é possível alterar a fonte de clock do PWM. Considere utilizar uma fonte mais lenta (por exemplo, 8 MHz) para facilitar a geração de períodos maiores entre as medições.

  2. Medição da largura de pulso com Input Capture

    Utilizando o recurso de Input Capture, desenvolva um programa capaz de medir a largura de um pulso PWM gerado na etapa anterior.

    • Conecte a saída do PWM diretamente à entrada configurada para captura.

    • Valide o funcionamento comparando o valor medido com a largura de pulso configurada.

  3. Medição de distância com o sensor ultrassônico

    Após validar o mecanismo de captura:

    • Conecte o sinal PWM ao pino Trigger do módulo de ultrassom.

    • Utilize o Input Capture para medir a duração do pulso presente no pino Echo.

    • A partir do tempo medido, calcule a distância até o objeto utilizando a velocidade do som.

  4. Criação de uma biblioteca

    Depois de validar o funcionamento completo do sensor organize o código desenvolvido em uma biblioteca reutilizável.

Atividade 6 (Threads)

Problema

Nesta atividade, você deverá integrar diferentes periféricos e utilizar múltiplas threads para executar tarefas concorrentes no sistema.

  1. Integre ao projeto os exemplos de leitura do ADC, botão com interrupção e acelerômetro.

  2. Implemente uma _thread _responsável pela leitura do ADC, executando periodicamente a cada 500 ms. Os valores lidos devem ser enviados para a interface serial.

  3. Implemente uma segunda thread responsável pela leitura do acelerômetro, executando periodicamente a cada 1000 ms. Os valores dos eixos X, Y e Z devem ser exibidos na interface serial.

  4. Configure o botão utilizando interrupção, conforme apresentado no tutorial.

  5. A cada acionamento do botão, alterne entre os seguintes modos de operação:

    • Modo ADC: exibe somente os valores lidos pelo ADC.

    • Modo Completo: exibe os valores do ADC e do acelerômetro.

  6. Inicialize as duas threads utilizando a mesma prioridade de execução.

  7. Em seguida, modifique as prioridades das threads, observe o comportamento do sistema e descreva os efeitos observados. Explique como o escalonador utiliza as prioridades para determinar a execução das tarefas.

Atividade 7 (Shared Resources)

Problema

Esta atividade tem como objetivo explorar o compartilhamento de recursos entre múltiplas threads e a utilização de mecanismos de sincronização para evitar inconsistências e coordenar o acesso a recursos compartilhados.

Será implementado um sistema composto por:

  • Uma thread produtora, responsável por gerar itens.

  • Uma thread consumidora, responsável por processar ou remover itens.

  • Um recurso compartilhado, representado por uma variável denominada count.

Parte 1 – Sem sincronização

  • A thread produtora incrementa o valor de contador a cada 1 segundo.

  • A thread consumidora decrementa o valor de contador a cada 1,5 segundos.

  • O recurso compartilhado é representado pela variável contador.

    • Produção: count++

    • Consumo: count--

  • Não utilize mutexes, semáforos, filas ou qualquer outro mecanismo de sincronização.

Execute o programa e responda:

  1. O valor de count permanece consistente ao longo da execução?

  2. O valor de count pode assumir valores inesperados?

  3. O comportamento muda ao alterar os períodos de execução das threads?

  4. O comportamento muda ao alterar as prioridades das threads?

  5. Quais problemas podem ocorrer quando múltiplas threads acessam simultaneamente um mesmo recurso compartilhado?

Parte 2 - Utilizando Mutex

Adicione um mutex para proteger o acesso à variável count.

Execute novamente o programa e responda:

  1. O mutex eliminou os problemas observados na Parte 1?

  2. O mutex garante a consistência do valor de count?

  3. Qual recurso está sendo protegido pelo mutex?

  4. Qual é a principal função de um mutex neste contexto?

Parte 3 - Utilizando Semáforos

Modifique o programa para utilizar semáforos.

Considere que:

  1. O sistema possui um capacidade máxima de 10 itens.

  2. A thread consumidora só pode consumir quando houver itens disponíveis.

  3. A thread produtora só pode produzir quando houver espaço disponível.

Execute novamente o programa e responda:

  1. O número de itens disponíveis pode se tornar negativo?

  2. O número de itens pode ultrapassar a capacidade máxima definida?

  3. Qual problema foi resolvido pelos semáforos que não era resolvido apenas pelo mutex?

  4. Qual é a função de cada semáforo utilizado?

Comparação

  1. Qual a diferença entre proteger um recurso compartilhado e controlar sua disponibilidade?

  2. Em qual etapa da atividade o mutex foi suficiente?

  3. Em qual etapa os semáforos se mostraram mais adequados?

  4. Em uma aplicação real de produtor-consumidor, quando seria necessário utilizar mutexes, semáforos ou ambos? Justifique.

Atividade 8 (Aquisição de Dados em Tempo Real)

Nesta atividade deverá ser feito:

  • Implementar uma aplicação multitarefa utilizando o Zephyr RTOS.

  • Realizar aquisição contínua de dados a partir de um periférico da frdm-kl25z.

  • Transmitir e visualizar dados em tempo real em um computador.

  • Implementar e avaliar um filtro FIR para processamento digital de sinais.

  • Medir e analisar o desempenho do sistema sob diferentes cargas de processamento.

  • Investigar limitações relacionadas à comunicação UART e ao sistema de logging do Zephyr.

Problema

Aquisição e Comunicação

  1. Escolha uma das seguintes fontes de dados:
    Conversor Analógico-Digital (ADC).
    Acelerômetro mma8451q.
  2. Desenvolva uma aplicação contendo:

    • uma thread dedicada à aquisição de dados.

    • uma thread dedicada à comunicação dos dados adquiridos.

  3. Registre um timestamp para cada amostra adquirida.

  4. Desenvolva um script em Python capaz de receber e exibir os dados em tempo real.

  5. Determine a maior taxa de aquisição que o sistema consegue atingir de forma estável.

  6. Calcule a taxa de aquisição efetiva a partir dos timestamps registrados.

Implementação do Filtro FIR

  1. Implemente um filtro FIR simples para processamento das amostras adquiridas.

  2. Execute os testes sem o filtro e registre:

    • taxa de aquisição.

    • utilização da comunicação.

    • comportamento geral do sistema.

  3. Repita os testes com o filtro habilitado.

  4. Compare os resultados obtidos nas duas configurações.

Logging e Comunicação UART

  1. Utilize o sistema de logging do Zephyr para monitorar a execução da aplicação.

  2. Avalie o comportamento do sistema em diferentes taxas de aquisição.

  3. Investigue a ocorrência de:

    • perda de mensagens.

    • atrasos na transmissão.

    • saturação da UART.

  4. Discuta as limitações observadas na comunicação UART e no sistema de logging.

Análise

  1. Qual foi a maior taxa de aquisição obtida pelo sistema?

  2. Qual foi a taxa de aquisição efetiva após a inclusão do filtro FIR?

  3. Qual foi o impacto do filtro FIR no desempenho do sistema?

  4. O sistema de logging conseguiu transmitir todas as mensagens geradas?

  5. Em quais condições ocorreu perda de mensagens?

  6. O principal gargalo do sistema foi o processamento dos dados ou a comunicação? Justifique.

  7. Qual configuração apresentou o melhor equilíbrio entre taxa de aquisição, qualidade do sinal e utilização dos recursos do sistema?