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 3 (blink bare metal)

Problema

Desenvolva um programa, utilizando acesso direto aos registradores, para fazer o LED verde piscar com período de 2 segundos.

Sequência de execução do programa:

1. Habilitar clock da porta B.
2. Configurar o registrador de controle do pino 19 (Pin Control Register).
3. Configurar o pino 19 como saída.
4. Acionar a saída do pino 19.
5. Executar a função de espera (utilizar a função fornecida: void delay_ms(int n), em que n representa o tempo em milissegundos).
6. Desacionar a saída do pino 19.
7. Executar novamente a função de espera.
8. Repetir continuamente os passos 4 a 7.

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?