Sistema embebido

Los orígenes del microprocesador y del microcontrolador se remontan al circuito integrado MOS , un chip de circuito integrado fabricado con MOSFET ( transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor ) y desarrollado a principios de la década de 1960. Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . La complejidad de los chips MOS aumentó aún más a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que condujo a la integración a gran escala (LSI), con cientos de transistores en un solo chip MOS a finales de la década de 1960. La aplicación de los chips LSI MOS a la informática fue la base de los primeros microprocesadores, ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un sistema de procesador informático completo podía estar contenido en varios chips LSI MOS. ^{[ 5 ]}

Los primeros microprocesadores multichip, el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970, se desarrollaron con múltiples chips MOS LSI. El primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004 , lanzado en 1971. Fue desarrollado por Federico Faggin , utilizando su tecnología MOS de puerta de silicio , junto con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor , y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima . ^{[ 6 ]}

Uno de los primeros sistemas embebidos reconociblemente modernos fue la computadora de guía del Apolo , ^{[ 7 ]} desarrollada alrededor de 1965 por Charles Stark Draper en el Laboratorio de Instrumentación del MIT . Al inicio del proyecto, la computadora de guía del Apolo se consideró el elemento más arriesgado del proyecto, ya que empleaba los circuitos integrados monolíticos, de reciente desarrollo en aquel entonces , para reducir el tamaño y el peso de la computadora.

Un ejemplo temprano de sistema integrado producido en masa fue la computadora de guiado Autonetics D-17 para el misil Minuteman , lanzada en 1961. Cuando el Minuteman II entró en producción en 1966, la D-17 fue reemplazada por una nueva computadora que representó el primer uso a gran escala de circuitos integrados.

Desde sus primeras aplicaciones en la década de 1960, los sistemas embebidos han experimentado una reducción de precio y un aumento drástico en su potencia de procesamiento y funcionalidad. Un microprocesador primitivo, el Intel 4004 (lanzado en 1971), fue diseñado para calculadoras y otros sistemas pequeños, pero aún requería memoria externa y chips de soporte. A principios de la década de 1980, los componentes de memoria, entrada y salida se integraron en el mismo chip que el procesador, dando lugar a los microcontroladores. Los microcontroladores se utilizan en aplicaciones donde un ordenador de propósito general resultaría demasiado costoso. A medida que disminuía el coste de los microprocesadores y microcontroladores, aumentaba la prevalencia de los sistemas embebidos.

Un microcontrolador de coste relativamente bajo puede programarse para cumplir la misma función que un gran número de componentes independientes. Gracias a los microcontroladores, fue posible sustituir, incluso en productos de consumo, componentes analógicos costosos basados ​​en perillas , como potenciómetros y condensadores variables, por botones o perillas de subir/bajar controlados por un microprocesador. Si bien en este contexto un sistema embebido suele ser más complejo que una solución tradicional, la mayor parte de la complejidad reside en el propio microcontrolador. Se requieren muy pocos componentes adicionales y la mayor parte del esfuerzo de diseño se centra en el software. La creación de prototipos y las pruebas de software pueden ser más rápidas que el diseño y la construcción de un nuevo circuito sin utilizar un procesador embebido.

Los sistemas embebidos abarcan desde sistemas sin interfaz de usuario , dedicados a una sola tarea, hasta interfaces gráficas complejas que se asemejan a los sistemas operativos de escritorio de las computadoras modernas. Los dispositivos embebidos sencillos utilizan botones , diodos emisores de luz (LED), pantallas de cristal líquido (LCD) gráficas o de caracteres con un sistema de menú simple . Los dispositivos más sofisticados que utilizan una pantalla gráfica con detección táctil o teclas programables en el borde de la pantalla ofrecen flexibilidad y minimizan el espacio utilizado: el significado de los botones puede cambiar con la pantalla, y la selección implica el comportamiento natural de señalar lo que se desea.

Algunos sistemas proporcionan una interfaz de usuario remota mediante una conexión serie (p. ej., RS-232 ) o de red (p. ej. , Ethernet ). Este enfoque amplía las capacidades del sistema embebido, evita el coste de una pantalla, simplifica el paquete de soporte de la placa (BSP) y permite a los diseñadores crear una interfaz de usuario avanzada en el PC. Un buen ejemplo de esto es la combinación de un servidor HTTP embebido que se ejecuta en un dispositivo embebido (como una cámara IP o un router de red ). La interfaz de usuario se muestra en un navegador web en un PC conectado al dispositivo.

Algunas características típicas de los ordenadores integrados, en comparación con sus homólogos de propósito general, son el bajo consumo energético, el tamaño reducido, la robustez en los rangos de funcionamiento y el bajo coste unitario. Esto se consigue a costa de una menor capacidad de procesamiento.

Se han desarrollado numerosos microcontroladores para su uso en sistemas embebidos. Los microprocesadores de propósito general también se utilizan en estos sistemas, pero generalmente requieren más circuitos de soporte que los microcontroladores.

Los sistemas embebidos se comunican con el mundo exterior a través de periféricos , tales como:

• Interfaces de comunicación serie (SCI): RS-232 , RS-422 , RS-485 , etc.
• Interfaz serie síncrona : I2C , SPI , SSC y ESSI (Interfaz serie síncrona mejorada)
• Bus serie universal (USB)
• Tarjetas de memoria ( tarjetas SD , CompactFlash , etc.)
• Controlador de interfaz de red : Ethernet , WiFi , etc.
• Buses de campo : bus CAN , bus LIN , PROFIBUS , etc.
• Temporizadores: Bucles de enganche de fase , temporizadores de intervalo programables
• Entrada/Salida de Propósito General (GPIO)
• Convertidores analógico-digitales y digital-analógicos
• Depuración: JTAG , programación en sistema , puerto de interfaz de modo de depuración en segundo plano , BITP y puertos DB9.

Al igual que con otros programas, los diseñadores de sistemas embebidos utilizan compiladores , ensambladores y depuradores para desarrollar software para sistemas embebidos. Sin embargo, también pueden utilizar herramientas más específicas:

• En depuradores o emuladores de circuitos (véase la siguiente sección ).
• Utilidades para agregar una suma de verificación o CRC a un programa, de modo que el sistema embebido pueda comprobar si el programa es válido.
• En los sistemas que utilizan procesamiento digital de señales , los desarrolladores pueden usar un cuaderno de cálculo para simular las operaciones matemáticas.
• Las herramientas de modelado y simulación a nivel de sistema ayudan a los diseñadores a construir modelos de simulación de un sistema con componentes de hardware como procesadores, memorias , DMA , interfaces , buses y flujo de comportamiento del software como un diagrama de estados o un diagrama de flujo utilizando bloques de biblioteca configurables. La simulación se lleva a cabo para seleccionar los componentes adecuados mediante el análisis de la relación potencia-rendimiento, el análisis de confiabilidad y el análisis de cuellos de botella. Los informes típicos que ayudan al diseñador a tomar decisiones de arquitectura incluyen la latencia de la aplicación, el rendimiento del dispositivo, la utilización del dispositivo, el consumo de energía del sistema completo, así como el consumo de energía a nivel de dispositivo.
• Una herramienta de desarrollo basada en modelos crea y simula diagramas gráficos de flujo de datos y diagramas de estados UML de componentes como filtros digitales, controladores de motor, decodificación de protocolos de comunicación y tareas multivelocidad.
• Se pueden utilizar compiladores y enlazadores personalizados para optimizar el hardware especializado.
• Un sistema embebido puede tener su propio lenguaje o herramienta de diseño especial, o añadir mejoras a un lenguaje existente como Forth o Basic .
• Otra alternativa es añadir un sistema operativo en tiempo real (RTOS) o un sistema operativo embebido.
• Las herramientas de modelado y generación de código a menudo se basan en máquinas de estados.

Las herramientas de software pueden provenir de diversas fuentes:

• Empresas de software especializadas en el mercado de sistemas embebidos
• Adaptado de las herramientas de desarrollo de software GNU
• En ocasiones, se pueden utilizar herramientas de desarrollo para un ordenador personal si el procesador integrado es un pariente cercano de un procesador de PC común.

El software embebido suele requerir diversas herramientas de desarrollo, como lenguajes de programación como C++ , Rust o Python , y frameworks como Qt para interfaces gráficas. Estas herramientas permiten a los desarrolladores crear aplicaciones eficientes, escalables y con múltiples funcionalidades, adaptadas a los requisitos específicos de los sistemas embebidos. La elección de las herramientas se basa en factores como el rendimiento en tiempo real, la integración con el hardware o la eficiencia energética.

A medida que aumenta la complejidad de los sistemas embebidos, las herramientas y los sistemas operativos de alto nivel se están incorporando a la maquinaria donde resulta conveniente. Por ejemplo, los teléfonos móviles , las agendas electrónicas y otros ordenadores de consumo suelen requerir software importante que se adquiere o se proporciona a un tercero, distinto del fabricante. En estos sistemas, se necesita un entorno de programación abierto como Linux, NetBSD , FreeBSD , OSGi o Java embebido para que el proveedor de software externo pueda vender a un mercado amplio.

Los sistemas operativos en tiempo real suelen admitir el rastreo de eventos del sistema operativo. Una herramienta de PC host presenta una vista gráfica, basada en un registro del comportamiento del sistema. El registro de rastreo puede realizarse en software, por el RTOS o por hardware de rastreo especial. El rastreo del RTOS permite a los desarrolladores comprender los problemas de tiempo y rendimiento del sistema de software y proporciona una buena comprensión de los comportamientos del sistema de alto nivel. El registro de rastreo en sistemas embebidos puede lograrse utilizando soluciones de hardware o software. El registro de rastreo basado en software no requiere hardware de depuración especializado y puede utilizarse para registrar rastreos en dispositivos implementados, pero puede tener un impacto en el uso de CPU y RAM. ^{[ 14 ]} Un ejemplo de un método de rastreo basado en software utilizado en entornos RTOS es el uso de macros vacías que son invocadas por el sistema operativo en lugares estratégicos del código y pueden implementarse para servir como ganchos .

Los sistemas embebidos suelen residir en máquinas diseñadas para funcionar de forma continua durante años sin errores y, en algunos casos, para recuperarse automáticamente si se produce algún fallo. Por lo tanto, el software se desarrolla y prueba con mayor rigor que el de los ordenadores personales, y se evitan componentes mecánicos móviles poco fiables, como unidades de disco, interruptores o botones.

Los problemas de fiabilidad específicos pueden incluir:

• El sistema no puede apagarse de forma segura para su reparación, o bien es demasiado inaccesible para repararlo. Algunos ejemplos son los sistemas espaciales, los cables submarinos, las balizas de navegación, los sistemas de perforación y los automóviles.
• El sistema debe mantenerse en funcionamiento por motivos de seguridad. Una funcionalidad reducida en caso de fallo puede resultar intolerable. A menudo, el operador selecciona sistemas de respaldo. Algunos ejemplos son la navegación aérea, los sistemas de control de reactores, los controles de seguridad de fábricas químicas y las señales ferroviarias.
• El sistema perderá grandes cantidades de dinero cuando se desconecte: centrales telefónicas, controles de fábrica, controles de puentes y ascensores, transferencia de fondos y creación de mercado, ventas y servicios automatizados.

Se utilizan diversas técnicas, a veces combinadas, para recuperarse de errores, tanto fallos de software como fugas de memoria , como errores transitorios en el hardware:

• Temporizador de vigilancia que reinicia el sistema a menos que el software notifique periódicamente a los subsistemas de vigilancia.
• El diseño con una arquitectura de base de computación confiable (TCB) garantiza un entorno de sistema altamente seguro y confiable ^{[ 15 ].}
• Un hipervisor diseñado para sistemas embebidos puede proporcionar encapsulación segura para cualquier componente del subsistema, de modo que un componente de software comprometido no pueda interferir con otros subsistemas ni con el software del sistema con privilegios. ^{[ 16 ]} Esta encapsulación evita que los fallos se propaguen de un subsistema a otro, mejorando así la fiabilidad. Esto también puede permitir que un subsistema se apague y se reinicie automáticamente al detectar un fallo.
• La programación con conciencia de inmunidad puede ayudar a los ingenieros a producir código de sistemas embebidos más fiable. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Las directrices y reglas de codificación como MISRA C/C++ tienen como objetivo ayudar a los desarrolladores a producir firmware fiable y portable de varias maneras diferentes: normalmente aconsejando o exigiendo prácticas de codificación que puedan provocar errores en tiempo de ejecución (fugas de memoria, usos de punteros no válidos), el uso de comprobaciones en tiempo de ejecución y manejo de excepciones (comprobaciones de rango/cordura, comprobaciones de validez de índices de división por cero y de búfer, casos predeterminados en comprobaciones lógicas), la limitación de bucles, la producción de código legible, bien comentado y bien estructurado, y la evitación de ambigüedades del lenguaje que puedan provocar inconsistencias o efectos secundarios inducidos por el compilador (orden de evaluación de expresiones, recursión, ciertos tipos de macros). Estas reglas a menudo se pueden utilizar junto con comprobadores estáticos de código o comprobación de modelos limitados para fines de verificación funcional, y también ayudan a determinar las propiedades de temporización del código . ^{[ 17 ]}

En sistemas de gran volumen, como los teléfonos móviles , minimizar los costos suele ser la principal consideración de diseño. Los ingenieros generalmente seleccionan hardware que sea lo suficientemente bueno como para implementar las funciones necesarias.

Para sistemas embebidos de bajo volumen o prototipos, los ordenadores de propósito general pueden adaptarse limitando los programas o sustituyendo el sistema operativo por un RTOS (Sistema Operativo en Tiempo Real).

En este diseño, el software simplemente tiene un bucle que supervisa los dispositivos de entrada. El bucle llama a subrutinas , cada una de las cuales gestiona una parte del hardware o del software. Por lo tanto, se denomina bucle de control simple o entrada/salida programada.

Algunos sistemas embebidos se controlan principalmente mediante interrupciones . Esto significa que las tareas que realiza el sistema se activan por diferentes tipos de eventos; una interrupción podría generarse, por ejemplo, por un temporizador a intervalos predefinidos o por un controlador de puerto serie que recibe datos.

Esta arquitectura se utiliza cuando los manejadores de eventos requieren baja latencia y son cortos y sencillos. Estos sistemas también ejecutan una tarea simple en un bucle principal, pero esta tarea no es muy sensible a retrasos inesperados. En ocasiones, el manejador de interrupciones agrega tareas más largas a una cola. Posteriormente, una vez finalizado el manejador de interrupciones, estas tareas se ejecutan en el bucle principal. Este método acerca el sistema a un núcleo multitarea con procesos discretos.

La multitarea cooperativa es muy similar al esquema de bucle de control simple, excepto que el bucle está oculto en una API . ^{[ 3 ] [ 1 ]} El programador define una serie de tareas, y cada tarea obtiene su propio entorno para ejecutarse. Cuando una tarea está inactiva, llama a una rutina de inactividad, que pasa el control a otra tarea.

Las ventajas y desventajas son similares a las del bucle de control, con la salvedad de que añadir nuevo software es más fácil, simplemente escribiendo una nueva tarea o añadiéndola a la cola.

En este tipo de sistema, un fragmento de código de bajo nivel alterna entre tareas o hilos en función de un temporizador que activa una interrupción. Este es el nivel en el que generalmente se considera que el sistema cuenta con un núcleo operativo. Dependiendo de la funcionalidad requerida, introduce mayor o menor complejidad en la gestión de múltiples tareas que se ejecutan en paralelo.

Dado que cualquier código puede dañar potencialmente los datos de otra tarea (excepto en sistemas que utilizan una unidad de gestión de memoria ), los programas deben diseñarse y probarse cuidadosamente, y el acceso a los datos compartidos debe controlarse mediante alguna estrategia de sincronización, como colas de mensajes , semáforos o un esquema de sincronización sin bloqueo .

Debido a estas complejidades, es común que las organizaciones utilicen un RTOS comercial, lo que permite a los programadores de aplicaciones concentrarse en la funcionalidad del dispositivo en lugar de en los servicios del sistema operativo. Sin embargo, la decisión de incluir un RTOS conlleva sus propios problemas, ya que la selección debe realizarse antes de comenzar el proceso de desarrollo de la aplicación. Este factor de tiempo obliga a los desarrolladores a elegir el sistema operativo integrado para su dispositivo en función de los requisitos actuales, lo que restringe considerablemente las opciones futuras. ^{[ 20 ]}

El nivel de complejidad en los sistemas embebidos aumenta continuamente, ya que se requiere que los dispositivos gestionen periféricos y tareas como comunicación serial, USB, TCP/IP, Bluetooth , redes inalámbricas , radio troncal, múltiples canales, datos y voz, gráficos avanzados, múltiples estados, múltiples subprocesos, numerosos estados de espera, etc. Estas tendencias están impulsando la adopción de middleware embebido , además de un sistema operativo en tiempo real (RTOS).

Un microkernel asigna memoria y cambia la CPU a diferentes hilos de ejecución. Los procesos en modo usuario implementan funciones principales como sistemas de archivos, interfaces de red, etc.

Los exokernels se comunican de forma eficiente mediante llamadas a subrutinas normales. El hardware y todo el software del sistema están disponibles para los programadores de aplicaciones, quienes pueden ampliarlos.

Un núcleo monolítico es un núcleo relativamente grande con capacidades sofisticadas adaptadas a un entorno embebido. Esto proporciona a los programadores un entorno similar al de un sistema operativo de escritorio como Linux o Microsoft Windows , lo que resulta muy productivo para el desarrollo. Sin embargo, requiere muchos más recursos de hardware, suele ser más caro y, debido a su complejidad, puede ser menos predecible y fiable.

Ejemplos comunes de núcleos monolíticos integrados son Linux integrado , VXWorks y Windows CE .

A pesar del aumento del coste del hardware, este tipo de sistema embebido está ganando popularidad, especialmente en los dispositivos embebidos más potentes, como los routers inalámbricos y los sistemas de navegación GPS .

Además del sistema operativo principal, muchos sistemas embebidos cuentan con componentes de software de capa superior. Estos componentes incluyen pilas de protocolos de red como CAN , TCP/IP , FTP , HTTP y HTTPS , y capacidades de almacenamiento como FAT y sistemas de gestión de memoria flash. Si el dispositivo embebido dispone de capacidades de audio y vídeo, los controladores y códecs correspondientes estarán presentes en el sistema. En el caso de los núcleos monolíticos, muchas de estas capas de software pueden estar integradas en el núcleo. En la categoría de sistemas operativos en tiempo real (RTOS), la disponibilidad de componentes de software adicionales depende de la oferta comercial.

En el sector de la automoción, AUTOSAR es una arquitectura estándar para software embebido.