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208006 – Sistemas Embebidos
Act 4: Lección Evalutiva 1
LECTURA 1
Características de los sistemas embebebidos.
Los sistemas embebidos son en su mayoría sistemas reactivos es decir que su
funcionamiento depende de la continua interacción con un determinado ambiente
el cual determina las posibles respuestas del sistema, para tal efecto se emplean
determinados sensores o transductores que miden variables físicas y son
convertidas en señales estándar que puedan ser entendidas por el sistema ante
las cuales realizan algún tipo de respuesta empleando distintos tipos de
actuadores dependiendo de la aplicación. Entre las diferentes características que
pueden poseer tenemos:
Confiabilidad:
Una de las principales características que deben cumplir los sistemas embebidos
es la confiabilidad, la implementación de un sistema confiable debe ser
considerada desde un comienzo, no puede dejarse en segundo plano,
dependiendo de la aplicación este aspecto puede llegar a ser primordial, por
ejemplo en aplicaciones aero-espaciales o médicas es imperante la necesidad de
evitar el porcentaje de fallas al máximo. La confiabilidad de un sistema embebido
se mide analizando los siguientes aspectos:
Confiabilidad en el tiempo (Reliability): mide la probabilidad de que el
sistema trabaje correctamente en un instante dado que funciona en el
instante t = 0.
Mantenibilidad, (Maintainability): probabilidad que el sistema vuelva a
trabajar correctamente d unidades de tiempo después de una falla.
Disponibilidad (Availability): probabilidad que el sistema esté funcionando
en el tiempo t, para que esto se dé la confiabilidad y mantenibilidad deben
ser altas.
Seguridad personal: es la propiedad en la que dado el caso de una falla, el
sistema no causará daño.
Seguridad informática:
(encriptación).
comunicación
efectiva,
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confidencial
y
autenticada
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Eficiencia:
Otra característica que deben cumplir los sistemas embebidos es la eficiencia en
diferentes aspectos como en el manejo de la energía suministrada, tamaño
reducido del dispositivo, tamaño reducido del código que gobierna el sistema,
minimización del peso, y sobre todo reducir los costos para su producción masiva.
Tiempo Real:
El término tiempo real se refiere a la reacción “inmediata” del sistema ante
estímulos externos predefinidos ya sea que provengan del objeto de control o
mediante interfaces de usuario. Donde se entiende por inmediato a un lapso de
tiempo lo suficientemente corto como para que se dé el correcto funcionamiento
del sistema, una reacción correcta pero tardía no es aceptable. Existen las
llamadas restricciones de tiempo real “duras” (Hard restriction) en las que su
incumplimiento puede resultar en catástrofe. Otro tipo de restricción de tiempo se
puede considerar como blanda (Soft restriction).
Interfaces de usuario:
La mayoría de los sistemas embebidos poseen alguna manera de interactuar con
el usuario como pantallas gráficas, botones, teclados alfanuméricos, sensores, etc.
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Entradas: Sensores, muestreadores y conversores A/D.
Los dispositivos de entrada de los sistemas embebidos juegan un papel primordial
para agregar la funcionalidad requerida ya que gracias a estos el dispositivo de
procesamiento puede entrar a interactuar con el mundo exterior mediante la
obtención de las diferentes señales y datos empleados para su procesamiento y
posterior respuesta o señal de salida.
1. Sensores:
Son dispositivos que al interactuar con alguna variable física normalmente
generan una señal análoga continua proporcional a la magnitud de la variable
medida, aunque existen también sensores que entregan información digital. Los
sensores pueden ser diseñados para medir virtualmente cualquier variable física,
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peso, aceleración, corriente eléctrica, diferencias de potencial, temperatura
presión, proximidad, movimiento, sensores para medir variables en sustancias
químicas, entre muchos otros.
El diseño y desarrollo de sensores de diversos tipos en las últimas décadas a
posibilitado en gran medida el desarrollo de sistemas inteligentes en muchos
infinidad campos.
2. Muestreadores:
El termino computador digital implica que éste trabaja en el dominio de tiempo
discreto, esto quiere decir que solo puede procesar información discreta en
instantes de tiempo definidos, por lo tanto para que un procesador pueda
manipular señales provenientes de un sensor que entrega información
continuamente (señales análogas) primero debe convertirse estas señales en el
domino del tiempo continuo al dominio de tiempo discreto, éste es el propósito de
los muestreadores, en la fig. 1 se presenta un ejemplo típico de un circuito para
este propósito y la correspondiente señal muestreada.
Figura 1. Circuito de muestreo.
Como se aprecia en la figura el circuito consta esencialmente de un transistor en
cuya base es aplicada una determinada señal de reloj y un condensador. El
transistor básicamente actúa como un interruptor que permite que el condensador
se cargue con el valor del voltaje de entrada Ve (señal análoga) en instantes
definidos por la señal de reloj, el voltaje en el condensador permanecerá
virtualmente sin cambio hasta que el interruptor sea serrado de nuevo. Los valores
almacenados en el condensador se pueden considerar como un elemento discreto
de valores Vx generados a partir de la señal de entrada Ve.
Para que esto sea posible se debe asegurar que el circuito tenga la característica
de poder cambiar el valor de la carga del condensador casi de manera
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instantánea, en la práctica lo que ocurre es que el transistor demora un tiempo
suficiente para que el condensador se cargue o descargue y la carga en el
condensador corresponderá al voltaje promedio de entrada durante este periodo.
3. Conversores A/D:
Siguiendo con el esquema de trabajo digital se tiene que una vez se han tomado
muestras de la señal de entrada en tiempos discretos, estas señales pueden
tomar infinidad de valores en un determinado rango, es decir siguen siendo
señales análogas, el paso a seguir es convertir los valores análogos de entrada a
valores discretos, esta tarea es realizada por los conversores A/D (Análogo a
Digital).
La conversión a digital se realiza en dos fases: cuantización y codificación.
Durante la primera se toma la señal muestreada y a cada uno de los diferentes
niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original se asigna
un valor o nivel de voltaje discreto que depende de la resolución (porción más
pequeña de señal que produce un cambio apreciable en la salida) del conversor,
en este punto la señal pasa a tomar valores discretos en un rango definido de
valores, aproximados a los de la señal original, el valor cuantificado se codifica en
binario en una palabra digital, cuyo número de bits depende de las líneas de salida
del conversor A/D.
Existen diferentes métodos de conversión A/D que varían dependiendo de la
velocidad y la resolución requerida a continuación se expondrá dos esquemas de
conversión representativos para comprender los mecanismos de conversión. Una
conversión A/D directa es realizada empleando un conversor A/D FLASH (FLASH
A/D Converter), éste está conformado por un arreglo de comparadores, cada uno
de los cuales tienen dos entradas (+ y -). Si el voltaje en la entrada positiva excede
el voltaje de referencia en la entrada negativa, la salida de dicho comparador
corresponderá con un valor lógico ‘1’ en caso contrario o cualquier otro caso el
valor a la salida del comparador será ‘0’ Ver fig. 2.
Figura 2. Esquema del Conversor A/D FLASH.
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Se observa de la figura que el valor de referencia de cada una de las entradas (-)
de los comparadores corresponde a un divisor de voltaje a partir de un valor de
referencia estándar, éste enmarca el rango de los posibles valores de entrada que
el conversor puede codificar. El codificador genera valores digitales
correspondientes a la entrada Vx identificando la salida ‘1’ más significativa,
siendo el caso en que Vx > Vref, el máximo valor de salida posible independiente
de que tanto excede Vx a Vref en magnitud.
En el caso de que Vx es menor que Vref pero mayor que Vref, entonces el
comparador mas significativo (el de mas arriba) genera un ‘0’ a la salida y el
siguiente si generará un ‘1’ entonces el codificador entregará el valor digital para el
segundo valor mas largo del conversor y así sucesivamente.
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Arquitecturas más Comunes.
La arquitectura de un sistema embebido es una abstracción del dispositivo, esto
significa que se trata de una generalización del sistema que normalmente no
detalla información de implementación ni códigos fuente o diseños de hardware, a
nivel de arquitectura los componentes software y hardware son representados por
elementos ya sea internos o externos al sistema embebido que describen
comportamientos propiedades e interacciones que se pueden dar entre los
diferentes elementos. Dentro del término arquitectura se engloban aspectos como
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formato de instrucción, modos de direccionamiento, conjunto de instrucciones,
entre otros.
La información a nivel de arquitectura es representada como estructuras, una
estructura es una representación que contiene un conjunto de información de
diversos elementos, propiedades e interacciones, podría decirse que se trata de
una especie de imagen que enmarca el hardware y el software durante el diseño
y/o puesta en marcha, dadas unas condiciones y un grupo de elementos. Puesto
que es complicado recoger en una sola imagen toda la complejidad de un sistema,
la arquitectura de un sistema embebido normalmente está conformada por más de
una estructura que inherentemente se encuentran relacionadas unas con otras.
Todo sistema embebido cuenta con los siguientes componentes:
·Una Unidad Central de Procesamiento (CPU) encargada de procesar la
información.
·Memoria para el almacenamiento de Instrucciones y Datos que serán procesados
por la CPU.
·Medios de comunicación entre la CPU y la memoria (Buses de Direcciones, Datos
y Control).
·Medios de comunicación entre la CPU y el mundo exterior (Buses de Direcciones,
Datos y Control).
La forma en que estos elementos están conectados vienen definidos por las
denominadas arquitecturas Von Neumann y Harvard.
1. Arquitectura Von Neumann.
La arquitectura Von Neumann debe a su nombre al conocido matemático John
Von Neumann, que propuso el concepto de programa almacenado. La idea
principal de esta arquitectura es el empleo del mismo dispositivo de
almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos. Los sistemas
con la arquitectura Von Neumann constan de cinco partes: La unidad aritméticológica o ALU, la unidad de control, la memoria, dispositivo de entrada/salida y el
bus de datos que proporciona un medio de transporte de los datos entre las
distintas partes.
Un dispositivo con arquitectura Von Neumann realiza o emula los siguientes pasos
secuencialmente:
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·Al encender el sistema se llama la instrucción desde la memoria en la dirección
indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.
·Se aumenta el contador de programa dependiendo de la longitud de la instrucción
para apuntar a la siguiente.
·Se decodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de
coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función
determinada.
·Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa,
permitiendo así operaciones repetitivas. El contador puede cambiar también
cuando se cumpla cierta condición aritmética, haciendo que el ordenador pueda
'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante
la aritmética y lógica anteriores. Luego, vuelve a ejecutarse el primer paso.
Hoy en día, la mayoría de ordenadores están basados en esta arquitectura,
aunque pueden incluir otros dispositivos adicionales, (por ejemplo, para gestionar
las interrupciones de dispositivos externos como ratón, teclado, etc).
2. Arquitectura Harvard.
A diferencia de la arquitectura Von Neuman, la Harvard se caracteriza por la
existencia de dispositivos de almacenamiento diferentes para programas y para
datos, el término proviene de la computadora Harvard Mark I, que almacenaba las
instrucciones en cintas perforadas y los datos en interruptores.La idea es la
existencia de dos buses de datos distintos,uno que controla el acceso a la
memoria donde se almacenan las instrucciones que son ejecutadas por la unidad
de procesamiento y el otro que sirve para acceder a los datos u operandos de
dichas instrucciones.
Una ventaja de esta arquitectura sobre la Von Neumann radica en el empleo de
memorias de acceso de alta velocidad (SRAM) utilizadas como caché tanto para
datos como para instrucciones para mejorar le eficiencia del acceso a estos por
parte del procesador. Por otro lado, tiene el inconveniente de tener que dividir la
cantidad de caché entre los dos, por lo que funciona mejor sólo cuando la
frecuencia de lectura de instrucciones y de datos es aproximadamente la misma.
Esta arquitectura suele utilizarse en DSPs.
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