Introducción a sistemas embebidos

Sistemas Embebidos

• Un sistema embebido combina hardware y software para realizar una función específica
• A diferencia de las computadoras de propósito general, los sistemas embebidos suelen operar de forma independiente o integrados a sistemas más grandes para realizar funciones específicas
• Los sistemas embebidos requieren mínima o ninguna intervención humana

Componentes Esenciales

• Los sistemas embebidos se basan en microcontroladores o microprocesadores para controlar el hardware mediante software
• Los componentes principales de un sistema embebido son hardware, software y firmware

Ejemplos Precisos

• Es importante diferenciar un sistema embebido de un sistema que lo contiene
  • El ECU (Engine Control Unit) dentro de un automóvil, en lugar del automóvil completo, es un ejemplo de sistema embebido
  • El panel de control basado en un microcontrolador dentro de un microondas, en lugar del microondas completo, es un sistema embebido
  • El módulo de control de una lavadora que gestiona los ciclos, la velocidad del motor y los niveles de agua es un sistema embebido

Microcontroladores

• Un microcontrolador es un circuito integrado compacto que incluye una CPU, RAM, ROM (o memoria flash) y puertos de E/S en un solo chip
• Los microcontroladores están diseñados para aplicaciones embebidas y suelen controlar tareas específicas en dispositivos electrónicos; utilizan la arquitectura Harvard
• Los microcontroladores son controladores más pequeños y compactos

Microprocesadores

• Un microprocesador es una unidad central de procesamiento (CPU) en un solo chip que realiza cálculos y ejecuta instrucciones
• Los microprocesadores no incluyen RAM, ROM ni puertos de E/S integrados, requiriendo conexiones externas para su funcionalidad; son usados comúnmente en sistemas informáticos de propósito general y se basan en la arquitectura Von Neumann

Hardware en Sistemas Embebidos

• El hardware de los sistemas embebidos está a nivel de chips o de PCBs (placas de circuito impreso)

Naturaleza "Embebida"

• El término "embebido" se refiere a que el sistema está integrado dentro de un sistema mayor y su existencia puede no ser evidente

Puertos de Entrada/Salida (E/S)

• Los puertos de E/S proporcionan al sistema datos de sensores o entradas de usuarios, que son procesados por el microcontrolador.
• Los datos procesados se utilizan para generar salidas a través de dispositivos como pantallas o motores

Operación en Tiempo Real

• Los sistemas en tiempo real pueden procesar eventos o entradas en un tiempo específico
• En lavadoras, un microcontrolador interactúa con botones, sensores de niveles de agua, temperatura y temporizadores, controlando motores, calefactores y pantallas

Características Básicas de Sistemas Embebidos

• Diseñado para funciones específicas
• Limitado en alimentación
• Gestión eficiente de recursos
• Energía de reserva para casos de fallo de alimentación
• Operación en tiempo real
• Periféricos con gran ancho de banda
• Interfaces/puertos

Componentes de un Sistema Integrado

• Microprocesador o microcontrolador
• Arquitectura Harvard a Von Neumann
• Una familia RISC (como ARC, ARM o AVR) o CISC (como x86)
• ARC: Familia de procesadores RISC altamente personalizables y usados en sistemas embebidos

Componentes Específicos

• Procesador Intel o Motorola
• Cache
• Procesamiento de canalización de instrucciones
• RAM
• PROM: Memoria ROM programable una sola vez; no se puede modificar una vez escrita

Tipos de Memoria

• EEPROM: ROM borrable eléctricamente; se puede borrar y reescribir eléctricamente, a diferencia de la EPROM que requiere luz ultravioleta
• Memoria Flash: Tipo de EEPROM no volátil que permite borrar partes o bloques de la memoria, a diferencia de la EPROM que borra la memoria completa; se utiliza en memorias USB.
• La diferencia entre flash y EEPROM radica en el sector de borrado, el sector en EEPROM son en bytes mientras en Flash son en KB o MBs

Industrias que Usan Sistemas Embebidos con ARM

• Automotriz
• Microcontroladores
• Inalámbricos
• Imágenes o escaneo
• Big Data
• Networking
• Seguridad informática
• Empresas orientadas al consumidor

Ejemplos de Sistemas Embebidos

• Dispositivos de control para HDD (Hard Disk Drive) y FDD (Floppy Disk Drive)
• HDD y FDD tienen interfaces físicas y protocolos lógicos para comunicarse

Controladores Lógicos Programables (PLC)

• Usados para aplicaciones industriales
• Sistemas que responden automáticamente a entradas del entorno, como alarmas de humo o sistemas de frenos automáticos
• Permiten la comunicación entre humanos y computadoras, o entre hardware y software
• PLC: Computadora de propósito general modificada para tareas de control en automatización industrial
• Los PLCs actúan como el cerebro central de la maquinaria y los procesos; son dispositivos programables y fácilmente modificables.
  • Componentes principales:
    • Controlador (CPU y memoria)
    • Dispositivos de entrada (sensores, etc.)
    • Dispositivos de salida (motores, etc.)
    • Fuente de alimentación
    • Dispositivo de programación

Lexicón de los PLCs

• Los PLCs son flexibles porque son programables
• Un PLC es un tipo de controlador
• Los relays se utilizan en la automatización industrial para representar operadores booleanos
• La lógica se puede cambiar reprogramando el software

PLC vs Microcontrolador

• Ambos son tipos de controladores, pero los PLCs son más sofisticados y potentes para automatización industrial

Interfaces

• HMI (Human-Machine Interface): Hardware y/o software que permite la interacción entre un operador humano y una máquina, sistema o proceso
• Los HMIs se usan comúnmente en robótica industrial, embotelladoras y refrigeradores
• El término "Operador" es la forma de referirse a la persona que opera la máquina en un entorno industrial
• Una interfaz eléctrica permite la transmisión de señales eléctricas, ya sean digitales o analógicas, entre dos dispositivos

Interfaces Eléctricas: Tipos Internos

• I2C: Bus de transmisión serial síncrono half-duplex para conectar periféricos internos a procesadores o microcontroladores
• SPI: Bus serial síncrono full-duplex para que los microcontroladores de sistemas embebidos se comuniquen con sus periféricos

Interfaces Eléctricas: Tipos Externos

• ISA: Bus para comunicar tarjetas de expansión en la placa base con la CPU
• Ethernet: Protocolo de comunicación serial
• RS232: Protocolo de comunicación serial
• TTY: Evolucionó desde una máquina de escribir para enviar mensajes de texto a un dispositivo con pantalla y teclado, y finalmente a una terminal virtual como CMD en Windows o Bash en Linux

Comunicación Serial vs. Paralela

• Serial: Envío de 8 bits uno a la vez en una línea
• Paralela: Envío de grupos de 8 bits simultáneamente

Comunicación Asíncrona vs. Síncrona

• Asíncrona: Los bits no necesitan estar sincronizados
• Síncrona: Los bits deben estar sincronizados
• La clasificación full-duplex, half-duplex, y simplex se refieren a la dirección del flujo de los datos y no a la sincronización de esta

Lenguajes de Programación y Máquina

• Lenguaje ensamblador: Representación simbólica del lenguaje de máquina definida por el fabricante - Basado en códigos mnemotécnicos de los pasos de procesamiento

Registros

• Los procesadores se clasifican por el tamaño de los registros de datos con los que operan (4, 8, 16, 32 o 64 bits)
• Un buen rendimiento de un sistema depende de la armonía los componentes

Tipos de Registros

• Datos: Guardan números enteros
• Memoria: Guardan direcciones de memoria
• Propósito general: Guardan números enteros y direcciones de memoria
• Coma flotante: Guardan números decimales
• Constantes: Contienen valores de hardware de solo lectura
• Propósito específico: Guardan información del estado del sistema para tareas específicas

Periféricos

• GPIO (Puertos de Entrada/Salida de Propósito General): - Puertos de 8 pines configurables como entrada o salida - Permiten la lectura y escritura de dispositivos externos, es decir, se pueden recibir y enviar señales - Los pines de los puertos GPIO se configuran mediante registros

Reloj

• Dispositivo que emite pulsos o señales en un tiempo determinado para sincronizar los componentes
• Usa un oscilador de cristal de cuarzo
• "Frecuencia del reloj": La cantidad de ciclos por segundo
• "Temporizador": mide el tiempo y causa que ciertas acciones pasen
• "Contador": cuenta los pulsos del reloj

BIOS

• La información de esta se almacena en un chip CMOS
• Este realiza un test de memoria RAM y comprueba el funcionamiento de los dispositivos
• Se encarga de configurar estos dispositivos y ofrecerlos al SO
• Tareas fundamentales:
  • Revisión de especificaciones, RAM y componentes de hardware
  • Activación de componentes y configuraciones almacenadas
  • Definición de la unidad de arranque