Método para gerenciamento do consumo de energia elétrica em sistemas ciberfísicos

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E SISTEMAS

ELISABETE NAKONECZNY MORAES

M´ETODO PARA GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE

ENERGIA EL´ETRICA EM SISTEMAS CIBERF´ISICOS

Florian´opolis 2013

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MÉTODO PARA GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS CIBERFÍSICOS

Tese submetida ao Programa de P´ os-Gradua¸cão em Engenharia de Auto-ma¸cão e Sistemas para a obten¸cão do Grau de Doutora em Engenharia de Automa¸cão e Sistemas.

Orientador: Prof. Leandro Buss Becker, Dr.

Florian´opolis 2013

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Nakoneczny Moraes, Elisabete

xxMétodo para gerenciamento do consumo de energia elétrica em Sistemas Ciberf´ısicos\ Elisabete Nakoneczny Moraes ; orientador, Leandro Buss Becker - Florianópolis, SC, 2013.

xx243 p.

xxTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa

Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós Gradua¸cão em Engenharia de Automa¸cão e Sistemas.

xxInclui referˆencias

xx1. Engenharia de Automa¸cão e Sistemas. 2. Modelo de consumo de energia. 3. Gerenciamento do consumo elétrico. 4. Sistemas sens´ıveis ao consumo de energia elétrica. 5. Sistema Ciberf´ısico. I. Becker, Leandro Buss. II.

Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de P´ os-Gradua¸c˜ao em Engenharia de Automa¸c˜ao e Sistemas. III. T´ıtulo

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me apoiaram e me amaram incondicional-mente, proporcionando o apoio necessário para que essa conquista fosse alcan¸cada. Os adjetivos para expressar minha gra-tidão e admira¸cão são poucos diante da grandeza dos seus gestos.

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A Universidade Tecnológica Federal do Paraná, que junto com os meus colegas do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, viabilizou o meu afastamento.

`

A Universidade Federal de Santa Catarina, seus professores e servidores, especialmente ao Programa de Pós-Gradua¸cão em Enge-nharia de Automa¸cão e Sistemas pela infraestrutura fornecida, apoio material e cient´ıfico.

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A Biblioteca Universitária da UFSC, pelo fundamental aux´ılio em prover meios para a formaliza¸cão e concretiza¸cão do conhecimento e do saber cient´ıfico.

Ao professor Leandro Buss Becker, o meu profundo respeito e admira¸cão. Os motivos são muitos, mas principalmente pela confian¸ca e apoio no per´ıodo inicial do doutorado e que, ao longo das discussões sobre a pesquisa, transformaram-se em sábios conselhos, argumenta¸cões r´ıgidas e orienta¸cões precisas.

`

A professora Patricia Plentz, por viabilizar os trâmites de impor-ta¸cão do robô Pioneer P3-DX e indicar o seu aluno para me auxiliar.

Ao professor Edson Roberto De Pieri, pelo aux´ılio prestado na condu¸cão das questões acadêmicas enquanto o Professor Leandro esteve ausente para a realiza¸cão do pós-doutorado.

Aos membros da banca examinadora, pela ativa participa¸cão e coerente avalia¸cão nesse processo, e pelas sugestões, comentários e cr´ıticas.

Ao Douglas Wildgrube Bertol e ao Rafael Pedretti que con-tribu´ıram diretamente para que os ensaios no Pioneer P3-DX fossem realizados com sucesso.

Aos muitos colegas, cuja oportunidade de conhecer foi maravi-lhosa. Companheiros que me ajudaram na solu¸cão de problemas que pareciam insolúveis; que me afagaram quando perceberam a minha tristeza, que me motivaram quando tudo estava dando errado, quando “o mundo conspirava contra mim”; que foram pacientes em me ouvir quando divagava sobre os detalhes e os resultados das experiências que realizava ou simplesmente que ficaram ao meu lado.

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dedica¸c˜ao e esmero em cuidar dos bens mais preciosos que possuo. `

A minha fam´ılia, que soube compreender a minha ausência nos momentos mais especiais, especialmente à Suzete, minha segunda mãe e adorável irmã.

`

A Rhara, por ter aceitado o desaﬁo de crescer sem a minha presen¸ca e, que o fez de forma esplendorosa.

Ao Julimar por permitir a concretiza¸c˜ao do meu sonho. Aos meus pais, pela d´adiva da vida.

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gu´em nos confere coragem.

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xxxA cada dia é maior o número de dispositivos ou sistemas com algum n´ıvel de processamento. Isso contribuiu para que áreas com pouca ou nenhuma afinidade passassem a integrar uma classe emergente de sistemas: os sistemas ciberf´ısicos (SCF). Os SCFs são sistemas em que o núcleo computacional é integrado a processos f´ısicos, biológicos e de en-genharia, incorporando-lhes novas capacidades finais. A diversidade dos componentes desse conjunto de sistemas implica em diferentes perfis de consumo energético, sendo parte deles alimentados por baterias. Sabe-se que a natureza finita da capacidade da bateria é um fator crucial para o desempenho do sistema, pois interfere diretamente na quantidade, qualidade e durabilidade das suas funcionalidades. Dessa forma, a aplica¸cão de técnicas que proporcionem meios para o gerenciamento do consumo energético, torna-se um requisito essencial no desenvolvimento de projetos sens´ıveis ao consumo de energia (energy-aware). Esta tese propõe um conjunto de a¸cões integradas, constituindo-se, assim, em um método, cujo propósito é realizar o gerenciamento do consumo de energia elétrica em SCFs alimentados por baterias. A abordagem desenvolvida utiliza um modelo matemático de consumo que define modos de opera¸cão. Esses, encapsulam o consumo energético dos perif´ericos externos, controlados pelo software embarcado, integrante do SCF. Dessa forma, os estados ativos do sistema são caracterizados por tarefas computacionais usadas para levantar o perfil de consumo da instala¸cão. Com isso, estima-se a autonomia da bateria, que por sua vez, é usada como referência para o ajuste da demanda do sistema. Para a verifica¸cão da proposta, utilizou-se um cenário representativo de um SCF, caracterizado por sistema robótico móvel. Desenvolveram-se experimentos para medir as correntes elétricas consumidas pelos

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estimados a partir da abordagem proposta. A análise do conjunto de in-forma¸cões confirma a validade da hipótese defendida nesta tese: há uma rela¸cão entre o sistema computacional e os dispositivos eletromecânicos, ou seja, o acionamento dos dispositivos está ligado ao tipo de tarefa computacional que o sistema executa. A partir disso, apresentam-se as considera¸cões que embasam a validade do modelo e a viabilidade da abordagem desenvolvida. Ao final, relacionam-se as contribui¸cões e limita¸cões da pesquisa, bem como as sugestões para trabalhos futuros. Palavras-chave: Modelo de consumo de energia. Gerenciamento do consumo elétrico. Sistema Ciberf´ısico. Sistemas sens´ıveis ao consumo de energia elétrica. Sistema Embarcado. Modelo de bateria. Autono-mia da bateria.

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xxx Each day the number of devices or systems with some level of processing is greater. This point has contributed to areas with little or no affinity to set an emerging class of systems: the Cyber-Physical Systems (CPS). They are systems in which the computational core is integrated into the physical, biological and engineering processes; so new capabilities can be integrated to them. These systems are formed by different components and most of them are powered by batteries, because of this they have different energy profiles. The finite nature of the battery capacity is a crucial aspect to the system performance because it interferes directly on the quantity, quality and durability of its features. Thus, the usage of techniques which provide the means for managing the power consumption becomes an essential requirement in energy-aware designs. Therefore, this thesis proposes a set of integrated actions that are performed via software. The purpose is to realize a management of the power consumption in CPSs that are battery-powered. The approach uses an energy consumption mathematical model which defined by an operation mode. The operation mode encapsulates the energy consumption of external peripherals, that are controlled by an embedded software, into the CPS. Thus, the active states of the system are characterized by computational tasks, used to perform the energy consumption profile. In this way, it is possible to estimate the battery life, which is used as a reference for setting the system demand. A CPS scenario was used to validate the approach which was characterized by a mobile robotic system. Some targeted experiments have been developed in order to measure the currents drawn by the robot peripherals and also by the computer system during its operation. The results have been compared with the estimated

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system and electromechanical devices, that is, the devices activation is related to the type of computational task performed by the system. Based on that, the considerations underlying the proposal are presented and they go toward the validation of the model and the feasibility of the developed approach. Finally, the contributions and limitations of the research, as well as the suggestions for a future work are related. Keywords: Energy consumption model. Energy management. Cyber-Physical System. Embedded System. Battery modeling. Battery autonomy. Energy-aware.

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Figura 1 Diagrama em blocos de um sistema de automa¸cão (PEREIRA, 1996). . . 40 Figura 2 Rela¸cão dos assuntos envolvidos no desenvolvimento da tese. . . 43 Figura 3 Estrutura das disciplinas que integram o sistema ciber-f´ısico (adaptado de Dutt e Bozorgzadeh (2010)). . . 53 Figura 4 Etapas integrantes do MGCEE. . . 76 Figura 5 Representa¸cão do SCF usada para o desenvolvimento do MGCEE. . . 77 Figura 6 Representa¸cão gráfica da energia dos MOs por meio de retas de carga. . . 85 Figura 7 Limites de autonomia da bateria, considerando os planos de Trabalho e Seguro. . . 92 Figura 8 Gráfico ilustrativo da Primeira Condi¸cão. . . 95 Figura 9 Gráfico ilustrativo da Segunda Condi¸cão. . . 95 Figura 10 Distribui¸cão das instru¸cões dinˆamicas segundo o

bench-mark MiBench (Guthaus et al. (2001), p.5). . . 101

Figura 11 Abstra¸cão do comportamento da bateria. . . 105 Figura 12 Circuito el´etrico do test-bench sint´etico. . . 107 Figura 13 Comportamento da tensão e corrente para o cenário 1. No detalhe, a condi¸cão de término do ensaio. . . 108 Figura 14 Comportamento da tensão e da corrente para o cenário 2. . . 109 Figura 15 Comportamento da tensão e da corrente para o cenário

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MGCEE. . . 112 Figura 17 Diagrama dos processos usados no mapeamento de ativi-dades do SCF. . . 114 Figura 18 Elementos integrantes na fase da listagem dos periféricos.115 Figura 19 Quadro modelo para o desenvolvimento do plano de trabalho. . . 115 Figura 20 Diagrama elétrico ilustrativo da classifica¸cão dos perif´ e-ricos. . . 118 Figura 21 Esquema do circuito para o teste de descarga da bateria.124 Figura 22 Resumo da metodologia de desenvolvimento do MGCEE.125 Figura 23 Estrutura empregada para a coleta das medi¸cões com a interface USB. . . 129 Figura 24 Software da interface gr´afica para a coleta de dados das medi¸cões com apenas 1 medi¸cão. . . 129 Figura 25 Tela do mesmo software, contendo 6 medi¸c˜oes simultâneas.130 Figura 26 Ilustra¸cão do robô Pioneer P3-DX e o respectivo dia-grama em blocos. . . 131 Figura 27 Vista interna do chassi do robô Pioneer P3-DX antes da adapta¸cão elétrica. . . 133 Figura 28 Vista interna do chassi do robô Pioneer P3-DX durante a adapta¸cão elétrica. . . 134 Figura 29 Leiaute e disposi¸cão dos pontos de interrup¸cão do conec-tor de terminais extra´ıvel. . . 135 Figura 30 Etapa que ilustra o aspecto final após a interven¸cão ter sido conclu´ıda. . . 135 Figura 31 Robô com os acessórios usados durante os ensaios. . . 136 Figura 32 Instância que ilustra o procedimento usado para a elab-ora¸cão do diagrama elétrico do robô. . . 137 Figura 33 Instante subsequente, sem altera¸cão proposital no cenário.137 Figura 34 Diagrama unifilar elétrico do robô Pioneer P3-DX, obtido através do levantamento do balan¸co das intensidades de corrente. . 139 Figura 35 Sequência dos movimentos definidos pelo algoritmo de navega¸cão. . . 142 Figura 36 Vista lateral do robô suspenso sobre suporte. . . 146 Figura 37 Vista frontal da parte interna do robô. . . 146

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Figura 39 Gráfico das correntes A1, A5 e A6 medidas com o robô suspenso.. . . 148 Figura 40 Gráfico das correntes A3 e A4 medidas com o robô suspenso.. . . 148 Figura 41 Vista da parte traseira do robô no cenário de navega¸cão com carga. . . 150 Figura 42 Vista frontal, ilustrando a disposi¸cão dos instrumentos. 150 Figura 43 Pontos de medi¸cão que foram avaliados durante a nave-ga¸cão do robô sobre o piso. . . 151 Figura 44 Gráfico das correntes A1, A3 e A4 medidas com o robô navegando com carga. . . 152 Figura 45 Sistema do scanner LASER integrante da configura¸c˜ao do Pioneer P3-DX. . . 154 Figura 46 Pontos de medi¸c˜ao avaliados no ensaio do scanner LASER.154 Figura 47 Gráfico das correntes A3, A4 e A7 durante a ativa¸cão do

scanner LASER. . . 155

Figura 48 Sensor CMOS e placa processamento PCI. . . 156 Figura 49 Base do sistema de visão. . . 156 Figura 50 Gráfico das correntes obtidas do ensaio do sistema de visão estéreo. . . 157 Figura 51 Gráfico da corrente total do robô e dos pontos A4 e A3 para o cen´ario: s = 1m e n = 4ciclos. . . 186 Figura 52 Curva de descarga da bateria avaliada e a reta adotada para descrevê-la. . . 217 Figura 53 Gráfico do estado de carga da bateria em fun¸c˜ao do γ:

ST OC = f (γ). . . 220

Figura 54 Representa¸cão da estrutura qu´ımica da bateria. Em células eletroqu´ımicas simétricas, processos qu´ımicos ocorrem de maneira similar. (a) totalmente carregada, (b) antes do efeito de recupera¸cão, (c) após o efeito de recupera¸cão e (d) bateria descarregada (RAO; VRUDHULA; RAKHMATOV, 2003). . . 240

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Tabela 1 Valores do fator de complexidade em fun¸cão do per-centual de instru¸cões que utilizam a ULA. . . 102 Tabela 2 Lista dos materiais usados na realiza¸cão do ensaio.. . . 106 Tabela 3 Compara¸cão entre os resultados obtidos nos ensaios. . . 109 Tabela 4 Rela¸cão dos dispositivos usados no desenvolvimento dos ensaios. . . 131 Tabela 5 Rela¸cão dos componentes integrantes do sistema elétrico do robô. . . 132 Tabela 6 Rela¸cão dos dispositivos elétricos mapeados, com os respectivos pontos de medi¸cão. . . 138 Tabela 7 Parâmetros de entrada do algoritmo de navega¸cão. . . 143 Tabela 8 Levantamento das a¸cões relativas aos processos de ini-cializa¸cão, execu¸cão e conclusão da atividade do SCF. . . 143 Tabela 9 Detalhamento do plano de trabalho quanto à listagem dos periféricos. . . 144 Tabela 10 Detalhamento do plano de trabalho quanto aos requisitos não funcionais. . . 145 Tabela 11 Detalhamento das a¸cões seguras do plano seguro. . . 145 Tabela 12 Rela¸cão dos dispositivos de consumo constante e o re-spectivo valor da intensidade de corrente na base 12V. . . 158 Tabela 13 Dura¸cão m´ınima, máxima e média de um ciclo de nave-ga¸cão. . . 163 Tabela 14 Rela¸cão dos valores usados para o desenvolvimento dos cálculos baseados nas especifica¸cões. . . 164

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Tabela 16 Rela¸cão dos periféricos subtra´ıdos do cálculo do consumo do A3. . . 166 Tabela 17 Resumo comparativo do consumo do motor, do proces-samento do software de controle e do tempo de atividade durante o deslocamento linear do robô. . . 169 Tabela 18 Resumo comparativo do consumo do motor, do proces-samento do software de controle e do tempo de atividade durante a frenagem linear. . . 172 Tabela 19 Resumo comparativo do consumo do motor, do proces-samento do software de controle e do tempo de atividade durante a rota¸cão. . . 174 Tabela 20 Resumo comparativo do consumo do motor, do proces-samento do software de controle e do tempo de atividade durante a frenagem angular. . . 176 Tabela 21 Especifica¸cões el´etricas do scanner LASER. . . 177 Tabela 22 Resumo comparativo do consumo do sistema scanner LASER, do processamento do software de controle e tempo de atividade. . . 178 Tabela 23 Especifica¸cão do consumo do sistema de visão. . . 179 Tabela 24 Resumo comparativo do sistema de visão, do respectivo

software de controle, e tempo de atividade. . . 181

Tabela 25 Resumo dos valores do tempo de atividade, da potˆ en-cia e intensidade de correntes calculados, conforme os dados das especifica¸cões. . . 181 Tabela 26 Resumo dos valores do tempo de atividade, da potência e intensidade de correntes, conforme os dados dos ensaios. . . 182 Tabela 27 Resumo dos valores das potências totais e os erros percentuais para o SEE e os MOs. . . 182 Tabela 28 Resumo dos valores das potências dos periféricos e os respectivos erros percentuais para os MOs. . . 183 Tabela 29 Resumo dos valores das potˆencias dos softwares de controle e os respectivos erros percentuais para os MOs. . . 183 Tabela 30 Cálculo da energia requerida pelo SEE e pelos MOs durante a realiza¸cão dos ensaios. . . 185 Tabela 31 Intensidade das correntes médias, durante a navega¸cão

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com intensidade constante de 2,8A (Vbat= f (t)@Imaior_{M Op}). . . 218

Tabela 33 Faixa de valores da tensão da bateria resultante da subdivisão do tempo em 10 partes. . . 219 Tabela 34 Valores calculados do fator γ em fun¸c˜ao os intervalos definidos para a tensão da bateria. . . 219 Tabela 35 Resumo dos resultados obtidos pela aplica¸cão do modelo não linear para os cenários exemplificados. . . 221 Tabela 36 Rela¸cão dos coeficientes de sensibilidade energética dos cenários avaliados. . . 228 Tabela 37 Compara¸cão entre as composi¸cões qu´ımicas das baterias de ´ıons de l´ıtio (GEB, 2009). . . 236 Tabela 38 Resumo das caracter´ısticas dos métodos que avaliam o STOC das baterias (POP et al., 2005). . . 239

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Siglas

VLSI Very Large Scale Integration . . . 38

CPS Cyber-Physical System . . . 38

SCF Sistema Ciberf´ısico . . . 38 MGCEE M´etodo para Gerenciamento de Energia El´etrica

xxem Sistemas Ciberf´ısicos . . . 41 CC Corrente Cont´ınua . . . 48 CA Corrente Alternada . . . 48 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor . . . 49

PMOS Positive Channel Metal Oxide Semiconductor . . . 50

NMOS Negative Channel Metal Oxide Semiconductor . . . 50

SPEC Standard Performance Evaluation Corporation . . . 52

EEMBC EDN Embedded Microprocessor Benchmark xx xxxx xxxConsortium . . . 52

P&D Pesquisa e Desenvolvimento . . . 54 NSF National Science Foundation . . . 55

NITRD Federal Networking and Information Technology R&D 55

LASIC Laborat´orio de Sistemas Ciberf´ısicos . . . 55 UFRA Universidade Federal Rural da Amazˆonia . . . 55 QoS Quality of Service . . . 57

NOC Network-on-chip . . . 64

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SPM Static Power Management . . . 65

HPC High Computing Performance . . . 66

SSS Supercomputing in Small Spaces . . . 66

FLPA Functional-Level Power Analysis . . . 72

DSP Digital Signal Processing . . . 72

MIPS Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages . . . 73

MO Modo de Opera¸cão . . . 79 SEE Sistema Eletroeletrônico . . . 79 LASER Light Amplification by Stimulated Emission ofxxxxxxxxxx

xxxRadiation . . . 80

STOC Estado de carga da bateria . . . 87 MDC Máximo Divisor Comum . . . 89 ULA Unidade Lógica Aritmética . . . 100 PCM Pulse Code Modulation . . . 102

SHA Secure Hash Algorithm . . . 103

MD Message Digest . . . 103

GSM Groupe Special Mobile . . . 103

TDMA Time and Frequency-Division Multiple Access . . . 103

IFMA Interleaved Frequency-Division Multiple Access . . . 103

PGP Pretty Good Privacy . . . 103

ﬀt Fast Fourier transform . . . 103

PATRICIA Practical Algorithm to Retrieve Information Coded in

x xxAlphanumeric . . . 103

MPEG Moving Picture Expert Group . . . 104

TIFF Tagged Image File Format . . . 104

NAF Normalmente Aberto Fechado . . . 106 IR infra-vermelho . . . 107 RNF Requisitos n˜ao funcionais . . . 115 IMU Inertial Measurement Unit . . . 117

MMD Mult´ımetro digital. . . 128 PWM Modula¸c˜ao por largura de pulso . . . 128 USB Universal serial bus . . . 128

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PCI Peripheral Component Interconnect . . . 130

DC Direct Current . . . 130

ARCOS Advanced Robot Control and Operations . . . 131

SO Sistema operacional . . . 131 ARIA Advanced Robotics Interface for Applications . . . 131

SATA Serial Advanced Technology Attachment . . . 131

LKC Lei de Kirchhoﬀ das Correntes . . . 136

scn LASER Scanner LASER . . . 136

VGA Video Graphics Array . . . 156

des Movimento de deslocamento . . . 163 freL Frenagem linear . . . 163

rot Movimento de rota¸c˜ao . . . 163 freW Frenagem angular . . . 163

MCU Microcontrolador . . . 164 OEM Original Equipment Manufacturer . . . 164

SES Stationary Energy Storage . . . 234

EMF For¸ca eletromotriz . . . 238 IC Integrated Circuit . . . 238

SoH State of Health . . . 238

EMF Electromotive force . . . 238

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p Potˆencia ativa instantˆanea em watt (W ) . . . 48

w Trabalho el´etrico em joule (J ) . . . 48

E Energia el´etrica em fun¸c˜ao do tempo em joule (J ) . . . 48

tini Tempo do in´ıcio da opera¸c˜ao em segundo (s) . . . 48

T Intervalo de tempo da observa¸c˜ao em segundo (s) . . . . 48

P Potˆencia ativa em watt (W ) . . . 48

Q Potˆencia reativa em volt− ampere reativo (V Ar). . . . 48

S Potˆencia aparente em volt− ampere (V A) . . . 48

ET Energia total de um sistema el´etrico em joule (J ) . . . . 49

Pcmos Potˆencia total do transistor watt (W ) . . . 51

Pdin Potˆencia dinˆamica do transistor em watt (W ) . . . 51

Pf uga Potˆencia devido `a corrente de fuga do transistorxxxxxxxxxx

xxxem watt (W ) . . . 51

Pcc Potˆencia devido `a corrente de curto-circuito doxxxxxxxxxx

xxxtransistor em watt (W ) . . . 51

Vdd Tens˜ao de dreno do transistor em volt (V ) . . . 51

CL Capacitˆancia de carga do transistor em f arad (F ) . . . 51

Nsw Atividade de comuta¸c˜ao do transistor . . . 51

fclock Frequˆencia de opera¸c˜ao rel´ogio em hertz (Hz) . . . 51

Vth Tens˜ao de limiar do transistor em volt (V ) . . . 70

EM Op Energia do modo de opera¸c˜ao em joule (J ) . . . 79

Pper Potˆencia ativa do perif´erico em watt (W ) . . . 79

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P er Conjunto dos perif´ericos . . . 79

ton Tempo de atividade do modo de opera¸c˜ao emxxxxxxx

xxxsegundo (s) . . . 79 Termo que representa a energia el´etrica dos dispositivos

xxque n˜ao sejam controlados por um software embarcado. 79

Vper Tens˜ao de opera¸c˜ao do perif´erico em volt (V ) . . . 81

Iper Intensidade da corrente de opera¸c˜ao do perif´erico em

xxampere (A) . . . 81 Pperi Potˆencia m´edia do perif´erico i pertencente ao SEE em

xxwatt (W ) . . . 81 Pup Potˆencia da unidade de processamento em watt (W ) . 83

Vup Tens˜ao de opera¸c˜ao da unidade de processamento em

xxvolts (V ) . . . 83 Iup Intensidade da corrente drenada pela unidade dexxx

xxxprocessamento em ampere (A) . . . 83

Fsw Fator de complexidade do software . . . 83

Pmb Potˆencia da placa-m˜ae em watt (W ) . . . 83

ton_i Tempo de dura¸c˜ao da atividade do modo de opera¸c˜ao

xxi em segundo (s) . . . 84 TM Opi Per´ıodo de ocorrˆencia do modo de opera¸c˜ao ativo ixxx

xxxem segundo (s) . . . 84

EP l Seguro Energia do Plano Seguro em joule (J ) . . . 87

PP l Seguro Potência média total dos modos de opera¸cão do Plano

xxSeguro em watt (W ) . . . 87

tcrit Tempo cr´ıtico de execu¸c˜ao do Plano Seguroxxxxxxxx

xxxem segundo (s) . . . 87

Q0 Capacidade real da bateria em ampere.segundo (As) 88

δ M´aximo per´ıodo comum em segundo (s) . . . 89

Imed M´edia das intensidades das correntes dos modos dexx

xxopera¸c˜ao em ampere (A) . . . 89

Qk Capacidade residual da bateria no kesimo´ intervalo em

xxampere.segundo (As) . . . 90 PM Op _max Potˆencia do modo de opera¸c˜ao ativo de maior consumo

xxno intervalo de an´alise em watt (W ) . . . 90 ΔA Autonomia da bateria em segundos (s) . . . 91

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EP l T rabalhoEnergia do Plano de Trabalho em joule (J ) . . . 92

Qcrit Carga cr´ıtica da bateria em ampere.segundo (As) . . . 92

ΔAmin Autonomia m´ınima da bateria em segundos (s) . . . 93

ΔAmax Autonomia m´axima da bateria em segundos (s) . . . 93

PP l T rabalhoPotˆencia do Plano de Trabalho em watt (W ) . . . 93

PP l Seguro Potˆencia do Plano Seguro em watt (W ) . . . 93

Qcrit Carga cr´ıtica da bateria em ampere.segundo (As) . . . 93

QR Carga residual atual da bateria em xxxxxxxx xxxxx

xxxampere.segundo (As) . . . 94 QAnt Carga residual do intervalo anterior em xxxxx xxx

xxxampere.segundo (As) . . . 94 δt Intervalo de an´alise em segundo (s) . . . 94

PM Op f ut Potˆencia m´edia total dos “n− t” modos de opera¸c˜ao

xxxfuturos em watt (W ) . . . 94

IM Op_i Intensidade da corrente do i´esimo modo de opera¸c˜ao

xxxem ampere (A) . . . 122

Imaior_{M Op} Intensidade da corrente do modo de opera¸c˜ao de maior

xxvalor em ampere (A). . . 122

Vbat Tens˜ao nominal da bateria em volt (V ) . . . 122

PM Opi Potˆencia m´edia do i-´esimo modo de opera¸c˜ao emxxxxxxx

xxwatt (W ) . . . 122

Δtdesc Intervalo de dura¸c˜ao do teste de descarga em xxxxxx

xxsegundo (s) . . . 124 σ Desvio Padr˜ao . . . 146

Vstoc N´ıvel de tens˜ao equivalente ao n´ıvel do STOC daxxxx

xxbateria em volts (V ) . . . 212

Vbat_max Tensão máxima da bateria na condi¸cão de plena carga

xxem volts (V ) . . . 212

v Tensão teórica da célula que constitui a bateria emxxx xxvolts (V ) . . . 212 γ Parâmetro que relaciona a tensão de opera¸cão com o

xxn´ıvel do STOC . . . 212

m Coeﬁciente angular da reta da tens˜ao da bateria em

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stoc percentual da m´axima carga presente no interior de

xxxuma bateria recarreg´avel. . . 214 Δtstoc Valor equivalente a 1/10 do intervalo total de dura¸c˜ao

xxdo teste de descarga . . . 214

m Coeﬁciente angular da reta do STOC em fun¸c˜ao doxx xxparˆametro γ . . . 215

k Coeﬁciente linear da reta do STOC em fun¸c˜ao doxxxx xxparˆametro γ . . . 215

Qnl Carga da bateria segundo o modelo n˜ao linear emxxxx

xxampere.s (As) . . . 216 Qf Capacidade residual ﬁnal da bateria considerando o

xxxcomportamento linear e n˜ao linear. . . 216

Q Carga da bateria em ampere hora (Ah) . . . 237

I(t) Intensidade da corrente de carga/descarga da bateria

xxxem ampere (A) . . . 237

μ Fator de eficiência ou utiliza¸cão da bateria . . . 237

C/T Taxa de descarga da carga da bateria . . . 237

C Capacidade da bateria em ampere hora (Ah) . . . 237

Tdescarga Tempo de descarga da bateria em hora (h) . . . 237

(35)

1 INTRODU ¸C ÃO . . . . 37 1.1 APRESENTA ¸C ÃO . . . 37 1.2 CONTEXTUALIZA ¸C ÃO DO PROBLEMA DE PESQUISA . 38 1.3 JUSTIFICATIVA . . . 40 1.4 OBJETIVOS E CONTRIBUI ¸C ÕES . . . 41 1.5 METODOLOGIA . . . 42 1.6 ORGANIZA ¸C ÃO DO DOCUMENTO . . . 44 2 FUNDAMENTA ¸C ÃO TE ÓRICA . . . . 47 2.1 POTÊNCIA E ENERGIA ELÉTRICA . . . 47 2.2 CONSUMO DE POTÊNCIA EM PROCESSADORES . . . 49 2.3 BENCHMARKS . . . 52 2.4 SISTEMAS CIBERFÍSICOS . . . 53 2.4.1 Contextualiza¸cão da P&D dos SCFs. . . 54 2.4.2 Desafios de Pesquisa dos SCFs . . . 55 2.4.3 Principais Dom´ınios e Aplica¸cões dos SCFs . . . 57 2.5 CONSIDERA ¸C ÕES . . . 59 3 AN ÁLISE DO ESTADO DA ARTE . . . . 61 3.1 ABORDAGENS DE PROJETO VISANDO A EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA EM SISTEMAS COMPUTACIONAIS . . . 61 3.1.1 Abordagem de Baixo Consumo de Potência Elétrica

(Low-Power Design) . . . 63 3.1.2 Abordagem Sens´ıvel ao Consumo de Potˆencia El´etrica

(Power-Aware Design) . . . 64 3.1.3 Abordagem Sens´ıvel ao Consumo de Energia El´etrica

(Energy-Aware Design). . . 65 3.2 CONSUMO RELATIVO AO PROCESSAMENTO DOS

(36)

3.2.2 Consumo doSoftware pela Abordagem Baseada em Simula¸c˜ao . . . 70 3.3 CONSIDERA ¸C ˜OES . . . 73

4 M´ETODO PARA GERENCIAMENTO DO CONSUMO

DE ENERGIA ELÉTRICA EM SCFS . . . . 75 4.1 APRESENTA ¸C ÃO DA PROPOSTA . . . 75 4.2 ESTIMATIVA DO CONSUMO ENERGÉTICO . . . 78 4.2.1 Cálculo da Potência do Periférico . . . 81 4.2.2 Cálculo da Potência do Processamento doSoftware

de Controle . . . 82 4.2.3 Formula¸cão do Tempo de Dura¸cão da Atividade . . . . 83 4.3 AVALIA ¸C ÃO DA CARGA RESIDUAL DA BATERIA . . . 85 4.3.1 Modelo Linear da Bateria . . . 87 4.3.1.1 Identifica¸cão dos parâmetros elétricos da bateria . . . 88 4.3.1.2 Cálculo da autonomia da bateria . . . 89 4.4 AJUSTE DA DEMANDA DO SISTEMA . . . 91 4.5 CONSIDERA ¸C ÕES . . . 96 5 APRESENTA ¸C ÃO DO FATOR DE COMPLEXIDADE

E DO MODELO LINEAR DA BATERIA . . . . 99 5.1 C ´ALCULO DO FATOR DE COMPLEXIDADE DO

SOFT-WARE . . . 99

5.1.1 Introdu¸cão . . . 100 5.1.2 Fun¸cão dos Programas Selecionados pela Heur´ıstica 102 5.2 MODELO LINEAR DA BATERIA . . . 105 5.2.1 Apresenta¸cão . . . 105 5.2.2 Set-up Experimental . . . 106 5.2.2.1 Cenário 1 - ciclo único . . . 107 5.2.2.2 Cenário 2 - ciclo único . . . 107 5.2.2.3 Cenário 3 - ciclo composto . . . 108 5.2.3 Análise dos Resultados . . . 108 5.3 CONSIDERA ¸C ÕES . . . 110 6 APLICA ¸C ÃO DO MÉTODO PROPOSTO . . . 111 6.1 APRESENTA ¸C ÃO . . . 111 6.2 LEVANTAMENTO DAS INFORMA ¸C ÕES DO SCF . . . 112 6.2.1 Identifica¸cão das Atividades da Aplica¸cão . . . 113 6.2.1.1 Plano de Trabalho . . . 113 6.2.1.2 Plano Seguro . . . 116 6.2.2 Estrutura¸cão dos Periféricos . . . 116 6.3 LEVANTAMENTO DAS POTÊNCIAS . . . 117

(37)

6.3.3 Potência do Processamento dosSoftwares de Con-trole . . . 120 6.3.4 Defini¸cão dos Modos de Opera¸cão . . . 121 6.4 DETERMINA ¸C ÃO DA CAPACIDADE REAL DA BATERIA121 6.5 AJUSTE DA OPERA ¸C ÃO DO SCF . . . 125 6.6 CONSIDERA ¸C ÕES . . . 126 7 AVALIA ¸C ÃO DA PROPOSTA . . . 127 7.1 APRESENTA ¸C ÃO . . . 127 7.2 MATERIAIS E MÉTODOS . . . 128 7.3 ROB Ô PIONEER P3-DX . . . 130 7.3.1 Prepara¸cão do Set-up do Robô . . . 131 7.3.2 Detalhamento do Diagrama Elétrico . . . 136 7.4 DESENVOLVIMENTO DOS ENSAIOS . . . 141 7.4.1 Prepara¸cão dos Ensaios Baseados no Algoritmo de

Navega¸cão . . . 141 7.4.2 Desenvolvimento dos Ensaios Navega¸cão . . . 143 7.4.2.1 Robô suspenso . . . 144 7.4.2.2 Robô com carga . . . 149 7.4.3 Ensaios Independentes da Navega¸cão . . . 153 7.4.3.1 Scanner LASER . . . 153 7.4.3.2 Sistema de visão estéreo . . . 155 7.4.3.3 Testes complementares . . . 157 7.5 CONSIDERA ¸C ÕES . . . 158 8 RESULTADOS OBTIDOS . . . 161 8.1 APRESENTA ¸C ÃO . . . 161 8.2 TEMPO DE ATIVIDADE DOS MODOS DE OPERA ¸C ÃO . 162 8.3 CONSUMO DO SISTEMA ELETROELETR ÔNICO . . . 164 8.3.1 Estimativa Através das Especifica¸cões . . . 164 8.3.2 Estimativa Através dos Ensaios . . . 165 8.4 CONSUMO DOS PERIF´ERICOS E SOFTWARES DE

CON-TROLE . . . 166 8.4.1 Motor – Modo Deslocamento . . . 166 8.4.1.1 Estimativa a partir das especifica¸cões . . . 167 8.4.1.2 Estimativa a partir do ensaio . . . 168 8.4.2 Motor – Modo Frenagem Linear . . . 170 8.4.2.1 Estimativa a partir das especifica¸cões . . . 170 8.4.2.2 Estimativa a partir dos ensaios . . . 171 8.4.3 Motor – Modo Rota¸cão . . . 172 8.4.3.1 Estimativa a partir das especifica¸cões . . . 172

(38)

8.4.4.1 Estimativa a partir das especifica¸cões . . . 175 8.4.4.2 Estimativa a partir dos ensaios . . . 175 8.4.5 Modo – Laser . . . 177 8.4.5.1 Estimativa a partir das especifica¸cões . . . 177 8.4.5.2 Estimativa a partir dos ensaios . . . 178 8.4.6 Modo – Sistema de Visão . . . 179 8.4.6.1 Estimativa a partir das especifica¸cões: . . . 179 8.4.6.2 Estimativa a partir dos ensaios . . . 180 8.4.7 Resumo do Consumo do SEE e dos MOs . . . 181 8.4.8 Avalia¸cão do Erro no Cálculo das Potências . . . 182 8.5 AN ÁLISE DA ENERGIA DOS MOS . . . 184 8.6 ENERGIA FINAL CONSUMIDA PELO SCF AVALIADO . 187 8.7 CONSIDERA ¸C ÕES . . . 187 9 CONCLUS ÕES E PERSPECTIVAS . . . 189 9.1 SÍNTESE DA PESQUISA . . . 189 9.2 CONSIDERA ¸C ÕES . . . 190 9.3 CONTRIBUI ¸C ÕES . . . 193 9.4 CONCLUS ÃO . . . 195 9.5 SUGESTÃO PARA FUTUROS TRABALHOS . . . 196 REFERÊNCIAS . . . 199 APÊNDICE A -- Modelo Não Linear da Bateria . . . 211 APÊNDICE B -- Análise da Sensibilidade Energética do

SCF . . . 225 ANEXO A -- Baterias - Aspectos Gerais . . . 233

(39)

Introdu¸

c˜

ao

“S´o h´a um princ´ıpio motor: a faculdade de de-sejar.”

Arist´oteles, Gr´ecia Antiga, 384a.C.-322a.C. (Fil´ o-sofo Cientista)

Ao longo deste cap´ıtulo, apresentam-se as bases que funda-mentam o estudo desenvolvido. Primeiramente a área de pesquisa é contextualizada e justificada. Na sequência apresenta-se o objetivo geral, os objetivos espec´ıficos e as contribui¸cões imediatas do modelo desenvolvido. Faz-se um resumo de como a pesquisa foi conduzida e ao final faz-se a s´ıntese do conteúdo dos cap´ıtulos integrantes desta tese.

1.1 APRESENTA ¸C ˜AO

O consumo de energia el´etrica impacta de forma decisiva no desempenho dos servi¸cos relacionados aos sistemas computacionais. Dessa forma, torna-se importante gerenciar os aspectos relacionados `

a energia, pois a cada dia aumenta o número de dispositivos computa-cionais denominados embarcados. Entende-se por sistema embarcado um sistema de computa¸cão cujo processamento da informa¸cão é inte-grado ao dispositivo ou sistema que ele controla, com o objetivo de aumentar e/ou otimizar suas funcionalidades (MARWEDEL, 2011;LEE; SESHIA, 2011).

Em grande parte das situa¸cões, as caracter´ısticas construtivas dos sistemas embarcados os impedem de serem conectados à rede de energia elétrica. Em tais condi¸cões, a op¸cão para torná-los operacionais ´

(40)

deste tipo de fonte implica em uma série de restri¸cões para o sistema devido à sua natureza finita. O uso indevido ou a negligência em rela¸cão `

as medidas preventivas pode representar riscos para a instala¸cão, como a perda ou a deteriora¸cão de equipamentos, resultante da interrup¸cão indevida do sistema.

Dessa forma, a gestão da energia passa a ser de fundamental relevância para os sistemas embarcados, uma vez que, além dos riscos citados, os limites energéticos interferem diretamente na quantidade e na qualidade dos servi¸cos e dos aplicativos disponibilizados. Nesse sentido, as funcionalidades ficam limitadas à capacidade da fonte de energia que os alimenta.

A preocupa¸cão com a redu¸cão do consumo era uma questão pouco difundida até meados de 1980. Desde então, ela passou a ser um requisito chave na concep¸cão de circuitos integrados, prin-cipalmente por levar em conta os requisitos térmicos e a oferta das funcionalidades da aplica¸cão, ditadas pela capacidade da bateria. Com essa preocupa¸cão, foram desenvolvidas técnicas para apoiar o projeto desses dispositivos, as quais podem ser aplicadas em n´ıvel de circuitos, sistemas, arquiteturas e aplica¸cões (VENKATACHALAM; FRANZ, 2005).

1.2 CONTEXTUALIZA ¸C ˜AO DO PROBLEMA DE PESQUISA

No que diz respeito ao uso da energia elétrica, vivencia-se a fusão acelerada de infraestruturas de informa¸cão. Dispositivos confiáveis, conectados em rede, com custo reduzido de hardware e ferramentas amig´aveis de software, atingiram n´ıveis atrativos para serem conjugados em aplica¸cões mais abrangentes. Essas aplica¸cões empregam recursos da Ciência e da Engenharia da Computa¸cão para ampliar e melhorar as aplica¸cões em sistemas mecânicos, elétricos, térmicos, qu´ımicos, biológicos e suas combina¸cões (KIM, 2010).

A comunidade cient´ıﬁca designou o termo “Cyber-Physical

Sys-tem (CPS)” para endere¸car as pesquisas nessa ´area. No Brasil, o uso da terminologia ´e recente, de modo que, nesta tese, adotou-se a express˜ao “Sistema Ciberf´ısico (SCF)” para estabelecer a sua referˆencia.

Os SCFs são exemplos de sistemas onde é pertinente o emprego de técnicas relacionadas à eficiência energética. Tais sistemas se carac-terizam por uma forte intera¸cão entre os dispositivos eletromecânicos, presentes em uma determinada aplica¸cão, e o sistema computacional embarcado (BAHETI; GILL, 2009). Por fazerem parte dos SCFs, os projetos de sistemas computacionais embarcados são confrontados com

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o desafio de obter um alto desempenho com um consumo reduzido de energia elétrica. O alto desempenho é exigido pelos aplicativos cada vez mais complexos que são executados em dispositivos portáteis, enquanto que o baixo consumo de energia é necessário para alcan¸car n´ıveis condizentes com a autonomia da bateria que alimentam esses sistemas.

Considerando esse cenário, questiona-se como é poss´ıvel fazer o projeto desses sistemas para que se maximize o seu desempenho e a vida útil da bateria. O desafio está em como equilibrar esses objetivos conflitantes, pois as técnicas para a redu¸cão da energia tendem a diminuir o desempenho, enquanto que n´ıveis de performance elevados requerem um maior consumo de energia.

Tão importante quanto o desenvolvimento de estratégias que minimizem o consumo energético dos sistemas computacionais é a necessidade de se conhecer o perfil energético do conjunto e, assim, avaliar aspectos de performance e consumo com critérios que permitam considerar a natureza da aplica¸cão (VENKATACHALAM; FRANZ, 2005). A avalia¸cão energética de uma aplica¸cão não deve estar so-mente limitada ao conhecimento da potência que o dispositivo consome, porque para determinar a autonomia da bateria também é necessário que se conhe¸ca a energia consumida pelo sistema, que depende do tempo. Portanto, para a correta avalia¸cão da energia de um sistema é necessário incluir não só a potência, mas também a frequência de uso de cada componente do sistema (LORCH, 2007).

De uma forma geral, os sistemas alimentados por baterias - nesse grupo incluem-se os SCFs sob estudo - estão sujeitos a uma série de restri¸cões que se referem à capacidade e à durabilidade da bateria, tornando desejável a ado¸cão de práticas relacionadas à eficiência ener-gética. Apesar da criticidade que diz respeito ao consumo de energia em SCF, existem poucas ferramentas para auxiliar os desenvolvedores desses sistemas a elaborar e a avaliar seus projetos em torno dessa questão.

Ao analisar os componentes que integram os SCFs, nota-se que a diversidade de dispositivos eletroeletrônicos constitutivos desses sis-temas implica em diferentes perfis energéticos. Esse aspecto, em adi¸cão ao fato da grande maioria das ferramentas destinadas ao gerenciamento do consumo serem voltadas para o projeto de circuitos integrados, prejudica a convergência de procedimentos para integrar diferentes dom´ınios da ciência (PEDRAM, 1995; PEDRAM; WU, 2002; VENKAT-ACHALAM; FRANZ, 2005). Tais constata¸cões refor¸cam a necessidade de abordagens relacionadas ao gerenciamento energético capazes de

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atender `as exigˆencias dessa classe de sistemas.

Essa integra¸cão implica em uma dependência de funcionamento entre as estruturas computacional e f´ısica, envolvidas no desempenho das atividades do SCF, conforme sugere o diagrama ilustrado na figura 1. Nesse caso, os sinais sensores e de controle dos atuadores realizam a interface entre essas estruturas. Por consequência, são geradas as condi¸cões necessárias para o sensoriamento de um processo e a realiza¸cão de a¸cões de controle, sendo essas frutos de a¸cões planejadas.

Figura 1 – Diagrama em blocos de um sistema de automa¸c˜ao (PEREIRA, 1996).

A presente tese pretende contribuir na amplia¸cão de solu¸cões para as questões relacionadas à eficiência energética em SCFs e, por isso, propõe um método para gerenciar o consumo de energia elétrica em SCFs alimentados por baterias. Esse gerenciamento tem a finalidade de adequar a demanda do sistema à capacidade residual da fonte de energia, através do escalonamento da atividade compat´ıvel para o funcionamento seguro da instala¸cão. O diferencial da proposta é que o gerenciamento ser´a realizado via software, de modo que as vari´aveis associadas ao consumo sejam obtidas e manuseadas sem a utiliza¸cão de métodos intrusivos, tais como instrumentos de medi¸cão.

1.3 JUSTIFICATIVA

A crescente multiplica¸cão de aplica¸cões relacionadas aos SCFs demanda pelo aprimoramento das ferramentas relacionadas ao projeto desses sistemas. A estrutura multidisciplinar dos projetos acarreta a presen¸ca de uma diversidade de dispositivos com diferentes perfis de consumo energético (motores e outros periféricos, sensores, sistema de comunica¸cão, etc). Tal fato sugere o estabelecimento de teorias que relacionem os princ´ıpios computacionais ao consumo energético. Entretanto, as atuais abordagens que tratam sobre o gerenciamento

(43)

energético (discutidas no cap´ıtulo 3), não são completas o suficientes para tratar dessa classe de sistemas.

Assim, no intuito de se estabelecer uma estrutura genérica para a gestão da energia em SCFs, é necessário avaliar o consumo da aplica¸cão como um todo. Em outras palavras, deve-se incluir detalhes sobre o funcionamento do sistema computacional e dos periféricos, o que exige o conhecimento da arquitetura, dos programas usados para o controle das funcionalidades, das caracter´ısticas elétricas e/ou mecânicas dos periféricos e das condi¸cões em que o sistema irá operar.

Pelo ponto de vista da operacionalidade do SCF, a incerteza da durabilidade da fonte de energia é um fator de risco para o sistema, uma vez que panes por falta de energia podem causar acidentes ou exigir retrabalhos. Por outro lado, o momento apropriado para a recarga da bateria depende da aplica¸cão e da experiência do projetista, o que torna o sistema vulnerável ou ineficiente, além do que recargas rápidas e frequentes contribuem para a redu¸cão da vida útil da bateria.

Com base nesses fatos e com o apoio das informa¸cões que inte-gram o cap´ıtulo 3, constata-se a limita¸cão de abordagens que auxiliem na avalia¸cão do perfil energético de SCFs alimentados por baterias. Portanto, buscando desenvolver esse aspecto, esta tese elabora um conjunto de procedimentos para auxiliar na identifica¸cão de situa¸cões energeticamente cr´ıticas, que colocarão o sistema em riscos de opera¸cão devido à falta de capacidade da bateria.

1.4 OBJETIVOS E CONTRIBUI ¸C ˜OES

O objetivo principal desta pesquisa é estabelecer um modelo matemático para calcular o consumo energético de SCFs alimentados por baterias. O modelo desenvolvido ´e aplicado via software e ´e denomi-nado Método para Gerenciamento de Energia em Sistemas Ciberf´ısicos (MGCEE).

O MGCEE é um conjunto de a¸cões integradas dedicadas ao gerenciamento do consumo de energia elétrica. Consequentemente, destina-se a capturar e a antecipar situa¸cões energeticamente cr´ıticas, de modo a evitar a ocorrência de paradas indesejáveis, motivadas pela falta de capacidade da bateria. Dessa forma, o modelo matemático desenvolvido é inicialmente empregado para avaliar e monitorar o consumo energético do SCF. Posteriormente, caso necessário, ajusta-se a sua opera¸cão, ponderando as atividades da aplica¸cão em conjunto com a carga residual da bateria.

(44)

Delineado o objetivo geral desta pesquisa, seguem-se os objetivos espec´ıﬁcos:

1. Elaborar um modelo matemático para avaliar o consumo energ´ e-tico dos perif´ericos controlados por softwares embarcados; 2. Estabelecer critérios para auxiliar na identifica¸cão da intera¸cão

energ´etica entre o sistema computacional e o sistema f´ısico; 3. Estabelecer um equacionamento para formular a energia

consu-mida em SCFs alimentados por bateria.

4. Propor uma heur´ıstica para avalia¸c˜ao do consumo dos softwares usados no controle dos perif´ericos;

5. Desenvolver um modelo matem´atico para estimar a carga da bateria via software;

6. Deﬁnir os procedimentos para dar suporte ao desenvolvimento do MGCEE;

7. Elaborar uma m´etrica para avaliar o n´ıvel de sensibilidade do sistema com rela¸c˜ao ao consumo de energia;

Com base nos objetivos enumerados acima, vislumbram-se as seguintes contribui¸c˜oes de pesquisa:

• A defini¸cão de um equacionamento para sistematizar o cálculo da

potência dos dispositivos em n´ıvel de projeto do SCF. A estrutura genérica do modelo proposto facilita a adapta¸cão e o seu reuso em fun¸cão das informa¸cões elétricas dispon´ıveis.

• Desenvolvimento de uma abordagem exclusivamente

computa-cional para o monitoramento do consumo de energia de SCFs, criando-se meios para antecipar a¸c˜oes preventivas, como a pre-ven¸c˜ao de paradas pela falta de carga da bateria.;

Entende-se que o conjunto proporciona uma vis˜ao organizada do SCF sob o aspecto energ´etico, em que consideram-se os elementos do sistema computacional e do sistema f´ısico.

1.5 METODOLOGIA

O processo investigativo foi constru´ıdo com base em informa¸cões que abrangem assuntos relacionados à Engenharia da Computa¸cão e

(45)

`

a Engenharia Elétrica. A figura 2 resume o conjunto dos principais assuntos envolvidas na realiza¸cão da tese.

Figura 2 – Rela¸c˜ao dos assuntos envolvidos no desenvolvimento da tese.

Na primeira etapa de pesquisa buscou-se conhecer melhor os SCFs, através de buscas pela expressão original do inglês

“Cyber-Physical Systems”. Caracterizou-se a partir dessa investiga¸c˜ao que, além do sistema computacional embarcado, um SCF reúne diferentes componentes analógicos e digitais. Tudo isso adiciona uma elevada complexidade a esses sistemas, os quais são minuciosamente tratados ao longo desta tese de doutorado.

Em seguida estruturou-se o conhecimento para as questões rela-cionadas aos sistemas embarcados, sob a ótica do consumo de potˆ en-cia e da energia elétrica. Delimitaram-se os aspectos relevantes no escopo da avalia¸cão energética de tais sistemas. O amadurecimento do conhecimento foi definido a partir da ênfase sobre as técnicas de gerenciamento do consumo. Analisaram-se as abordagens que tratam da redu¸cão do consumo em sistemas embarcados, de forma a identificar as variáveis envolvidas com esse processo, contextualizar os cenários aplicáveis dessas abordagens e, por fim, estruturar parte da solu¸cão.

Ainda na fase de desenvolvimento, foi necessário aprofundar os estudos sobre baterias, suas caracter´ısticas, modelos e formas de avaliar o seu estado de carga. Essa fase foi marcada pela necessidade de definir um mecanismo capaz de mensurar o estado da bateria sem a utiliza¸cão de meios intrusivos. Tal caracter´ıstica é um dos diferenciais da proposta da tese: realizar a estimativa da autonomia via software, assemelhando-se a um instrumento virtual. A formaliza¸cão do modelo matemático da bateria foi estruturado utilizando das informa¸cões teóricas aplicadas ao

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desenvolvimento de experimentos que auxiliaram no equacionamento ﬁnal do modelo.

A avalia¸cão do modelo matemático do consumo energético foi feito através da realiza¸cão de um estudo de caso envolvendo um sistema robótico móvel. O estudo concentrou-se em aspectos relacionados à navega¸cão, para então ser viabilizado o desenvolvimento dos experi-mentos usados para a verifica¸cão do modelo proposto.

Paralelamente ao desenvolvimento dos experimentos, exigiu-se o emprego de conhecimentos sobre instala¸cões elétricas, medidas elétricas e eletrônica. Tais habilidades foram necessárias para que as correntes elétricas consumidas durante a opera¸cão do robô fossem medidas. Tendo-se as intensidades de corrente e os n´ıveis de tensão de opera¸cão dos componentes, foram obtidos os subs´ıdios necessários para validar a proposta da tese.

1.6 ORGANIZA ¸C ˜AO DO DOCUMENTO

O restante deste documento ´e organizado da seguinte maneira:

• Cap´ıtulo 2 - Conceitua¸c˜ao Te´orica

Cap´ıtulo em que apresentam-se os fundamentos teóricos e ma-temáticos relacionados com o tema de pesquisa. Inicialmente, expõe-se a base matemática sobre potência e energia elétrica. Na sequência, discutem-se questões relativas ao consumo de proces-sadores, seguido por uma breve introdu¸c˜ao sobre benchmarks. Os Sistemas Ciberf´ısicos são contextualizados, e, ao final, comenta-se sobre tecnologia de armazenamento de energia com o foco em baterias.

• Cap´ıtulo 3 - An´alise do Estado da Arte

Consideram-se nesse cap´ıtulo as abordagens na área de redu¸cão de potência elétrica e energia elétrica existentes. Resumem-se as técnicas usadas para a medida do consumo energ´etico de softwares através da apresenta¸cão de alguns trabalhos relacionados com a medida do consumo de energia em softwares embarcados e técnicas para mensurar o consumo de processamento de softwares embarcados.

• Cap´ıtulo 4 - M´etodo para Gerenciamento de Energia El´etrica em SCFs

Cap´ıtulo em que se descreve a proposta de pesquisa desta tese. Apresenta-se a fundamenta¸c˜ao matem´atica usada para estruturar

(47)

o modelo matemático do consumo energético em SCFs alimenta-dos por baterias. Após a apresenta¸cão do modelo, segue-se com as explica¸cões que estruturam o método proposto.

• Cap´ıtulo 5 - Apresenta¸c˜ao do Fator de Complexidade e do Modelo Linear da Bateria

Composto por duas se¸cões. A primeira delas detalha a heur´ıstica elaborada para definir o fator de complexidade do software. A segunda se¸cão refere-se à explica¸cão do modelo linear da bateria e como foi realizada a sua avalia¸cão.

• Cap´ıtulo 6 - Aplica¸c˜ao do M´etodo Proposto

Faz-se a orienta¸cão de como implementar o método proposto pelo cap´ıtulo 4, através da inclusão de informa¸cões sobre formas de execu¸cão e procedimentos que integram o desenvolvimento do MGCEE. Explicam-se as particularidades à respeito da sequência de a¸cões que conduzem à estrutura final do método.

• Cap´ıtulo 7 - Avalia¸c˜ao da Proposta

Descreve-se o estudo de caso usado na valida¸cão do modelo, cujo cenário é composto por uma aplica¸cão de robótica móvel. São expostos os meios usados na implementa¸cão do experimento, no qual foram realizadas medi¸cões da intensidade da corrente elétrica consumida pelo robô. Os resultados são usados na comprova¸cão da hipótese em análise.

• Cap´ıtulo 8 - Resultados Obtidos

Os resultados dos experimentos são apresentados e analisados. São estabelecidas compara¸cões entre as estimativas obtidas pela aplica¸cão do MGCEE e os resultados das medi¸cões realizadas na etapa da avalia¸cão da proposta. Ao final, os resultados da compara¸cão são analisados e discutidos para estabelecer um parecer sobre a valida¸cão da hipótese defendida.

• Cap´ıtulo 9 - Conclus˜oes e Perspectivas

Finaliza-se o documento com a apresenta¸cão das conclusões sobre o modelo proposto e as considera¸cões acerca da estrutura do MGCEE. Acrescentam-se as sugestões sobre temas para compor futuras pesquisas.

• Apˆendice A - Modelo N˜ao Linear da Bateria

Explica-se a heur´ıstica que calcula o comportamento n˜ao linear da bateria, a qual complementa o modelo do comportamento linear.

(48)

• Apêndice B - Análise da Sensibilidade Energética do SCF

Introduzem-se os conceitos à respeito de como avaliar o quão energéticas são as atividades que integram o funcionamento de um sistema. Tais conceitos são empregados na análise da sensi-bilidade energética do estudo de caso do robô Pioneer P3-DX.

• Anexo A - Baterias – Aspectos Gerais

Apresentam-se as caracter´ısticas das baterias, focando as infor-ma¸c˜oes e detalhes pertinentes ao desenvolvimento do estudo.

(49)

Fundamenta¸

c˜

ao Te´

orica

“Nossas a¸cões são as melhores interpreta¸cões de nossos pensamentos.”

John Locke, Inglaterra, 1632-1704 (Filósofo) Neste cap´ıtulo apresentam-se os princ´ıpios que fundamentam os temas relacionados com essa tese de doutorado: a energia elétrica, o consumo energ´etico em processadores, os benchmarks e os sistemas ciberf´ısicos. Inicialmente, são revisados os conceitos matemáticos rela-cionados com potência e energia elétrica em circuitos elétricos, sendo tais conceitos estendidos para abranger o consumo dos processadores, responsáveis pelo processamento dos programas computacionais. Apre-senta-se também um t´opico sobre benchmarks, que tem como objetivo fundamentar a base teórica usada para o desenvolvimento do cálculo do consumo do software proposto por esta tese. Tamb´em se inclui nesse cap´ıtulo uma caracteriza¸cão detalhada dos Sistemas Ciberf´ısicos, incluindo suas principais caracter´ısticas, desafios e aplica¸cões.

2.1 POTˆENCIA E ENERGIA EL´ETRICA

Segundo EDMINISTER (1981), a potência refere-se a quão rapi-damente a energia é usada ou convertida em outra forma de energia. Em sistemas el´etricos, a Potência Elétrica ´e calculada pelo produto entre a tensão el´etrica v (em volt (V )) e a corrente elétrica i (em amperes (A)), conforme mostra a equa¸cão 2.1.

(50)

O mesmo autor define Energia como sendo a capacidade em realizar trabalho, calculada a partir da potência e do per´ıodo de tempo no qual a potência foi utilizada, conforme indica a equa¸cão 2.2.

w = t₂ t₁ p dt = t₂ t₁ v i dt (2.2)

Sendo: w a energia em joule (J ), p a potˆencia el´etrica instantˆanea em

watt (W ) e t1o tempo inicial e t2é o tempo final da observa¸cão, ambos

em segundos (s).

Em rela¸cão ao problema tratado nesta tese, considera-se a ener-gia gasta pelo processador para executar um conjunto de instru¸cões (software). Sendo este efeito o resultado da atividade desenvolvida pela potência elétrica.

Tendo em vista que a classe de sistemas sob análise é formada por SCFs alimentados por baterias, evidencia-se que essa fonte de alimenta¸cão é de natureza cont´ınua (Corrente Cont´ınua (CC)), ou seja, o circuito elétrico que emprega essa fonte de alimenta¸cão consome apenas potências ativa em regime cont´ınuo de opera¸cão. Já em circuitos de corrente alternada (CA), além da potência ativa, cuja unidade de medida ´e o watt (W ), devem se preocupar com a potˆencia reativa (Q), representada pela unidade volt− ampere reativo (V Ar), devido `

a presen¸ca de indutores e capacitores. A soma vetorial das potˆencias anteriores resulta na potˆencia aparente (S), sua unidade ´e o volt−

ampere (V A) (BOYLESTAD, 1998).

Dado o exposto, as equa¸cões 2.1 e 2.2 podem ser reescritas assumindo os valores médios das grandezas envolvidas. Assim, a potência elétrica, é calculada meio da equa¸cão 2.3.

P = V · I (2.3)

Onde: P indica a potência ativa em watt (W ), V ´e a tensão de opera¸cão m´edia do sistema em volt (V ) e I ´e a corrente média em

ampere (A).

Resolvendo a integral 2.2 e aplicando a substitui¸c˜ao dada por 2.3 chega-se `a e 2.4.

(51)

Onde: E ´e a energia el´etrica consumida em joule (J ) e T indica o intervalo de tempo em que se estabelece o consumo energ´etico em

segundos (s).

Para estabelecer o consumo total em um sistema el´etrico com-posto por m subsistemas, procede-se com o somat´orio das energias parciais consumidas, conforme indica 2.5.

ET = E1+ E2+· · · + Em ET = m i=1 Ei (2.5)

Onde: ET ´e a energia total do sistema e Eirepresenta as

parce-las individuais do consumo energ´etico de cada subsistema integrante, ambas em joule(J ) .

2.2 CONSUMO DE POTˆENCIA EM PROCESSADORES

A partir da década de 70, as inova¸cões tecnológicas prove-nientes da integra¸cão de transistores em muita larga escala (VLSI) contribu´ıram para a redu¸cão de custos e consequente diversifica¸cão de aparelhos portáteis. Esse fato fez surgir necessidades que deram in´ıcio ao desenvolvimento de novas pesquisas, entre elas, as relacionadas ao consumo de energia elétrica. Tal interesse, justifica-se não só por estar relacionado à estética do dispositivo (peso, portabilidade e design), mas também às funcionalidades disponibilizadas por ele (multim´ıdia, áudio e comunica¸cão) e à dura¸cão da fonte de energia. Assim, novas áreas de pesquisa se dedicaram ao estudo de meios para solucionar as questões envolvendo a eficiência energética.

O ponto de partida para analisar a redu¸cão do consumo de potˆ en-cia come¸ca pela análise das principais fontes de consumo em circuitos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ): corrente de fuga (leakage current ), corrente de curto circuito (short-circuit current ) e a corrente responsável pela carga e descarga dos capacitores de carga. Tais fenômenos desencadeiam consumos dinâmicos ou estáticos que estão relacionados à existência de transi¸cões entre os n´ıveis de tensão (nas entradas e sa´ıdas das portas durante a mudan¸ca dos n´ıveis lógicos) ou à ausência da transi¸cão (BUTZEN; RIBAS, 2008;BUTZEN et al., 2009). A literatura aborda as seguintes intensidades de correntes como sendo as principais fontes de consumo de potência em circuitos digitais:

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⇒Corrente de Carga: o modelo da entrada de uma porta de um

circuito digital é determinado por um circuito RC, estabelecendo uma estrutura de resistores e capacitores. A corrente de carga é a corrente resultante do processo de carga e descarga da capacitância de sa´ıda das portas (PEDRAM, 1995). Nesse caso, a denomina¸cão usual para indicar a potência ligada à corrente de carga é “potência dinâmica”. A expressão que determina seu valor é indicada pela equa¸cão 2.6:

Pdin=

1 2 · V

2

dd· CL· Nsw· fclock (2.6)

Onde: Pdiné a parcela da potência dinâmica, relacionada à corrente de

carga, em watt(W ), Vddé a tensão de alimenta¸cão do circuito digital em

volt(V ), CL ´e a capacitˆancia de carga da porta l´ogica em f arad (F ),

Nsw indica a atividade de comuta¸cão, que representa o número médio

de transi¸c˜oes do circuito por 1/fclocke fclocké frequência de relógio em

hertz (Hz).

⇒Corrente de Curto Circuito: resultante da corrente que ﬂui

en-tre Vdde GN D nos momentos intermedi´arios das transi¸c˜oes de entrada

(DEVADAS; MALIK, 1995), durante os quais h´a transistores conduzindo simultaneamente em ambas as redes, pull-up e pull-down, criando um caminho de curto-circuito entre Vdd e GN D. Isso ocorre quando um

circuito CMOS est´atico ´e chaveado por um sinal de entrada com tempos de subida e descida n˜ao-zero, tendo-se os transistores PMOS (Positive

Channel Metal Oxide Semiconductor ) e NMOS (Negative Channel

Metal Oxide Semiconductor ) conduzindo simultaneamente por um curto intervalo de tempo. Este consumo pode se tornar substancial se a entrada mudar de maneira lenta, ou seja, se os tempos de subida ou descida dos sinais de entrada dos circuitos forem grandes. Como resultado, surge uma corrente direta de Vdd para GN D durante o

intervalo da comuta¸cão, onde os transistores PMOS e NMOS conduzem simultaneamente. O cálculo da potência devido à corrente de curto circuito emprega a equa¸cão 2.7 (DEVADAS; MALIK, 1995):

Pcc= Vdd· Qcc· fclock· Nsw (2.7)

Onde: Pccé a parcela da potência devido à corrente de curto circuito

em watt (W ), Vdd é a tensão de alimenta¸cão do circuito digital em

volt (V ) e Qccrepresenta a carga transportada pela corrente de curto

circuito por transi¸c˜ao em coulombs (C), NSW a qual indica atividade

de comuta¸cão, representa o número médio de transi¸cões do circuito por 1/fclock e fclocké frequência de relógio em hertz Hz.

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⇒Corrente de Fuga: essencialmente relacionada aos portadores

minoritários da estrutura cristalina de sil´ıcio e manifesta-se quando o cristal é polarizado reversamente. Circula no momento em que não há transi¸cão alguma no sinal da porta dos transistor (BUTZEN; RIBAS, 2008). As correntes de fuga, correntes elétricas que fluem através de dois pontos entre os quais deveria haver idealmente uma resistência infinita. Estas correntes eram desconsideradas em tec-nologias micrométricas devido a sua insignificante magnitude. Em tecnologias nanométricas elas passaram a ter um papel significativo no consumo total do circuito A equa¸cão que determina o valor da potência consumida em fun¸cão da corrente de fuga é expressa pela equa¸cão 2.8.

Pf uga= Vdd· If uga (2.8)

Onde: Pf ugaé a parcela da potência devido à corrente de fuga em watt

(W ), Vdd ´e a tens˜ao de alimenta¸c˜ao do circuito digital em volt (V ) e

If uga´e a corrente de fuga em amperes (A).

Portanto, as formula¸cões apresentadas servem como base para a análise do consumo de potência de circuitos CMOS. De acordo com Chandrakasan, Sheng e Brodersen (1992) são três as principais fontes de dissipa¸cão de potˆencia, resultantes da corrente de fuga (Pf uga), da

corrente de curto-circuito(Pcc) e da corrente de carga (Pdin), as quais

combinadas resultam na potˆencia total, indicada por 2.9.

Pcmos= Pf uga+ Pcc+ Pdin (2.9)

De forma geral, há um consenso na literatura de que a fonte dominante de consumo de potência em circuitos CMOS resulta das capacitâncias de carga, a qual referem-se como potência dinâmica (BROOKS; TIWARI; MARTONOSI, 2000;UNSAL; KOREN, 2003; VENKAT-ACHALAM; FRANZ, 2005;BUTZEN; RIBAS, 2008), seguida pela potência relativa à corrente de curto circuito (BUTZEN; RIBAS, 2008).

Para viabilizar a redu¸cão do consumo de potência, primeira-mente, deve-se identificar, no conjunto de equa¸cões anteriormente apre-sentadas, as variáveis que estão acess´ıveis para realizar esta conduta. Esse procedimento, se resume em minimizar uma ou mais variáveis determinadoras do valor da potência dinˆamica (Pdin), considerando que

ela é a responsável pela parcela de maior consumo. Nesse sentido, as possibilidades incluem o desenvolvimento de processos de produ¸cão de transistores com geometrias e composi¸cões e de técnicas que alterem o funcionamento do hardware ou ainda que interfiram no software. Com base nesse grande grupo, as abordagens de projeto relacionadas ao

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consumo de potência classificam-se em: baixo consumo de potência (low-power design) e sens´ıvel ao consumo de potência (power-aware

design) que s˜ao melhor discutidas no cap´ıtulo 3.

De modo geral, em projetos de baixo consumo, o principal objetivo é a minimiza¸cão da potência. Em sistemas sens´ıveis ao consumo de potência, a potência e a energia são metas de desempenho significativas; nesses casos, o sistema está autorizado a modificar o seu comportamento com base na disponibilidade de potência ou de energia (UNSAL; KOREN, 2003).

2.3 BENCHMARKS

A diversidade e a evolu¸cão das arquiteturas dos computadores modernos torna a tarefa de avaliar o desempenho dos sistemas com-putacionais cada vez mais complexa, principalmente perante objetivos espec´ıficos. Assim, os benchmarks tˆem como principal propósito pro-porcionar uma infraestrutura capaz de estabelecer, manter e aplicar programas computacionais e métricas que auxiliem na compara¸cão de desempenho de objetivos espec´ıficos. Essas estruturas são compostas por um conjunto de programas computacionais, representativos de uma classe de aplica¸c˜oes. Os benchmarks s˜ao utilizados em diferentes sistemas, fornecendo meios para que esses resultados possam ser com-parados entre as diferentes arquiteturas (BILEN; ALCALDE, 2010).

As poss´ıveis finalidades para os benchmarks encontram-se na avalia¸cão do desempenho de computadores, de aplica¸cões desenvolvidas para a web, de sistemas de alto desempenho, de tempo de execu¸cão, entre outras. S˜ao exemplos de benchmarks: Dhrystone (WEISS, 2002) e

Whetstone (LONGBOTTOM, 2004) (avalia¸cão do desempenho de proces-sadores), LINPACK (medida da performance com opera¸cões com ponto flutuante) (LINPACKBENCHMARK, 2000),(Standard Performance

Eval-uation Corporation (SPEC)(SPEC, 1998) (diversos objetivos: consumo de potˆencia, desempenho de navegadores, entre outros).

Em rela¸c˜ao aos benchmarks voltados para aplica¸c˜oes embar-cadas, destaca-se o conjunto de programas desenvolvido pelo cons´orcio

EDN Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC). A

EEMBC disponibiliza mais de 60 programas relacionados às aplica¸cões embarcadas distribu´ıdas nas áreas de automa¸cão de escritório, automo-tiva e controle industrial, telecomunica¸cões, redes de comunica¸cão, apli-ca¸cões para digitaliza¸cão de imagem, entretenimento digital (POOVEY et al., 2009). Porém, as informa¸cões são limitadas aos membros do

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cons´orcio (EEMBC, 2012).

Com propósito semelhante, a Universidade de Michigam de-senvolveu e disponibiliza gratuitamente, em código C, um conjunto contendo 35 programas, chamado MiBench (GUTHAUS et al., 2001). Os programas são usados em aplica¸cões embarcadas nos seguintes dom´ınios: automotivo e controle industrial, redes de comunica¸cão, seguran¸ca, dispositivos para os consumidores, automa¸cão de escritório e telecomunica¸cão.

Segundo os desenvolvedores do MiBench, o diferencial de pro-gramas computacionais destinados à aplica¸cões embarcadas se dá pela computa¸cão mais intensa (opera¸cões com números inteiros e de ponto flutuante), pela ocorrência de a¸cões de controle (desvios condicionais e incondicionais) e pelo uso de memória (busca e armazenamento de instru¸cões I/O). Com base nessa classifica¸cão, foram realizados testes que mediram o percentual de ocorrência dessas instru¸cões para cada programa; o resultado foi expresso em gráfico comparativo contendo os

softwares avaliados.

2.4 SISTEMAS CIBERF´ISICOS

Os Sistemas Ciberf´ısicos (SCFs) são caracterizados pela estreita integra¸cão e coordena¸cão entre a computa¸cão embarcada e as variáveis f´ısicas, que interagem com o sistema por meio de sensores e atu-adores (NITRD, 2013).

Figura 3 – Estrutura das disciplinas que integram o sistema ciberf´ısico (adaptado de Dutt e Bozorgzadeh (2010)).

Como uma área de pesquisa emergente e interdisciplinar, os SCFs atraem a aten¸cão da comunidade acadêmica, já que eles integram as áreas de computa¸cão, comunica¸cão e controle de sistemas. Esse contexto está representado pela figura 3. Em esferas isoladas, essas