Sistemas Embutidos
(embarcados)
Caracterização
• São usados para controlar sistemas de diferentes tipos: máquinas domésticas, fábricas, carros,
jogos etc.
• O software é embutido no hardware do sistema e com ele interage
• O tempo de resposta o diferencia de outros sistemas.
• É o tipo de sistema mais comum, com grande impacto econômico.
• Muitas vezes está integrado a um Sistema de Informação.
Definições
• SEs são sistemas de processamento de
informação embutidos (ou embarcados) em um produto maior (Peter Marwedel)
• SE é um software integrado com processos
físicos. O problema técnico é gerenciar tempo e
concorrência em sistemas computacionais. • Sistemas Ciber-Físicos (SCF, ou CPF: Cyber –
Physical Systems) são a integração da
computação com processos físicos (Edward Lee, 2006)
SEs devem ser “confiáveis”
• Reliability R(t) = probabilidade de um sistema operar
corretamente desde que ele esteja operando no tempo t=0.
• Maintainability M(d) = probabilidade de um sistema operar corretamente d unidades de tempo após a ocorrência do erro.
• Availability A(t): probabilidade de um sistema operar corretamente no tempo t
• Safety: nenhum prejuízo (mal) será causado
• Security: comunicação confidencial and fidedigna
– Mesmo sistemas perfeitamente projetados podem falhar se as suposições sobre sua carga de trabalho e possíveis erros se mostrarem incorretas.
– Tornar o sistema “confiável” não pode ser uma
consideração posterior ao seu desenvolvimento, deve ser considerada desde o seu início.
Sistema de Tempo real
• O funcionamento depende dos resultados produzidos pelo sistema e do tempo em que esses resultados são produzidos
• STR Leve: se a operação for degradada caso os resultados não sejam produzidos de acordo com os requisitos de tempo/desempenho.
• STR Rígido (ou pesado ou crítico): se a operação for incorreta caso os resultados não forem
produzidos de acordo com os requisitos de tempo/desempenho.
Eficiência
• Os SE embutidos devem ser eficientes quanto
ao:
– Código (especialmente para os sistemas em chip) – Tempo de execução
– Peso – Custo – Energia
Geralmente:
• O software que executa em um computador e
controla outras máquinas é um sistema
embarcado de tempo real.
• Recebe eventos (sinais) gerados pelo
hardware e emite sinais de controle para o
hardware em resposta a esses eventos.
• A resposta pode estar condicionada a
restrições de tempo.
Requisitos de Tempo-Real
• Um sistema de tempo real (STR) deve reagir a estímulos do objeto controlado em um intervalo de tempo determinado pelo ambiente.
• Um requisito (ou restrição) de tempo de tempo é chamado de “crítico” (hard) quando ele não for satisfeito causar uma catastrofe (Kopetz, 1997). • Para STR, respostas corretas muito tarde são
erradas.
• Uma resposta garantida do sistema tem que ser explicada sem argumentos estatísticos.
SCF, STR e SE são sinônimos?
• Para alguns SE, comportamento de tempo real é menos importante. Ex. Tel. Celular. Daí SE ~ STR
• Para SCF, o comportamento de tempo real é essencial. Daí SCF STR
• Modelos de SCF também incluem um modelo do sistema físico.
• SE tipicamente modelam componentes de TI. Daí SCF SI (Componentes de TI) + Modelos Físicos
Aplicações: Eletrônica automotiva
(claramente ciber-física)
• ABS: Anti-lock braking systems
• ESP: Electronic stability control
• Airbags
• Chaves inteligenets (prevenção de furtos)
• Sistemas de alerta de ângulo-cego.
• Etc.
SE em outras indústrias
• Painéis de fornos de micro-onda, máquinas de
lavar roupa, geladeiras etc.
• Alarmes anti-furtos (uso doméstico)
• Telefones celulares
• Dispositivos médicos
• Etc.
Projeto de Sistemas Embarcados
• É um processo de engenharia de sistemas em que os projetistas de software devem considerar em detalhes o projeto e o desempenho do hardware • Um processo de cima para baixo(top down) pode
ser difícil de usar. Decisões de baixo nível podem ter que ser consideradas no início do projeto.
Projeto de Sistemas Embarcados
(Cont.)
• Os sistemas são geralmente reativos e baseados numa abordagem estímulo-resposta.
• O estímulo é uma entrada geralmente
proveniente de sensores e deve produzir uma como saída uma resposta geralmente dirigida a atuadores
• Os estímulos podem ser de duas categorias: – Periódicos: ocorrem em intervalos previsíveis – Aperiódicos: ocorrem de forma irregular e
Projeto de Sistema Embutido (Cont.)
• Deve considerar em detalhes o projeto e o desempenho do hardware do sistema.
• É preciso decidir que recursos deve ser
implementado em software e que parte em hardware
• Custos e consumo de energia são críticos. • É necessário decidir se serão usados
processadores de prateleira (ex. fpga) ou se deverá ser projetado e construído um novo hardware.
Um modelo sensor-sistema-atuador
Diretriz geral: processos separados para cada tipo de sensor e atuador.
PSE (Cont.)
• Atuadores também podem gerar estímulos
(geralmente indicando problemas ocorridos)
• A arquitetura do sistema deve ser organizada
para que, assim que um estímulo seja
recebido, o controle seja transferido para o
tratador correto.
• Isso é impraticável em sistemas sequenciais
processos concorrentes.
Arquitetura genérica abstrata
• Contém 3 tipos de processos
• Para cada sensor existe um processo gerenciador • Para cada atuador há um processo gerenciador • Há um ou mais processos
controladores/processadores.
• Essa arquitetura genérica pode ser instanciada para arquiteturas específicas. Ex.: sistemas de monitoração e de aquisição de dados.
Sistemas de tempo real
• As linguagens de programação precisam
incluir recursos de baixo nível. Ex. C.
• Java vem sendo atualizada para incluir vários
mecanismos que permitam o uso em sistemas
de tempo real.
– O mecanismo básico são as threads
• Mas já existem linguagens de alto nível
(chamadas também de “modelos”) que
Projeto de Sistemas Embutidos
• Não há um processo –padrão de sistemas
embutidos e eles são definidos de acordo com o tipo e complexidade do sistema, do hardware disponível e da organização que está
desenvolvendo.
• Decisão importante: quais partes serão
implantadas como hardware e quais partes serão implantadas como software.
• Para muitos STR embutidos, os custos, consumo de energia e espaço são críticos.
Projeto de Sistemas: Atividades
Principais
1. Seleção da plataforma (Hardware e SO)
2. Identificar estímulos e respostas
3. Analisar restrições temporais (timing), para
cada estímulo (restrições de tempo)
4. Projeto de processos (concorrentes), os
estímulos e respostas são agregados em
processos concorrentes de acordo com a
arquitetura do sistema.
Projeto de Sistemas: Atividades
Principais
5. Projeto de algoritmos, para fazer o processamento necessário para cada estímulo e resposta
6. Projeto de dados: informações entre processos e eventos que coordenam a troca de informações
7. Programação de processo: projetar um sistema de alocação (scheduling) que permita atender as
Algumas considerações
• Coordenação de processos (semáforos,
regiões críticas).
• Análises teóricas para avaliar se as restrições
temporais serão atendidas. Isso pode ser
difícil
• Linguagens OO podem não ser eficientes para
implementar um STR.
Algumas considerações (Cont.)
• Os processos podem executar com diferentes
velocidades.
• Isso pode ser resolvido implementando trocas
de informações por meio de “buffers”
compartilhados e uso de exclusão mútua para
controlar o acesso ao buffer.
Modelagem de STR
• A resposta aos estímulos muitas vezes
depende do estado do sistema uso de
diagramas de estado
• UML: statecharts
• Um modelo de estado considera que em
qualquer momento o sistema está em um dos
vários estados possíveis. Os estímulos causam
a transição para outros estados.
Exemplo:
controlador de uma bomba de gasolina
Programação em Tempo Real
• As LP para desenvolver STR precisam ter
recursos para:
– Acessar o hardware
– Prever o tempo de duração de determinadas operações
• Muitas vezes se usa linguagens montadoras
• Também é necessário suporte para
concorrência e gestão compartilhada de
recursos.
Padrões de arquitetura
• Um padrão de arquitetura pode ser pensado
como um projeto genérico para ser instanciado. • Os padrões de SE são orientados a processos, em
vez de orientados a objetos e componentes. • Três padrões:
– Observar e reagir
– Controle de ambiente – Pipeline de processo
• Esses padrões podem ser combinados e haver mais de um deles em um mesmo sistema.
Observar e reagir
• É usado quando um conjunto de sensores é
monitorado e exibido rotineiramente. Quando
os sensores mostram que ocorreu um evento,
o sistema reage e trata esse evento (ex. ligar
um alarme).
• O estado do ambiente monitorado pelos
sensores pode ser exibido em uma tela
interna, telas especiais ou remotamente.
Exemplo: sistema de alarme contra
furto
Descrição do Sistema
Controle de ambiente
• Quando o sistema inclui sensores que fornecem informações sobre o ambiente e atuadores
capazes de alterar o ambiente, enviando sinais para os atuadores.
• São geralmente chamados de “sistemas de
controle” e controlam equipamentos. Talvez seja o caso mais comum de sistemas embutidos.
• Ex: Freio ABS, controle de um aparelho de ar condicionado
É opcional
Padrão Pipeline
• Usado quando dados devem ser
transformados de uma representação para
outra antes de serem processados.
• Isso leva a uma sequência de processamentos,
o que pode eventualmente ser feito em
paralelo por diferentes processadores.
• Ex. um rádio que recebe pacotes de dados
digitais e os transforma em sinais sonoros e
depois transmite.
Padrão Pipeline (Cont.)
• É uma arquitetura eficiente quando se usam
vários processadores ou processadores de
muitos núcleos (cores)
• Exemplo típico: coleta (aquisição) de dados,
em sistemas científicos e sistemas de controle.
• Os sensores podem gerar dados rapidamente
e é preciso garantir que não se percam dados.
• Exemplo: Aquisição de dados em um reator
Análise de tempos (timing)
• É o cálculo da frequência de execução de cada
processo para garantir que todas as entradas
sejam processadas e todas as saídas sejam
produzidas no tempo esperado.
• O resultado é usado para decidir a frequência
de execução e como o SOTR executará o
processo.
• A análise é mais difícil quando o mesmo
Fatores a considerar na análise
• Limites (Deadlines): o tempo para processar as entradas e produzir as saídas.
• Frequência: O número de vezes por segundo que um processo deve executar para cumprir seus
deadlines
• Tempo de execução: o tempo necessário para processar as entradas e produzir as saídas .
– Este tempo pode variar, por exemplo, pela execução de um comando condicional.
Eventos aperiódicos
• Como são imprevisíveis, é necessário fazer
suposições sobre sua taxa de chegada
(probabilidade de ocorrência).
• As previsões podem não corresponder ao que
ocorre quando o sistema se torna operacional.
• Como os computadores se tornaram mais
rápidos, eventos aperiódicos podem ser
tratados como eventos periódicos.
Eventos aperiódicos (cont.)
• Exemplo: uma falha de alimentação em um sistema embarcado pode significar que o SE precisa desligar o sistema físico de forma
controlada, em um tempo definido (50ms, digamos)
• Aperiódico: implementar como uma interrupção de “falha de energia”
• Periódico: processo que é executado com alta frequência e verifica a energia, com tempo para desligar o sistema se detectar uma falha.
Análise de falha de energia
• Suposição: se houver falha de energia, demora 50ms para ela atingir um ponto que cause danos ao equipamento.
• Precaução: prever um limite de 40ms por causa de variações físicas nos equipamentos.
• Para ter certeza, fazer pelo menos duas observações para garantir a queda.
• Processo executa 250 vezes por segundo execução a cada 4ms 8ms para detectar o problema
Análise de falha de energia (Cont.)
• O pior caso de tempo de execução é 16ms
– São necessários 8ms para detectar o problema – como são necessárias duas execuções do
processo, temos (40ms – 8ms)/2= 16ms
• Para ter uma margem de segurança, o tempo
de execução do processo deve ser bem menor
que 16ms.
Sistema de alarme contra roubos
• Listar as restrições de tempo para cada classe de sensor separadamente
• Atribuir processos concorrentes para cada tipo de sensor (há 4 tipos: tensão, porta, janela e movimento).
• Como a checagem deve verificar se o estado do sensor mudou (ex. de desligado para ligado), é razoável supor que o tempo de execução desse processo seja menor que 1ms.
Sistema de alarme contra roubos
• Em seguida, decidir:– Como os processos relacionados vão executar
– Quantos sensores serão examinados em cada execução do processo
EXEMPLOS:
• Examinar 1 sensor por execução e N sensores de cada tipo programar os processo para 4N vezes por
segundo, para garantir que o limite de 0,25 ms por sensor seja satisfeito.
• Examinar 4 sensores por execução e N sensores tempo de execução = 4ms, mas o processo precisa ser executado só N/4 vezes/segundo para atender ao
R= Resposta ( a uma entrada) B= Background (2º. Plano)
Processos periódicos são anotados com sua frequência O tempo de execução representado é o pior tempo
Sistema de alarme contra roubos
(finalizando)
• O Sistema Operacional de Tempo Real deve ser usado para garantir a programação de processos que
atendam aos deadlines.
– O SOTR aloca um processo para um período de tempo, que pode ser fixo ou variar, de acordo com a prioridade do
processo.
• Processos com tempos mais estritos devem receber prioridade maior
– Por exemplo, o processo “monitor de tensão” deve ter prioridade mais alta que os demais porque precisa
detectar a queda de tensão e a mudança para o gerador de backup seja feita com tempo para não parar o sistema.
Sistema Operacional de Tempo Real
• Muitos sistemas embutidos funcionam com
um SOTR ou podem ser executados sem um
sistema operacional.
• Os SOTR podem ser muito simples ou grandes
e complexos.
– Windows/CE, Vxworks e RTLinux
• Em geral possuem: relógio de tempo real,
tratador de interrupções, alocador (scheduler)
gerenciador de recurso e despachador
Gerenciamento de Processos
• É preciso tratar processos com prioridades
• Deve haver pelo menos dois níveis de
prioridade:
– Nível de interrupção, para os processos que precisam de resposta muito rápida
Gerenciamento de Processos
• UM SOTR deve implementar pelo menos dois tipos de níveis prioridade para processos:
– Nível de Interrupção: é alocado para processos que exigem resposta muito rapidamente. Ex. o processo de relógio de tempo real.
– Nível de relógio: é alocado para processos periódicos • Um terceiro nível, de 2º. Plano, também é
desejável para processos que não precisam
Gerenciamento de Processos (Cont.)
• Diferentes classes de processos podem ser alocados a diferentes prioridades.
• Muitas vezes dois processos diferentes devem ser executados no mesmo tique do relógio um
deles deve ser retardado ( o que tiver maior deadline?).
Gerenciamento de Processos (Cont.)
• Processos que precisam responder rapidamente a eventos assíncronos podem ser dirigidos por
interrupção.
• O SOTR tem políticas que determinam a ordem de execução de processos:
– Programação não preemptiva – Programação preemptiva
• Há diferentes algoritmos para isso: round-robin, rate monotonic (processo mas curto/frequência mais alta), shortest deadline first
Sistemas de monitoração e controle
• É uma categoria importante de STR
• Verificam sensores que fornecem informação sobre o ambiente do sistema e executam ações que dependem da leitura do sensor
• Sistemas de monitoração executam ações de acordo com os valores/sinais dos sensores • Os sistemas de monitoração controlam
continuamente os atuadores de hardware de acordo com os valores dos sensores associados.
