Sistemas Embutidos (embarcados) Paulo C. Masiero

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1 Sistemas Embutidos (embarcados) Paulo C. Masiero

2 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.

3 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)

4 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.

5 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.

6 Eficiência Os SE embutidos devem ser eficientes quanto ao: Código (especialmente para os sistemas em chip) Tempo de execução Peso Custo Energia

7 SE e Hardware

8 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.

9 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.

10 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

11 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. Idem para aviões e VANTS

12 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.

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14 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. Esses fatores diminuem a flexibilidade do projeto.

15 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 imprevisível

16 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.

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18 Um modelo sensor-sistema-atuador Diretriz geral: processos separados para cada tipo de sensor e atuador.

19 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.

20 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.

21 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 permitem implementar sistemas embarcados.

22 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.

23 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.

24 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 restrições temporais.

25 Processos de sensores e atuadores

26 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.

27 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.

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29 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: uma bomba de gasolina automática

30 Exemplo: controlador de uma bomba de gasolina

31 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.

32 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.

33 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.

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36 Exemplo: sistema de alarme contra furto Descrição do Sistema

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38 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

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40 É opcional

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42 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.

43 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 nuclear.

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46 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 sistema trata eventos periódicos e aperiódicos

47 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. Análise do pior caso

48 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.

49 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.

50 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

51 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.

52 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.

53 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 requisito de tempo.

54 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

55 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.

56 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

57 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 Nível de relógio, para os processos periódicos

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59 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 satisfazer deadlines. Ex: autoverificação e teste.

60 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?).

61 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

62 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.

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