Visão das áreas que usam Sistemas Embarcados. Profs. Douglas Renaux e Hugo Vieira Neto

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1 Visão das áreas que usam Sistemas Embarcados Profs. Douglas Renaux e Hugo Vieira Neto

2 Caracterização Heterogeneidade: hardware, software, funcionalidade Restrições físicas: dimensões, ambiente agressivo Restrições de custo Restrições de consumo de energia Restrições de recursos computacionais Restrições temporais

3 Aviônica

4 Automotiva

5 X-by-Wire

6 Sistemas Embarcados

7 Tendências Quantidade de PCs estabilizando, enquanto quantidade de sistemas embarcados cresce

8 Exemplo Típico Interface com Usuário Sistema Controlado (SC) Sistema Embarcado (STR) Sensores App1 App2 Recursos Compartilhados Interface com Sistemas Externos Software básico (camadas 3 a 6) Serviços Protocolos Kernel + Escalonador Device drivers Atuadores Hardware (camadas 1 e 2)

9 Exemplo: Telemetria Aplicações Registro de Carga Localização Sistema Operacional Protocolos API Kernel Device Drivers Hardware RAM Microcontrolador Controladores de I/O Flash Fonte GPS GPRS Conexão Bluetooth Leitor de Código de Barras Painel Display

10 Máquina hospedeira (host) Interface a Plataforma Alvo (ICE, OCD, canal comm.) Plataforma alvo (target)

11 Áreas Uso pessoal (mobilidade) PDA, tablet, câmera digital Telecom Celular, roteador Consumer TV, CD-player, DVD player, BluRay-player, eletrodomésticos: lavadora, secadora, geladeira, forno de microondas

12 Periféricos Impressora, scanner Transporte Frotas: rastreamento Automotiva: alarme, computador de bordo, ignição eletrônica, injeção eletrônica, GPS Aviônica: FADEC, sistema de navegação aérea

13 Energia Smart-grid, energia eólica, energia solar Controle de centrais nucleares, hidroelétricas, térmicas Defesa Controle de mísseis, controle de armas, monitoramento aéreo Automação comercial Pontos-de-venda, impressoras fiscais

14 Automação Industrial Controle de processos industriais Médica Marca-passo, monitores vitais

15 Processo de Desenvolvimento Profs. Douglas Renaux e Hugo Vieira Neto

16 Processo 1) Concepção do Produto 2) Engenharia de Requisitos 3) Engenharia de Sistema 4) Desenvolvimento de Hardware 5) Desenvolvimento de Software 6) Desenvolvimento da Mecânica 7) Integração do Sistema 8) Testes do Sistema 9) Testes em Campo 10) Documentação de Produto e de Produção 11) Empacotamento do produto

17 Ciclo de Desenvolvimento em V Análise de Requisitos Validação dos Requisitos Especificação de Requisitos Testes de Aceitação Projeto Arquitetural Testes de Integração Projeto Detalhado Testes Unitários Implementação

18 Processo de Desenvolvimento Genérico 1. Engenharia de Requisitos 1. Entrada: requisitos (informais, de cliente, de normas/padrões) 2. Objetivo: Entendimento do problema 3. Meios: modelagem, prototipação 4. Saída: especificação (formal, clara, precisa, correta, consistente, completa) Funcional: o que o sistema faz, como se usa Não-Funcional: desempenho, robustez, ambiente, aspectos do desenvolvimento 5. O QUE

19 2. Projeto (Design) 1. Entrada: especificação de requisitos 2. Objetivo: planejamento da Solução 3. Meios: modelagem, prototipação 4. Saída: documentação de projeto, descrição da solução planejada 5. Estudo da plataforma de hardware, plataforma computacional, ferramentas, bibliotecas 6. Projeto da estrutura da solução (arquitetura do sistema), projeto detalhado de cada elemento 7. COMO

20 3. Implementação e teste 1. Entrada: documentação de projeto 2. Objetivo: gerar produto 3. Meios: implementação de hardware, codificação, integração, teste 4. Saída: cabeça de série, documentação de produção 5. AÇÃO

21 Conceito da Operação (CONOPS) Descreve as características de um sistema do ponto de vista do usuário Usado para comunicar características quantitativas e qualitativas do sistema

22 Exemplo de Aplicação Percorri uma trilha usando um GPS (sem visor ou com visor de baixa resolução) Ao final da trilha tenho uma sequência de pontos (latitude-longitude) em formato GPX Quero conectar ao visualizador de trilhas e observar o percurso em diferentes escalas

23 Domínio do Problema Conceitos: Georeferenciamento, latitude, longitude Escala de visualização Formatos de arquivos Cálculo de distâncias

24 Funcionalidades do Produto Pode-se utilizar casos de uso Leitura de arquivo GPX Visualização Escala Configuração

25 Interfaces Físicas: Conector serial DB9 Display monocromático de m x n pixels, etc. Botões existentes na IHM Lógicas: Formato do arquivo GPX

26 Requisitos Funcionais

27 Requisitos não-funcionais Desempenho da apresentação da trilha no display deverá apresentar no mínimo 50 coordenadas por segundo

28 Estudo da Plataforma O que é a plataforma? Processador Cortex-M3 Periféricos integrados Periféricos existentes na placa base Bibliotecas prontas para o hardware acima Qual parte do problema já está resolvida? Biblioteca gráfica para apresentação de pontos, retas, etc. no display Como se usa esta biblioteca?

29 Projeto Arquitetura functional (abstrata) Pensar numa estrutura onde cada bloco representa uma função do sistema a ser construído

30 Projeto Arquitetura Física: Cada bloco representa um elemento de hardware ou software HW: bloco = unidade funcional SW: bloco = tarefa (thread), classe/objeto, função Representar as tarefas, comunicação e sincronização entre estas Usar diagrama de classes ou de objetos com a notação de classe/objeto ativo (UML)

31 Projeto Detalhamento dos componentes HW Esquemático de cada bloco SW Modelos de cada bloco

32 Modelagem por Diagramas de Estado Profs. Douglas Renaux e Hugo Vieira Neto

33 Artefato Reativo Reage a eventos externos Pode gerar eventos internos Reage a eventos internos Reage = gera saídas, muda de estado, muda variáveis internas (parte do estado)

34 MEF Máquina de Estados Finita Modela aspectos dinâmicos de um sistema ou componente (máquina = artefato = coisa) Muito apropriadas para modelar artefatos reativos A Maioria dos STR e SE são reativos Possui um número finito de estados Transições entre estados são tipicamente causadas por eventos externos (já que o artefato é reativo a eles)

35 MEF modelam: classes casos de uso equipamentos subsistemas sistemas inteiros Diagramas de Estados são usados por projetistas de hardware e de software

36 Conceitos Estado = condição ou situação estável de uma MEF. A MEF pode executar atividades enquanto está em determinado estado ou simplesmente não executar nada enquanto aguarda por um evento. Evento = acontecimento relevante ocorrendo em um tempo bem definido. É modelado como sendo instantâneo Pode ser interno ou externo à MEF.

37 Conceitos Transição = mudança de um estado para outro Causas: Evento (externo ou interno) Condição Sem evento nem condição: Fim de atividade MEF encapsulada termina execução Imediato

38 Statecharts Prof. David Harel 1984 Instituto Weizmann (Israel) Contribuições: hierarquia história concorrência

39 UML 2.X MEF: Comportamental: MEF que descreve o comportamento do artefato. Não se aplica a alguns classificadores como portas e interfaces; estados podem especificar ações. De protocolo: MEF que define um protocolo de uso ou ciclo de vida: condições para que uma operação (e.g. de interface) seja chamada; os resultados; a ordenação. Uma MEF de protocolo não faz referência à implementação, apenas à interface visível externamente.

40 Notação Gráfica Quadro com caixa de descrição para o título (usar {protocol} se for o caso) Caixas de comentário Estado: Ações de entrada e saída: entry/, exit/ Transições internas: evento / ação Atividades internas: do/ atividade (possui duração)

41 Principais Entidades Estado inicial Estado final Estado Transição Condição evento [condição] / ação

42 Diagrama Estado (= nome do estado) Transição Evento [Condição] / Ação Nome do estado Evento (= nome do evento) Condição = expressão lógica (resultado verdadeiro ou falso) Ação = lista de ações separadas por ; (atribuição, chamada de método, ativação de saída, etc.)

43 Tipos de Eventos Sinal recebimento assíncrono de um sinal (exemplos: irq de hardware, carta, UDP) Chamada de função ou método Tempo after(duração) ou at(datahora) (duração é medida a partir da entrada no estado)

44 Condições Operadores lógicos: ==,!=, <, >,... Operadores genéricos: IS_IN(estado) [else]

45 Pseudo-Estados Inicial (círculo preenchido) Final (bull s eye) aguarda encerramento Terminação (X grande) Junção círculo preenchido menor Fork Join Porta de entrada (círculo vazio) Porta de saída (círculo com X) História rasa e profunda Seleção (losango)

46 Exemplo

47 Exemplo: Porta de Saída

48 Exemplo: Seleção

49 Exemplo: Junção / Bifurcação

50 Exemplo: Terminação

51 Exemplo: História + Super-estado

52 Exemplo: Concorrência

53 Comportamento Dinâmico É necessário representar o comportamento do sistema em função do tempo e de eventos específicos. Modelar o comportamento: indicar como o sistema irá responder a eventos ou estímulos externos. Diagramas de Estados: descrevem os estados possíveis pelos quais um (sub)sistema em particular pode passar e suas transições, estímulos e atividades.

54 Diagrama de Estados Mostra o comportamento de um (sub)sistema ao longo do tempo: Estados possíveis Eventos que alteram estado Características de cada estado Etc.

55 Notação para os Estados entry: lista de ações exit: lista de ações do: atividade evento: lista de ações Ações do entry são executadas quando a transição cruza a fronteira do estado (ou super-estado), entrando. Ações do exit são executadas quando a transição cruza a fronteira do estado (ou super-estado), saindo.

56 Ação x Atividade Ação x atividades convencionais: Uma ação ocorre durante a transição (é atômica) Uma atividade convencional ocorre enquanto o objeto permanece no estado (quando ela acabar, ele muda de estado) Ação x atividades de entrada/saída: Caso só haja uma transição de entrada/saída, não há diferença na prática

57 Notação

58 Estados Nome: deve descrever claramente o estado Atividades: De entrada: ocorrem ao entrar no estado De saída: ocorrem ao sair do estado Convencional: ocorre enquanto durante o estado

59 Estados Inicial e Final Os estados ligados ao pseudoestado inicial são aqueles nos quais o sistema pode estar quando for inicializado Se houver mais de um, deve-se especificar condições de entrada em cada estado Os estados ligados a um pseudoestado final são aqueles dos quais não mais se sairá Não é obrigatório ter e pode ter mais de um Um estado ligado a um estado final não pode ter transições para outros estados

60 Transições Indicam a possibilidade de ir de um estado a outro: Evento: evento externo que motivou a transição Condição de guarda: condição necessária para efetuar a transição (além do evento) Ação: ação realizada durante a transição

61 Exemplo: Elevador

62 Outros Exemplos Despertador Semáforo com medição de tráfego Verificador de Paridade

63 Implementação de MEF 1. Seleção por Estado 2. Seleção por Evento 3. Matriz Estado x Evento Identificação de Estados: Situação Memória

64 Premissas O estado atual é guardado em uma variável, normalmente uma enumeração dos estados que compõem a MEF O evento é detectado (p. ex. ISR) e sua ocorrência informada: Variável (como saber quando foi lida?) Mensagem assíncrona

65 Seleção por Estado enum States {B11, B12, B21, B22, B31}; void Th1(Card32 p){ PutMsgStr pm; States state = B11; while(1){ Receive(&pm, sizeof(pm)); } } switch (state){ case B11: if( /* evento X */) { // ações e mudança de estado } break; case B12: if( /* evento Y */) { // ações e mudança de estado } }

66 Seleção por Evento enum States {B11, B12, B21, B22, B31}; void Th1(Card32 p){ PutMsgStr pm; States state = B11; while(1){ Receive(&pm, sizeof(pm)); } } int event = pm.command; // obtém o evento switch(event){ case XX: if(state == B12) { // ações e mudança de estado } break; case YY: if(state == B31) { // ações e mudança de estado } }

67 Seleção por Matriz Estado x Evento Criar uma matriz com ponteiros para funções: State (*mee[n][m])(state) = Preencher a matriz com as funções referentes a cada transição: {{f1,f2,f3}{f1,f5,f4}...}; Thread: a cada evento recebido executa a função correspondente: mee

68 Super-Estado E Cada máquina concorrente é executada numa thread em separado.

69 Algumas Ferramentas Úteis Draw.io (ferramenta de desenho na nuvem) Yakindu Statechart Tools (desenho + simulação)

70 Algumas Referências Úteis Notas de aula do Prof. Vítor E. S. Souza (UFES) uploads/academia-br-modelagemuml.pdf UML Diagrams Vídeos no YouTube: