Sistema embebido

Imagen del interior de un mdem/enrutador ADSL. Un ejem-plo de un sistema embebido. Las partes marcadas incluyen unmicroprocesador (4), RAM (6), y una memoria ash (7).

Un sistema embebido (anglicismo embedded) oempotrado (integrado, incrustado) es un sistema decomputacin diseado para realizar una o algunas pocasfunciones dedicadas,[1][2] frecuentemente en un sistemade computacin en tiempo real. Al contrario de lo queocurre con los ordenadores de propsito general (comopor ejemplo una computadora personal o PC) que estndiseados para cubrir un amplio rango de necesidades,los sistemas embebidos se disean para cubrir necesida-des especcas. En un sistema embebido la mayora delos componentes se encuentran incluidos en la placa base(la tarjeta de vdeo, audio, mdem, etc.) y muchas veceslos dispositivos resultantes no tienen el aspecto de lo quese suele asociar a una computadora. Algunos ejemplos desistemas embebidos podran ser dispositivos como un ta-ximetro, un sistema de control de acceso, la electrnicaque controla una mquina expendedora o el sistema decontrol de una fotocopiadora entre otras mltiples apli-caciones.Por lo general los sistemas embebidos se pueden progra-mar directamente en el lenguaje ensamblador del micro-controlador o microprocesador incorporado sobre el mis-mo, o tambin, utilizando los compiladores especcos,pueden utilizarse lenguajes como C o C++; en algunoscasos, cuando el tiempo de respuesta de la aplicacin noes un factor crtico, tambin pueden usarse lenguajes in-terpretados como JAVA.Puesto que los sistemas embebidos se pueden fabricar pordecenas de millares o por millones de unidades, una delas principales preocupaciones es reducir los costes. Lossistemas embebidos suelen usar un procesador relativa-

mente pequeo y una memoria pequea para ello. Losprimeros equipos embebidos que se desarrollaron fueronelaborados por IBM en los aos 1980.Los programas de sistemas embebidos se enfrentan nor-malmente a tareas de procesamiento en tiempo real.

1 Componentes de un sistema em-bebido

En la parte central se encuentra el microprocesador,microcontrolador, DSP, etc. Es decir, la CPU o unidadque aporta capacidad de cmputo al sistema, pudiendoincluir memoria interna o externa, un micro con arqui-tectura especca segn requisitos.La comunicacin adquiere gran importancia en los sis-temas embebidos. Lo normal es que el sistema pue-da comunicarse mediante interfaces estndar de cable oinalmbricas. As un SI normalmente incorporar puertosde comunicaciones del tipo RS-232, RS-485, SPI, IC,CAN, USB, IP, Wi-Fi, GSM, GPRS, DSRC, etc.El subsistema de presentacin tipo suele ser una pantallagrca, tctil, LCD, alfanumrico, etc.Se denominan actuadores a los posibles elementos elec-trnicos que el sistema se encarga de controlar. Puede serun motor elctrico, un conmutador tipo rel etc. El mshabitual puede ser una salida de seal PWM para controlde la velocidad en motores de corriente continua.El mdulo de E/S analgicas y digitales suele emplearsepara digitalizar seales analgicas procedentes de senso-res, activar diodos LED, reconocer el estado abierto ce-rrado de un conmutador o pulsador, etc.El mdulo de reloj es el encargado de generar las diferen-tes seales de reloj a partir de un nico oscilador princi-pal. El tipo de oscilador es importante por varios aspec-tos: por la frecuencia necesaria, por la estabilidad nece-saria y por el consumo de corriente requerido. El oscila-dor con mejores caractersticas en cuanto a estabilidad ycoste son los basados en resonador de cristal de cuarzo,mientras que los que requieren menor consumo son losRC. Mediante sistemas PLL se obtienen otras frecuen-cias con la misma estabilidad que el oscilador patrn.El mdulo de energa (power) se encarga de generar lasdiferentes tensiones y corrientes necesarias para alimen-tar los diferentes circuitos del SE. Usualmente se trabajacon un rango de posibles tensiones de entrada que me-

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2 2 MICROPROCESADORES Y SISTEMAS EMBEBIDOS

diante conversores ac/dc o dc/dc se obtienen las diferen-tes tensiones necesarias para alimentar los diversos com-ponentes activos del circuito.Adems de los conversores ac/dc y dc/dc, otros mdulostpicos, ltros, circuitos integrados supervisores de ali-mentacin, etc.El consumo de energa puede ser determinante en el desa-rrollo de algunos sistemas embebidos que necesariamentese alimentan con bateras, con lo que el tiempo de uso delSE suele ser la duracin de la carga de las bateras.

2 Microprocesadores y sistemasembebidos

Un microprocesador es una implementacin en forma decircuito integrado (IC) de la Unidad Central de Proce-so CPU de una computadora. Frecuentemente nos refe-rimos a un microprocesador como simplemente CPU,y la parte de un sistema que contiene al microprocesadorse denomina subsistema de CPU. Los microprocesado-res varan en consumo de potencia, complejidad y coste.Los hay de unos pocos miles de transistores y con costeinferior a 2 euros (en produccin masiva) hasta de msde cinco millones de transistores que cuestan ms de 600euros.Los subsistemas de entrada/salida y memoria pueden sercombinados con un subsistema de CPU para formar unacomputadora o sistema embebido completo. Estos sub-sistemas se interconectan mediante los buses de sistema(formados a su vez por el bus de control, el bus de direc-ciones y el bus de datos).El subsistema de entrada acepta datos del exterior paraser procesados mientras que el subsistema de salida trans-ere los resultados hacia el exterior. Lo ms habitual esque haya varios subsistemas de entrada y varios de salida.A estos subsistemas se les reconoce habitualmente comoperifricos de E/S.El subsistema de memoria almacena las instrucciones quecontrolan el funcionamiento del sistema. Estas instruccio-nes comprenden el programa que ejecuta el sistema. Lamemoria tambin almacena varios tipos de datos: datosde entrada que an no han sido procesados, resultados in-termedios del procesado y resultados nales en espera desalida al exterior.Es importante darse cuenta de que los subsistemas estruc-turan a un sistema segn funcionalidades. La subdivisinfsica de un sistema, en trminos de circuitos integradoso placas de circuito impreso (PCB) puede y es normal-mente diferente. Un solo circuito integrado (IC) puedeproporcionar mltiples funciones, tales como memoria yentrada/salida.Un microcontrolador (MCU) es un IC que incluye unaCPU, memoria y circuitos de E/S. Entre los subsistemas

de E/S que incluyen los microcontroladores se encuentranlos temporizadores, los convertidores analgico a digital(ADC) y digital a analgico (DAC) y los canales de co-municaciones serie. Estos subsistemas de E/S se suelenoptimizar para aplicaciones especcas (por ejemplo au-dio, video, procesos industriales, comunicaciones, etc.).Hay que sealar que las lneas reales de distincin entremicroprocesador, microcontrolador y microcomputadoren un solo chip estn difusas, y se denominan en ocasionesde manera indistinta unos y otros.En general, un SE (Sistema Electrnico) consiste en unsistema con microprocesador cuyo hardware y softwareestn especcamente diseados y optimizados para re-solver un problema concreto ecientemente. Normal-mente un SE interacta continuamente con el entorno pa-ra vigilar o controlar algn proceso mediante una serie desensores. Su hardware se disea normalmente a nivel dechips, o de interconexin de PCB, buscando la mnimacircuitera y el menor tamao para una aplicacin par-ticular. Otra alternativa consiste en el diseo a nivel dePCB consistente en el ensamblado de placas con micro-procesadores comerciales que responden normalmente aun estndar como el PC-104 (placas de tamao concre-to que se interconectan entre s apilndolas unas sobreotras, cada una de ellas con una funcionalidad especcadentro del objetivo global que tenga el SE). Esta ltimasolucin acelera el tiempo de diseo pero no optimiza niel tamao del sistema ni el nmero de componentes uti-lizados ni el coste unitario. En general, un sistema embe-bido simple contar con un microprocesador, memoria,unos pocos perifricos de E/S y un programa dedicadoa una aplicacin concreta almacenado permanentementeen la memoria. El trmino embebido o empotrado hacereferencia al hecho de que el microcomputador est en-cerrado o instalado dentro de un sistema mayor y su exis-tencia como microcomputador puede no ser aparente. Unusuario no tcnico de un sistema embebido puede no serconsciente de que est usando un sistema computador.En algunos hogares las personas, que no tienen por quser usuarias de una computadora personal estndar (PC),utilizan del orden de diez o ms sistemas embebidos cadada.Las microcomputadoras en estos sistemas controlan elec-trodomsticos tales como: televisores, videos, lavadoras,alarmas, telfonos inalmbricos, etc. Incluso una PC tie-ne sistemas embebidos en el monitor, impresora, y peri-fricos en general, adicionales a la CPU de la propia PC.Un automvil puede tener hasta un centenar de micro-procesadores y microcontroladores que controlan cosascomo la ignicin, transmisin, direccin asistida, frenosantibloqueo (ABS), control de la traccin, etc.Los sistemas embebidos se caracterizan normalmente porla necesidad de dispositivos de E/S especiales. Cuando seopta por disear el sistema embebidos partiendo de unaplaca con microcomputador tambin es necesario com-prar o disear placas de E/S adicionales para cumplir con

3.1 Arquitectura bsica 3

los requisitos de la aplicacin concreta.Muchos sistemas embebidos son sistemas de tiempo real.Un sistema de tiempo real debe responder, dentro de unintervalo restringido de tiempo, a eventos externos me-diante la ejecucin de la tarea asociada con cada evento.Los sistemas de tiempo real se pueden caracterizar comoblandos o duros. Si un sistema de tiempo real blando nocumple con sus restricciones de tiempo, simplemente sedegrada el rendimiento del sistema, pero si el sistema esde tiempo real duro y no cumple con sus restricciones detiempo, el sistema fallar. Este fallo puede tener posible-mente consecuencias catastrcas.Un sistema embebido complejo puede utilizar un sistemaoperativo como apoyo para la ejecucin de sus progra-mas, sobre todo cuando se requiere la ejecucin simul-tnea de los mismos. Cuando se utiliza un sistema ope-rativo lo ms probable es que se tenga que tratar de unsistema operativo de tiempo real (RTOS), que es un siste-ma operativo diseado y optimizado para manejar fuertesrestricciones de tiempo asociadas con eventos en aplica-ciones de tiempo real. En una aplicacin de tiempo realcompleja la utilizacin de un sistema operativo de tiemporeal multitarea puede simplicar el desarrollo del softwa-re.

3 Arquitecturas de computadoresms empleadas

3.1 Arquitectura bsicaUna PC embebida posee una arquitectura semejante a lade un PC. Brevemente stos son los elementos bsicos:

Microprocesador Es el encargado de realizar las ope-raciones de clculo principales del sistema. Ejecutacdigo para realizar una determinada tarea y diri-ge el funcionamiento de los dems elementos que lerodean, a modo de director de una orquesta.

Memoria En ella se encuentra almacenado el cdigo delos programas que el sistema puede ejecutar as co-mo los datos. Su caracterstica principal es que debetener un acceso de lectura y escritura lo ms rpidoposible para que el microprocesador no pierda tiem-po en tareas que no son meramente de clculo. Alser voltil el sistema requiere de un soporte dondese almacenen los datos incluso sin disponer de ali-mentacin o energa.

Cach Memoria ms rpida que la principal en la quese almacenan los datos y el cdigo accedido ltima-mente. Dado que el sistema realiza microtareas, mu-chas veces repetitivas, la cach hace ahorrar tiempoya que no har falta ir a memoria principal si el datoo la instruccin ya se encuentra en la cach. Dadosu alto precio tiene un tamao muy inferior (8512

KB) con respecto a la principal (8256 MB). En elinterior del chip del microprocesador se encuentrauna pequea cach (L1), pero normalmente se tieneuna mayor en otro chip de la placa madre (L2).

Disco duro En l la informacin no es voltil y ademspuede conseguir capacidades muy elevadas. A dife-rencia de la memoria que es de estado slido stesuele ser magntico. Pero su excesivo tamao a ve-ces lo hace inviable para PC embebidas, con lo quese requieren soluciones como unidades de estado s-lido. Otro problema que presentan los dispositivosmagnticos, a la hora de integrarlos en sistemas em-bebidos, es que llevan partes mecnicas mviles, loque los hace inviables para entornos donde estos es-tarn expuestos a ciertas condiciones de vibracin.Existen en el mercado varias soluciones de esta cla-se (DiskOnChip, CompactFlash, IDE Flash Drive,etc.) con capacidades sucientes para la mayora desistemas embebidos (desde 2 MB hasta ms de 1GB). El controlador del disco duro de PC estndarcumple con el estndar IDE y es un chip ms de laplaca madre.

Disco exible Su funcin es la de almacenamiento, perocon discos con capacidades mucho ms pequeas yla ventaja de su portabilidad. Normalmente se en-contraban en computadora personal estndar perono as en una PC embebida. Llevan varios aos entotal desuso en PC comunes.

BIOS-ROM BIOS (Basic Input & Output System, sis-tema bsico de entrada y salida) es cdigo que es ne-cesario para inicializar la computadora y para poneren comunicacin los distintos elementos de la placamadre. La ROM (Read Only Memory, memoria deslo lectura no voltil) es un chip donde se encuentrael cdigo BIOS.

CMOS-RAM Es un chip de memoria de lectura y es-critura alimentado con una pila donde se almacenael tipo y ubicacin de los dispositivos conectados ala placa madre (disco duro, puertos de entrada y sa-lida, etc.). Adems contiene un reloj en permanentefuncionamiento que ofrece al sistema la fecha y lahora.

Chipset Chip que se encarga de controlar lasinterrupciones dirigidas al microprocesador, elacceso directo a memoria (DMA) y al bus ISA,adems de ofrecer temporizadores, etc. Es frecuen-te encontrar la CMOS-RAM y el reloj de tiemporeal en el interior del Chip Set.

Entradas al sistema pueden existir puertos paramouse, teclado, vdeo en formato digital, comuni-caciones serie o paralelo, etc.

Salidas del sistema puertos de vdeo para monitor o te-levisin, pantallas de cristal lquido, altavoces, co-municaciones serie o paralelo, etc.

4 4 APLICACIONES DE UN SISTEMA EMBEBIDO

Ranuras de expansin para tarjetas de tareas especcasque pueden no venir incorporadas en la placa madre,como pueden ser ms puertos de comunicaciones,acceso a red de computadoras va LAN (Local AreaNetwork, red de rea local) o va red telefnica:bsica, RDSI (Red Digital de Servicios Integrados),ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Loop, LazoDigital Asncrono del Abonado), Cablemdem, etc.Un PC estndar suele tener muchas ms ranuras deexpansin que una PC embebida. Las ranuras deexpansin estn asociadas a distintos tipos de bus:VESA, ISA, PCI, NLX (ISA + PCI), etc.

Hoy en da existen en el mercado fabricantes que inte-gran un microprocesador y los elementos controladoresde los dispositivos fundamentales de entrada y salida enun mismo chip, pensando en las necesidades de los siste-mas embebidos (bajo coste, pequeo tamao, entradas ysalidas especcas, etc.). Su capacidad de proceso sueleser inferior a los procesadores de propsito general pe-ro cumplen con su cometido ya que los sistemas donde seubican no requieren tanta potencia. Los principales fabri-cantes son STMicroelectronics (familia de chips STPC),AMD (familia Geode), Motorola (familia ColdFire) e In-tel.En cuanto a los sistemas operativos necesarios para queun sistema basado en microprocesador pueda funcionary ejecutar programas suelen ser especcos para los siste-mas embebidos. As nos encontramos con sistemas ope-rativos de bajos requisitos de memoria, posibilidad deejecucin de aplicaciones de tiempo real, modulares (in-clusin slo de los elementos necesarios del sistema ope-rativo para el sistema embebido concreto), etc. Los msconocidos en la actualidad son Windows CE, QNX yVxWorks de WindRiver.

4 Aplicaciones de un sistema embe-bido

Los lugares donde se pueden encontrar los sistemas em-bebidos son numerosos y de varias naturalezas. A conti-nuacin se exponen varios ejemplos para ilustrar las po-sibilidades de los mismos:

En una fbrica, para controlar un proceso de mon-taje o produccin. Una mquina que se encargue deuna determinada tarea hoy en da contiene numero-sos circuitos electrnicos y elctricos para el controlde motores, hornos, etc. que deben ser gobernadospor un procesador, el cual ofrece un interfaz persona mquina para ser dirigido por un operario e infor-marle al mismo de la marcha del proceso.

Puntos de servicio o venta (POS, Point Of Service).Las cajas donde se paga la compra en un supermer-cado son cada vez ms completas, integrando tecla-

dos numricos, lectores de cdigos de barras me-diante lser, lectores de tarjetas bancarias de bandamagntica o chip, pantalla alfanumrica de cristallquido, etc. El sistema embebido en este caso re-quiere numerosos conectores de entrada y salida yunas caractersticas robustas para la operacin con-tinuada.

Puntos de informacin al ciudadano. En ocinas deturismo, grandes almacenes, bibliotecas, etc. existenequipos con una pantalla tctil donde se puede pul-sar sobre la misma y elegir la consulta a realizar, ob-teniendo una respuesta personalizada en un entornogrco amigable.

Decodicadores y set-top boxes para la recepcin detelevisin. Cada vez existe unmayor nmero de ope-radores de televisin que aprovechando las tecnolo-gas va satlite y de red de cable ofrecen un serviciode televisin de pago diferenciado del convencional.En primer lugar envan la seal en formato digitalMPEG2 con lo que es necesario un procesado paradecodicarla y mandarla al televisor. Adems viajacifrada para evitar que la reciban en claro usuariossin contrato, lo que requiere descifrarla en casa delabonado. Tambin ofrecen un servicio de televisininteractiva o web-TV que necesita de un softwareespecco para mostrar pginas web y con ello unsistema basado en procesador con salida de seal detelevisin.

Sistemas radar de aviones. El procesado de la sealrecibida o reejada del sistema radar embarcado enun avin requiere alta potencia de clculo ademsde ocupar poco espacio, pesar poco y soportar con-diciones extremas de funcionamiento (temperatura,presin atmosfrica, vibraciones, etc.).

Equipos de medicina en hospitales y ambulanciasUVI mvil.

Mquinas de revelado automtico de fotos. Cajeros automticos. Pasarelas (Gateways) Internet-LAN. Y un sin n de posibilidades an por descubrir o enestado embrionario como son las neveras inteligen-tes que controlen su suministro va Internet, PC debolsillo, etc.

4.1 Ventajas de un sistema embebido so-bre las soluciones industriales tradi-cionales

Los equipos industriales de medida y control tradiciona-les estn basados en un microprocesador con un sistemaoperativo privativo o especco para la aplicacin corres-pondiente. Dicha aplicacin se programa en ensamblador

5para el microprocesador dado o en lenguaje C, realizandollamadas a las funciones bsicas de ese sistema operati-vo que en ciertos casos ni siquiera llega a existir. Con losmodernos sistemas PC embebida basados en micropro-cesadores i486 o i586 se llega a integrar el mundo del PCcompatible con las aplicaciones industriales. Ello implicanumerosas ventajas:

Posibilidad de utilizacin de sistemas operativos po-tentes que ya realizan numerosas tareas: comunica-ciones por redes de datos, soporte grco, concu-rrencia con lanzamiento de threads, etc. Estos siste-mas operativos pueden ser los mismos que para PCcompatibles (Linux, Windows, MS-DOS) con fuer-tes exigencias en hardware o bien ser una versin re-ducida de los mismos con caractersticas orientadasa los PC embebidos.

Al utilizar dichos sistemas operativos se pueden en-contrar fcilmente herramientas de desarrollo soft-ware potentes as como numerosos programadoresque las dominan, dada la extensin mundial de lasaplicaciones para PC compatibles.

Reduccin en el precio de los componentes hardwa-re y software debido a la gran cantidad de PC en elmundo.

5 Vase tambin Linux embebido Microcontrolador

6 Referencias[1] Michael Barr. Embedded Systems Glossary. Netrino

Technical Library. Consultado el 21 de abril de 2007.

[2] Heath, Steve (2003). Embedded systems design. EDN se-ries for design engineers (en ingls) (2 edicin). Newnes.p. 2. Un sistema embebido es un sistema basado en unmicroprocesador o un microcontrolador que est desarro-llado para controlar una funcin o un rango de funciones.

7 Enlaces externos

Wikimedia Commons alberga contenido multi-media sobre Sistema embebido. Commons

El software y los sistemas embebidos Universidad dela Plata.

Sistemas embebidos y programacin en tiempo realIng. Niklaus Wirth, Universidad Nacional de Rosa-rio.

Desarrollo de un colector de datos porttilUniversidad Nacional del Centro de la Provincia deBuenos Aires, Tandil.

Desarrollo de Drivers y Aplicaciones con FreeR-TOS Ing. Marcelo Lorenzati, Universidad Nacionalde Mar del Plata.

6 8 TEXT AND IMAGE SOURCES, CONTRIBUTORS, AND LICENSES

8 Text and image sources, contributors, and licenses8.1 Text

Sistema embebido Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema%20embebido?oldid=81730159 Colaboradores: Sebelk, Moriel, Sanbec,Aloriel, Dodo, Sms, Elwikipedista, Murphy era un optimista, Edmont, Digigalos, Taragui, Boticario, JMPerez, Rembiapo pohyiete (bot),Psiko, OMenda, Orgullobot~eswiki, RobotQuistnix, Superzerocool, Chobot, Baito, Maleiva, YurikBot, Museo8bits, Boriel, GermanX,Gaijin, KnightRider, Baneld, Er Komandante, Paintman, BOTpolicia, Qwertyytrewqqwerty, CEM-bot, Damifb, Mister, Juanfran GG,Thijs!bot, Srengel, Ginesdt, uo Martnez, KaL, Botones, Mansoncc, Satin, Xavigivax, ColdWind, Netito777, Idioma-bot, AlnoktaBOT,Cinevoro, VolkovBot, Matdrodes, Elabra sanchez, Shooke, Edmenb, YonaBot, Loveless, Obelix83, Bigsus-bot, BOTarate, DorganBot, Ja-vierito92, Farisori, Estirabot, Eduardosalg, Wedrey, Leonpolanco, Lloizaga, LordT, UA31, AVBOT, LucienBOT, Diegusjaimes, Arjuno3,Luckas-bot, ArthurBot, Xqbot, Jkbw, TiriBOT, AnselmiJuan, Edgardo C, TorQue Astur, PatruBOT, ArwinJ, Humbefa, Branfon1997,EleferenBot, EmausBot, JackieBot, Jcaraballo, Arte8bits, JYBot, Legobot, Addbot, Mettallzoar, BenjaBot y Annimos: 64

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