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Circuitos Digitais
Sistemas Embarcados
Prof. André Renato
1º Semestre / 2013
O que é um Sistema Embarcado?
Um sistema embarcado (ou sistema embutido) é um sistema microprocessado, no qual o computador é completamente encapsulado ou dedicado ao dispositivo ou sistema que ele controla.
Diferentemente de computadores de propósito geral, como o computador pessoal, um sistema embarcado realiza um conjunto de tarefas predefinidas, geralmente com requisitos específicos. 
Já que o sistema é dedicado a tarefas específicas, através de engenharia pode-se otimizar o projeto reduzindo tamanho, recursos computacionais e custo do produto.
Histórico
Nos primeiros anos dos computadores digitais na década de 1940, os computadores eram por vezes dedicados a uma única tarefa. Eram, entretanto, muito grandes para serem considerados embarcados. O conceito de controlador programável foi desenvolvido algum tempo depois.
O primeiro sistema embarcado reconhecido foi o Apollo Guidance Computer, desenvolvido por Charles Stark Draper no MIT. O computador de guia, que operava em tempo real, era considerado o item mais arriscado do projeto Apollo. O uso de circuitos integrados monolíticos para reduzir o tamanho e peso do equipamento aumentou tal risco.
Histórico
O primeiro sistema embarcado de produção em massa foi o computador guia do míssil nuclear LGM-30 Míssil Minuteman, lançado em 1961. Quando a segunda versão do míssil entrou em produção em 1966, o computador guia foi substituído por um novo, que constituiu o primeiro uso em grande volume de circuitos integrados.
Em meados da década de 1980, vários componentes externos foram integrados no mesmo chip do processador, o que resultou em circuitos integrados chamados microcontroladores e na difusão dos sistemas embarcados.
Tornou-se viável substituir componentes analógicos caros como potenciômetros e capacitores por eletrônica digital controlada por pequenos microcontroladores. No final da década de 1980, os sistemas embarcados já eram a norma ao invés da exceção em dispositivos eletrônicos.
Panorama Atual
Poderíamos dizer que praticamente quase todos os equipamentos a eletricidade já possuem (ou possuirão em breve) algum sistema de computação embutido no mesmo. 
Enquanto que cerca de 40% das residências americanas possuíam um computador em 1994, cada residência possui em média 30 computadores embarcados. Atualmente, este valor está na casa das centenas.
Panorama Atual
Bilhões de microprocessadores embarcados foram vendidos nos últimos anos, enquanto que e venda de microprocessadores para computadores pessoais é da ordem de milhões.
O mercado de sistemas embarcados apresenta-se como um nicho extremamente atrativo, porém bastante crítico com relação a alguns aspectos de projeto tais como: custo e tempo de desenvolvimento, bem como o desempenho do produto final.
Panorama Atual
Onde os sistemas embarcados estão que eu não vejo?
Aviônicos, como sistemas de controle inercial, controle de voo e outros sistemas integrados nas aeronaves, como sistemas de orientação de mísseis
Telefones celulares e centrais telefônicas
Equipamentos de redes de computadores, como roteadores, hubs, switches
Impressoras
Dispositivos de armazenamento (discos rígidos e disquetes)
Controladores da tração, do motor e do antibloqueio em automóveis: freios ABS e controle de tração
Cont.
Calculadoras
Eletrodomésticos, como fornos micro-ondas, máquinas de lavar, aparelhos de TV, DVD players
Equipamentos médicos
Videogames
Tratores e implementos agrícolas
Urna eletrônica
Semáforos
Características
1. Funcionalidade única: usualmente um sistema embarcado executa somente um programa repetidamente. Por exemplo, um pager é sempre um pager, enquanto que um computador pessoal pode executar uma variedade de programas;
Características
2. Restrições de projeto mais rígidas: todos os sistemas de computação possuem em geral alguma restrição de projeto a ser satisfeita, como por exemplo custo, tamanho, desempenho, potência dissipada etc. 
Nos sistemas embarcados, no entanto, estas restrições são normalmente mais rígidas, por exemplo o custo de um sistema não pode ser muito alto para não onerar o custo do equipamento, o tempo de resposta deve permitir em várias aplicações processamento em tempo real e devem dissipar pouca potência para permitir uma maior duração da bateria ou não necessitar de um sistema de refrigeração;
Características
3. Sistemas reativos de tempo real: muitos sistemas embarcados devem reagir a mudanças no ambiente e devem fornecer resultados em tempo real. 
Por exemplo um piloto automático (cruise controller) continuamente monitora e reage a velocidade e aos sensores de freio. Ele deve computar a aceleração e desaceleração repetidamente num intervalo de tempo. Caso haja um retardo, o controle do veículo pode ser perdido.
Um pouco de hardware
Microcontroladores
Um microcontrolador (também denominado MCU) é um “computador-num-chip”, contendo um processador, memória e periféricos de entrada/saída. 
É um microprocessador que pode ser programado para funções específicas, em contraste com outros microprocessadores de propósito geral (como os utilizados nos PCs). 
Eles são embarcados no interior de algum outro dispositivo (geralmente um produto comercializado) para que possam controlar as funções ou ações do produto. 
Um pouco de hardware
Microcontroladores
Os microcontroladores se diferenciam dos processadores, pois além dos componentes lógicos e aritméticos usuais de um microprocessador de uso geral, o microcontrolador integra elementos adicionais em sua estrutura interna:
como memória de leitura e escrita para armazenamento de dados;
memória somente de leitura para armazenamento de programas;
EEPROM para armazenamento permanente de dados,
dispositivos periféricos como conversores analógico/digitais (ADC), conversores digitais/analógicos (DAC) em alguns casos; 
interfaces de entrada e saída de dados.
Um pouco de hardware
Microcontroladores
Com frequências de clock de poucos MHz (Megahertz) ou talvez menos, os microcontroladores operam a uma frequência muito baixa se comparados com os microprocessadores atuais, no entanto são adequados para a maioria das aplicações usuais como por exemplo controlar uma máquina de lavar roupas ou uma esteira de chão de fábrica.
O seu consumo em geral é relativamente pequeno, normalmente na casa dos miliwatts e possuem geralmente habilidade para entrar em modo de espera (Sleep ou Wait) aguardando por uma interrupção ou evento externo, como por exemplo o acionamento de uma tecla, ou um sinal que chega via uma interface de dados.
O consumo destes microcontroladores em modo de espera pode chegar na casa dos nanowatts, tornando-os ideais para aplicações onde a exigência de baixo consumo de energia é um fator decisivo para o sucesso do projeto.
Um pouco de hardware
FPGA (Field Programmable Gate Array)
Internamente os FPGAs são compostos de blocos básicos, que por sua vez são compostos de uma lógica combinacional que pode ser programada para implementar qualquer função booleana de 4 ou 5 variáveis, conforme o modelo usado. 
Cada bloco básico dispõe também de elementos de memória (flip-flops) que podem armazenar os resultados obtidos pela função booleana. 
A conexão entre blocos básicos também é configurável, formando complexas estruturas combinacionais com armazenamento de estado nos blocos configurados como memória. 
Em resumo, é possível configurar o FPGA para executar qualquer tipo de algoritmo.
FPGA
Redes de sensores sem-fio (RSSF)
Tipicamente as RSSFs são compostas por dispositivos autônomos e compactos que são constituídos por subsistemas de sensoriamento, processamento e comunicação. 
Esses dispositivos são chamados nós sensores. Dentre os nós sensores podem existir alguns nós especiais chamados sorvedouros. Esses nós geralmente possuem energia ilimitada ou renovável e têm capacidade de agregar informações recebidas por um conjunto de nós sensores presentesna rede. 
Os nós sorvedouros podem ser estáticos, fixos em um ponto geográfico recebendo as informações dos demais sensores da rede, ou móveis, fazendo um trajeto pela região de interesse coletando as informações monitoradas pelos demais sensores presentes na rede.
RSSF
Os nós sensores são geralmente constituídos por: placa de sensoriamento, processador, rádio e bateria.
Estes dispositivos permitem ao sensor monitorar uma área dentro de um determinado raio de cobertura e manter comunicação com a rede dentro de um raio de visibilidade. 
Durante o funcionamento da rede, os sensores coletam informações do ambiente e as enviam para o nó sorvedouro. 
Uma das formas possíveis de disseminar os dados coletados pela rede é utilizando a comunicação multi-hop (múltiplos saltos).
RSSF
Os nós sensores normalmente possuem algumas restrições a eles inerentes, tais como: a limitação de energia, baixo desempenho no processamento e pequeno raio de comunicação.
Estas características, supostamente indesejáveis, são impostas para garantir a necessidade de um baixo custo unitário e para que estes sejam bastante compactos. Para redes instaladas em regiões de difícil acesso, não é possível ou viável trocar ou recarregar a bateria de um sensor. 
Esta situação impõe uma forte restrição para a construção da rede, pois o tempo de vida de uma certa configuração não pode ser estendido, ficando determinado pela duração da bateria do primeiro nó sensor que ficar fora de serviço.
RSSF
RSSF
RSSF
RSSF
Funções de uma RSSF
Estabelecimento: 
Esse grupo de funções dá suporte ao processo de como os sensores são dispostos no ambiente e se organizam inicialmente. 
Em determinadas aplicações é possível fazer um estudo da localização dos sensores, ou seja, previamente fazer uma análise da melhor disposição dos nós presentes na rede. Em contrapartida existem aplicações, como monitorar áreas inóspitas ou de grande risco, nas quais não é possível inserir os sensores de maneira previamente estudada.
Nesses casos é possível lançar os sensores através de um veículo aéreo na região a ser monitorada. Como uma RSSF é um sistema auto-organizado, a própria rede pode buscar meios para que seja descoberta a localização de cada sensor. 
Devido a esta característica de auto-organização, os sensores podem se comunicar entre si, podendo formar grupos (clusters) ou até mesmo se adaptarem para acomodar a ocorrência de falhas.
Funções de uma RSSF
Manutenção: 
Essas funções são responsáveis por fazer com que a RSSF fique em funcionamento pelo maior tempo possível. Com o passar do tempo, alguns sensores podem perder sua capacidade de sensoriamento e/ou comunicação, sendo necessário algum procedimento para que os requisitos da aplicação continuem sendo atendidos.
Como na maioria das vezes os nós sensores são estacionários, na ocorrência de falhas se faz necessária normalmente uma mudança de topologia. 
Funções de uma RSSF
Sensoriamento: 
Cada nó sensor é composto por uma unidade de sensoriamento. Através das funções deste grupo, os sensores têm habilidade para perceber o ambiente ao seu redor e coletar informações deste ambiente. 
Conforme o tipo de nó sensor utilizado e o tipo de aplicação, a tarefa de sensoriamento pode prover algumas informações como: tipo do dado coletado (temperatura, pressão, imagem, etc.), frequência da amostragem, distância do alvo monitorado. Nesta tarefa pode ser possível identificar regiões que mais de um nó sensor esteja monitorando. 
Este fator pode ser importante para a manutenção da rede, pois havendo sobreposição de áreas monitoradas os sensores podem mudar seus estados, assim economizando energia.
Funções de uma RSSF
Comunicação: 
Cada nó sensor presente na rede tem uma certa capacidade para comunicação. Normalmente a potência despendida na comunicação não deve ser muito grande para que a bateria do nó sensor dure por mais tempo. 
Devido a este motivo e às características físicas do próprio sensor, a distância de comunicação é normalmente reduzida. 
Os dados coletados utilizando as funções de sensoriamento precisam ser enviados à estação rádio-base; no entanto, devido à limitação da comunicação, nem sempre isto pode ser feito de forma direta. Assim, a RSSF faz uso de envio de dados por “multi-saltos” (multi-hop). 
Características de uma RSSF
Composição
Homogênea/heterogênea
Organização
Hierárquica/plana
Mobilidade
Fixa/móvel
Densidade
Balanceada/densa/esparsa
Distribuição
Irregular/regular
Características de uma RSSF
Coleta de dados
Periódica/contínua/reativa/tempo real
Transmissão
Simplex/Half-duplex/full-duplex
Fluxo de informação
Flooding/unicasting/multicasting/gossiping/ bargaing
Tipos de problemas envolvendo RSSF
Distribuição e organização:
Os nós sensores utilizados para monitorar áreas inóspitas frequentemente são arremessados por um veículo aéreo, o que faz com que a sua distribuição fique não uniforme. 
Por outro lado, exemplos de redes com distribuição regular podem ser encontrados em sistemas de monitoramento biológico e sistemas industriais, onde os sensores podem ser colocados manualmente em pontos estratégicos para coleta de dados.
Tipos de problemas envolvendo RSSF
Localização:
Para determinadas aplicações não faz sentido detectar apenas a presença de um evento sem saber o local onde ele ocorreu. 
Outro aspecto importante é a necessidade de se saber a localização dos sensores para programar a forma de fazer o roteamento dos dados coletados.
Tipos de problemas envolvendo RSSF
Agregação e fusão de dados:
A fusão de dados é uma técnica utilizada para combinar os dados coletados por múltiplas fontes, de forma que a informação resultante possa ser mais precisa do que quando coletada por uma única fonte. 
Outro objetivo da fusão de dados é o de agregar os dados de forma a diminuir a sobrecarga da comunicação individual entre os nós sensores presentes na rede e o sorvedouro.
Tipos de problemas envolvendo RSSF
Escalonamento:
Normalmente uma RSSF possui uma alta densidade de nós, o que possibilita dividir a tarefa de sensoriamento e roteamento entre os sensores presentes na rede. Sabe-se que um dos fatores críticos de uma RSSF é a energia, pois na maioria dos casos não é possível repor a bateria dos n´os sensores. 
Uma das formas de economizar energia de uma rede é fazer um escalonamento entre os sensores. Mantendo os requisitos desejados, é possível fazer o revezamento das tarefas, equilibrando o consumo de energia da rede. 
Este escalonamento possibilita deixar alguns nós em modo sleep enquanto outros permanecem ativos executando as tarefas necessárias.
A parte de RSSF foi retirada da tese de doutorado de Flávio Vinícius Cruzeiro Martins, entitulada “UMA ABORDAGEM DINÂMICA PARA O PROBLEMA DE COBERTURA E CONECTIVIDADE EM REDES DE SENSORES SEM FIO PLANAS”, UFMG 2012.