[ENG- SPA] Sistema Empotrado o Embebido con Estilo. Primera Parte: Concepto y Contexto. // Embedded System with Style. Part One: Concept and Context.
Source/Fuente Klipartz
Hello Hive friends, today I start a series of posts about the Embedded System.
Hola Amigos de Hive, hoy inicio una serie de post referentes al Sistema Empotrado o Embebido (Embedded System).
I regularly review and update my academic notes, both theoretical and practical, and I decided to make a series of posts where I will formally unveil what is related to Embedded Systems.
Con regularidad, reviso y actualizo mis anotaciones académicas, tanto teóricas como prácticas, y decidí hacer una serie de post donde iré develando formalmente lo relacionado a los Sistemas Empotrados o Embebidos (Embedbed System) o sencillamente Sistemas Empotrados (SE).
In this first installment, I will introduce you to the concept of Embedded Systems and their context.
En esta primera entrega les presentaré el concepto de Sistemas Empotrados y su contexto.
PART ONE:
CONCEPT AND CONTEXT OF EMBEDDED SYSTEMS.
PRIMERA PARTE:
CONCEPTO Y CONTEXTO DE LOS SISTEMAS EMPOTRADOS
PRELIMINARY
PRELIMINARES
In today's world we are immersed in the use of devices to which intelligence is attributed. An example is the Smartphone, which offers us the functions of a cellular cell phone, in addition to providing the facilities of a computer system with network interconnection capacity.
En el mundo de hoy estamos inmersos en la utilización de dispositivos a los cuales se les atribuye inteligencia. Un ejemplo es el Teléfono Inteligente o Smartphone que nos ofrece las funciones de un teléfono móvil celular, además de otorgar las facilidades de un sistema computacional con capacidad de interconexión de redes.
Other examples, you can take from my previous posts, such as the Robots, the haptic-technology and, spacecraft-energy-systems.
Otros ejemplos, los pueden tomar de mis post anteriores, como los Robots, la tecnología háptica y los sistemas de energía para naves espaciales.
SEs bring added value to the products that contain them and immerse us in Cyber-Physical Systems (CPS), whose information is globally available for Machine Learning and Deep Learning applications and interconnected in the Internet of Things (IoT). They are increasingly responsible for improvements in terms of innovation and competitiveness.
Los SE aportan valor agregado a los productos que los contienen y nos sumergen en los Sistemas Ciberfísicos (CPS: Cyber-Physical Systems), cuya información está disponible globalmente para aplicaciones de Aprendizaje Automático y Profundo (Machine Learning, Deep Learning) e interconectados en el Internet de las Cosas (IoT: Internet of Things). Cada vez más, son responsables de las mejoras en términos de innovación y competitividad.
For SE design and development there is a need to know and apply methodologies, methods, and procedures where three skills are required, hardware design, software design, and hardware and software integration.
Para el diseño y desarrollo de SE existe la necesidad de conocer y aplicar metodologías, métodos y procedimientos donde se requieren tres habilidades, el diseño de hardware, diseño de software e integración del hardware y software.
EMBEDDED SYSTEM
SISTEMA EMPOTRADO
In the literature, some definitions are more formal than others. What is certain is that the moment they are presented must be taken into consideration. Therefore, whenever I am going to define an Embedded System I must place myself in the current context, without being overwhelmed with all the technology and/or applications that are happening, issues that I will gladly address in other posts.
En la literatura se encuentran definiciones unas más que otras cargadas de formalidad. Lo que si es cierto, es que se debe tomar en consideración el momento que son presentadas. Por tanto, cada vez que voy a definir un Sistema Empotrado debo ubicarme en el contexto actual, sin abrumarme con toda la tecnología y/o aplicaciones que están sucediendo, asuntos que abordaré con gusto en otros post.
Without further ado, here is a definition of Embedded System:
Sin más preámbulo les presento una definición de Sistema Empotrado:
Combination of hardware and/or hardware and software (kernels, operating systems, application software), with local and global communication facilities, some with sensors and/or actuators, intended to perform dedicated functions, mostly with real-time and energy autonomy features.
Combinación de hardware y/o de hardware y software (núcleos, sistemas operativos, software de aplicación), con facilidades de comunicación local y global, algunos con sensores y/o actuadores, destinados a desempeñar funciones dedicadas, en su mayoría con características de tiempo real y autonomía energética.
It would be worth mentioning that SEs, in most cases, are hosted in a larger product and are usually not visible to the user, they may be in remote and outdoor locations. In addition, the existence of embedded software turns them into computer processing systems. Remember the examples given at the beginning.
Valdría la pena mencionar que los SE, en la mayoría de los casos, se alojan en un producto más grande y normalmente no son visibles para el usuario, pueden estar en sitios alejados y a la intemperie. Además, la existencia del software empotrado los convierte en sistemas de procesamiento computacional. Recuerden los ejemplos señalados al inicio.
Embedded System Structure.
Estructura de un Sistema Empotrado.
ES STRUCTURE
ESTRUCTURA DE UN SE
At present, the structure of an ES is not different from that of a computer, of course without forgetting that the former addresses specific tasks and the computer is general. The figure accompanying this section shows the Hardware and Embedded Software Units, respectively.
En la actualidad, la estructura de un SE no es diferentea a la del computador, por supuesto sin olvidar que el primero aborda tareas específicas y el computador es general. En la figura que acompaña a esta sección se señalan las Unidades de Hardware y Software Empotrado, respectivamente.
Hardware
Hardware
The hardware of the ES is constituted by the physical and tangible elements, such as the set of components or circuits, both digital and analog, that have a performance as a whole. Let's start with the Internal Operation Modules, in light blue background and then we will move on to the External Modules due to the Application.
El Hardware de los SE lo constituyen los elementos físicos y tangibles, como al conjunto de componentes o circuitos tanto digitales como analógicos que tienen un desempeño en su conjunto. Empecemos con los Módulos Internos de Operación, en fondo azul celeste y luego pasaremos a los Módulos Externos debido a la Aplicación.
Internal Operating Modules
Módulos Internos de Operación
The internal modules are the ones marked in a blue background, these are not accessible to the user. I know you have your smartphone next to you, look at it, what is visible is the device (the product).
Los módulos internos son los que están señalados en fondo azul, estos no son accesibles para el usuario. Se que tienes tu teléfono inteligente al lado, míralo, lo visible es el dispositivo (el producto).
Source/Fuente pxhere
Processors
Procesadores
SE main unit. Here there is a wide range such as Microcontrollers, System on Chip (SoC), Field Programmable Gate Arrays (FPGA), Digital Signal Processors (DSP), Graphics Processing Units (GPU), Multiprocessor System on a Chip (MPSoC). Some, such as the Microcontroller, require embedded software to perform their functions, and others, such as the FPGA, require only Hardware.
Unidad principal del SE. Aquí hay una gama amplia como Microcontroladores, Sistema en Chip (SoC: System on a Chip), Arreglos de Compuertas Programables en Campo (FPGA: Field Programmable Gate Array), Procesadores Digitales de Señales (DSP: Digital Signal Processors), las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU: Graphics Processing Units), Sistema Multiprocesador en un Chip (MPSoC: Multiprocessor System-on-Chip). Unos, como el Microcontrolador que necesitan el Software Empotrado para poder realizar sus funciones,y otros como el FPGA con solo Hardware.
Source/Fuente Klipspartz
Several processing elements can be part of a product, depending on its requirements. Either coexisting with the other components as part of the structure or integrated in a chip. In these cases we talk about Heterogeneous SE. MPSoCs are an example of this integration.
Varios elementos de procesamiento pueden formar parte de un producto, pues dependerá de los requerimientos de éste. Ya sea coexistiendo con los otros componentes como parte de la Estructura o, integrados en un Chip. En estos casos se habla SE Heterogéneos. Los MPSoC son ejemplo de esa integración.
Source/Fuente Klipspartz
Power Supply Module
Módulo de Alimentación
The power supply module provides the electrical quantities necessary for its operation. Currently, Processors have the ability to be powered at different voltage levels and consume different levels of currents, which go hand in hand with the operating time of the device and even more so when they are powered by batteries, as is the case today. Yes, your smartphone is an example.
El módulo de alimentación proporciona las magnitudes eléctricas necesarias para su funcionamiento. Actualmente, los Procesadores tienen la capacidad de poder alimentarse a diferentes niveles de voltaje y consumir diferentes niveles de corrientes, que van de la mano con el tiempo de operatividad del dispositivo y más aún cuando son alimentados por baterías, como sucede en la actualidad. Si, tu teléfono inteligente es un ejemplo.
Frequency of Operation Module
Módulo de Frecuencia de Operación
The Operating Frequency module delivers clock signals with periods that may be different and the operations being executed in the Processor are synchronized. Also, the frequency is called clock speed. Currently, most Processors have Hardware and Software mechanisms to adjust these speeds and thus control the processing times of each task or process within the Processors. The magnitude used is the frequency, the Hertz (Hz), its unit.
El módulo de Frecuencia de Operación entrega señales de reloj con periodos que pueden ser diferentes y las operaciones que están ejecutando en el Procesador sea sincronizada. También, a la frecuencia se le llama velocidad de reloj. Actualmente, la mayoría de los Procesadores tienen mecanismos por Hardware y Software para ajustar estas velocidades y así controlar los tiempos de procesamiento de cada tarea o proceso dentro de los Procesadores. La magnitud utilizada es la frecuencia y el Hertz (Hz) es su unidad.
Source/Fuente PxHere
Source/Fuente Klipspartz
Communication Module
Módulo de Comunicación
This module is responsible for providing the ES with communication facilities, either guided or unguided, i.e. based on a serial connection, via a USB port or wireless such as WiFi. It can turn the device into a CPS or IoT actor node.
Este módulo se encarga otorgarle al SE facilidades de comunicación sea guiadas o no guiadas, es decir basadas en una conexión serial, mediante un puerto USB o inalámbricas como WiFi. Pudiendo convertir el dispositivo en un nodo actor de CPS o IoT.
Memory Module
Módulo de Memoria
In most cases, it is necessary to have local storage of data generated by the device. Even more so, when it is determined that there may be data loss due to different causes due to the application. For example, a sensor that takes soil moisture and ambient temperature in a crop records these values locally and also sends them over the communication link to other devices and the Cloud. If some data is absent, it could be retrieved from local storage.
En la mayoría de los casos, se necesita tener un almacenamiento local de datos generados por el dispositivo. Más aun, cuando se determina que pueden haber pérdidas de datos por diferentes causas debido a la aplicación. Por ejemplo, un sensor que toma la humedad del suelo y la temperatura ambiente en un cultivo, registra localmente estos valores y también los envía por el enlace de comunicación a otros dispositivos y la Nube. Si se ausentan algunos datos, podrían recuperarse del almacenamiento local.
Source/Fuente Klipspartz
Source/Fuente Klipspartz
Digital and Analog Subsystem Modules
Módulos de Subsistema Digital y Analógico
These modules are the ones that give rise to part of External Modules due to the Application. Depending on the requirements of the application we will have more or less presence of them.
Estos módulos son los que dan origen a parte de Módulos Externos debido a la Aplicación. Dependiendo de los requerimientos de la aplicación, tendremos más o menos presencia de ellos.
Back to the smartphone, the input interface par excellence is the touch screen, it not only presents me visually the final product of some application, a photograph or video, to name a few digital ones. It also allows me to type, draw, enter and exit applications, etc.
Volvemos al teléfono inteligente, la interfaz de entrada por excelencia es la pantalla táctil, no sólo me presenta visualmente el producto final de alguna aplicación, una fotografía o video, por nombrar algunas digitales. También permite escribir, dibujar, entrar y salir de las aplicaciones, etc.
If we refer to a sensor, such as the one in the previous example, it requires analog inputs to capture the magnitudes properly. Also, we could have another device whose function is to open and close valves to irrigate with water our crop, when required. This device is an actuator.
Si nos referimos a un sensor, como el del ejemplo anterior, este requiere de entradas analógicas para capturar las magnitudes de forma adecuada. También, se podría tener otro dispositivo cuya función es abrir y cerrar válvulas para regar con agua nuestro cultivo, cuando sea requerido. Siendo este dispositivo un actuador.
The problems that arise in the implementation of these systems practically involve areas of knowledge in Computing, Communications, Control, Electronics, and Mechanics. And that, if we were to consider the generalized use in the different areas, these lines would not be enough for us.
Los problemas que surgen en la implementación de estos sistemas involucran prácticamente áreas de conocimiento en Computación, Comunicaciones, Control, Electrónica y Mecánica. Y eso, que si consideráramos el uso generalizado en las diferentes áreas, no nos alcanzarían estas líneas.
It is also unquestionable that this SE development must be better prepared and oriented to contribute to the reduction of the socio-environmental crisis, giving priority attention to the invitation from Sustainable Development (SD) to promote the commitment to sustainability through products and innovations inspired by this increasingly relevant and urgent issue.
También es incuestionable, que este desarrollo de SE debe estar mejor preparado y orientado a contribuir en la disminución de la crisis socioambiental, dando atención prioritaria, a la invitación que desde el Desarrollo Sustentable (DS) se hace para fomentar el compromiso con la sostenibilidad, mediante productos e innovaciones inspirados en ésta temática, cada vez más pertinente y urgente.
They add value to the products containing them and are increasingly responsible for improvements in terms of innovation and competitiveness.
Aportan valor agregado a los productos que los contienen y, cada vez más, son los responsables de las mejoras introducidas en términos de innovación y competitividad.
Source/Fuente PxHere
Embedded Software
El Software Empotrado
The software that runs on the SE Processors and are designed for a particular purpose, which externally give operation to the device or final product. This allows the technological world of computing to be integrated to meet, more and more, user requirements.
El software que se ejecuta en los Procesadores del SE y están diseñados para un propósito particular, que externamente dan funcionamiento al dispositivo o producto final. Este permite que el mundo tecnológico de la computación pueda ser integrado para cumplir, cada vez más, exigencias de los usuarios.
For now, I highlight two aspects. One, directed towards low computational processing applications, called Conventional Embedded Software. And the other, where the SE must behave and provide real-time operation facilities, energy adjustment management, high signal processing performance, etc., called Advanced Embedded Software.
Por ahora, destaco dos vertientes. Una, dirigida hacia aplicaciones de bajo procesamiento computacional, llamado Software Empotrado Convencional. Y otra, donde el SE debe comportarse y otorgar facilidades de operación en tiempo real, manejo del ajuste de energías, altas prestaciones de procesamiento de señales, etc., llamado Software Empotrado Avanzado.
The Processors that allow Embedded Software come with resources for its programming, by means of codes, transfers between its elements, jumps and branches with or without conditions, bit manipulation, arithmetic and logic. In addition, it is necessary to follow a set of syntactic rules for the program design and, very important, a wide knowledge of the internal structure of the processor and its operation.
Los Procesadores que permiten Software Empotrado vienen acompañados de recursos para su programación, mediante códigos, de transferencias entre sus elementos, saltos y bifurcaciones con condiciones o sin ellas, manipulación de bits, aritméticas y lógicas. Además, hay que seguir un conjunto de reglas sintácticas para el diseño del programa y, muy importante, un conocimiento amplio de la estructura interna del procesador y su funcionamiento.
That is to say, each processor has its own family of codes, rules, and operations. It should be added that the programmer must also handle the resources and facilities of applications that are in most cases available for Personal Computers under operating systems, which could be Linux, Windows, or any other.
Es decir, cada procesador tiene su familia de códigos, reglas y funcionamiento. A lo anterior habría que añadirse que el programador también debe manejar los recursos y facilidades de aplicaciones que se encuentran en la mayoría de los casos, disponibles para Computadores Personales bajo sistemas operativos, que pudieran ser Linux, Windows o cualquier otro.
The primary language of a processor is the Machine Language expressed in binary notation (0 and 1). Patterns representing commands, other data that can be numeric, alphabetic, or represent special symbols. Quite an interesting world. But not everything at the design level is 0 and 1, also within that family that brings the processor are the set of mnemonic instructions or Assembly Language or low level, which also has its own.
El lenguaje primario de un procesador es el Lenguaje de Máquina expresado en notación binaria (0 y 1). Patrones que representan órdenes, otros datos que pueden ser numéricas, alfabéticas o representar símbolos especiales. Un mundo bastante interesante. Pero no todo a nivel de diseño son 0 y 1, también dentro de esa familia que trae el procesador están el conjunto de instrucciones mnemotécnicas o Lenguaje de Ensamble o de bajo nivel, que también tiene lo suyo.
And for many years now, they have made our life a little more fluid because we also make embedded software in high-level languages. That is to say, several instructions in assembly language are replaced by a statement. Of course, there are tools and their computational environments that must be known to make the programs. A matter that is overcome with a little intention.
Y desde hace muchos años, pues nos han hecho la vida un poco más fluida porque también hacemos software empotrado en lenguajes de alto nivel. Es decir, varias instrucciones en lenguaje de ensamble se sustituyen por una sentencia. Por supuesto, hay herramientas y sus entornos computacionales que se deben conocer para realizar los programas. Asunto que se supera con un poco de intención.
At the level of training and updating courses in Microprocessing Systems or Applications with Microcontrollers, there are many aspects to program them. This is a serious matter, moreover, I invite you to enter the Association for Computing Machinery (ACM).
A nivel de formación y actualización en cursos de Sistemas de Microprocesamiento o Aplicaciones con Microcontroladores se abarcan muchas aristas para programarlos. Esto es un asunto serio, es más los invito a entrar en la Association for Computing Machinery (ACM).
I am not going to expand on this section because I will address it in detail and with examples in later posts.
No voy a extenderme en esta sección porque la abordaré en detalle y con ejemplos en posteriores post.
By way of Closing this Part I
A Manera de Cierre de esta Primera Parte
We have given an overview of Embedded Systems going through their definition and structure. The Units that compose it are the Hardware and Embedded Software, each one of them with components and functionalities that give operability to the devices or products that contain them.
Hemos dado un panorama de los Sistemas Empotrados pasando por su definición y estructura. Las Unidades que lo componen son el Hardware y Software Empotrado, cada una de ellas con componentes y funcionalidades que dan operatividad a los dispositivos o productos que los contienen.
In the next installment we'll continue to flesh out the world of embedded systems, dump a little style and, little by little we'll be getting into the design of an SE.
En la próxima entrega seguiremos dando cuerpo al mundo de los sistemas empotrados, volcando un poco de estilo y, poco a poco estaremos entrando en el diseño un SE.
Also, from the definition, concepts such as real time, cores, operating systems, energy autonomy are still pending. And one issue, I have not forgotten about the External Modules due to the Application.
También, de la definición quedan pendientes conceptos como tiempo real, núcleos, sistemas operativos, autonomía energética. Y un asunto, no me he olvidado de los Módulos Externos debido a la Aplicación.
See you soon HIVE friends, I hope this post is of interest to you and if you have any questions do not hesitate to ask in the comments, I will be pleased to answer them.
Nos vemos pronto amigos HIVE, espero que este post sea de su interés y cualquier asunto no duden en hacerlo en los comentarios, con gusto estaré dando respuestas.
Thank you for your time and feedback.
Gracias por su tiempo y comentarios.
References Consulted // Referencias Consultadas
Alfonsi A., Yánez R. y Pérez J. (2017). Distribución del Tiempo Ocioso Orientado al Ahorro de Energía en Tareas de Control de Tiempo Real. Revista Ciencia e Ingeniería, 38(2), pp. 159-166.
Ben Achballah, A. and Ben Saoud, S. (2013). A Survey of Network-On-Chip Tools. International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 4(9), 61-67. https://dx.doi.org/10.14569/IJACSA.2013.040910
De Micco, L., Vargas, F. and Fierens, P. (2020). Literature Review on Embedded Systems. IEEE Latin America Transactions. 18(2), 188-205. https://doi.org/10.1109/TLA.2020.9085271
Marwedel, P. (2018). Embedded System Design. Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things (3rd ed.), Springer International Publishing AG. https://doi.org/10.1007/978-3-319-56045-8
Noergaard, T. (2013). Embedded Systems Architecture: A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers (2nd ed.). Elseiver Inc.
ISO/IEC/IEEE (2011). ISO/IEC/IEEE 42010:2011 - ISO/IEC/IEEE Systems and Software Engineering - Architecture Description. https://www.iso.org/standard/50508.html
Roehm, H., Oehlerking, J., Woehrle, M. y Althoff, M. (2019). Model Conformance for Cyber-physical Systems: A Survey. ACM Transactions on Cyber-Physical Systems, 3(3), Article 30, 26p. https://doi.org/10.1145/3306157
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Las imágenes de los diálogos y “Estructura del SE” son de mi propiedad y están realizadas con Power Point y Paint.
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Muy bien presentado y desarrollo el tema de Sistema Empotrado o Embebido con Estilo, y lo mas importante iniciando con los Concepto y Contexto, destacando aspectos relevantes que deben ser considerados.
Espero que continue el desarrollo de estos temas tan interesante.
Felictaciones y exitos
A good overview of what SEs is all about. Well structured and simplified even for a layman to understand. I am certain some would benefit immensely from this series. Kudos