Uma introdução ao desenvolvimento de sistemas embarcados, mostrando (e comparando) metodologias e ferramentas disponíveis para uso.

1. DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS
EMBARCADOS
Discentes: Alexandre Augusto Giron
Paulo Roberto de Oliveira
Mestrado em
Ciência da
computação

2. AGENDA
 Introdução
 Requisitos do desenvolvimento de Sistemas Embarcados
 Metodologias de desenvolvimento
 Baseada no ciclo de vida
 Baseada em níveis de abstração
 Projeto baseado em plataformas




Comparativo/Observações sobre as metodologias
Ferramentas de apoio ao desenvolvimento
Conclusões
Referências
2

3. INTRODUÇÃO
 O que são sistemas embarcados?
 “Sistemas computacionais que processam informação e são
incorporados em um produto maior” (MARVEDEL, 2006)
 Vários exemplos no cotidiano
3

4. INTRODUÇÃO
 Várias são as aplicações dos sistemas embarcados
 Entretanto, o desenvolvimento desses sistemas possui
diversos requisitos
 Metodologias e ferramentas de apoio ao desenvolvimento
podem ser utilizadas
4

5. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Sistemas embarcados possuem particularidades que os
diferem do desenvolvimento de software
 Não é uma tarefa simples
 Alguns requisitos são normalmente necessários para o
desenvolvimento de sistemas embarcados
5

6. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - DISSIPAÇÃO E
CONSUMO DE POTÊNCIA
 Aspecto de grande importância
 Fonte de energia
 Baterias móveis
 Precisam ser recarregadas
 Consumo x Realimentação
 Menor consumo
 Menor frequência de realimentação
 Exemplos
 Telefones celulares
 VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado)
6

7. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - DESEMPENHO
 Tempo de execução das instruções
 Aspecto importante na maioria dos sistemas
 Sistemas embarcados
 Fator ainda mais importante
 Memória
 Processamento
 Cada vez mais necessitam de maior quantidade de recursos
 Câmera fotográfica digital
 Smartphone
7

8. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – PRAZO PARA
PROCESSOS
 Muitos processos são executados a todo instante
 Dados de entrada via teclado
 Sinais de áudio e vídeo
 Atualização da tela
 Prazo de término
 Produção de resultados
 Também conhecido como requisito de tempo real
 Soft real time
 Habilidade do sistema de respeitar prazos
 Otimizar algumas aplicações
 Utilizado em sistemas onde o tempo de resposta não é crítico
 Hard real time
 Garantir que os prazos serão atendidos
 Utilizado em sistemas críticos
 Usina nuclear
8

9. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - INTERFACES DE
USUÁRIO
 Interação do usuário com o sistema
 Entrada de dados
 Teclado
 Voz
 Outras
 Usabilidade
 Design
 Aceitação comercial
9

10. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - TAMANHO
 Espaço físico necessário
 Design
 Exemplo: Tendência do tamanho dos celulares
 Quantidade de memória RAM ( kB) e flash (MB ou GB)
 Tamanho do software
 Exemplo: Arduíno
 Número de milhões de portas lógicas
 Maior o número de portas lógicas
 Maior o custo do produto final
10

11. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - CUSTO DE
ENGENHARIA




Etapas de desenvolvimento do sistema
Debugging
Testes
Estes gastos não são recorrentes
11

12. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - CUSTO DE
PRODUÇÃO
 Gasto obtido em cada unidade do sistema embarcado
 Visão de um gestor da empresa
12

13. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - FLEXIBILIDADE
 Aspectos que não aumentam o custo de engenharia
 Versão original do produto
 Alteração de características
 Objetivo principal do sistema não se altera
 Funcionalidades adicionais
 Exemplo: Micro-ondas
13

14. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - PROTOTIPAÇÃO
 Tempo de desenvolvimento gasto até a criação do protótipo
 Hábil para a realização de testes de suas funcionalidades
 Pode ser medida em:
 Dias
 Meses
14

15. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - TEMPO DE
DESENVOLVIMENTO
 Consumo de tempo
 Processo de engenharia
 Construção do protótipo
15

16. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - TEMPO DE
COMÉRCIO
 Consumo de tempo
 Inicia-se após após a criação do protótipo
 Até que o produto esteja disponível no mercado
16

17. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - SISTEMA DE
SEGURANÇA DO USUÁRIO
 Deve ser realizada uma análise
 Desde uma falha do sistema ou queda acidental
 Até questões relacionadas a sua utilização
 Exemplo
 Capacidade de bloqueio de um telefone celular na ocorrência de um
roubo
 Correto funcionamento do sistema de freios de um carro
 Grande importância quando se trata de sistemas embarcados
críticos
17

18. REQUISITOS DO DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS - MANUTENÇÃO
 Aspecto importante, onde se refere a:
 Instabilidade
 Extensões do sistema
 Três tipos de manutenção em sistemas embarcados
 Software
 Ajuste de uma funcionalidade para atender melhor as expectativas do
cliente
 Dados
 Download de vídeos, papéis de parede e músicas em um smartphone
 Hardware
 Extensões
 Cartão de memória adicional
 Manutenção
 Ocorrência de falhas no dispositivo
18

19. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Ciclo de vida de sistemas embarcados
 Níveis de abstração
 Projeto baseado em plataformas
19

20. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
20

21. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Especificação do produto
 Levar em consideração aspectos de outras áreas além da ciência da
computação
 Gestão e marketing




Desenvolver um produto que atenda as expectativas do usuário
Necessário um time de pesquisa de clientes
Análise de requisitos
Pesquisar um preço aceitável para o produto
21

22. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Partição entre hardware e sof tware
 Problema de decidibilidade
 Hardware
 Software
 Exemplo
 Primeiros processadores x86 (80286, 80386)
 Unidade de cálculo de ponto flutuante
 Características conflitantes na partição





Preço do produto
Alto desempenho
Padronização
Mercado competitivo
Patente
 Escolha do processador pode ser um fator de impacto no projeto
 Alterar as ferramentas que serão utilizadas
22

23. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Iteração e implementação
 Divergências entre hardware e software que devem ser solucionadas
 Quebra de blocos maiores em blocos menores
 Visualizar melhor limitações que possam existir
 Modelagem de desempenho (Processador e memória)
 Ferramentas baseadas em simulação
 Benchmarks
 Computadores single-board
 Microprocessador utilizado no projeto real
 Ambiente de desenvolvimento, testes e debugging até o término do
modelo real
23

24. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Projeto detalhado de hardware e sof tware
 Também conhecido como co-verificação
 Hardware pode ser representador por linguagens de descrição
 Verilog
 VHDL
 Plataforma de hardware virtual
 Desenvolvimento de código
 Tempo gasto é o mínimo possível
 Software do projeto real
 Testes de interface entre hardware e software são realizados apenas
no projeto real de hardware completamente desenvolvido
24

25. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Integração entre hardware e sof tware
 Ponto importante
 Gerência de complexidade
 Entendimento do time de software fornecida pelo time de hardware
 Debugging não é uma tarefa complexa
 Conexão com um computador através de uma interface de comunicação
 Outros casos pode se tornar quase impossível (Velocidade)
 Em alguns casos é possível integrar um S.O ao hardware
 Bugs podem continuar existindo
 Sistema executado em velocidade máxima de processamento
25

26. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Testes do produto e atualizações
 Processo importante
 Scanner
 Gerador de energia nuclear
 Mais do que garantir que um sistema não falhará em um momento
crítico
 Verificar se o sistema está próximo de suas condições ideais
 Grandes empresas possuem um time apenas para testes
26

27. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Consumo de tempo para se resolver um problema em cada
fase do projeto
27

28. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – CICLO DE VIDA DE
SISTEMAS EMBARCADOS
 Manutenção e aperfeiçoamento de produtos existentes
 Na maioria das empresas, são mantidos e atualizados sistemas
embarcados
 Problema
 Grande parte do time não está no projeto desde o início
 Necessitam de experiência, habilidades e conhecimentos prévios
 Ferramentas específicas são utilizadas
 Muitas vezes, estas são muito poderosas
 Até demais
 Questões de tempo
 Fase bastante importante para os clientes
28

29. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – NÍVEIS DE
ABSTRAÇÃO
 Metodologia baseada em Níveis de Abstração
 Foi proposta por Wolf (WOLF, 2001)
 Guia o desenvolvimento através de etapas de diferentes níveis
de abstração
29

30. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – NÍVEIS DE
ABSTRAÇÃO




Etapa de Requisitos
Visa a realizar o levantamento de requisitos
Etapa inicial no desenvolvimento
Fornece um modelo para captura de requisitos de forma
textual
 Documento contendo: nome, objetivo, entradas e saídas, funções,
Performance/desempenho, custo de fabricação, consumo de
potência, tamanho físico e peso
 Auxilia no entendimento do sistema
 Outros modelos podem ser usados
30

31. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – NÍVEIS DE
ABSTRAÇÃO
 Etapa de Especificação
 Segunda etapa
 Enfoque nos requisitos (de forma mais precisa que a etapa
anterior)
 Objetivos:
 Deve garantir que os requisitos sejam bem especificados para guiar
o desenvolvimento do sistema
 UML pode ser utilizada neste processo
 SysML frequentemente utilizada no contexto dos sistemas
embarcados
31

32. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – NÍVEIS DE
ABSTRAÇÃO
 Etapa de Arquitetura
 Define como será construído o sistema
 Etapa que realiza o projeto da arquitetura em termos de
hardware e sof tware
 Diagrama de blocos pode ser utilizado nesta etapa
 Durante essa etapa deve-se levar em consideração os
requisitos funcionais e não funcionais
32

33. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – NÍVEIS DE
ABSTRAÇÃO
 Etapa de constituição por Componentes
 Estruturar o sistema em componentes de hardware e sof tware
 Objetivos
 Fornecer a conformidade com o projeto da arquitetura e com os
requisitos
 Desenvolver componentes com atenção na integração dos mesmos e
na integração do sistema como um todo
 Favorecer o reuso dos componentes desenvolvidos (“Desenvolver
para o reuso”) e então diminuir tempo de projeto
 Processo de desenvolvimento de componentes estruturado
em:
 IP Component Provider
 IP Component Consumer
33

34. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – NÍVEIS DE
ABSTRAÇÃO
 Processo de desenvolvimento de componentes estruturado
em:
 IP Component Provider: Criação, classificação para o reuso
 IP Component Consumer: Validar e integrar componentes
34

35. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – NÍVEIS DE
ABSTRAÇÃO
 Etapa de Integração do Sistema
 Última etapa no desenvolvimento
 Normalmente é complexa
 Necessita de integração otimizada para evitar desperdício de
recursos
 Testes de integração devem ser realizados
 Etapa também define o lançamento do produto
35

36. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – PROJETO BASEADO
EM PLATAFORMAS
 Metodologia de Projeto baseado em Plataformas
 Define o fluxo do desenvolvimento do sistema sobre uma
plataforma base (genérica)
 Escolha da plataforma: considerar requisitos e projetos anteriores
 Desenvolvimento do sistema sobre a plataforma escolhida
 Testes para adaptação e lançamento do produto
36

37. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – PROJETO BASEADO
EM PLATAFORMAS
 Metodologia de Projeto baseado em Plataformas
 Tende a agilizar o desenvolvimento
 Projetos anteriores
 Adaptação de produtos lançados de acordo com as necessidades do
domínio específico
 Considera custos de engenharia e de produção
 Não começar um desenvolvimento “do zero”
37

38. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – COMPARATIVO
ENTRE METODOLOGIAS
 Metodologia baseada no ciclo de vida de sistemas
embarcados
X
 Metodologia baseada em níveis de abstração
38

39. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – COMPARATIVO
ENTRE METODOLOGIAS
 Metodologia do ciclo de vida divide explicitamente o
desenvolvimento hardware/software; enquanto que a baseada
em níveis dá ênfase na montagem de componentes
 M. do Ciclo de vida define fases para o desenvolvimento; de
forma análoga, a M. em Níveis define etapas através dos
níveis de abstração;
 Ambas possuem enfoque à integração do sistema
(hardware/software) definindo etapas explícitas.
Ciclo de Vida: fase 5
Níveis de Abstração : último
nível
39

40. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – COMPARATIVO
ENTRE METODOLOGIAS
 Especificação de Requisitos: M. baseada em níveis
 Fornece um modelo de formulário de requisitos
 Define duas etapas para levantamento e especificação dos
requisitos: Forte atenção aos requisitos do sistema
 Dessa forma, a metodologia considera que somente com um
entendimento claro dos requisitos se torna possível o
desenvolvimento do sistema
40

41. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DE
SISTEMAS EMBARCADOS – COMPARATIVO
ENTRE METODOLOGIAS
 A metodologia baseada no ciclo de vida define uma fase
específica aos testes e outra à manutenção do sistema.
 Por outro lado, a M. baseada em níveis não define uma etapa
específica,
 mas engloba os testes e manutenção no nível de integração do
sistema
41

42. OBSERVAÇÕES SOBRE O PROJETO BASEADO
EM PLATAFORMAS
 Metodologia de projeto baseado em plataformas permite:
 Agilidade na entrega/desenvolvimento: desenvolvimento sobre
plataforma base (genérica)
 Evita o “desenvolvimento from the scratch” (ou “do zero”)
 Redução de custos: reutilizar projetos anteriores, apenas adaptando os às novas necessidades
42

43. FERRAMENTAS DE APOIO
 Hardware
 Sof tware
 Linguagens
43

44. FERRAMENTAS DE APOIO
 Hardware
 Placas de desenvolvimento para desenvolvimento de
protótipos
 Conectores de acesso serial, USB, rede
 Medição de consumo de potência
44

45. FERRAMENTAS DE APOIO
 Hardware
45

46. FERRAMENTAS DE APOIO
 Sof tware
 Recursos:
 Explorador de
Projetos
 Debugging
 Análise de
desempenho
 ....
46

47. FERRAMENTAS DE APOIO
 Linguagens
 De descrição de Hardware
 De Modelagem
 SysML: linguagem gráfica de modelagem
 Classificada como um perfil da UML
 Suporta análise, especificação, projeto, verificação e validação
 Voltada a modelagem de sistemas complexos (compostos de
hardware, software, dados, pessoal, procedimentos, instalações,
sistemas naturais...)
47

48. FERRAMENTAS DE APOIO
 SysML
48

49. FERRAMENTAS DE APOIO
 Linguagens de descrição de hardware
 Verilog
 VHDL
49

50. CONCLUSÕES
 O desenvolvimento de Sistemas Embarcados é complexo
 Metodologias específicas podem auxiliar no desenvolvimento
 Mas independentemente de metodologia utilizada, o
desenvolvimento de sistemas embarcados requer
 Atenção aos requisitos: consumo de potência, desempenho, custo...
 Integração otimizada hardware/software
 Utilização de ferramentas de apoio
50

51. DÚVIDAS?
 Obrigado pela atenção
51

52. REFERÊNCIAS
 P. MARVEDEL. Embedded System Design. Netherland:
Springer, 2006. ISBN 978-0-387-29237-3.
 J. ENGBLOM. Embedded Systems Computer Architecture.
Uppsala University. Extended Abstract, ESSES, 2003.
 VHDL (2002). “IEEE Standard VHDL Language Reference
Manual. IEEE Standard No. 1076-2002”. IEEE, 2002.
 Verilog (1995). “IEEE Standard Hardware Description
Language Based on Verilog Hardware Description Language.
IEEE Standard No. 1364-1995”. IEEE, 1995.
 A . S. BERGER, “Embedded System Design: An Introduction to
Processes, Tools, and Techniques”. CMP Books, 2002 .
52

53. REFERÊNCIAS
 F. WAGNER and L. CARRO, “Sistemas Computacionais
Embarcados”. XXII Jornadas de Atualização em Informática.
Campinas: UNICAMP, 2003, v. 1 , p. 45-94.
 K. KEUTZER, et al. System Level Design: Orthogonalization of
Concerns and Platform-Based Design. IEEE Transactions on
Computer- Aided Design of Circuits and Systems, New York, v.
19, n. 12, p. 1523-1543, Dec. 2000.
 W. WOLF. Computers as Components - Principles of Embedded
Computing System Design. Morgan Kaufmann Publishers, San
Francisco, 1 edition, 2001 .
53

54. REFERÊNCIAS
 T. SIMUNIC, L. BENINI, A. ACQUAVIVA , P. GLYNN and G. DE
MICHELI, “Dynamic Voltage Scaling and Power Management for
Portable Systems”. In: Annual ACM IEEE Design Automation
Conference. June, 2001 , Las Vegas.
 BeagleBoard.org. BeagleBoard-xM Rev C System Reference
Manual. Richardson, TX,2010.
 Texas Instruments, Inc. Code Composer Studio (CCStudio)
Integrated Development Environment (IDE) v5. Dallas, TX, 2009 .
 FRIEDENTHAL, S.; MOORE, A.; STEINER, R. A. Practical Guide to
SysML: Systems Model. Morgan Kaufmann OMG Press, 2008.
560p.
 R. F. da SILVA, ”SymPLES: uma abordagem de desenvolvimento
de linha de produto para sistemas embarcados baseada em
SysML”, Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de
Maringá (UEM), 2012.
54