Entendendo os sistemas embarcados


Carlos E. Morimoto criou 20/fev/2007 às 11h56

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Introdução

Ao contrário de um PC, que pode executar os mais diversos programas e alternar entre eles, desempenhando as mais diversas funções, os sistemas embarcados são dispositivos “invisíveis”, que se fundem no nosso cotidiano, de forma que muitas vezes sequer percebemos que eles estão lá. Eles são formados por fundamentalmente os mesmos componentes de um PC: processador, memória, algum dispositivo de armazenamento, interfaces e assim por diante. A principal diferença é que, ao contrário de um PC, eles se limitam a executar bem uma única tarefa, de maneira contínua e, na maioria das vezes, sem travamentos e panes.

O fato de ser um sistema embarcado, não diz muito sobre o tamanho ou a importância do sistema, pode ser desde um furby, até uma máquina com centenas de processadores, destinada a criar previsões sobre mercados de captais, ou controlar o tráfego aéreo. Basicamente, qualquer equipamento autônomo que não é um PC, Mac ou outro tipo de computador pessoal, acaba caindo nesta categoria.
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É graças aos sistemas embarcados que o Z80 (em suas inúmeras variações) é até hoje o processador mais produzido. Por ser um processador muito simples, de 8 bits, ele é incrivelmente barato e possui um baixíssimo consumo elétrico. Não seria possível incluir um Core Duo ou Athlon num controle remoto, por exemplo, mas um Z80 () cumpre bem a função. Lembra do game boy? Ele era justamente baseado num Z80, acompanhado de um controlador de áudio externo e outros circuitos. Outro exemplo são os S1 Mp3 players, aqueles Mp3 players genéricos em formato de pendrive, fabricados em massa pelos mais diversos fabricantes.

Outro processador muito usado é o Motorola 68000, o mesmo chip de 32 bits utilizado nos primeiros Macintoshs. Naturalmente, não estamos falando de exatamente o mesmo chip introduzido em 1979, mas sim de versões “modernizadas” dele, que conservam o mesmo design básico, mas são produzidas usando tecnologia atual e operam a frequências mais altas. Um exemplo é o chip DragonBall usado nos primeiros Palms, que incluía um processador 68000, controlador de vídeo e outros componentes, tudo no mesmo wafer de silício.
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Para dispositivos que precisam de mais processamento, temos as diversas famílias de processadores ARM, chips RISC de 32 bits, produzidos por diversos fabricantes, que vão da Samsung à Intel. Embora possuam um design bastante simples, se comparado ao processadores x86, os chips ARM conservam um bom desempenho. Um Treo 650, por exemplo, que é baseado num Intel Xscale de 312 MHz, consegue exibir vídeos em Divx com resolução de 320×240 sem falhas, tarefa que mesmo um Pentium II 266 tem dificuldades para realizar.

Usando um processador ARM e pelo menos 4 MB de memória, seu sistema embarcado pode rodar Linux, o que abre grandes possibilidades em termos de softwares e ferramentas de desenvolvimento. Adicionando um pouco mais de memória, é possível rodar o Windows Mobile ou o Symbian.

Embora operem a frequências relativamente baixas se comparados aos processadores x86 (na maioria dos casos apenas 300, 400 ou 500 MHz), os chips ARM são baratos e possuem um baixo consumo elétrico, por isso são extremamente populares em celulares, PDAs, pontos de acesso, modems ADSL, centrais telefônicas, sistemas de automatização em geral, video-games (como o GameBoy Advance) e assim por diante. Cerca de 75% de todos os processadores de 32 bits usados em sistemas embarcados são processadores ARM.

Além da família ARM e Z80, existem inúmeras outras famílias de chips e controladores. Cada uma conta com um conjunto próprio de ferramentas de desenvolvimento (SDK), que incluem compiladores, debuggers, documentação e ferramentas úteis. Em alguns casos o SDK é distribuído gratuitamente, mas em outras precisa ser comprado ou licenciado, o que encarece o projeto.

Normalmente, você roda as ferramentas de desenvolvimento num PC e transfere o software para o sistema que está desenvolvendo apenas nos estágios finais do desenvolvimento. Em alguns casos isso é feito através da porta USB (ou de uma porta serial), mas em outros é necessário gravar um chip de EPROM ou memória flash com a ajuda do gravador apropriado e transferir o chip para o sistema embarcado para poder testar o software :).

Um bom exemplo de sistema embarcado é este MP4 player sobre o qual escrevi outro dia. Ele utiliza apenas três chips, sendo um o controlador principal, outro um chip de memória flash (usado para armazenamento) e o terceiro um sintonizador de rádio AM/FM, que poderia muito bem ser retirado do projeto sem prejuízo para as demais funções do aparelho:
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Isto é possível por que o chip principal (um Sigmatel STMP3510) é um microcontrolador que desempenha sozinho todas as funções do aparelho, incluindo controladores para as diversas funções disponíveis e até mesmo uma pequena quantidade de memória RAM:
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É este tipo de microcontrolador que permite que modems ADSL, MP3 players, celulares e outros aparelhos que usamos no dia a dia sejam tão baratos em relação ao que custavam a alguns anos atrás. Com menos chips, o custo cai proporcionalmente.

Existem no mercado os mais diversos tipos de microcontroladores, cada um com um conjunto próprio de periféricos e funções. Ao invés de desenvolver e fabricar seus próprios chips, as empresas passaram a cada vez mais utilizar componentes disponíveis no mercado, que são fabricados em massa e vendidos a preços incrivelmente baixos. Para você ter uma idéia, o STMP3510 custa apenas 6 dólares se comprado em quantidade. Microcontroladores mais simples podem custar menos de 1 dólar, enquanto chips menores chegam a custar apenas alguns centavos.

A maior parte do custo de um processador ou chip qualquer está em seu desenvolvimento. Mesmo um microcontrolador relativamente simples pode consumir vários milhões para ser desenvolvido. Entretanto, o custo de produção é relativamente baixo, de forma que os chips mais vendidos acabam tendo o custo inicial amortizado e passam a ser cada vez mais baratos.

Muitos microcontroladores podem ser conectados a dispositivos analógicos, permitindo o uso de sensores diversos. Isso permite a criação de dispositivos simples, que monitoram temperatura, umidade, intensidade da luz, aceleração, campos magnéticos e assim por diante, executando ações pré-definidas em caso de mudanças, como ligar o ar condicionado, abrir ou fechar as persianas, ou mesmo disparar o air-bag do seu carro em caso de colisão.

Para aplicações onde um chip personalizado é essencial, existe ainda a opção de usar chips programáveis, chamados de FPGAs (field-programmable gate arrays) ou, mais raramente, de LCAs (logic-cell arrays). Como o nome sugere, eles são chips compostos por um enorme número de chaves programáveis, que podem ser configurados para simular o comportamento de qualquer outro circuito.

Um único FPGA pode simular não apenas um processador simples, mas também outros circuitos de apoio, como o controlador de vídeo, interface serial e assim por diante. Os modelos recentes incluem inclusive uma pequena quantidade de memória RAM e circuitos de apoio, de forma que você pode ter um sistema completo usando apenas um chip FPGA previamente programado, um chip de memória EPROM (ou memória flash) com o software, a placa de circuito com as trilhas e conectores e uma bateria ou outra fonte de energia.
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Os FPGAs são naturalmente muito mais caros que chips produzidos em série, mas são uma opção em situações onde são necessários apenas algumas centenas de unidades de um design exclusivo. Imagine o caso do ramo da automação industrial, por exemplo.

Eles são também o caminho para projetos artesanais, que são a nova onda entre quem gosta de eletrônica ou está cursando engenharia da computação. Um bom site dedicado ao assunto é o http://www.fpga.ch/, que disponibiliza softwares, layouts de placas e até mesmo projetos prontos, como este que reproduz uma máquina de arcade antiga, rodando Pac-Man ou Galaga:
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Outro bom site é o http://www.fpga4fun.com, que inclui uma grande quantidade de informações e alguns projetos de exemplo. Os componentes necessários para construir os projetos podem ser comprados facilmente pela web, basta ter um cartão internacional ou uma conta no PayPal.

Uma questão interessante nos sistemas embarcados é a memória flash. Com a queda no preço, mesmo aparelhos que tradicionalmente usavam memória SRAM (muito mais cara) como forma de armazenamento, como os palmtops e celulares, passaram a utilizar memória flash. O problema é que a memória flash funciona apenas como espaço de armazenamento e não como memória de trabalho. Numa analogia com um PC, a memória flash seria similar a um HD, que serve para armazenar arquivos, mas que não elimina a necessidade de usar memória RAM. Isso significa que mesmo dispositivos com grandes quantidades de memória flash ainda precisam de uma cerca quantidade de memória RAM ou SRAM, seja incorporada ao próprio microcontrolador, seja na forma de um chip separado.

Nos primeiros Palms, por exemplo, tínhamos um chip de memória flash, que armazenava os softwares e chips adicionais de memória SRAM, que serviam tanto como memória de trabalho, quanto como espaço para armazenar dados e programas. A partir do Treo 650, todos os programas e arquivos passaram a ser armazenados em memória flash (você pode remover a bateria, sem medo de perder dados) e foi adicionado um chip de memória SRAM que serve como memória de trabalho :). A grande questão é que memória SRAM é muito mais cara que memória flash, de forma que vale mais a pena utilizar uma pequena quantidade de SRAM e uma grande quantidade de memória flash, do que o oposto.

Temos ainda a questão do fornecimento elétrico. A maioria dos circuitos trabalham com tensão de 5v ou 3.3v, mas é possível usar praticamente qualquer bateria ou fonte de energia, usando fontes de alimentação ou os circuitos apropriados. Um resistor, acompanhado por um regulador de tensão e um fusível é geralmente o suficiente para que ele possa ser ligado diretamente numa bateria de carro, por exemplo. No caso de dispositivos ligados a um PC, é possível utilizar diretamente a energia fornecida pela porta USB.

Também é possível utilizar placas solares ou outras fontes alternativas de energia, permitindo a criação de sistemas embarcados capazes de operar de forma autônoma. Um exemplo são os pontos de acesso repetidores usados por alguns provedores de acesso, que utilizam painéis solares e baterias, de forma que podem ser instalados num poste ou no topo de um prédio sem precisarem de qualquer cabeamento.
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O uso de redes sem fio também abre algumas possibilidades interessantes na área publicitária. Imagine o caso de letreiros eletrônicos ou telões publicitários. Se os anúncios pudessem ser atualizados remotamente, a instalação seria muito mais simples, já que bastaria ligá-los na eletricidade. Um sistema embarcado, contendo um transmissor wireless, memória e o software adequado, poderia ser acessado remotamente e programado com os anúncios a exibir.

Enfim, embora os PCs normalmente roubem a cena, os sistemas embarcados são muito mais numerosos e são responsáveis por toda a estrutura que utilizamos no dia a dia. Eles são também uma das áreas mais promissoras dentro da área de tecnologia, já que um simples FPGA pode ser programado para desempenhar praticamente qualquer função.

8 comentáriosPor Carlos E. Morimoto. Revisado 20/fev/2007 às 11h56

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