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CAPITULO 1:
CONCEPTOS BÁSICOS DE
SISTEMAS EMBEBIDOS
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Sistemas Embebidos
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Objetivos:
En esta sesión veremos:
• Introducción a sistemas embebidos: definición y
aplicaciones.
• Herramientas de desarrollo para sistemas embebidos.
• Lenguajes de programación para sistemas embebidos.
• Proceso de diseño de un sistema embebido.
Sistemas Embebidos
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1.1.- Introducción a sistemas
embebidos:
definición y aplicaciones
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Sistemas Embebidos
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Historia:
• A finales de 1980, el procesamiento informático asociado con grandes
computadoras centrales y enormes unidades de cinta.
• Más tarde, la miniaturización permitió el procesamiento de
información con computadoras personales (PC).
• Más tarde, *Mark Weiser. creó el término "informática ubicua“
• Computación (e información) en cualquier momento y en
cualquier lugar (largo plazo).
• Predijo que las computadoras se integrarán en los productos para
que se vuelvan invisibles "computadora invisible".
• El uso más frecuente en nuestra vida cotidiana con los dispositivos
informáticos dio lugar a los términos "informática generalizada" e
"inteligencia ambiental".
• Generalizada: Aspectos prácticos y la explotación de la tecnología
ya disponible.
• Inteligencia Ambiental: tecnología de la comunicación en futuros
hogares y edificios inteligentes.
Sistemas Embebidos
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* Weiser M(1999) The computer for the 21st century. Mob. Comput. Commun. Rev. 3(3):3–11
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Ejemplos:
• La miniaturización física de las computadoras también permitió la
integración del procesamiento de información.
• Este procesamiento de información se llama "sistema embebido”
(SE)
• Tiempo real, confiabilidad y Requisitos de eficiencia
• Automóviles, trenes y aviones
• Equipos de telecomunicaciones
• Equipos de fabricación.
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¿Qué es un sistema embebido?
• Es un sistema computacional diseñado para realizar una o algunas tareas
específicas.
• Este sistema computacional no es el producto final, sino una parte
dedicada "incorporada" de un sistema más grande que a menudo incluye
partes electrónicas y mecánicas adicionales.
• Por el contrario, un sistema computacional de uso general, como una PC
(computadora personal), es una plataforma computacional general y, en sí, es
el producto final.
• Está diseñado para ser flexible y para satisfacer una variedad de
necesidades de los usuarios finales.
Sistemas Embebidos
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• Dado que un sistema embebidos está dedicado a tareas específicas, su diseño
puede optimizarse para reducir los costos.
• Recursos de hardware suficientes para cumplir con las funcionalidades
requeridas de la aplicación.
• Por otro lado, se espera que un sistema computacional de propósito general
satisfaga una variedad de necesidades y, por lo tanto, se proporcione un
programa de aplicación con un recurso de hardware relativamente abundante.
Sistemas Embebidos
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¿Qué es un sistema embebido?
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Sistemas Embebidos
• Factores a considerar en el diseño
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• Lee et Al. Indica que un “Sistemas Ciber-Físicos" (CPS) es todo aquel dispositivo
que integra capacidades de computación, almacenamiento y comunicación
para controlar e interactuar con un proceso físico.
• “Son integraciones de computación y procesos físicos "
• Los sistemas CPS están normalmente conectados entre si y con servicios
remotos de almacenamiento y gestion de datos.
• Actualmente existen más dispositivos o SE conectados a diferentes redes
capaces de captar información e interactuar con otros dispositivos.
• La inteligencia no necesariamente resida en el dispositivos, sino a la red a
la cual está interconectado.
• Generan información, envían a los servidores en tiempo real y con
herramientas de analítica de datos (con o sin A.I.) envían órdenes a otros
dispositivos.
• “Entornos Inteligentes”
Sistemas Embebidos
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¿Qué es un Sistema Ciber-Físicos?
* Lee, E.A.: The future of embedded software. ARTEMIS Conference, Graz.
http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/presentations/06/FutureOfEmbeddedSoftware_Lee_Graz.ppt (2006)
10
• La parte de procesamiento de información y el entorno físico (CPS), se define
como:
• CPS = ES + física
• Un CPS supera a un SE, respecto a capacidad, seguridad, escalabilidad,
adaptabilidad, resiliencia y usabilidad.
• Un CPS puede trabajar en conjunto con los SE para formar ecosistemas
distribuidos y autónomos.
• Creciente auge por la reducción de costos y tamaños de los SE, permitiendo no
solo conectarlos sino tambien con la capacidad de actuar en función de los
datos que generan o reciben.
Sistemas Embebidos
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* Lee, E.A.: The future of embedded software. ARTEMIS Conference, Graz.
http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/presentations/06/FutureOfEmbeddedSoftware_Lee_Graz.ppt (2006)
¿Qué es un Sistema Ciber-Físicos?
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Sistemas Embebidos
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¿Qué es un Sistema Ciber-Físicos?
Importancia de
la comunicación
Tecnología de la
comunicación
•Redes
•aplicaciones
distribuidas
•calidad de servicio
Sistemas
embebidos
•Robots
•Sistemas de control
•Tiempo real
•Confianza
Computación
generalizada /
ubicua
•información en
cualquier momento y
en cualquier lugar
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¿Qué es el Internet de las Cosas?
Giusto et Al. menciona respecto al término Internet de las cosas (IoT) "... describe la
presencia dominante de una variedad de dispositivos, como sensores, actuadores y
teléfonos móviles, que, a través de esquemas de direccionamiento únicos, pueden
interactuar y cooperar entre sí para alcanzar objetivos comunes ".
Giusto D, Iera A, Morabito G, Atzori L (eds) (2010) The Internet of Things, 20th Tyrrhenian
Workshop on Digital Communications. Springer, Berlin
https://luxnnia.com/
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Sistemas Embebidos
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¿Qué es el Internet de las Cosas?
• Se espera que Internet de las cosas permita la comunicación entre billones de
dispositivos en el mundo.
• Revisando algunas publicaciones, es una cuestión de preferencias si la vinculación de
objetos físicos al mundo cibernético se llama CPS o IoT.
• La explotación de la tecnología IoT para la producción se ha denominado "Industria
4.0“
Giusto D, Iera A, Morabito G, Atzori L (eds) (2010) The Internet of Things, 20th Tyrrhenian
Workshop on Digital Communications. Springer, Berlin
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Sistemas Embebidos
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Industria 4.0
http://www.cantabriatic.com/industria-4-0-sistemas-ciber-fisicos/
Apunta a una producción más flexible para la cual IoT respalda todo el ciclo de vida desde
la fase de diseño en adelante.
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Sistemas Embebidos
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Existe un enorme potencial para las aplicaciones de procesamiento de información en el
contexto de CPS e IoT.
• Transporte y movilidad: Electrónica automotriz, Aviónica, Vías férreas, Barcos,
tecnología oceánica y sistemas marítimos.
• Automatización industrial.
• Sector de salud.
• Edificios inteligentes.
• Seguridad Pública
• Vigilancia de la salud estructural.
• Desastre natural: ESPOL, Instituto Oceanográfico de la Armada (Inocar) y el Instituto
de Investigación y Desarrollo de Francia (IRD). Osean Button Sistem (OBS)
• Robótica
• Telecomunicaciones
• Electrónica de consumo
Target Application:
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Desafíos de los CPS e IoT::
Sistemas Embebidos
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• Una razón clave para la necesidad de ser confiable es que estos sistemas están
directamente conectados al entorno físico y tienen un impacto inmediato en ese
entorno.
• El problema debe ser considerado durante todo el proceso de diseño.
• Debe ser seguro
• Un sistema es seguro si está protegido contra daños causados por ataques
que se originan desde fuera del sistema.
• Identificación de usuario
• Acceso seguro a la red
• Comunicaciones seguras
• Almacenamiento seguro
• Confidencialidad: los destinatarios previstos solo pueden acceder a la
información.
• Fiabilidad: previene el mal funcionamiento de los sistemas como resultado de
componentes defectuosos.
• Reparabilidad en un tiempo determinado.
• Disponibilidad del sistema.
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Desafíos de los CPS e IoT::
Sistemas Embebidos
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• Muchos sistemas Ciber-Físicos deben cumplir las restricciones en tiempo real.
• Muchos sistemas embebidos son sistemas híbridos en el sentido de que incluyen
partes analógicas y digitales.
• Los lenguajes de programación secuenciales tradicionales no son la mejor manera de
describir sistemas concurrentes y programados. Hay alternativas como VHDL.
• RECURSOS
• Energía eléctrica
• Tiempo de ejecución o uso del hardware disponible
• Tamaño de código en memoria de programa
• Todos los sistemas portátiles deben ser ligeros
• Uso eficiente de componentes de hardware y el presupuesto de desarrollo de
software
• CPS e IoT con frecuencia recopilan grandes cantidades de datos (Data Mining)
• Capacidad de fabricación.
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Sistemas Embebidos:
Sistemas Embebidos
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• Estos sistemas se dedican frecuentemente a una determinada aplicación.
• La ejecución de programas adicionales haría que esos sistemas fueran menos
confiables.
• La ejecución de programas adicionales solo es factible si no se utilizan recursos
como la memoria.
• Ningún recurso no utilizado debe estar presente en un sistema eficiente.
Systems on a Chip (SoCs)
1.2.- Herramientas de desarrollo
para sistemas embebidos
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Sistemas Embebidos
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Sistemas Embebidos
• RISC - Conjunto Reducido de Instrucciones para computador.
• AVR es una familia de Microcontroladores desarrollado desde 1996 por Atmel, adquirido por Microchip Technology in 2016.
• El procesador Advanced RISC Machine o ARM diseñado por Arm Holdings.
ATmega32U4 – RISC 8-bits
• Cross Trigger Interface (CTI), ARMv8
• Generic Interrupt Controller (GIC)
• Procesadores de Punto Flotante (FPU) Arm Neon, son una extensión
avanzada de arquitectura SIMD (Una instrucción y Múltiples Datos)
• Cryptography Extensions (SIMD) , ARMv8
• L1 Instruction cache / Data cache
• Debug and Trace en cada Core: Instrucciones, CTI, CTM y ROM
• ACP Puerto de coherencia del acelerador
• Mapa de memoria de depuración ARMv8
• Cross Trigger Matrix (CTM)
• Bus periférico avanzado (APB)
ARM Cortex_A53 – RISC 64-bits
ARDUINO
Sistemas Embebidos
https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328p
ATmega328P: 8-bit AVR Microcontroller with 32K
Bytes In-System Programmable Flash (ISP – Flash)
ARDUINO
Sistemas Embebidos
ARDUINO
Sistemas Embebidos
https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega32u4
ATmega32U4: 8-bit Microcontroller with 16/32K bytes
of ISP Flash and USB Controller
ARDUINO
Sistemas Embebidos
RASPBERRY Pi3 Modelo B
Sistemas Embebidos https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/
RASPBERRY
Sistemas Embebidos https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/
RASPBERRY Pi4 Modelo B
Sistemas Embebidos https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/
XBEE
Sistemas
Embebidos
XBEE-PRO
Sistemas Embebidos
XBEE-PRO
Sistemas Embebidos
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Altium CircuitMaker:
Sistemas Embebidos
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https://vasanza.blogspot.com/2020/03/materia-desarrollo-de-prototipos.html
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Altium CircuitMaker (ESP32):
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https://vasanza.blogspot.com/2020/03/materia-desarrollo-de-prototipos.html
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Clasificación de las tecnologías de Lógica
Digital :
Sistemas Embebidos
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FPGA (Field-Programmable Gate Array):
Sistemas Embebidos
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• Hacen cualquier función lógica
• Tienen altas velocidades
• Configurable
• Paralelismo masivo
• Alta cantidad de I/O
• Más caras que un uC pero mucho más
baratas que Arduino o Rasberry Pi
• Consumo de potencia
• Volatile/Boot Time
• Complejos*…
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LUT (lookup table) :
Sistemas Embebidos
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Using a lookup table (LUT) to model a gate network.
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Procesadores en FPGAs (Intel-ALTERA):
Sistemas Embebidos
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Clasificación de CI de Lógica
Programable:
Sistemas Embebidos
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• Circuitos Integrados de Aplicación Específica (ASICs): Configurados por
los fabricantes pero con las funciones definidas por el usuario,
requieren meses de desarrollo, mas económico que CPLDs o FPGAs.
• Full Custom VLSI: Requiere años de diseño y pruebas del dispositivo. Se
justifica bajo volúmenes grandes de ventas.
Ej.: Microprocesadores y memorias RAM de computadoras.
Relación de tecnologías de lógica digital:
Velocidad,
Densidad,
Complejidad,
Volumen de Producción,
Costo de producción,
Tiempo de desarrollo
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Hard-processor vs Software-processor:
Sistemas Embebidos
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Arquitectura Hw/Sw:
Sistemas Embebidos
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Arquitectura Hw/Sw - Cyclone V:
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DE10STANDARD
Memoria
Adicional
<500kB
onChip
110K
programmable
logic elements
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Sistemas Embebidos
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Arquitectura Hw/Sw - Cyclone V:
https://www.intel.com/content/www/us/en/industrial-
automation/products/programmable/applications/automation.html
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Hard Processor HPS- ARM
Cyclone V:
Sistemas Embebidos
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Hard Processor HPS- ARM
Cyclone V:
Sistemas Embebidos
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Nios II Processor Reference Guide - Intel
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Labview:
Sistemas Embebidos
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1.3.- Proceso de diseño de un
sistema embebido
45
Sistemas Embebidos
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Diseño:
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El diseño de sistemas embebidos / Ciber-Físicos e Internet:
• Desglosarse en una serie de subtareas para ser manejable
• Necesidades que deben ser plasmados como requerimientos
• Ideas para solucionar un problema con conocimiento sobre el área de aplicación
• Proponer los componentes estándar de hardware y software
• Presupuesto
• Desarrollo de prototipo
• Pruebas en Campo x N
• Control de versiones de prototipo x N
• Producto final
Requerimientos
Asesoría de
expertos en el
área
Propuestas
Hardware /
Software
Presupuesto Prototipo
Pruebas de
campo
Control de
versiones
Producto final
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Especificaciones:
Sistemas Embebidos
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Luego de tener claro los requerimientos, se recomienda usar abstracciones tanto a nivel
de Hw y Sw. Estas abstracciones deberán en lo posible estar relacionadas de forma
Jerárquica.
• Jerarquías de comportamiento: Los estados, eventos y señales de salida son
ejemplos de tales objetos.
• Jerarquías estructurales: las jerarquías estructurales describen cómo los sistemas
están compuestos de componentes físicos.
El anillo de fuego del pacifico
OCEAN BOTTOM SEISMOGRAPH (OBS)
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OBS:
Sistemas Embebidos
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Proyecto de investigación con French Research Institute for Development (IRD) - Francia en conjunto con el Instituto
Oceanográfico de la Armada del Ecuador (INOCAR) y FICT. Ecuador, 2013 - 2014.
49
OBS:
Sistemas Embebidos
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01101010011001010110000101101110
Proyecto de investigación con French Research Institute for Development (IRD) - Francia en conjunto con el Instituto
Oceanográfico de la Armada del Ecuador (INOCAR) y FICT. Ecuador, 2013 - 2014.
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Estacion Meteorologica (EM):
Sistemas Embebidos
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Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
51
Sensores EM:
Sistemas Embebidos
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Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
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Diseño de Hardware EM:
Sistemas Embebidos
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Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
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Diseño 3D EM:
Sistemas Embebidos
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Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
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Diseño 3D EM:
Sistemas Embebidos
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01101010011001010110000101101110
Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
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011000010111001101100001011011100111101001100001
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Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
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Diseño Real EM:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
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Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
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011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
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Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
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Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema
Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
Diseño y estructura real
Pruebas de Campo
59
Ejemplo Social Cognitive Theory - SCT:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
Asanza, V., Martín, C. A., Eslambolchilar, P., van Woerden, H., Cajo, R., & Salazar, C. (2017, October). Finding
a dynamical model of a social norm physical activity intervention. In Ecuador Technical Chapters Meeting
(ETCM), 2017 IEEE (pp. 1-6). IEEE.
1.4.- Lenguajes de programación
para sistemas embebidos
60
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
61
Lista de Software:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
Raspberry
• Simulador
• Proteus
• Programar
• easycoding.tn
Arduino
• Simulador
• Proteus
• tinkercad.com
• Programar
• Arduino IDE
XBEE
• Simulador
• Proteus (Tx,
Rx)
• Programación
• DIGI XCTU
62
repl.it:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
• Compilador en línea
• Phyton
• Lenguaje C
https://repl.it/
63
Proteus:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
• Podemos similar Arduino
• Necesitamos tener instalado Arduino IDE
• Arduino lo programamos en Lenguaje C
• Puedo probar códigos de repositorios
• Podemos similar Raspberry Pi3 y Pi4 (Versión de Proteus 8.10)
• El Python de Proteus es diferente en sintaxis
• No puedo probar códigos de repositorios
• Puedo hacer programación basado en diagrama de flujo
• Permite simular el XBEE pero solo con los pines Tx y Rx
• Podemos hacer el diseño del PCB
https://www.labcenter.com/downloads/
64
Arduino IDE:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
• Compilar y Programar el Arduino
• Crear el archivo .hex que puede ser importado en simuladores
https://www.arduino.cc/en/main/software
65
tinkercad.com:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
• Permite hacer simulación realista con el BreadBoard
• Simular el Arduino
• Puedo programar (Lenguaje C)
• Puedo copiar el código de repositorios y hacer pruebas
https://www.tinkercad.com
66
easycoding.tn:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
• No es un simulador de Raspberry
• Permite generar el código en Phyton para programar Raspberry
• Usa programación gráfica o de bloques
• No guarda el trabajo realizado, se debe copiar el código XML para reconstruir el
código en Phyton (No deja copiar el código Phyton)
http://easycoding.tn/ep/demos/code/
67
DIGI XCTU:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
https://www.digi.com/resources/documentation/digidocs/90001526/tasks/t_download_and_install_xctu.htm
68
Raspberry:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
https://www.raspberrypi.org/downloads/
Third-party operating system images for Raspberry Pi are also available:
69
VirtualBox:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
01101010011001010110000101101110
https://www.profesionalreview.com/2018/12/29/instalar-raspbian-virtualbox/
https://www.virtualbox.org/wiki/Downloads
70
Referencias:
• Embedded Systems Design 3ra Edición, Peter Marwedel, 2018
• EDS_1.1-4
• EDS_ 2.1-2
• EDS_ 2.3.1-2
• http://podcastindustria40.com/
• https://vasanza.blogspot.com/2020/03/materia-desarrollo-de-prototipos.html
Sistemas Embebidos
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71
Recursos:
• Algunos contenidos vistos en clase como presentaciones,
ejercicios resueltos, entre otros. Serán almacenados y
compartidos en el siguiente Drive:
Sistemas Embebidos
011000010111001101100001011011100111101001100001
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⭐⭐⭐⭐⭐ SISTEMAS EMBEBIDOS, CAPÍTULO 1

  • 1. CAPITULO 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE SISTEMAS EMBEBIDOS 1 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 2. 2 Objetivos: En esta sesión veremos: • Introducción a sistemas embebidos: definición y aplicaciones. • Herramientas de desarrollo para sistemas embebidos. • Lenguajes de programación para sistemas embebidos. • Proceso de diseño de un sistema embebido. Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 3. 1.1.- Introducción a sistemas embebidos: definición y aplicaciones 3 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 4. 4 Historia: • A finales de 1980, el procesamiento informático asociado con grandes computadoras centrales y enormes unidades de cinta. • Más tarde, la miniaturización permitió el procesamiento de información con computadoras personales (PC). • Más tarde, *Mark Weiser. creó el término "informática ubicua“ • Computación (e información) en cualquier momento y en cualquier lugar (largo plazo). • Predijo que las computadoras se integrarán en los productos para que se vuelvan invisibles "computadora invisible". • El uso más frecuente en nuestra vida cotidiana con los dispositivos informáticos dio lugar a los términos "informática generalizada" e "inteligencia ambiental". • Generalizada: Aspectos prácticos y la explotación de la tecnología ya disponible. • Inteligencia Ambiental: tecnología de la comunicación en futuros hogares y edificios inteligentes. Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 * Weiser M(1999) The computer for the 21st century. Mob. Comput. Commun. Rev. 3(3):3–11
  • 5. 5 Ejemplos: • La miniaturización física de las computadoras también permitió la integración del procesamiento de información. • Este procesamiento de información se llama "sistema embebido” (SE) • Tiempo real, confiabilidad y Requisitos de eficiencia • Automóviles, trenes y aviones • Equipos de telecomunicaciones • Equipos de fabricación. Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 6. 6 ¿Qué es un sistema embebido? • Es un sistema computacional diseñado para realizar una o algunas tareas específicas. • Este sistema computacional no es el producto final, sino una parte dedicada "incorporada" de un sistema más grande que a menudo incluye partes electrónicas y mecánicas adicionales. • Por el contrario, un sistema computacional de uso general, como una PC (computadora personal), es una plataforma computacional general y, en sí, es el producto final. • Está diseñado para ser flexible y para satisfacer una variedad de necesidades de los usuarios finales. Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 7. 7 • Dado que un sistema embebidos está dedicado a tareas específicas, su diseño puede optimizarse para reducir los costos. • Recursos de hardware suficientes para cumplir con las funcionalidades requeridas de la aplicación. • Por otro lado, se espera que un sistema computacional de propósito general satisfaga una variedad de necesidades y, por lo tanto, se proporcione un programa de aplicación con un recurso de hardware relativamente abundante. Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 ¿Qué es un sistema embebido?
  • 8. 8 Sistemas Embebidos • Factores a considerar en el diseño Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 9. 9 • Lee et Al. Indica que un “Sistemas Ciber-Físicos" (CPS) es todo aquel dispositivo que integra capacidades de computación, almacenamiento y comunicación para controlar e interactuar con un proceso físico. • “Son integraciones de computación y procesos físicos " • Los sistemas CPS están normalmente conectados entre si y con servicios remotos de almacenamiento y gestion de datos. • Actualmente existen más dispositivos o SE conectados a diferentes redes capaces de captar información e interactuar con otros dispositivos. • La inteligencia no necesariamente resida en el dispositivos, sino a la red a la cual está interconectado. • Generan información, envían a los servidores en tiempo real y con herramientas de analítica de datos (con o sin A.I.) envían órdenes a otros dispositivos. • “Entornos Inteligentes” Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 ¿Qué es un Sistema Ciber-Físicos? * Lee, E.A.: The future of embedded software. ARTEMIS Conference, Graz. http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/presentations/06/FutureOfEmbeddedSoftware_Lee_Graz.ppt (2006)
  • 10. 10 • La parte de procesamiento de información y el entorno físico (CPS), se define como: • CPS = ES + física • Un CPS supera a un SE, respecto a capacidad, seguridad, escalabilidad, adaptabilidad, resiliencia y usabilidad. • Un CPS puede trabajar en conjunto con los SE para formar ecosistemas distribuidos y autónomos. • Creciente auge por la reducción de costos y tamaños de los SE, permitiendo no solo conectarlos sino tambien con la capacidad de actuar en función de los datos que generan o reciben. Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 * Lee, E.A.: The future of embedded software. ARTEMIS Conference, Graz. http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/presentations/06/FutureOfEmbeddedSoftware_Lee_Graz.ppt (2006) ¿Qué es un Sistema Ciber-Físicos?
  • 11. 11 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 ¿Qué es un Sistema Ciber-Físicos? Importancia de la comunicación Tecnología de la comunicación •Redes •aplicaciones distribuidas •calidad de servicio Sistemas embebidos •Robots •Sistemas de control •Tiempo real •Confianza Computación generalizada / ubicua •información en cualquier momento y en cualquier lugar
  • 12. 12 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 ¿Qué es el Internet de las Cosas? Giusto et Al. menciona respecto al término Internet de las cosas (IoT) "... describe la presencia dominante de una variedad de dispositivos, como sensores, actuadores y teléfonos móviles, que, a través de esquemas de direccionamiento únicos, pueden interactuar y cooperar entre sí para alcanzar objetivos comunes ". Giusto D, Iera A, Morabito G, Atzori L (eds) (2010) The Internet of Things, 20th Tyrrhenian Workshop on Digital Communications. Springer, Berlin https://luxnnia.com/
  • 13. 13 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 ¿Qué es el Internet de las Cosas? • Se espera que Internet de las cosas permita la comunicación entre billones de dispositivos en el mundo. • Revisando algunas publicaciones, es una cuestión de preferencias si la vinculación de objetos físicos al mundo cibernético se llama CPS o IoT. • La explotación de la tecnología IoT para la producción se ha denominado "Industria 4.0“ Giusto D, Iera A, Morabito G, Atzori L (eds) (2010) The Internet of Things, 20th Tyrrhenian Workshop on Digital Communications. Springer, Berlin
  • 15. 15 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Existe un enorme potencial para las aplicaciones de procesamiento de información en el contexto de CPS e IoT. • Transporte y movilidad: Electrónica automotriz, Aviónica, Vías férreas, Barcos, tecnología oceánica y sistemas marítimos. • Automatización industrial. • Sector de salud. • Edificios inteligentes. • Seguridad Pública • Vigilancia de la salud estructural. • Desastre natural: ESPOL, Instituto Oceanográfico de la Armada (Inocar) y el Instituto de Investigación y Desarrollo de Francia (IRD). Osean Button Sistem (OBS) • Robótica • Telecomunicaciones • Electrónica de consumo Target Application:
  • 16. 16 Desafíos de los CPS e IoT:: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Una razón clave para la necesidad de ser confiable es que estos sistemas están directamente conectados al entorno físico y tienen un impacto inmediato en ese entorno. • El problema debe ser considerado durante todo el proceso de diseño. • Debe ser seguro • Un sistema es seguro si está protegido contra daños causados por ataques que se originan desde fuera del sistema. • Identificación de usuario • Acceso seguro a la red • Comunicaciones seguras • Almacenamiento seguro • Confidencialidad: los destinatarios previstos solo pueden acceder a la información. • Fiabilidad: previene el mal funcionamiento de los sistemas como resultado de componentes defectuosos. • Reparabilidad en un tiempo determinado. • Disponibilidad del sistema.
  • 17. 17 Desafíos de los CPS e IoT:: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Muchos sistemas Ciber-Físicos deben cumplir las restricciones en tiempo real. • Muchos sistemas embebidos son sistemas híbridos en el sentido de que incluyen partes analógicas y digitales. • Los lenguajes de programación secuenciales tradicionales no son la mejor manera de describir sistemas concurrentes y programados. Hay alternativas como VHDL. • RECURSOS • Energía eléctrica • Tiempo de ejecución o uso del hardware disponible • Tamaño de código en memoria de programa • Todos los sistemas portátiles deben ser ligeros • Uso eficiente de componentes de hardware y el presupuesto de desarrollo de software • CPS e IoT con frecuencia recopilan grandes cantidades de datos (Data Mining) • Capacidad de fabricación.
  • 18. 18 Sistemas Embebidos: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Estos sistemas se dedican frecuentemente a una determinada aplicación. • La ejecución de programas adicionales haría que esos sistemas fueran menos confiables. • La ejecución de programas adicionales solo es factible si no se utilizan recursos como la memoria. • Ningún recurso no utilizado debe estar presente en un sistema eficiente. Systems on a Chip (SoCs)
  • 19. 1.2.- Herramientas de desarrollo para sistemas embebidos 19 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 20. Sistemas Embebidos • RISC - Conjunto Reducido de Instrucciones para computador. • AVR es una familia de Microcontroladores desarrollado desde 1996 por Atmel, adquirido por Microchip Technology in 2016. • El procesador Advanced RISC Machine o ARM diseñado por Arm Holdings. ATmega32U4 – RISC 8-bits • Cross Trigger Interface (CTI), ARMv8 • Generic Interrupt Controller (GIC) • Procesadores de Punto Flotante (FPU) Arm Neon, son una extensión avanzada de arquitectura SIMD (Una instrucción y Múltiples Datos) • Cryptography Extensions (SIMD) , ARMv8 • L1 Instruction cache / Data cache • Debug and Trace en cada Core: Instrucciones, CTI, CTM y ROM • ACP Puerto de coherencia del acelerador • Mapa de memoria de depuración ARMv8 • Cross Trigger Matrix (CTM) • Bus periférico avanzado (APB) ARM Cortex_A53 – RISC 64-bits
  • 21. ARDUINO Sistemas Embebidos https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328p ATmega328P: 8-bit AVR Microcontroller with 32K Bytes In-System Programmable Flash (ISP – Flash)
  • 23. ARDUINO Sistemas Embebidos https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega32u4 ATmega32U4: 8-bit Microcontroller with 16/32K bytes of ISP Flash and USB Controller
  • 25. RASPBERRY Pi3 Modelo B Sistemas Embebidos https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/
  • 27. RASPBERRY Pi4 Modelo B Sistemas Embebidos https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/
  • 32. 32 Altium CircuitMaker (ESP32): Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 https://vasanza.blogspot.com/2020/03/materia-desarrollo-de-prototipos.html
  • 33. 33 Clasificación de las tecnologías de Lógica Digital : Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 34. 34 FPGA (Field-Programmable Gate Array): Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Hacen cualquier función lógica • Tienen altas velocidades • Configurable • Paralelismo masivo • Alta cantidad de I/O • Más caras que un uC pero mucho más baratas que Arduino o Rasberry Pi • Consumo de potencia • Volatile/Boot Time • Complejos*…
  • 35. 35 LUT (lookup table) : Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Using a lookup table (LUT) to model a gate network.
  • 36. 36 Procesadores en FPGAs (Intel-ALTERA): Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 37. 37 Clasificación de CI de Lógica Programable: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Circuitos Integrados de Aplicación Específica (ASICs): Configurados por los fabricantes pero con las funciones definidas por el usuario, requieren meses de desarrollo, mas económico que CPLDs o FPGAs. • Full Custom VLSI: Requiere años de diseño y pruebas del dispositivo. Se justifica bajo volúmenes grandes de ventas. Ej.: Microprocesadores y memorias RAM de computadoras. Relación de tecnologías de lógica digital: Velocidad, Densidad, Complejidad, Volumen de Producción, Costo de producción, Tiempo de desarrollo
  • 38. 38 Hard-processor vs Software-processor: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 40. 40 Arquitectura Hw/Sw - Cyclone V: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 42. https://www.intel.com/content/www/us/en/industrial- automation/products/programmable/applications/automation.html 42 Hard Processor HPS- ARM Cyclone V: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 43. 43 Hard Processor HPS- ARM Cyclone V: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Nios II Processor Reference Guide - Intel
  • 45. 1.3.- Proceso de diseño de un sistema embebido 45 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 46. 46 Diseño: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 El diseño de sistemas embebidos / Ciber-Físicos e Internet: • Desglosarse en una serie de subtareas para ser manejable • Necesidades que deben ser plasmados como requerimientos • Ideas para solucionar un problema con conocimiento sobre el área de aplicación • Proponer los componentes estándar de hardware y software • Presupuesto • Desarrollo de prototipo • Pruebas en Campo x N • Control de versiones de prototipo x N • Producto final Requerimientos Asesoría de expertos en el área Propuestas Hardware / Software Presupuesto Prototipo Pruebas de campo Control de versiones Producto final
  • 47. 47 Especificaciones: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Luego de tener claro los requerimientos, se recomienda usar abstracciones tanto a nivel de Hw y Sw. Estas abstracciones deberán en lo posible estar relacionadas de forma Jerárquica. • Jerarquías de comportamiento: Los estados, eventos y señales de salida son ejemplos de tales objetos. • Jerarquías estructurales: las jerarquías estructurales describen cómo los sistemas están compuestos de componentes físicos. El anillo de fuego del pacifico OCEAN BOTTOM SEISMOGRAPH (OBS)
  • 48. 48 OBS: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Proyecto de investigación con French Research Institute for Development (IRD) - Francia en conjunto con el Instituto Oceanográfico de la Armada del Ecuador (INOCAR) y FICT. Ecuador, 2013 - 2014.
  • 49. 49 OBS: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Proyecto de investigación con French Research Institute for Development (IRD) - Francia en conjunto con el Instituto Oceanográfico de la Armada del Ecuador (INOCAR) y FICT. Ecuador, 2013 - 2014.
  • 50. 50 Estacion Meteorologica (EM): Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
  • 51. 51 Sensores EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
  • 52. 52 Diseño de Hardware EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
  • 53. 53 Diseño 3D EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
  • 54. 54 Diseño 3D EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
  • 55. 55 Diseño 3D EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
  • 56. 56 Diseño Real EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5). BeagleBoneBlack
  • 57. 57 Diseño Real EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5).
  • 58. 58 Diseño Real EM: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Romero, G., Salazar, C., & Asanza, V. (2015). Desarrollo de un Prototipo de Sistema Hidrometeorológico. Revista Tecnológica-ESPOL, 28(5). Diseño y estructura real Pruebas de Campo
  • 59. 59 Ejemplo Social Cognitive Theory - SCT: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Asanza, V., Martín, C. A., Eslambolchilar, P., van Woerden, H., Cajo, R., & Salazar, C. (2017, October). Finding a dynamical model of a social norm physical activity intervention. In Ecuador Technical Chapters Meeting (ETCM), 2017 IEEE (pp. 1-6). IEEE.
  • 60. 1.4.- Lenguajes de programación para sistemas embebidos 60 Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 61. 61 Lista de Software: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 Raspberry • Simulador • Proteus • Programar • easycoding.tn Arduino • Simulador • Proteus • tinkercad.com • Programar • Arduino IDE XBEE • Simulador • Proteus (Tx, Rx) • Programación • DIGI XCTU
  • 63. 63 Proteus: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Podemos similar Arduino • Necesitamos tener instalado Arduino IDE • Arduino lo programamos en Lenguaje C • Puedo probar códigos de repositorios • Podemos similar Raspberry Pi3 y Pi4 (Versión de Proteus 8.10) • El Python de Proteus es diferente en sintaxis • No puedo probar códigos de repositorios • Puedo hacer programación basado en diagrama de flujo • Permite simular el XBEE pero solo con los pines Tx y Rx • Podemos hacer el diseño del PCB https://www.labcenter.com/downloads/
  • 64. 64 Arduino IDE: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Compilar y Programar el Arduino • Crear el archivo .hex que puede ser importado en simuladores https://www.arduino.cc/en/main/software
  • 65. 65 tinkercad.com: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • Permite hacer simulación realista con el BreadBoard • Simular el Arduino • Puedo programar (Lenguaje C) • Puedo copiar el código de repositorios y hacer pruebas https://www.tinkercad.com
  • 66. 66 easycoding.tn: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110 • No es un simulador de Raspberry • Permite generar el código en Phyton para programar Raspberry • Usa programación gráfica o de bloques • No guarda el trabajo realizado, se debe copiar el código XML para reconstruir el código en Phyton (No deja copiar el código Phyton) http://easycoding.tn/ep/demos/code/
  • 70. 70 Referencias: • Embedded Systems Design 3ra Edición, Peter Marwedel, 2018 • EDS_1.1-4 • EDS_ 2.1-2 • EDS_ 2.3.1-2 • http://podcastindustria40.com/ • https://vasanza.blogspot.com/2020/03/materia-desarrollo-de-prototipos.html Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110
  • 71. 71 Recursos: • Algunos contenidos vistos en clase como presentaciones, ejercicios resueltos, entre otros. Serán almacenados y compartidos en el siguiente Drive: Sistemas Embebidos 011000010111001101100001011011100111101001100001 01101010011001010110000101101110