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Sistemas embedded El mercado de los sistemas embedded es muy heterogéneo y actualmente constituye un mestizaje de tecnologías que históricamente vivían en sus respectivos mundos. En este artículo se tratan los sistemas embedded desde tres puntos de vista. En primer lugar, desde un punto de vista histórico con el objetivo de entender las claves de ciertas situaciones que se dan actualmente. En segundo lugar, desde el punto de vista tecnológico, explicando las diferentes familias, consorcios y estándares vigentes. Finalmente, se abordan los sistemas embedded desde el punto de vista del mercado, incluyendo una tabla comparativa de la oferta que disponemos en nuestro país.

S e pueden encontrar varias definiciones de sistema em-bedded en la bibliografía téc-

nica. Entre ellas se han seleccionado dos. La primera es la que reza en el portal de sistemas embedded http://embedded-systems-portal.com, que dice así: Un sistema embedded es una combinación de hardware y software, cada cual con unas capa-cidades fijas o programables, que está diseñado para una aplicación o dispositivo específicos.

La segunda definición es una síntesis de otras definiciones a gusto del autor de este artículo: Un sistema embedded es una combinación de hardware y software orientada a soportar un conjunto finito y nume-rado de funciones bien definidas, a menudo con capacidades de proceso en tiempo real e integrado en un sistema mayor.

Después de examinar un buen número de definiciones se observa un denominador común en todas ellas: un sistema embedded no es un sistema de propósito general.

Aun pudiendo estar basado en un sistema de propósito general y aun pudiendo ser pequeño, un sistema embedded debe aparecer como un sistema con funciones bien definidas (no cualesquiera), debe ser sólido, consistente y blindado, y debe es-tar pensado para ser manipulado externamente por sus usuarios e internamente solo por personal autorizado.

Un poco de historiaEl AGC (Apollo Guidance Computer) es considerado el primer sistema embedded de la historia. Desarro-llado por el MIT en la década de los sesenta, se montó integrado en los paneles de control de los cohetes Apollo protagonistas de misiones de viajes a la luna. Cada cohete traía dos unidades AGC de 2Kb de memoria RAM y por primera vez un dispositivo de control estaba compuesto al 100% por circuitos integrados.

La informática de la automatiza-ción industrial ha tenido durante décadas al PLC (Programmable Logic Controller) como protagonista principal. Al igual que los sistemas embedded, los PLC nacieron en la década de los sesenta. El primer PLC fue el Modicon (actualmente Schneider Electric) en un proyecto de la firma Bedford & Associates para la General Motors. Los PLC han in-corporado históricamente la cultura de programación de los diagramas de relés, también denominados diagramas Ladder. Actualmente, la naturaleza de los PLC está recogida en la norma UNE-EN 61131, que describe los lenguajes conocidos como CodeSys, que además del mencionado Ladder incluye el Se-quential Function Chart (Grafcet), que describe a los automatismos mediante unos diagramas basados en Redes de Petri. También se incluye un lenguaje tipo ensamblador deno-minado Instruction List y un lenguaje

de programación estructurada tipo pseudocódigo.

Tradicionalmente, los PLC han buscado ser muy robustos, consu-mir pocos recursos y tener capaci-dades por aplicaciones en tiempo real, entendiendo que el tiempo real estricto se mejora cuando los ciclos de control están por debajo del milisegundo. A finales de los ochenta se desarrollaron los buses de campo. Estos definen, de acuerdo con la terminología del modelo OSI, una capa física (niveles de señal y conectores) y una capa de enlace para comunicar los PLC con otros elementos como sensores, válvulas, etc. Estándares como ProfiBus, Mo-dbus, CanBus, Bitbus (RS-485) han dominado la escena de los buses de campo industrial hasta ahora. Ya más recientemente se les ha incorporado el estándar Industrial Ethernet.

Durante la última década se ha producido el fenómeno de que los PLC se han visto absorbidos, en parte, por sistemas PC embedded. Este proceso se ha podido observar en numerosos fabricantes. Uno de los ejemplos paradigmáticos es el caso del Simatic, de Siemens. La gama actual de Simatic se compone de tres líneas: la gama más económica es la denominada línea Classic (al igual que en otros fabricantes es de arquitectura propietaria), le sigue la gama media denominada Embedded Automation y, finalmente, la línea de gama alta conocida por Simatic PC-

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based controllers. En esta división en tres gamas, que se da también en otros fabricantes, se está observando un proceso de sustitución de la gama baja típicamente propietaria por la gama baja de Windows Embedded sobre un hardware de PC-embedded económico y para el resto de PC-em-bedded de gamas superiores.

Con el aumento de la potencia de cálculo de los procesadores, actual-mente las posibilidades potenciales en cuanto a funcionalidad de un sis-tema embedded respecto a un sistema de propósito general se han reducido prácticamente a cero. En el ámbito de la informática industrial hay un factor invariable que determina qué hardware y software utilizar, que es la estabilidad de comportamiento en entornos cíclicos. Ello implica una

sobria predictibilidad y fiabilidad que se antepone a la posibilidad ocasional que deslumbra en otros ámbitos. No obstante, la potencia de cálculo disponible actualmente permite que en un sistema embedded se pueda aplicar casi toda la informática, desde bases de datos, sistemas multimedia, acceso a Internet, etc. La mayoría de las técnicas del Swebok de 2004 (Software Engineering Body Of Knowledge) son susceptibles de ser de directa aplicación (www.swebok.org) y, por tanto, cada vez deberán ser más conocidas por los ingenie-ros que desarrollan soluciones en el ámbito industrial con sistemas embedded.

Otro tipo de sistemas que también se consideran sistemas embedded son los sistemas basados en un solo chip.

En ellos se encuentran los micro-controladores y más recientemente los denominados SoC (System on a Chip) y los denominados SIP (System in a Package).

El primer microcontrolador apa-reció en 1975 y fue el Intel 8408, que incluía un procesador, memoria RAM, memoria ROM y módulos de entrada/salida. Posteriormente, en los noventa, aparecieron los micon-troladores PIC de MicroChip, obte-niendo un gran éxito en el mercado. Estos sistemas no requerían sistema operativo, ya que el desarrollo que se realice lo es todo para el micro-controlador.

Los SoC (Systems On a Chip) pueden llegar a integrar toda la arquitectura de un PC ligero en un solo chip (PC on chip), como el ZFx86. Sin embargo, las técnicas de compilar software directamente en circuitería electrónica permiten la realización de sistemas embedded a medida sobre silicio con un alto grado de flexibilidad. Técnicas como los FPGA pueden ser utilizadas para realizaciones personalizadas a nivel de silicio.

Los SIP (System In a Package) responden a una filosofía distinta de los SoC y el debate sobre quién predominará en el futuro está en plena actividad. Los SIP integran en un paquete diversos chips ya existentes y conocidos.

Los PC embedded provienen en su origen de las arquitecturas de PC de propósito general, que se han ido adaptando a formatos más compactos y adaptados al entorno industrial. Sobre esta idea se han desarrollado un gran número de estándares industriales.

El softwareMás allá de los microcontroladores, los sistemas embedded utilizan sis-temas operativos compactos y con servicios de gestión de tiempo real. Si bien la lista de sistemas operativos para sistemas embedded es bastante amplia, actualmente el mercado está dominado por dos opciones: la basada en Windows Embedded y la basada en Linux. Ya se utilizan entornos de desarrollo visual, que cada vez se parecen más a los entornos de

■ Diferentes placas con distintos form factors.

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desarrollo de propósito general. Se empiezan también a incorporar he-rramientas de lenguajes de modelado como UML o con su versión RT-UML (Real Time UML). Los lenguajes de programación C y C++ son los más extendidos, aunque hay iniciativas que promueven el uso de lenguajes como Java o C#.

Uno de los sistemas operativos para sistemas embedded de más prestigio era Wind River, un producto 100% software basado en Unix. Una de las aplicaciones más conocidas de este sistema fue el vehículo Mars Pathfinder, utilizado por la NASA para explorar Marte. En 2009, Intel compró Wind River y ciertos analistas lo interpretan como una jugada de Intel de implementar software de alto nivel directamente en silicio dando lugar a una nueva generación de hardware para sistemas embedded.

La noción de form factorEn el ámbito de las placas de sis-temas embedded y de los sistemas integrados existe un gran número de estándares. Un criterio de clasi-ficación se basa en los denominados form factors. Desde la irrupción del PC en el mundo de la informática han ido apareciendo numerosos es-tándares que se centran es aspectos muy básicos, como son:

• Las dimensiones de la placa.• La posición de los anclajes.• La posición de las ranuras de

expansión, conectores de teclado, USB, etc.

• La forma física del conector de la fuente de alimentación

Las dimensiones son un indica-dor que permite tener una primera aproximación del tipo de componen-te embedded que se maneja. En la tabla adjunta se muestran los form factors más habituales. Aunque algunos de ellos no se asocian nor-malmente a los sistemas embedded, se han incluido ya que puede ser útil tener las medidas como referencia (cualquier placa de ordenador es susceptible, desde el punto de vista conceptual, de formar parte de un sistema embedded).

Los form factor se identifican me-diante unas siglas y en general respon-den a algo más que a aspectos muy básicos, llegando a la constitución de consorcios en los que participan fabricantes, grupos de interés y otros actores. Incluyen las especificaciones técnicas características comentadas anteriormente junto con especifica-ciones de consumo/potencia, modo de ventilación y otras.

En la figura de la página anterior pueden observarse diferentes placas

de diferentes Form Factors compa-radas. En www.formfactors.org se puede consultar en línea una formi-dable base de datos de productos y fabricantes según este parámetro.

Estándares habituales de sistemas embeddedEl consorcio de referencia en el ámbito de las placas para sistemas embedded es PC/104 (www.pc104.org), al que pertenecen unas cien empresas e instituciones de todo el mundo. Contempla tres tipos de miembros con sus correspondientes cuotas: Ejecutivo (5.000$ anuales), asociado (1.750 $ anuales) y afiliado (750$ anuales). Adicionalmente se editan publicaciones específicas sobre el mundo PC/104, como www.smallformfactors.com

Aunque los módulos PC/104 se fabrican desde 1987, la primera especificación formal no se publicó hasta 1992. Desde entonces, el interés en PC/104 se ha disparado. Al igual que el bus del PC original en sí, PC/104 fue inicialmente la expresión de un estándar de facto existente, en lugar de la invención y diseño de un comité. En 1992, el IEEE comenzó un proyecto para estandarizar la aplicación de factor de forma reducido del IEEE P996 en base a la especificación de los buses PC y PC/AT para aplicaciones embedded.

En www.pc104.org se puede acce-der gratuitamente a los documentos de las especificaciones, que actual-mente son las siguientes:

• PC/104 (bus ISA, clásico pero más dócil que PCI desde el punto de vista de las soldaduras).

• PC/104-Plus (bus ISA + PCI)• PCI-104 (bus PCI).• PCI/104 Express (bus x16 PCI

Express de 156 pins).• EBX (se basa en el estándar

IEEE-P996 y es el doble de grande qie PC/104 base).

• EPIC (más pequeño que EBX pero tiene más posibilidades de co-nexiones que PC/104 base (Ethernet, puertos serie, E/S digital A/D, vídeo, radio, etc).

• EPIC Express.Una de las características de

PC/104 es la posibilidad de apilar

Nombre del form factor de placa base Mm

WTX 356 × 425

AT 350 × 305Baby-AT 330 × 216BTX 325 × 266ATX 305 × 244EATX (Extended) 305 × 330LPX 330 × 229microBTX 264 × 267NLX 254 × 228Ultra ATX 244 × 367microATX 244 × 244DTX 244 × 203FlexATX 229 × 191Mini-DTX 203 × 170EBX 203 × 146microATX (min.) 171 × 171Mini-ITX 170 × 170EPIC (Express) 165 × 115ESM 149 × 71Nano-ITX 120 × 120COM Express 125 × 95ESMexpress 125 × 95ETX/XTX 114 × 95Pico-ITX 100 × 72PC/104 (-Plus) 96 × 90ESMini 95 × 55Qseven 70 × 70mobile-ITX 60 × 60

CoreExpress 58 × 65

■ Es posible apilar placas PC 104.

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las placas.Otro consorcio importante en el

sector de los sistemas embedded es el PICMG (PCI Industrial Compu-ter Manufacturers Group, www.picmg.org). Pertenecen a él un total de unas 250 empresas, ya que las subespecificaciones actúan como un subconsorcio disponiendo de su propio comité. El grupo, fundado en 1994, se formó originalmente para adaptar la tecnología PCI para su uso en las telecomunicaciones de alto rendimiento, aplicaciones informáticas militares e industriales, pero su ámbito se ha diversificado y se incluyen nuevas tecnologías. A diferencia de PC/104, las espe-cificaciones de PICMG no están disponibles gratuitamente.

Durante años, PICMG utiliza una convención de nomenclatura nu-mérica con la especificación que se conoce como “PICMG X. YY”. X de-nota diferentes factores de forma (“1” para tarjetas de ranura basados en una sola placa, “2” para CompactPCI y “3” para AdvancedTCA), mientras que YY se utiliza para indicar las versiones. PICMG agregó un acró-nimo de nomenclatura para obtener mejores resultados de los motores de búsqueda en Internet.

Algunos de los comités de PICMG son:

• CompactPCI. Creado en 1999, define un bus paralelo y una solución propietaria de comunicaciones punto a punto a través de un conector J2. Para responder a las críticas sobre el carácter propietario y los problemas

de compatibilidad han aparecido las variantes CompactPCI PlusIO (PICMG 2.30) y CompactPCI Serial (PICMG CPCI-S.0)

• COM Express. Define un com-puter-on-module. Son unos PC muy compactos e integrados montados en una pequeña placa, al estilo de las tarjetas TINI pero mucho más potente.

• PCI Mezzanine (o PMC).Permite añadir placas especializadas de en-trada/salida según estándares como iSBX o MIX.

• AdvancedTCA. Advanced Tele-communications Computing Archi-tecture es un estándar orientado a sistemas de telecomunicaciones como routers o switches.

• MicroTCA. A pesar de las siglas, está orientado a un abanico más amplio que AdvancedTCA con apli-caciones del tipo industrial, médico o proceso multimedia. Su concepción de form factor se orienta también a placas encerradas en cajas estándar pudiendo ser incrustables en un rack.

Otros estándares como VPX se basan en buses clásicos como VME, que data de los años ochenta y que se basó a su vez en VERSAbus, un estándar de los setenta. VPX, an-tes conocido como VITA 46, es un estándar ANSI (ANSI/VITA 2007) que proporciona sistemas VMEbus a través de un conector de alta ve-locidad. Definido por el VITA (VME International Trade Association) e integrado por empresas como Boeing, Curtiss-Wright, Electrónica Elma, GE Fanuc, Kontron, Mercury Compu-ter Systems o Northrop Grumman, se diseñó con aplicaciones de defensa in mente. VPX pretente mantener la máxima compatibilidad posible con VMEbus.

Los fabricantes de procesadores como Intel y AMD desarrollan ar-quitecturas para que los fabricantes de las placas embedded contruyan sobre ellas. Es el caso de las G-series de AMD o la gama de procesadores de Intel. En la figura superior se relacionan los procesadores con los respectivos form factor.

■ Relación de los procesadores con sus respectivos form factors.

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El mercado de los sistemas embeddedA pesar del contexto internacional de crisis, las previsiones de creci-miento del mercado de los sistemas embedded volverán a situarse por encima del 8% en la segunda mitad de 2011, tras la ralentización que se produjo en 2009, en que descendió en el peor momento a un 0,5%. En 2012 se prevé que el mercado global supere el tamaño de los 6.000 mi-llones de dólares. Asimismo, crecerá con más fuerza el mercado de las soluciones que propiamente el del hardware. Desde el punto de vista geográfico, el mercado chino crecerá más que el resto, de modo que el mercado mundial está llegando a

un reparto entre partes iguales con Europa y con Estados Unidos.

El mercado de los sistemas em-bedded está evolucionando con ra-pidez en un contexto de creciente madurez. Según la consultora VDC Research, la cadena de valor y los actores del mercado de los sistemas embedded pueden representarse en el diagrama adjunto.

Los fabricantes de placas para sistemas embedded están muy in-teresados en disponer de buenos proveedores de plataformas de soft-ware para permitir el desarrollo de soluciones sobre sus productos. Este interés está en auge y coincide con el incremento del peso del mercado de las soluciones. Asimismo. Los

VAR, OEM, integradores e ISV están interesados en que el mercado del hardware sea maduro para garantizar el suministro y costes bajos tanto de hardware como de software.

ConclusionesUn sistema informático de propósito general tiene infinitas aplicaciones y, por tanto, puede ser percibido como algo incontrolable por definición. Por lo contrario, un sistema embedded sirve para un conjunto numerado y finito de aplicaciones, lo que lo hace controlable por definición. Construc-tivamente hay dos aproximaciones: Partir de unos bloques constructivos base y combinarlos y otra menos deseable pero en ocasiones inevita-ble que es partir de un sistema de propósito general y domesticarlo sin contemplaciones. La oferta de sistemas embedded en Internet es im-presionante y variada. La noción de form factor es clave para facilitar un proceso de clasificación de estánda-res. La tabla de oferta que acompaña a este informe (pág. 82) representa una pequeña parte de esta oferta, pero tiene la particularidad de ser una oferta vigente detrás de la cual hay un soporte ofrecido localmente por el fabricante o distribuidor en nuestro país.

La fundación OPTI publicó en 2009, con la colaboración de ASCAMM, un informe titulado Ten-dencias y aplicaciones de los Siste-mas Embebidos en España que se puede descargar en www.opti.org. Una de las conclusiones es que los sistemas embedded acabarán siendo omnipresentes en prácticamente todas las industrias y con carácter transversal. Asimismo, el informe alerta de la poca adecuación de los planes de estudios universitarios, ya que todas las ingenierías se ven afectadas.

En cuanto al futuro, se está obser-vando una creciente oferta de placas que permiten extensiones a nivel de silicio con FPGA, lo que significa ir hacia híbridos de sistemas basados en placas con o sin cajas estandarizadas con funcionalidades on-chip.

Xavier Pi

Plataforma SW (software)

Sistemas operativos y entornos de desarrollo para sistemas embedded. Windows y Linux se reparten gran parte del mercado aunque cabe decir que el número de productos en muy amplio.

CPU (Central Processing Unit)) Procesadores de propósito general

DSP (Digital Signal Processing) Procesadores de señales

FPGA (Field Pragrammable Gate Array) Sistemas modulares y programables en silicio para crear sistemas en un chip

ECM (Electronic Contract Manufacturers) Proveedores de fabricación por encargo

ODM (Original Design Manufacturer) Proveedores de diseño y fabricación según requerimientos del cliente.

OEM (Original Equioment Manufacturer) Proveedores diseño y producto propio.

VAR (Value Added Reseller) Distribudor con soporte técnico.

ISV (Independent Software Vendor) Proveedor independiente de software

Vocabulario utilizado en el diagrama