Inform

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Informática para Sistemas Embebidos

• Paper
• IEEE Instrumentation and Measurement
• Technology Conference
• Budapest, Hungary, May 21-23, 2001.
• Computing for Embedded Systems
• Edward A. Lee
• UC Berkeley, Berkeley, CA 94720, USA,
  eal_at_eecs.berkeley.ed

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Informática para Sistemas Embebidos

• El software embebido es cada vez más una
  composición de componentes concurrentes.
• Los sistemas son modelados como una aglomeración
  de componentes dentro de la gran variedad de
  modelos de computación.

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Informática para Sistemas Embebidos

• Componentes
• Actúan en una gran variedad de modos
• Deben declarar interfaces bien definidas
  (problema central).
• Interfaces de componentes
• Deben declarar propiedades dinámicas (principal
  beneficio).
• Protocolos de comunicación.
• Propiedades temporales.

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Informática para Sistemas Embebidos

• Modelos de computación. (principios subyacentes)
• Deben incluir información compartida, como el
  tiempo o la causalidad.
• Las propiedades determinan fuertemente los
  problemas que acarrea.
• Gobiernan la interacción de los componentes en un
  diseño.
• En software embebido se maneja concurrencia.

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Informática para Sistemas Embebidos

• Patrones. (pautas)
• Son pautas para los programadores.
• Se puede distinguir entre patrones de diseño y
  patrones de arquitectura.
• Un patrón de arquitectura expresa un esquema
  organizativo estructural fundamental para
  sistemas de software.
• Los modelos de computación son patrones de
  arquitectura, focalizados particularmente en las
  relaciones de operaciones entre componentes
  secuenciales o concurrentes.

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Informática para Sistemas Embebidos

• Estructuras. (hace cumplir patrones e implementar
  modelos)
• Restricciones a los componentes y sus
  interacciones.
• De las restricciones derivan beneficios.
• Ontología Una estructura define lo que
  representa un componente.
• Epistemología Una estructura define estados de
  conocimiento. Qué sabe la estructura acerca de
  los componentes? Qué saben entre sí los
  componentes?
• Protocolos Una estructura restringe los
  mecanismos por los cuales los componentes pueden
  interactuar.
• Léxico Es el vocabulario de la interacción de
  los componentes.

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Informática para Sistemas Embebidos

• Lenguajes de descripción de arquitectura (ADLs)
• Ciertos ADLs definen a los modelo de computación,
  describen su práctica actual.
• Para sistemas embebidos sería más útil un
  lenguaje de diseño de arquitectura, mejorar la
  práctica futura.

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Informática para Sistemas Embebidos

• Lenguajes de programación.
• Para soportar los modelos se extienden lenguajes
  o se realizan nuevos. Poco aceptados por ser poco
  familiares para mucho programa, limitadas las
  plataformas y los software de soporte, etc.
• La alternativa usar modelos para coordinar
  programas modulares escritos en los lenguajes más
  comúnmente usados.
• Las aplicaciones más grandes pueden mezclar más
  de un modelo de computación.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Ecuaciones diferenciales, tiempo continuo.
• Los componentes representan relaciones entre
  funciones continuas, y las interacciones son las
  funciones mismas.
• Las ecuaciones diferenciales son excelentes para
  modelar circuitos analógicos y muchos sistemas
  físicos.
• Forman el modelo de computación usado en
  Simulink, Saber, y VHDL-AMS, y están
  estrechamente relacionadas con los simuladores de
  circuitos Spice.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Ecuaciones en diferencias, tiempo discreto.
• Las ecuaciones diferenciales pueden hacerse
  discretas para conseguir ecuaciones en
  diferencias, un modelo de normalmente usado en
  procesamiento de señales digitales.
• Un reloj global define los puntos discontinuos en
  los que las señales tienen valores.
• Son más fáciles de implementar en software que
  las ecuaciones diferenciales.
• Sus puntos débiles son la sincronización global
  implicada por el reloj, y la incomodidad de
  especificar eventos irregulares en tiempo y la
  lógica de control.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Maquinas de estados.
• En las maquinas de estados finitos (MEF), los
  componentes representan estados des sistema y las
  interacciones representan transiciones de estado.
• MEF simple no es concurrente.
• Las maquinas de estado abstracto (MEA) generan la
  descripción de estados en la que los componentes
  (estados) representan sistemas algebraicos, y las
  interacciones representan transformaciones de
  esos sistemas algebraicos (Gurevich, 1997).

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Maquinas de estados.
• Son excelentes para la lógica de control en
  sistemas embebidos, particularmente sistemas de
  seguridad crítica.
• Además, las MEF son fácilmente plasmadas a
  cualquier implementación hardware o software.
• No son lo suficientemente completos para
  describir todas las funciones parcialmente
  recursivas.
• Otro punto débil es que el número de estados
  puede hacerse muy grande incluso ante una
  complejidad moderada.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Modelo sincrónico/reactivo (SR)
• Las interacciones entre los componentes son a
  través de valores de datos que se alinean con
  pulsos de reloj global, a diferencia de los
  modelos de tiempo discretos, una señal no
  necesita tener un valor en cada pulso de reloj.
• Los componentes representan relaciones entre los
  valores de la entrada y salida en cada pulso de
  reloj.
• Son excelentes para aplicaciones de lógica de
  control concurrente y compleja.
• A causa de la estricta sincronización, algunas
  aplicaciones están muy especificadas en el modelo
  SR, lo que limita las alternativas de
  implementación y hace sistemas distribuidos
  difíciles de modelar.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Modelo de eventos discretos.
• las interacciones entre los componentes son a
  través de eventos colocados sobre una línea de
  tiempo. Una señal es una secuencia de tales
  acontecimientos. Los componentes procesan eventos
  en orden cronológico.
• No hay un pulso de reloj global, pero si una
  noción de tiempo global.
• Los modelos DE son una excelente descripción para
  hardware concurrente.
• Una debilidad es que son caro de implementar en
  software, como lo demuestra los simuladores
  relativamente lentos.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Modelo de ciclo controlado
• En los modelos Ciclo-controlado los componentes
  están asociados con el reloj y normalmente
  realizan los cálculos según el pulso de reloj.
• En el sistema Scenic (Liao, et. al, 1997), por
  ejemplo, los componentes son procesos que corren
  indefinidamente, puesto que esperan el pulso de
  reloj, o esperan alguna condición sobre las
  entradas.
• Scenic también incluye un ingenioso mecanismo
  para modelar por prioridades, una característica
  importante de muchos sistemas embebidos.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Programación de tasa monótona.
• Se asigna mayor prioridad a las tareas de menor
  período.
• Muy comúnmente utilizado en modelos de
  computación en diseño de sistemas embebidos
• Es tan popular que es rutinariamente aplicando
  incluso cuando las tareas no son periódicas
  naturalmente.
• Un gran inconveniente en este modelo de
  computación es que no incluyen intrínsecamente
  los mecanismos de interacción entre los
  componentes.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Paso de mensaje sincrónico.
• Los componentes son procesos, y los procesos se
  comunicar en forma atómica, mediante citas
  (rendezvous).
• Muy comúnmente utilizado en modelos de
  computación en diseño de sistemas embebidos
• Se ha realizado en una serie de lenguajes de
  programación concurrente, incluyendo Lotos y
  Occam.
• Están especialmente bien adaptados a aplicaciones
  donde compartir recursos es un elemento clave,
  tales como modelos de bases de datos
  cliente-servidor y multitareas o multiplexación
  de recursos hardware.
• Un punto débil es que mantenerlo determinístico
  puede ser dificultoso.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Paso de mensaje asincrónico.
• Los procesos se comunican para enviar mensajes
  mediante canales que pueden guardar vía buffer
  los mensajes en memoria. El remitente del mensaje
  no necesita espera que el receptor este listo
  para recibir el mensaje.
• En un modelo de redes de procesos las
  interacciones entre los componentes son a través
  de secuencias de valores de datos (fichas), y los
  componentes representan funciones que mapean
  secuencias de entrada en la salida
• Son excelentes para procesamiento de señal. Son
  ligeramente acoplados, y por lo tanto
  relativamente fácil de paralelizar o distribuir
• Son complicados de utilizar para especificar la
  lógica de control

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Procesos de comunicación secuencial y de redes
  temporizados.
• casos involucran hilos para comunicarse a través
  de paso de mensajes, sincrónicamente en el primer
  caso y asincrónicamente en el último.
• Ninguno de los modelo incluyen intrínsecamente
  una noción del tiempo.
• Puede ser ampliados con una noción del tiempo
  para promover la interoperabilidad y hacer
  directamente modelos de propiedades temporal.
• Los hilos asumen que el tiempo no avanza,
  mientras que están activos, pero puede avanza
  cuando se paran en la entrada, en la salida o se
  indican explícitamente que el tiempo puede
  avanzar.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Publicar y suscribir.
• Utiliza notificación de eventos como el principal
  medio de interacción entre los componentes. Un
  componente declara un interés en una familia de
  eventos (suscribe), y otro componente asegura
  eventos (publica).
• Muy adecuado para comunicaciones sumamente
  irregulares y comunicaciones no temporizadas.

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Algunos modelos de computación paraSistemas
Embebidos

• Eventos desestructurados.
• Muy permisivos que se basan en llamada de métodos
  sin control particular sobre el orden en que
  ocurre dichos llamado de los método.
• Las interacciones no sincronizadas pueden
  implementarse fácilmente sin riesgo de
  estancamiento.
• Si se requiere sincronización, el programador
  debe construir los mecanismos desde el principio.

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Informática para Sistemas Embebidos

• Elegir el modelo.
• El nivel de abstracción y el dominio de
  especificidad aumentan en la práctica de diseño,
  esto obliga a seleccionar entre una gran variedad
  de modelos que puede ser intimidante. Se cree que
  interfaces de usuario más visuales y sofisticadas
  serán requeridas para permitirles a los
  diseñadores hacer frente a esta heterogeneidad.
• Una diferencia esencial entre modelos de
  computación concurrentes es su modelado de
  tiempo.
• Muchos investigadores han reflexionado
  profundamente acerca del papel del tiempo en la
  computación.
• Cómo podemos conciliar esta multiplicidad de
  opiniones?

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Informática para Sistemas Embebidos

• Elegir el modelo.
• Un enfoque unificado imponente sería tratar de
  encontrar un modelo concurrente de computación
  que sirva para todos los propósitos. Esto podría
  lograrse creando una conglomeración, una mezcla
  de todo lo anterior, pero tal mezcla sería
  sumamente compleja y difícil de utilizar.
• Otra alternativa sería elegir un modelo
  concurrente de computación, como el modelo de
  citas, y mostrar que todos los otros están
  abarcados como casos especiales. Esto, en teoría,
  es relativamente fácil de hacer. La mayoría de
  estos modelos de computación son lo
  suficientemente expresivo para ser abarcados por
  la mayoría de los otros. Sin embargo, esta falla
  en reconocer las ventajas y desventajas de cada
  modelo de computación.

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Estructuras de la Estructura

• A fin de obtener ciertos beneficios, las
  estructuras imponen restricciones.
• las estructuras pueden volverse más
  especializadas a medida que buscan mayores
  beneficios.
• La desventaja de estructuras especializadas es
  que es poco probable que puedan resolver todos
  los problemas de estructuras para cualquier
  sistema complejo.
• Para evitar perder los beneficios de las
  estructuras especializadas, los diseñadores de
  estos sistemas complejos tienen que mezclar
  estructuras heterogéneamente.

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Estructuras de la Estructura

• Hay varias maneras para mezclar estructuras. Uno
  de ellos es mediante la especialización (análoga
  a subclasificación) donde una estructura es
  simplemente la versión mas restringida de otra.
• Una segunda manera de mezclar estructuras es
  jerárquicamente. Un componente en una estructura
  es en realidad un conjunto de componentes en
  otra.