Hardware dos Sistemas Embarcados

Atualmente, vários produtos possuem uma capacidade computacional bastante eficaz, e que estão presentes no nosso dia-a-dia. Eletrodomésticos, por exemplo, contam com sistemas eficazes para garantir um maior conforto e praticidade aos usuários. No microondas, é possível realizar diversas funções predefinidas pelo seu usuário. Neste equipamento, como também em outros tantos, o chamado sistema embarcado está incluso.

Um dos grandes diferenciais dos Sistemas Embarcados(SEs) é o seu hardware, que consegue aliar objetividade e baixo custo. Mas como funciona o hardware por trás desse sistema? É o que será tratado nessa postagem.

O hardware do sistema embarcado pode ser divido em:

1. Unidade de processamento;

2. Memória;

3. Periféricos;

1.1. A unidade de processamento executa as instruções (software/firmware) responsáveis por realizar cálculos, tomar decisões e tratar eventos (como aquele do botão do elevador). Nos SEs são usados microprocessadores, entretanto os desenvolvedores optam pelo uso de microcontroladores, já que esses contam com vários periféricos integrados no mesmo chip. Possui normalmente a arquitetura elementar clássica de um processador de computador convencional, como a unidade lógica/Aritmética (ULA), unidade de controle (UC), registradores, etc...;

2.1. A memória armazena dados e instruções relacionados às operações da unidade de processamento. As instruções e dados podem dividir a mesma memória, como nos PCs (arquitetura Von Neumann) ou separados em memórias distintas (arquitetura Harvard), sendo a segunda a mais comum em SEs.

2.1.1. A Arquitetura de Von Neumann (de John Von Neumann), é uma arquitetura de computador que se caracteriza pela possibilidade de uma máquina digital armazenar seus programas no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim manipular tais programas.

Nesta, é processada uma única informação por vez, visto que nessa tecnologia, execução e dados percorrem o mesmo barramento, o que torna a arquitetura mais simples porém torna o processo lento em relação à arquitetura Harvard.

2.1.2. A Arquitetura de Harvard baseia-se em um conceito mais recente que a de Von-Neumann, tendo vindo da necessidade de pôr o microcontrolador para trabalhar mais rápido. É uma arquitetura de computador que se distingue das outras por possuir duas memórias diferentes e independentes em termos de barramento e ligação ao processador.

Baseia-se na separação de barramentos de dados das memórias onde estão as instruções (endereços) de programa e das memórias de dados, permitindo que um processador possa acessar as duas simultaneamente, obtendo um desempenho melhor do que a da Arquitetura de Von Neumann, pois pode buscar uma nova instrução enquanto executa outra.

A principal vantagem desta arquitetura é dada pela dupla ligação às memórias de dados e programa (código), permitindo assim que o processador leia uma instrução ao mesmo tempo que faz um acesso à memória de dados.

3.1. Os periféricos são as interfaces da unidade de processamento com o mundo externo, trazendo ou enviando informações para ele. Um exemplo de um periférico seria um conversor analógico/digital acoplado a um sensor térmico que converte a temperatura de um ambiente em números binários para que a unidade de processamento consiga interpretar e processar a informação.

Como já dito, o objetivo dos Sistemas Embarcados é o de controlar processos, ou seja, atuar sobre um problema. Um processo pode ir de um simples acender e apagar de lâmpadas automatizado, até gerenciamento autônomo de um avião (piloto automático). É para isso que servem os periféricos, que são utilizados e dimensionados com base no problema alvo.

Duas categorias de periféricos se destacam em um SE, os sensores e os atuadores.

3.1.1 Sensores são responsáveis em adquirir informações captando ações ou estímulos do processo a ser controlado. Essas informações são primordiais para a unidade de processamento, pois com base nelas decisões podem ser tomadas.

Exemplos desses tipos de periféricos são sensores de temperatura (termistores), pressão (piezos), toque (touchscreen), distância (sonar/infravermelho), movimento (acelerômetros), etc. Esses são periféricos que enviam informação da área de atuação para o SE.

3.1.2. Atuadores proporcionam ao SE a habilidade de intervir no meio onde atua. Como o próprio nome diz, são dispositivos que realizam ações que interferem no processo em controle, como motores, ventiladores, luzes, aquecedores, resfriadores, etc. Esses são periféricos que enviam informação do SE para a sua área de atuação.