A differenza di una chiavetta USB, che può essere portata ovunque e utilizzata da computer o televisori, un sistema Embedded (integrato) è progettato per essere implementato in un solo dispositivo o in una macchina specifica. Viene utilizzato per controllarne il funzionamento. In sostanza è un sistema di elaborazione integrato all’interno del dispositivo per monitorarne e gestirne le funzionalità. Il dispositivo con un sistema embedded può essere qualsiasi cosa, da uno smartwatch a un grande sistema di imaging medicale o un robot. E, come suggerisce il nome, il sistema embedded è normalmente incorporato al loro interno.
Vi spiegheremo in maniera semplice come funziona un sistema Embedded: evidenzieremo i suoi funzionamenti interni e dove trova applicazione.
Una teoria del sistema Embedded
Il primo sistema Embedded prodotto in massa fu un computer, ma non il personal computer d’uso casalingo. Dobbiamo tornare indietro, negli anni ‘60, nella burrasca della Guerra Fredda, quando i missili diventarono il mezzo perfetto di deterrenza nucleare. Il computer con sistema embedded integrato era il sistema di guida computerizzato Autonetics D-17. Dovete solo sapere che era alla guida del missile Minuteman I, un missile balistico intercontinentale. Era un missile disposto per il trasporto a lungo raggio di ordigni nucleari. La principale caratteristica di questo primitivo sistema Embedded era la possibilità di modificare in un secondo momento l’algoritmo di guida per migliorare la precisione del missile contro il bersaglio. L’uso del GPS per rendere più precisi i missili fu sviluppato con la rivoluzione dei satelliti artificiali. Poter correggere gli algoritmi è la teoria alla base del sistema embedded. I calcoli, essendo imperfetti, necessitavano di un raddrizzamento.
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Il sistema Embedded subì in seguito una riduzione dei costi, in contemporanea a una crescita delle capacità di calcolo, grazie all’ausilio di nuovi microprocessori, come l’Intel 4004. Venne montato su una calcolatrice e su apparecchiature di modeste dimensioni. Texas Instruments ha sviluppato il primo microcontrollore nel 1971.
I meccanismi di un sistema Embedded
I sistemi Embedded sono progettati per scopi precisi, su misura. Non sono muniti di un proprio sistema operativo, piuttosto hanno un hardware unico e un software che lo accompagna chiamato firmware. Funzionano senza interazione umana, in maniera autonoma. Il firmware può essere aggiornato da un utente, quello sì. Sanno resistere a eventi dannosi e sanno ripartire in maniera del tutto autonoma. Il ‘cervello’ di un sistema Embedded è il microprocessore, che ospita al suo interno una CPU, cioè l’unità centrale di operazione.
Data la sua funzione di controllo, il sistema embedded deve essere in grado di monitorare gli ingressi dei sensori, come temperatura, tensione o video, eseguire calcoli di controllo ed eventualmente analitici sui dati misurati, e, inoltre, saper impostare alcune operazioni, come display, luci, motori o valvole. Il sistema embedded deve quindi disporre di una serie di porte di ingresso che siano elettricamente e fisicamente compatibili con i sensori da monitorare. Deve possedere il giusto intervallo e la giusta scala, con adeguata precisione. Deve inoltre essere in grado di resistere alla corruzione o ai danni causati dalle interferenze elettriche. Inoltre è meglio sia provvisto di un isolamento elettrico tra i circuiti di alimentazione e anche di controllo.
Anche il packaging del sistema embedded – l’involucro che ospita il circuito elettrico e l’alimentazione – è un aspetto importante, poiché i sistemi embedded sono spesso installati in luoghi con condizioni ambientali ostiche. L’ingresso di polvere e altri oggetti, l’umidità e persino l’acqua possono essere una minaccia.
Le dimensioni dei sistemi embedded variano notevolmente a seconda del numero di ingressi e uscite che devono controllare, altresì dipende dalla complessità e velocità delle funzioni di controllo necessarie. Un approccio più tipico per le apparecchiature più grandi, tuttavia, è quello di utilizzare un PC industriale, grazie alla sua flessibilità e scalabilità e, in parte, all’uso di componenti hardware e software standardizzati.
Vantaggi e svantaggi di un sistema Embedded
VANTAGGI
Innanzitutto richiedono un basso costo manifatturiero, perché i sistemi sono dedicati alle specifiche di un unico dispositivo. Potrebbero essere esclusi, ad esempio, i sistemi grafici ad alte prestazioni; alcuni sistemi potrebbero non avere affatto un’interfaccia utente. Altri sistemi possono possedere processori con prestazioni e consumi limitati, se l’applicazione di destinazione non richiede un’elaborazione ad alte prestazioni. Questi sistemi hanno anche bassi requisiti di potenza, e alcuni possono persino funzionare a batterie. I sistemi embedded possono anche essere estremamente compatti e facili da collocare, soprattutto se non richiedono un ampio spazio libero intorno a loro per la ventilazione.
Inoltre, i sistemi embedded sono estremamente affidabili, devono esserlo per soddisfare le esigenze del dispositivo che ospita il sistema al suo interno. Possono sopravvivere a condizioni ambientali ed elettriche ardue e forse anche a maltrattamenti volontari, utili ad esempio se si trovano in un luogo pubblico.
Inoltre il sistema embedded è utile per la produzione di massa ed è in grado di coprire un’ampia varietà di ambienti.
SVANTAGGI
Poiché i sistemi embedded tendono a essere progettati per gestire un solo compito specifico, può essere difficile riassegnarli a un’applicazione diversa. Il loro punto di forza può diventare un’arma a doppio taglio. Infatti gli slot per le schede di espansione possono essere pochi o inesistenti. Inoltre, il loro RTOS non è in grado di supportare un’ampia gamma di applicazioni software come Windows, e anche se lo facesse, la potenza e la memoria per elaborarle potrebbero essere pressoché limitate.
Un altro svantaggio è che offrono risorse di memoria molto limitate.
Sistema Embedded: Applicazioni
La domanda naturale da porsi, arrivati a questo punto, è sapere dove il sistema embedded trova impiego. In quali apparecchiature elettroniche? Elenchiamo le principali tecnologie che ne fanno uso nel quotidiano:
- Ricevitori GPS
- Fotocamere digitali
- Console di videogames (i firmware aggiornabili sono una costante dalla quinta generazione in poi, PS3 e X360)
- Router wireless
- Fotocopiatrici
Gli smartphone sono una tecnologia interessante in merito all’applicazione dei sistemi embedded. Presentano molte delle caratteristiche di un sistema embedded, ma possono anche accettare o eseguire applicazioni richieste dall’utente, rendendoli in questo senso simili ai PC fissi. Ciò è dovuto ad una loro esclusiva componente: il System on a chip. Per saperne di più, consigliamo la lettura di un altro nostro articolo:
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Il sistema embedded, al di là dell’uso domestico, trova applicazione in:
- Veicoli
- Macchine per dialisi
- Monitor cardiaco
- Droni
- Robot industriali
- TV
- Allarme digitale
- Airbag
- Iniezione di carburante
- Missili
- Reattori nucleari
- Stazioni spaziali
- Condizionatore
Risulta incredibile il suo ampio impiego. Si parte dal campo medico fino a quello militare, spaziando poi dalle automobili ai robot industriali. Ciò fa intuire quanto il sistema integrato sia fondamentale per rendere più precise le operazioni di una tecnologia. Prima di passare alle conclusioni, tuttavia, è necessario capire cosa siano il microcontrollore e il microprocessore di un sistema integrato.
Microcontrollore e microprocessore: due componenti essenziali
Un microprocessore è un dispositivo semiconduttore basato su un chip. La CPU del microprocessore è dotata di un contatore di programma, un registro di lavoro, una ROM e una RAM.
Un microcontrollore invece è un’unità VLSI a chip singolo. È dotato di interfaccia I/O (input/output) e di memoria.
Le due unità rappresentano gli ‘organi’ fondamentali di un sistema embedded, senza di esse non funzionerebbe a dovere. Dopotutto, senza cuore e cervello noi non potremmo sopravvivere!
Tipi di sistema integrato
Esistono in tutto tre tipologie di sistema embedded. Basta sapere questo. Si differenziano per la complessità dell’architettura interna usata da ciascuno e per i bit. Abbiamo:
- Piccola scala
- Media scala
- Sofisticato
Il sistema su piccola scala è progettato con un singolo microcontrollore a 8 o 16 bit. Le sue componenti essenziali sono: un editor e un assemblatore.
Il sistema su media scala, invece, è progettato per implementare più di un microcontrollore, raggiungendo i 32 bit. Offrono una capacità informatica superiore, come Java e C++.
Il sistema sofisticato è il più complesso tra i tre. Può richiedere infatti un processore di configurazione, IPS, ASIPS e un design con componenti hardware e software da combinare.
Conclusione
Il sistema embedded, o integrato, è un sistema di elaborazione integrato in una data tecnologia allo scopo di gestire al meglio certe funzionalità. Dagli anni ’60 in poi è esploso il suo sviluppo e oggigiorno è implementato in decine di tecnologie, dai missili intercontinentali alle macchine per dialisi. La possibilità di produrla in massa grazie al suo esiguo costo manifatturiero e la sua affidabilità ha reso il sistema integrato una risorsa preziosa per innumerevoli apparecchi elettronici. Ogni sistema embedded è accompagnato da un firmware, cioè il lato software. Il firmware potrebbe essere manualmente aggiornabile, come nel caso delle console gaming, il quale permette di correggere eventuali bug o di apportare miglioramenti nell’interfaccia. Il sistema integrato è sconosciuto ai più, ma è un tassello fondamentale da scoprire.
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