Sistemas digitales embebidos

El avance que ha tenido la industria electrónica digital ha permitido obtener microcontroladores y microprocesadores muy confiables, de alto desempeño y a muy bajo costo. Esto ha permitido que las unidades de procesamiento digital se encuentren presentes en prácticamente todos los aspectos de la vida cotidiana, desde celulares inteligentes y tabletas, hasta aplicaciones automotrices y electrónica de consumo. Esta diversidad de aplicaciones, así como la competencia por estar primero con el producto en el mercado, exigen especificaciones y metodologías complejas en el diseño y verificación de los sistemas digitales.

Actualmente los lenguajes de descripción de hardware, los circuitos lógicos programables y las herramientas de síntesis digital, son recursos que potencializan el desarrollo de los sistemas digitales, y aunado a los actuales retos del diseño electrónico digital, dan lugar a un campo fértil para el desarrollo tecnológico y la investigación. En particular, se presentan retos muy importantes en el diseño de sistemas digitales en los siguientes nichos: circuitos serializadores y deserializadores de alta velocidad, sistemas de memoria y almacenamiento de alto volumen y rápido acceso, plataformas de cómputo de alto desempeño, video de alta resolución para sistemas de info-entretenimiento, redes de procesadores y su interconectividad, entre otros.

Por otro lado, el desarrollo de los sistemas embebidos requiere de un hardware confiable, de bajo costo y alto desempeño, generalmente de propósito específico, aunado al desarrollo de algoritmos para que dicho hardware realice los propósitos para los que fue diseñado. Es en esta combinación de hardware/software integrado a la aplicación donde se da origen a los sistemas embebidos.

Un sistema embebido difiere de un sistema de procesamiento digital tradicional, como una computadora de escritorio, en que el primero debe tratar con señales continuas en el tiempo, está generalmente sujeto a restricciones de tiempo real, debe contener mecanismos de tolerancia a fallas y su seguridad y desempeño deben estar garantizados. Por ejemplo, el sistema embebido que controla las bolsas de aire de los automóviles cuenta con unas milésimas de segundo para decidir la activación de las bolsas. El sistema debe determinar si el automóvil ha experimentado una colisión y entonces activar las bolsas de aire durante unos instantes precisos para absorber el golpe pero al mismo tiempo evitar asfixiar al pasajero. El sistema también debe evitar falsos disparos, ya que volver a instalar el sistema de bolsas de aire es costoso. Las soluciones basadas en sistemas embebidos logran este propósito de la seguridad de los pasajeros utilizando un sofisticado sistema de sensores y algoritmos PDS embebidos. Así mismo, a fin de evitar los falsos positivos, muchos autos utilizan sensores redundantes y mediante un sistema de "votaciones" en firmware, se decide si activar el sistema de bolsas de aire o no.

Todas las restricciones a las que está sujeto un sistema embebido plantean retos importantes, tanto en la investigación como en el desarrollo de tecnología. Los métodos formales para el modelado y análisis de sistemas embebidos permiten agregar cierto rigor matemático en la construcción de los sistemas, aunado a la posibilidad de realizar simulaciones por computadora, lo que permite ajustar los modelos y abaratar los costos totales de creación de los sistemas embebidos.

Por otro lado, las técnicas de control híbrido permiten tratar a los sistemas embebidos como "plantas a controlar", donde se pueden utilizar técnicas lineales y no lineales para su controlabilidad, observabilidad, estabilidad, tolerancia a fallas y redundancia, ya sea en espacios de estado continuos, discretos o híbridos.

De manera similar al caso de los sistemas de telecomunicación, las técnicas de procesamiento digital de señales (PDS) han jugado un rol clave en el desarrollo y la aplicación práctica de los sistemas embebidos. Técnicas modernas de PDS aunadas a eficientes implementaciones en hardware están permitiendo cada vez mayores capacidades de procesamiento de información en tiempo real, obtenida mediante sistemas de percepción local o remota (sensores), con un alto grado de flexibilidad al poder modificar por software la operación misma del PDS en el sistema embebido, dando lugar a las más diversas aplicaciones en múltiples sectores industriales, comerciales y de salud.

La línea de investigación en diseño electrónico cultiva el campo del diseño de sistemas digitales y embebidos con énfasis en los métodos formales para su especificación, análisis, diseño e implementación, utilizando tanto dispositivos digitales con arquitectura rígida, como microprocesadores y microcontroladores, así como dispositivos digitales con arquitectura configurable, como FPGAs. Este campo de investigación involucra las técnicas de PDS para el diseño e implementación de algoritmos de tratamiento de señales en sistemas digitales y embebidos, así como las técnicas de control en lazo cerrado aplicadas a los sistemas embebidos.