¿Qué es un sistema embebido?
Un sistema embebido es un sistema informático especializado que está diseñado para realizar funciones o tareas específicas dentro de un sistema o producto más grande. A diferencia de los ordenadores de propósito general, que son versátiles y pueden ejecutar una amplia gama de aplicaciones, los sistemas embebidos están adaptados para funciones específicas y suelen optimizarse para rendimiento, eficiencia energética y fiabilidad dentro de su dominio de aplicación designado.
Las características principales de los sistemas embebidos incluyen:
- Funcionalidad dedicada: Los sistemas embebidos están diseñados específicamente para realizar una o unas pocas tareas específicas, como controlar un horno de microondas, gestionar el motor de un automóvil, procesar datos de un dispositivo médico o regular la temperatura en un termostato.
- Integración: Estos sistemas se integran en un producto o sistema más grande, donde funcionan como un componente o sub-sistema. A menudo operan «en segundo plano» y no son directamente visibles para el usuario final.
- Hardware y software: Los sistemas embebidos combinan componentes de hardware y software. El hardware incluye microcontroladores, microprocesadores, sensores, actuadores y otros componentes especializados. El software, a menudo llamado firmware, es responsable de ejecutar las funciones del sistema embebido.
- Operación en tiempo real: Muchos sistemas embebidos operan en tiempo real, lo que significa que deben responder a entradas o eventos dentro de un marco de tiempo específico para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema. Los sistemas embebidos en tiempo real se utilizan en aplicaciones como control automotriz, automatización industrial y robótica.
- Restricciones de recursos: Los sistemas embebidos a menudo tienen recursos informáticos limitados, incluyendo potencia de procesamiento, memoria y almacenamiento. Estas restricciones impulsan la necesidad de programación eficiente y optimización.
- Fiabilidad: Los sistemas embebidos están diseñados para alta fiabilidad y estabilidad, ya que se utilizan en aplicaciones críticas donde un fallo puede tener consecuencias graves, como en dispositivos médicos o sistemas aeroespaciales.
- Larga vida útil: Se espera típicamente que los sistemas embebidos tengan una larga vida útil, y pueden necesitar funcionar durante muchos años sin cambios significativos o actualizaciones.
Ejemplos de sistemas embebidos se pueden encontrar en diversos dominios, incluyendo electrónica de consumo (teléfonos inteligentes, cámaras digitales), automotriz (unidades de control del motor, sistemas de entretenimiento), automatización industrial (PLCs – Controladores Lógicos Programables), salud (dispositivos médicos, sistemas de monitoreo de pacientes) y muchos otros campos.
En resumen, un sistema embebido es un sistema informático especializado diseñado para realizar funciones específicas dentro de un contexto más amplio, destacando la fiabilidad, la operación en tiempo real y la optimización de recursos.
¿Qué es un diagrama de despliegue en UML?
Un diagrama de despliegue en el Lenguaje Unificado de Modelado (UML) es un tipo de diagrama utilizado para representar el despliegue físico de componentes de software y nodos de hardware en un sistema. Ilustra cómo los artefactos de software (como programas ejecutables, bibliotecas y componentes) se asignan a nodos de hardware (como servidores, computadoras o dispositivos) en un entorno informático del mundo real.
A continuación se presentan los elementos y conceptos clave asociados con los diagramas de despliegue en UML:
- Nodos: Los nodos representan elementos de hardware o dispositivos en el diagrama de despliegue. Pueden incluir servidores, estaciones de trabajo, routers, conmutadores, portátiles y más. Cada nodo suele tener un nombre y puede incluir detalles adicionales sobre sus propiedades.
- Artefactos: Los artefactos representan componentes o módulos de software. Pueden incluir ejecutables, bibliotecas, esquemas de bases de datos, archivos de configuración o cualquier otro elemento relacionado con el software. Los artefactos se asocian con nodos para mostrar dónde se despliegan.
- Asociaciones: Las asociaciones o conectores entre nodos y artefactos representan las relaciones de despliegue. Estas asociaciones indican que un componente de software específico se despliega en un nodo de hardware particular. Las asociaciones pueden tener etiquetas o estereotipos para describir el tipo de despliegue (por ejemplo, «funciona en», «aloja», «se conecta a»).
- Relaciones de dependencia: En algunos casos, puede incluir relaciones de dependencia entre artefactos para mostrar cómo dependen unos de otros. Por ejemplo, una aplicación podría depender de un servidor de base de datos o de un servidor web.
- Caminos de comunicación: Los diagramas de despliegue también pueden incluir caminos de comunicación entre nodos para mostrar cómo interactúan entre sí. Esto puede ser importante para comprender la comunicación de red o el flujo de datos en un sistema distribuido.
Los diagramas de despliegue son particularmente útiles en escenarios donde se necesita comprender y comunicar la arquitectura física de un sistema, especialmente en aplicaciones de software complejas que se ejecutan en múltiples servidores o dispositivos. Ayudan a los interesados a visualizar cómo se distribuyen los componentes de software en nodos de hardware y cómo estos nodos están interconectados.
Los diagramas de despliegue son una herramienta valiosa para arquitectos de sistemas, desarrolladores de software y administradores de sistemas al planificar, implementar y gestionar el despliegue de sistemas de software en un entorno real.
Cuándo utilizar diagramas de despliegue:
- Requisitos de integración: Determine qué sistemas existentes necesita interactuar o integrarse con el sistema recién introducido. Los diagramas de despliegue ayudan a visualizar estas interacciones.
- Robustez del sistema: Evalúe los requisitos de robustez, incluyendo si es necesario tener redundancia en el hardware para garantizar la disponibilidad del sistema en caso de un fallo.
- Partes interesadas del sistema: Identifique quiénes y qué entidades se conectarán o interactuarán con el sistema, y defina los métodos de interacción.
- Middleware y protocolos: Especifique el middleware, el sistema operativo y los protocolos de comunicación que utilizará el sistema para la comunicación y transferencia de datos.
- Interacción del usuario: Aclare qué componentes de hardware y software interactuarán directamente con los usuarios, como computadoras personales, computadoras de red o navegadores web.
- Monitoreo del sistema: Determine cómo se monitoreará el sistema una vez desplegado para garantizar su salud y rendimiento.
- Medidas de seguridad: Defina el nivel de seguridad requerido para el sistema, incluyendo la necesidad de firewalls, hardware físicamente seguro u otras mecanismos de seguridad.
Propósito de los diagramas de despliegue:
- Representación estructural: Los diagramas de despliegue proporcionan una representación visual de la estructura en tiempo de ejecución de un sistema, ilustrando los elementos de hardware utilizados y sus interconexiones.
- Modelado de hardware y comunicación: Modelan los componentes físicos de hardware y los caminos de comunicación que existen entre ellos, ayudando a comprender la arquitectura del sistema.
- Herramienta de planificación: Los diagramas de despliegue ayudan en la planificación de la arquitectura de un sistema, ayudando a los interesados a tomar decisiones informadas sobre la asignación de hardware y software.
- Documentación: Son valiosos para documentar el despliegue de componentes de software o nodos dentro de un sistema, ayudando a la documentación y comunicación del sistema.
Cómo modelar un sistema embebido con un diagrama de despliegue UML
Crear un sistema embebido presenta desafíos que van más allá del simple desarrollo de software. Implica la gestión intrincada del ámbito físico, repleto de partes móviles susceptibles al desgaste y deterioro, comportamientos de señal erráticos y características no lineales. Al elaborar un modelo para este tipo de sistema, se debe considerar su interacción con el mundo tangible, lo que requiere reflexionar sobre dispositivos y nodos poco convencionales.
Los diagramas de despliegue sirven como herramientas invaluables para fomentar una comunicación eficaz entre los ingenieros de hardware y los desarrolladores de software involucrados en su proyecto. Al utilizar nodos que poseen similitudes estereotipadas con dispositivos familiares, puede construir diagramas que resuenen con ambos grupos. Estos diagramas de despliegue también desempeñan un papel fundamental al considerar la interacción entre hardware y software. Sirven como medio para visualizar, articular, construir y documentar las numerosas decisiones de ingeniería que sustentan su sistema.
Para modelar un sistema embebido de manera efectiva, siga estos pasos:
- Identifique los dispositivos y nodos únicos específicos de su sistema.
- Utilice las características de extensibilidad de UML para crear estereotipos específicos del sistema con íconos correspondientes, especialmente para dispositivos poco comunes. Como mínimo, diferencie entre procesadores (que albergan componentes de software) y dispositivos (que, a este nivel de abstracción, carecen de integración directa con software).
- Construya un diagrama de despliegue para delinear las relaciones entre estos procesadores y dispositivos. Asimismo, especifique la conexión entre los componentes desde la perspectiva de implementación de su sistema y los nodos dentro de la perspectiva de despliegue de su sistema.
- Según sea necesario, detalle cualquier dispositivo inteligente mediante el desarrollo de un diagrama de despliegue más detallado.
Por ejemplo, considere la configuración de hardware mostrada en la figura a continuación, que ilustra un robot autónomo básico. En esta ilustración, encontrará un único nodo, estereotipado como un procesador, denominado placa base Pentium. Alrededor de este nodo hay ocho dispositivos, cada uno etiquetado como un «dispositivo» y representado con un ícono que ofrece una representación visual distinta que refleja su contraparte en el mundo real.
¿Por qué los sistemas embebidos se modelan más adecuadamente mediante un diagrama de despliegue de UML?
- Mapa físico: Los sistemas embebidos implican el despliegue de componentes de software en nodos de hardware específicos. Un diagrama de despliegue de UML está diseñado para representar el mapa físico de artefactos de software sobre hardware, lo que lo convierte en una elección ideal para modelar la interacción entre software y hardware en sistemas embebidos.
- Contexto del mundo real: Los sistemas embebidos operan en un contexto del mundo real con diversos dispositivos de hardware, sensores, actuadores e interfaces de comunicación. Los diagramas de despliegue le permiten capturar visualmente las relaciones entre estos elementos físicos y los componentes de software con los que interactúan.
- Claridad de visualización: Los diagramas de despliegue de UML utilizan notaciones gráficas que ofrecen una forma clara e intuitiva de representar nodos de hardware, componentes de software y sus conexiones. Esta claridad ayuda a comprender la arquitectura y el despliegue de un sistema embebido.
- Comunicación: Los diagramas de despliegue facilitan una comunicación eficaz entre los diferentes actores involucrados en el desarrollo de sistemas embebidos, incluidos desarrolladores de software, ingenieros de hardware, arquitectos de sistemas y gerentes de proyectos. Proporcionan un lenguaje visual común para discutir aspectos relacionados con el despliegue.
- Asignación de recursos: Los sistemas embebidos a menudo tienen restricciones de recursos, como potencia de procesamiento limitada, memoria o energía. Los diagramas de despliegue ayudan a asignar componentes de software a los nodos de hardware disponibles, teniendo en cuenta estas restricciones.
- Verificación y validación: Modelar el despliegue de un sistema embebido utilizando UML permite la verificación y validación tempranas de la arquitectura del sistema. Esto puede ayudar a identificar problemas o cuellos de botella potenciales antes de la implementación, lo que conduce a sistemas más confiables y eficientes.
- Documentación: Los diagramas de despliegue sirven como documentación valiosa para la arquitectura física del sistema. Documentan cómo se distribuyen los componentes de software entre los nodos de hardware, lo cual puede ser esencial para el mantenimiento, la resolución de problemas y la evolución del sistema.
- Escalabilidad y complejidad: Los sistemas embebidos pueden variar desde dispositivos simples hasta sistemas complejos y distribuidos. Los diagramas de despliegue de UML pueden escalarse para representar tanto sistemas embebidos de pequeña escala como de gran escala, lo que los hace versátiles para modelar diversos niveles de complejidad.
- Integración con otros diagramas UML: Los diagramas de despliegue de UML pueden integrarse con otros diagramas UML, como diagramas de clases, diagramas de secuencia y diagramas de componentes, para ofrecer una visión integral del sistema embebido. Esta integración ayuda a capturar aspectos estructurales y comportamentales.
Resumen
Los diagramas de despliegue de UML son adecuados para modelar sistemas embebidos porque ofrecen un enfoque sistemático y visual para representar la interacción entre software y hardware, permitiendo una comunicación eficaz, asignación de recursos y documentación en el contexto del desarrollo de sistemas embebidos.
Referencias
- Guía del usuario de UML, por Grady Booch, James Rumbaugh, Ivar Jacobson, Addison Wesley, 1999
- ¿Qué es el diagrama de despliegue?