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Simuladores

Os simuladores para sistemas embarcados são aplicativos de software executados em um computador host (geralmente um PC comum) que modelam e imitam o comportamento do processador e do sistema de hardware alvo. Eles permitem a execução de modelos de design para fins de validação e avaliação funcional, sem a necessidade imediata do hardware físico.

Abaixo, detalho as características dessas ferramentas:

Aplicações

  • Validação de Design: Verificação do comportamento funcional (entrada/saída) e de propriedades não-funcionais, como comportamento térmico e compatibilidade eletromagnética (EMC).
  • Desenvolvimento Precoce: Permite que programadores experimentem o software nos estágios iniciais de um projeto, mesmo antes do hardware real existir.
  • Simulação de Algoritmos: Teste de algoritmos complexos (como codificação de vídeo MPEG) para avaliar a qualidade dos resultados antes da implementação em hardware.
  • Educação: Ferramenta útil para o aprendizado de novas linguagens de programação e arquiteturas de microcontroladores.
  • Simulação de Falhas (Fault Simulation): Modificação de modelos para prever como o sistema reagirá na presença de erros específicos.

Vantagens

  • Baixo Custo e Velocidade: É mais barato e rápido implementar um produto inicial em um simulador do que construir um protótipo físico.
  • Controle e Observabilidade: Oferecem visibilidade total do estado interno (registradores e memória) e controle sobre a repetibilidade de eventos, o que é difícil em hardware real.
  • Segurança: Permite testar sistemas críticos, como controles automotivos ou de usinas, sem os perigos físicos de um sistema real instável.
  • Depuração Facilitada: Permite isolar se um comportamento estranho é erro de hardware ou interpretação errada da documentação do processador.

Desvantagens

  • Velocidade Reduzida: Simulações são tipicamente muito mais lentas do que o tempo de execução real, o que pode causar violações de restrições temporais se interfaceadas com o ambiente real.
  • Falta de Precisão em Tempo Real: Muitos simuladores não conseguem duplicar efetivamente as interações complexas de tempo real entre hardware e software.
  • Escopo Limitado: Frequentemente focam apenas no processador, ignorando periféricos externos complexos; criar modelos para esses periféricos pode ser mais trabalhoso do que o valor da simulação.
  • Incompletude: Não podem garantir a ausência de erros, pois é impossível simular todas as combinações de entradas e estados internos.

Simuladores Comuns no Mercado

  • Proteus (ISIS): Amplamente utilizado na academia e indústria para simular microcontroladores (como a família AVR) e circuitos eletrônicos completos.
  • MATLAB/Simulink: Popular para engenharia de controle e design baseado em modelos, permitindo simular sistemas dinâmicos e traduzi-los para código C ou VHDL.
  • AVR Simulator: Integrado ao ambiente profissional AVR Studio, permitindo depurar o código vendo o estado dos registradores bit a bit.
  • PSpice/SPICE: Padrão industrial para simulação de circuitos ao nível elétrico para análise de ruído, distorção e transientes.
  • Qemu: Ferramenta de código aberto utilizada para emular diversos sistemas, incluindo arquiteturas ARM.
  • Soluções Acadêmicas e Profissionais: gem5, SimpleScalar e OpenModelica (acadêmicos); Synopsys Virtualizer (comercial).

1. Tinkercad

O Tinkercad é uma ferramenta online gratuita da Autodesk voltada para niciantes. Ele permite a modelagem 3D, mas é amplamente conhecido na eletrônica por seu simulador de circuitos, onde é possível montar projetos com Arduino, LEDs, botões e sensores de forma virtual e programá-los em blocos ou em código C/C++, antes da implmentação em hardware real.

Tinkercad

Tinkercad

Tinkercad

Tinkercad

Tinkercad

Tinkercad

2. SimulIDE

O SimulIDE é um simulador de circuitos eletrônicos de tempo real, de código aberto e multiplataforma. Ele é focado principalmente na simulação de microcontroladores (como AVR, Arduino e PIC) e componentes periféricos. É uma alternativa leve a softwares profissionais, permitindo testar o código e o hardware virtualmente antes da montagem física.

Simulide

Simulide

Simulide

Simulide

Simulide

Referências

  1. ANDERSON, Rick; CERVO, Dan. Pro Arduino: Arduino Expert Topics and Techniques. New York: Apress, 2013.

  2. BARR, Michael. Programming Embedded Systems in C and C++. 1. ed. [S. l.]: O'Reilly, 1999.

  3. LANGBRIDGE, James A. Professional Embedded ARM Development. Indianapolis: John Wiley & Sons, 2014.

  4. LIMA, Charles Borges de; VILLAÇA, Marco Valério Miorim. AVR e Arduino: Técnicas de Projeto. 2. ed. Florianópolis: Edição dos Autores, 2012.

  5. MARWEDEL, Peter. Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things. 4. ed. Dortmund: Springer Nature, 2021.

  6. NOERGAARD, Tammy. Embedded Systems Architecture: A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers. Oxford: Elsevier, 2005.

  7. RUSSELL, David J. Introduction to Embedded Systems: Using ANSI C and the Arduino Development Environment. [S. l.]: Morgan & Claypool, 2010.

  8. VALVANO, Jonathan W. Embedded Systems: Introduction to ARM® Cortex™-M Microcontrollers. 5. ed. Austin: [s. n.], 2014. v. 1.

  9. Tinkercad url: https://www.tinkercad.com/

  10. SimulIDE url: https://simulide.com/p/