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Aula 01 - Sistemas embarcados

A terceira revolução industrial, que ocorreu após o fim da Segunda Guerra Mundial, produzida pelo desenvolvimento e utilização em larga escala da microeletrônica, possibilitou a construção dos primeiros computadores, ainda de grande porte, que evoluíram para os microcomputadores, que logo foram ligados em rede. Em seguida vieram os computadores portáteis, alcançando o que chamamos smartphones, mas que erroneamente ainda chamamos de celulares.

Toda essa evolução produziu diversos novos conceitos ao longo do tempo, entre eles o conceito de Computação Ubíqua, sendo este um novo paradigma proposto em 1991 por Mark Weiser (1952-1999), em que o computador está em toda parte, de forma imperceptível (ou invisível) aos usuários, embarcado (ou embutido) nos ambientes agindo e reagindo de forma inteligente a tudo o que acontece ao seu redor.

"As tecnologias mais profundas são aquelas desaparecem. Tecem-se no tecido da vida cotidiana até que são indistinguíveis dela.”

Mark Weiser

Figura: Mark Weiser - Xerox Palo Alto Research Center

Fonte: Design de Interação & Computação Pervasiva

Em seu artigo intitulado “The computer for the twenty-first century" publicado pela Scientific American em Setembro de 1991, Weiser apresenta o que seriam os computadores no século XXI.

Mas a computação ubíqua só é possível por conta do desenvolvimento derivado da computação convencional, em que sistemas eletrônicos dedicados realizam o trabalho de processar dados do mundo real. Em inglês são chamados sistemas embedded e são chamados em português de sistemas embarcados ou mesmo embutidos.

Talvez a mais notória utilização de um sistema embarcado ocorreu em julho de 1969, com a chegada de Armstrong, Aldrin e Collins à lua, sendo o “Apollo Guidance Computer (AGC)” o grande responsável pelo controle dos sistemas do Módulo Lunar.

Figura: Apollo Guidance Computer (AGC) da missão espacial Apollo 11 e Neil Armstrong pisando na lua.

Fonte: Wikipedia

O AGC foi desenvolvido pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) e é considerado o primeiro sistema embarcado, considerado na época um sistema de alto risco, devido aos circuitos integrados ainda serem uma novidade tecnológica, ainda pouco experimentados em condições extremas. O AGC operava em tempo real, possuía memórias RAM de 2kB e ROM de 32 kB, com a velocidade de clock de 1,024 MHz, display e teclado apenas numérico.

Podemos notar que os sistemas embarcados evoluíram de forma a atender necessidades ou mesmo vontades de aplicações diversas, assim como na biologia, a evolução produz sistemas simples ou complexos a depender do ambiente, das necessidades, dos recursos e aplicações.

Existem muitas definições, mas podemos considerar que um sistema embarcado basicamente é um conjunto dedicado de circuitos, incluindo um controlador programável, de modo a atender uma aplicação específica. Como exemplos mais comuns, são citados os aparelhos de micro-ondas e máquinas de lavar, como sistemas simples, ou ainda subsistemas em equipamentos mais complexos como em veículos ou smartphones. Em todos os casos, um controlador está conectado aos seus periféricos de aplicação específica e é programado para realizar sua tarefa seguindo uma série de operações lógicas e de modo a atender o seu objetivo, seja aquecer um alimento, lavar roupas, monitorar o consumo de combustível ou controlar o foco e saturação da imagem capturada pela câmera em um smartphone.

Note que em um smartphone, existem muitos circuito embarcados, dedicados as mais diversas funções presentes no aparelho, sendo este considerado em sua totalidade um sistema computacional de uso geral, e não um sistema embarcado, como as partes que o integram.

Como principais e fundamentais características dos Sistemas Embarcados podemos destacar que são destinado a uma única aplicação, sendo assim possuem poucas entradas e saídas, apresentam uma Interface simples e alguma forma de comunicação para sua interação com outros dispositivos ou com o usuário.

Sistemas embarcados possuem, geralmente, um conjunto de requisitos e restrições que fazem dessa área de estudo/trabalho uma das mais desafiadoras, pois envolvem múltiplas habilidades e conhecimento interdisciplinar. Alguns exemplos de requisitos e restrições estão associados à tamanho e peso do sistema ou dispositivo, consumo e custos reduzidos, segurança e confiabilidade, devendo se recuperar de forma automática após erros e falhas, robustez ao ambiente e aplicação em tempo real.

Um sistema embarcado basicamente é composto por um processador, microcontrolador ou um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), para executar a lógica armazenada na memória. Esta lógica, quando em computadores de uso geral, é chamada de software, em sistemas embarcados é chamada de firmware. Possui ainda interfaces para entradas e saídas do sistema, para conexão com sensores e atuadores, específicos à aplicação do sistema, e interface de usuário, geralmente para realizar alguma parametrização no comportamento do sistema. Ainda é necessário um sistema de alimentação, seja diretamente da rede ou por bateria. A Figura ilustra um diagrama de blocos com a composição do sistema.

Figura: Arquitetura Básica de Sistemas Embarcados

Fonte: Próprio autor

A área de sistemas embarcados apresentam grandes desafios relacionados à mão de obra, desenvolvimento de projetos e concorrência. Um projeto de sistema embarcado é composto de um hardware com seus aspectos de eletrônica, invólucro ou carcaça e a sua estética afetando a experiência do usuário, firmware com sua infraestrutura, características de aplicação e usabilidade e ainda a sua documentação com regulamentos e normas a serem seguidas. Com tudo isso, faz-se necessário que o profissional possua um conhecimento plural das tecnologias e do negócio envolvidos no projeto.

Como é o mercado de trabalho para profissionais desta área? Para ilustrar tal questão o portal Embarcados, que traz informações sobre esta área no Brasil, faz pesquisas de mercado com o seu público brasileiro. Seguem os resumos da Pesquisa sobre o mercado brasileiro de sistemas embarcados e IoT 2023.

Perfil dos profissionais de Sistema Embarcados e IoT

O Mercado permanece com domínio dos homens (95,79%).
66,84% são formados em Engenharia.
55,61% são desenvolvedores/engenheiros.
Predominantemente, quem desenvolve na área frequentou a universidade. 81,57% dos desenvolvedores contam com Superior completo ou Pós-graduação completa/incompleta.
69,64% possuem 31 anos ou mais.
53,51% possuem 5 anos ou mais de experiência na área.

Perfil dos profissionais de Sistema Embarcados e IoT

Um número menor de desenvolvedores brasileiros, se comparado a pesquisa de mercado de 2021, declarou seu interesse em trabalhar fora do Brasil, em uma empresa do exterior, nos próximos anos (Em 2023: 38,60% contra 45,06%, em 2021).
A maioria está localizada hoje no Sudeste (57,99%), em São Paulo (46,52%), exerce a modalidade CLT (56,56%) e trabalha em empresa entre 11 e 99 colaboradores (26,84%).
Mesmo após a pandemia de Covid-19, atualmente, em maio de 2023, 47,75% declararam trabalhar de forma presencial, 36,48% declararam trabalhar parte remoto, parte de forma presencial e 15,78% declararam trabalhar de forma remota.
41,18% dos que responderam à pesquisa afirmaram receber mais de R$ 9.001,00 de salário mensal.
A pesquisa mostra que o profissional de Sistemas Embarcados e IoT exerce diversas atividades na empresa. Desenvolvimento e depuração de firmware/software para sistemas embarcados foram as duas atividades mais citadas.

Ferramentas para Sistema Embarcados e IoT

IoT (46,95%) e Sistemas Industriais, incluindo automação e controle industrial (40,21%) são as principais áreas de aplicação que são desenvolvidas atualmente.
Comunicação sem fio (76%), alimentação por bateria (57,26%) e Capacidade de Tempo Real (52,63%) são os recursos mais utilizados em projetos de sistemas embarcados.
A principal comunicação sem fio utilizada atualmente é Wi-Fi (58,74%), seguido por Celular 3G/4G (40,84%), Bluetooth LE/Smart (39,16%) e Lora (33,26%).
Observa-se que há um crescimento considerável em uso de tecnologias com Celular 3G/4G e as aplicações com 5G ainda são discretas (13,05%).
A maioria dos projetos de hardware são desenvolvidos pela própria empresa que o profissional trabalha (75,27%).
Kits com ESP8266/ESP32 (55,58%) são as ferramentas de prototipação rápida preferida pelos profissionais, seguido de Kits de desenvolvimento fornecidos pelos fabricantes do processador ou módulo (48,58%), Arduino e suas variações (47,05%) e Raspberry Pi (39,17%). No entanto, a maioria não incorpora kits ou placas de prototipação em seus produtos (53,39%).
O framework mais utilizado para prototipagem de hardware é o Arduino (47,92%).
Dentre as ferramentas mais importantes para o desenvolvimento de projetos, Osciloscópio (78,77%), IDE (76,81%), Compilador (66,30%) e Debugger (58,42%) foram as opções mais citadas.
Multisim (14,22%) surge empatado com Proteus (14,22%), além de Matlab/Simulink (13,79%) foram as ferramentas de simulação mais citadas para desenvolvimento de hardware.
As três marcas de instrumentos da fonte de bancada dos profissionais foram: Minipa (60,61%), Hikari (56,67%) e Keysight (31,95%).

Software em Sistema Embarcados e IoT

Visual Studio Code (70,24%) é a principal ferramenta de codificação e Git é o sistema de controle de versão preferido (73,74%) entre os profissionais brasileiros que responderam à pesquisa 2023.
Os principais gerenciadores de projetos citados na pesquisa são: Microsoft Excel (37,20%), Jira (30,85%) e Microsoft Teams (28,01%).
A linguagem C predomina sobre as outras linguagens, citada por 77,78% dos profissionais, seguida por C++ (50,44%) e Python (24,44%).
O RTOS embarcado mais popular, embarcado nos projetos atuais, é o Amazon FreeRTOS (32,22%), seguido pelo Zephyr Project (7,56%) e Nuttx (5,78%). No entanto, muitos profissionais (40,89%) declararam não utilizar nenhum RTOS em seus sistemas embarcados atuais.

Processadores em projetos de Sistemas Embarcados e IoT

Decisão via Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento (54.33%) é a forma mais citada como sendo uma das maiores influências na escolha do microcontrolador/microprocessador de um projeto atual. A decisão vem principalmente por decisão em grupo entre engenheiros para 58,26% dos que responderam.
As duas razões mais citadas para a troca do microcontrolador/microprocessador do projeto atual são: o novo dispositivo escolhido pela equipe possui recursos melhores ou novos periféricos (59,63%) e o preço do microcontrolador pesa na hora da decisão de realizar a troca (56,65%).
Na hora da escolha de um microcontrolador/microprocessador, os fatores mais citados foram o custo do chip (62,39%) e a disponibilidade de ferramentas de desenvolvimento de software (56,42%).
A maioria (69,95%) dos profissionais afirmaram que o microcontrolador/microprocessador de 32-bits são os mais utilizados nos projetos atuais. Em relação aos projetos futuros há uma pequena tendência a migração para microprocessador de 64-bits. (34,63% afirmaram que acreditam que utilizarão tecnologia 64-bits em seus próximos projetos). No entanto, 72,94% afirmam que não atualizaram o micro nos últimos 12 meses.

Processadores, CPLDs, ASICs e FPGAs em projetos de Sistemas Embarcados e IoT

As empresas fabricantes de microcontroladores/microprocessadores mais citadas na pesquisa, pois seus chips estão sendo utilizados nos projetos de sistemas embarcados atuais, são: Espressif (47,94%), seguido por ST (46,33%) e Microchip/Atmel (41,74%). Para projetos futuros, os profissionais responderam que usarão: ST (48,17%), Espressif (45,41%) e Microchip (30,73%). Houve um grande crescimento da Espressif em ambas as respostas.
20,37% dos profissionais afirmaram que seus projetos utilizam FPGA, CLPD ou ASIC. Há uma tendência de baixa, já que para os próximos projetos há uma expectativa de 18,52% dos profissionais que haverá o uso de FPGA, CPLD ou ASIC.
Intel/Altera (14,12%) e XILINX (9,26%) são as empresa mais citadas quando perguntado a respeito de quais fornecedores de FPGA/CPLD/ASIC os profissionais estão considerando usar no próximo projeto. No entanto, muitos profissionais ainda não decidiram (15,05%). A participação da Intel cresceu, se comparada com a pesquisa de mercado de 2021.

Como as empresas estão desenvolvendo seus produtos IoT

Conectividade, Segurança e Preço Final da solução, nesta ordem, foram as três principais preocupações relatadas pelos profissionais durante a pesquisa, em relação à implementação de IoT.
A maioria (60,38%) não usa terceiros para projetos IoT e desenvolve dispositivos/sensores (54,25%).
Os principais motivos pelos quais as empresas desenvolvem soluções IoT são para atender uma necessidade de mercado (55,66%) e para inovar (50,94%).
Inteligência de Negócios e Análise de Dados foi citado por 52,12% dos profissionais, sobre o questionamento de onde as empresas obteriam maior valor com os dados em IoT.
MQTT (48,11%), 3G/4G (37,97%), Bluetooth (35,38%), e Lora (31,13%) foram as principais respostas quando perguntado sobre como seria composta a Stack do dispositivo (ou Gateway) IoT.
Amazon AWS se mantém como escolha #1 em Nuvem IoT utilizada em projetos IoT (Cresceu de 29,67% na pesquisa 2021 para 35,38% neste levantamento).

Referências e complementos