infotec.repositorioinstitucional.mx · fondo de información y documentación para la industria av....

Fondo de Información y Documentación para la Industria Av. San Fernando No. 37, Colonia Toriello Guerra

Delegación Tlalpan, C.P. 14050, México, D.F.

www.infotec.com.mx

De la misma colección

Acceso y uso de las TIC en áreas rurales, periurbanas

y urbano-marginales de México: una perspectiva antropológica

Dr. Maximino Matus Ruiz y Mtro. Rodrigo Ramírez Autrán

En Iberoamérica. Estudio multidisciplinar.

Dra. Wilma Arellano Toledo.Coordinadora

TModelo y solución.

Dr. V ópez

de México

Dr. Maximino Matus Ruiz y Mtro. Rodrigo Ramírez Autrán

Coordinadores

ISBN: 978-607-7763-13-0

786077 7631309

Patricia Avila Muñoz

Dr. Juan Carlos Téllez Mosqueda

Licenciado en Economía de la UNAM, cuenta con Especialidad en Finanzas Publicas del INAP, con

Maestría en Historia por la UIA y con Doctorado en Economía de la UNAM. En sus estudios de licenciatura y maestría obtuvo mención honorí�ca, y por su investiga-ción doctoral recibió el Premio Banamex de Economía.

Ha sido servidor público, empresario, consultor y académico. En el servicio público ha desempeñado

diversos puestos, desde Analista hasta Director General. Actualmente es Director Adjunto de Innovación y

Conocimiento de Infotec. En su desarrollo profesional y académico se ha especializado en varias áreas: �nanzas públicas,

�nanciamiento electoral, educación tecnológica, historia de la deuda externa e inversiones inmobiliarias.

Pedagoga por la UNAM, Especialidad en Comunicación Educativa por el ILCE, Maestría en Tecnologías y

Sociedad del Conocimiento por la UNED de España y en Pedagogía por la UNAM, estudió Relaciones Internacio-

nales en la UNAM. Ha recibido diversos reconocimientos nacionales e internacionales entre los que se encuentran el Premio de la Conferencia Mundial UNESCO-ICDE,

por sus aportaciones a la comunidad internacional en el campo de la educación a distancia; por el Institute for

the Integration of Tecnology into Teaching and Learning (IITTL) de la Universidad del Norte de Texas, USA, por

sus estudios sobre el uso de TIC en la educación en Latinoamérica; por su contribución a favor de la

educación apoyada en Tecnologías de la Información y la Comunicación en México, de la SOMECE y del

Consorcio Red de Educación a Distancia (CREAD) por su contribución a la educación a distancia.

Juan Carlos Téllez MosquedaPatricia Avila Muñoz

(coordinadores)

Diagnóstico para la fundamentación de la Maestría en Sistemas Embebidos

Dia

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dos

en el ambiente digital

ópezCoordinador


Juan Carlos Téllez Mosqueda

Patricia Avila Muñoz

(Coordinadores

Fondo de Información y Documentación para la Industria

Febrero 2014

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TE

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© Juan Carlos Téllez Mosqueda y Patricia Avila Muñoz (coordinadores)Primera edición: julio, 2014

ISBN 978-607-7763-13-0

D.R. © Fondo de Información y Documentación para la Industria (INFOTEC)Av. San Fernando No. 37, Colonia Toriello Guerra

Delegación Tlalpan, C.P. 14050, México, D.F.

México, MMXIVwww.infotec.com.mx

Prohibida la reproducción total o parcial, de la obra, sin la autorización por escrito de INFOTEC.

Impreso en México / Printed in Mexico

Dirección Ejecutiva (DE)

Mtro. Sergio Carrera Riva Palacio

Dirección Adjunta de Innovación y Conocimiento (DAIC)

Dr. Juan Carlos Téllez Mosqueda

Dirección Adjunta de Desarrollo Tecnológico (DADT)

Ing. Alfredo Víctor Burgos Menéndez

Dirección Adjunta de Administración de Proyectos (DAAP)

C. Fausto Arturo Beltrán Ugarte

Dirección Adjunta de Competitividad (DAC)

Mtro. Armando Peralta Díaz

Dirección Adjunta de Administración (DAA)

Lic. Hilda Georgina Méndez Lozoya

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ContenidoPrólogo ..................................................................................................................13

Introducción general ............................................................................................15

I. Marco de referencia ....................................................................................19

Capítulo 1 Origen de los sistemas embebidos.

Juan Carlos Tellez Mosqueda y José Francisco Rodríguez Arellano ...........................21

Capítulo 2 Sistemas embebidos.

José Francisco Rodríguez Arellano ..........................................................................31

2.1 Hardware embebido o Embedded hardware. ................................................34

2.2 Software embebido o Embedded software. ....................................................45

Capítulo 3 Ciclo del proceso de desarrollo de sistemas embebidos

Infotec ..................................................................................................................55

3.1 Macroprocesos que integran el Ciclo del proceso de desarrollo de siste-mas embebidos ................................................................................................58

3.2 Aplicaciones de los sistemas embebidos ..................................................70

Capítulo 4 Panorama nacional ....................................................................75

4.1 Importancia de los sistemas embebidos

Raymundo Rafael García Ruiz y Juan Carlos Téllez Mosqueda .............................77

4.2 La complejidad de los sistemas embebidos

Juan Carlos Téllez Mosqueda ...............................................................................78

4.3 Análisis de los sectores social, económico y educativo en sistemas embebidos

Raymundo Rafael García Ruiz ............................................................................79

II. Tendencias de la profesión ........................................................................93

Capítulo 5 Situación actual y tendencias del campo profesional

Rubén Laguna Arriaga y Ricardo Velasco Preciado ................................................95

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5.1 Ingenierías que anteceden los sistemas embebidos ................................97

5.2 Tendencias y nuevas carreras ..................................................................101

5.3 Demanda de ingenieros no cubierta ......................................................103

5.4 Práctica profesional, alcance y cobertura ..............................................105

Capítulo 6 Campo laboral y formación en sistemas embebidos

Rubén Laguna Arriaga y Ricardo Velasco Preciado ..............................................109

6.1 Alcance de la formación .........................................................................113

6.2 Organización general de los contenidos ...............................................114

6.3 Competencias genéricas .........................................................................116

6.4 Competencias específicas........................................................................119

Capítulo 7. Visión prospectiva de los sistemas embebidos

Juan Carlos Téllez Mosqueda ...............................................................................127

7.1 El futurismo como predicción o mecanismo de guía para construir el futuro. ............................................................................................................129

7.2 Revisando algunos futuristas y observatorios tecnológicos ...................130

7.3 Posibles tendencias tecnológicas en sistemas embebidos .....................134

7.4 Algunas consecuencias y mecanismo de compensación .......................138

III. Requerimientos del mercado laboral ......................................................141

Capítulo 8. Empleadores y demandantes de especialistas en sistemas embebidos

Patricia Avila Muñoz y José Francisco Rodríguez Arellano ....................................143

8.1 Identificación de las empresas ................................................................145

8.2 Oferta y demanda de especialistas en sistemas embebidos ..................147

8.3 Áreas de aplicación de los sistemas embebidos .....................................155

8.4 Procesos productivos de las empresas ....................................................156

8.5 Formación de especialistas en sistemas embebidos ..............................164

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Capítulo 9. Caracterización de la demanda de trabajo

Rubén Laguna Arriaga y Patricia Avila Muñoz ..................................................169

9.1 Visión del especialista en sistemas embebidos ......................................172

9.2 Selección de especialistas en sistemas embebidos .................................172

9.3 Capacidades y condición de trabajo .......................................................173

9.4 Entre la Electrónica y la Informática .....................................................174

9.5 Selección de especialistas y búsqueda de talentos .................................174

9.6 Exámenes y pruebas orales como métodos de selección técnica del personal .........................................................................................................175

9.7 El inglés, segunda lengua convertida en primera .................................176

9.8 Las capacidades no técnicas ...................................................................177

9.9 Las capacidades técnicas .........................................................................178

9.10 El estrés laboral como condición de trabajo .......................................179

Capítulo 10. Resultados de la encuesta de conocimientos

Rubén Laguna Arriaga y Víctor Méndez Becerril ..................................................183

I. Saberes básicos ...........................................................................................186

II. Habilidades personales e interpersonales ...............................................188

III. Administración del ciclo de vida ............................................................191

IV. Análisis y diseño .......................................................................................192

V. Desarrollo de hardware ............................................................................193

VI. Desarrollo de software ............................................................................195

VII. Integración y pruebas ............................................................................197

VIII. Administración y pruebas .....................................................................198

IX. Manufactura en serie ..............................................................................199

X. Orientación de las aplicaciones ...............................................................200

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IV. Comparación de la oferta educativa a nivel nacional e internacional ......207

Capítulo 11. Oferta educativa sobre sistemas embebidos en el plano nacional e internacional.

Rubén Laguna Arriaga y Patricia Avila Muñoz ..................................................209

11.1 Selección de programas de estudio a analizar .....................................211

Capítulo 12. Análisis de programas educativos

Patricia Ávila Muñoz y Rubén Laguna Arriaga ..................................................215

12.1 Valoración de necesidades de la sociedad y del mercado laboral ......217

12.2 Títulos de los programas de estudio ....................................................221

12.3 Objetivos educativos de los programas analizados ..............................223

12.4 Modelo y enfoque educativo ................................................................241

12.5 Estructura curricular .............................................................................245

Capítulo 13. Panel de expertos

ACET e INFOTEC ...................................................................................................261

13.1. Visión.....................................................................................................264

13.2. Las tareas y retos ...................................................................................265

13.3. La formación ........................................................................................267

13.4. Competencias de egreso ......................................................................267

13.5. Diagrama de relaciones de las competencias .....................................269

13.6. Estrategias de formación y recursos para el aprendizaje ...................271

V. Resultados ...............................................................................................277

Capítulo 14. Pertinencia de la creación de la maestría en sistemas embebidos ............................................................................................. 279

14.1. Sentido ontológico

Juan Carlos Téllez Mosqueda .............................................................................281

14.2. El sentido ontológico de los sistemas embebidos...............................283

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14.3. Sentido epistémico ...............................................................................286

14.4. Hallazgos

Rubén Laguna Arriaga y Patricia Avila Muñoz ................................................288

14.5. Áreas de oportunidad ..........................................................................291

14.6. Propuestas curriculares ........................................................................292

14.7. Propuesta curricular definitiva producto del estudio ........................304

Anexos .........................................................................................................311

Anexo A. Definiciones de sistemas embebidos ..............................................313

Anexo B. Árbol de la relación de los procesos de cada macroproceso ........315

Anexo C. Cuestionario para las empresas que demandan especialistas en siste-mas embebidos ................................................................................................318

Anexo D. Encuesta ..........................................................................................326

Anexo E. Direcciones electrónicas donde se encuentra la principal informa-ción de las instituciones que ofertan los programas en sistemas embebidos analizados .........................................................................................................331

Anexo F. Descriptivos de los programas de estudio seleccionados para el análisis ..............................................................................................................333

Anexo G. Panel de expertos............................................................................359

Anexo H. Competencias de egreso de la Maestría en Sistemas Embebidos ....361

Anexo I. Reorganización de las competencias de egreso .............................369

Indice de figuras y cuadros

- Figura 1. Ejemplo de sistema embebido FriendlyARM Micro2440 ................33

- Figura 2. Interacción de las seis secciones que regularmente componen el Embedded Hardware .............................................................................................34

- Figura 3. Partes que componen a un sistema embebido comercial de la com-pañía ACME Systems ...........................................................................................36

- Figura 4. Arquitectura Von Neumann. Los dispositivos de Entrada y Salida están agrupados en el bloque llamado Puertos E/S .......................................38

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- Figura 5. Arquitectura Von Neumann y su implementación física ..............39

- Figura 6. Arquitectura Harvard ......................................................................40

- Figura 7. Arquitectura interna del Microcontrolador PIC16F84..................41

- Figura 8. Arquitectura reconfigurable (FPGA) .............................................42

- Figura 9. Esquema de Sistema embebido Maestro – Esclavo ........................45

- Figura 10. Ejemplos de secuencia de bloques ...............................................47

- Figura 11. Estilo de modelado de programación orientada a objetos .........48

- Figura 12. Técnica concurrente ......................................................................49

- Figura 13. Representación del modelo de comportamiento Básico ............50

- Figura 14. Representación del modelo de comportamiento Bootloader .......50

- Figura 15. Ciclo de vida de un proyecto de desarrollo de software empleando la metodología en cascada ................................................................................51

- Figura 16. Ciclo de vida de un proyecto de desarrollo de software empleando la metodología en V ..........................................................................................52

- Figura 17. Ciclo de vida de un proyecto de desarrollo de software empleando una metodología basada en prototipos ............................................................52

- Figura 18. Ciclo de vida de un proyecto de desarrollo de software empleando la metodología en espiral ..................................................................................53

- Figura 19. Ciclo de procesos de desarrollo de sistemas embebidos .............57

- Figura 20. Secuencia de macroprocesos que conforman el ciclo .................58

- Figura 21. Procesos que integran cada macroproceso ............................. 59-60

- Figura 22. Macroproceso de administración del ciclo de vida .....................60

- Figura 23. Macroproceso de análisis y diseño ................................................61

- Figura 24. Macroproceso de desarrollo de hardware .....................................64

- Figura 25. Macroproceso de desarrollo de software .......................................66

- Figura 26. Macroproceso de integración y pruebas ......................................68

- Figura 27. Macroproceso de administración del producto ...........................69

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- Figura 28. Macroproceso de manufactura en serie .......................................70

- Figura 29. Participación de las exportaciones en 2011 .................................83

- Figura 30. FODA de la industria de Jalisco ........................................... 112-113

- Figura 31. Esquema de contenidos para la enseñanza aprendizaje en sistemas embebidos ........................................................................................................115

- Figura 32. Localización de las empresas ......................................................146

- Figura 33. Número de empleados en las empresas consultadas .................147

- Figura 34. Número de empleados especializados en sistemas embebidos en las empresas consultadas ......................................................................................148

- Figura 35. Origen de egreso de los empleados especializados en sistemas em-bebidos .............................................................................................................149

- Figura 36. Instituciones formadoras del personal contratado para SE ......150

- Figura 37. Formación académica ..................................................................151

- Figura 38. Dificultades para contratar personal ..........................................152

- Figura 39. Capacitación inicial......................................................................153

- Figura 40. Perfiles ..........................................................................................154

- Figura 41. Formas de reclutamiento ............................................................154

- Figura 42. Aplicaciones .................................................................................156

- Figura 43. Cadenas de valor de la empresa 1 ...............................................158








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- Figura 52. Cadenas de valor de la empresa 10 .............................................163



- Figura 55. Interés en la capacitación ............................................................165

- Figura 56 y 57. Apoyo a la formación en sistemas embebidos ....................165

- Figura 58. Interés en participar como docentes ..........................................166

- Figura 59. Presencia respecto a la modalidad de formación ......................166

- Figura 60. Relación competencias contexto ................................................263

- Figura 61. Diagrama de relación de las competencias ................................270

- Figura 62. Proyecto de complejidad creciente ............................................273

• Cuadro 1. Industria electrónica de Jalisco .....................................................83

• Cuadro 2. Ingenieros egresados en el ciclo escolar 2009 – 2010 .................89

• Cuadro 3. Participación en el mercado de los procesadores .....................106

• Cuadro 4. Programas analizados ........................................................... 212-213

• Cuadro 5. Resumen de programas analizados ............................................213

• Cuadro 6. Valoración de necesidades de la sociedad y del mercado laboral ..............................................................................................................220

• Cuadro 7. Orientación de los programas al software o sistemas embebidos........................................................................................................222

• Cuadro 8. Alcance de los objetivos educativos ............................................227

• Cuadro 9. Perfil de ingreso ................................................................... 231-233

• Cuadro 10. Procedimiento de ingreso .................................................. 235-236

• Cuadro 11. Perfil de egreso ................................................................... 239-240

• Cuadro 12. Modelo educativo ............................................................... 243-244

• Cuadro 13. Formación básica ................................................................ 246-247

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• Cuadro 14. Áreas disciplinares del Doctorado en Sistemas Embebidos, Mon-dragón U., España ...........................................................................................248

• Cuadro 15. Áreas disciplinares de la Maestría en Computación: Robótica, Sistemas Embebidos y Cómputo reconfigurable, CINVESTAV Tamaulipas, México ....................................................................................................... 248-249

• Cuadro 16. Áreas disciplinares de la Maestría en Software Embebido, UAQ, Querétaro, México ..........................................................................................249

• Cuadro 17. Áreas disciplinares del Master of Science in Embedded Systems Design, ALERI UL, Suiza ....................................................................................... 249-250

• Cuadro 18. Áreas disciplinares del Máster en Sistemas Embebidos, Mondra-gón U., España .................................................................................................250

• Cuadro 19. Áreas disciplinares del Master of Embedded Software Engineering, SS of Beijing. UAA, China ............................................................................. 250-251

• Cuadro 20. Áreas disciplinares de la Especialidad en Sistemas Embebidos, ITESO, Guadalajara, México Especialidad en Sistemas Embebidos, ITESO, Guadalajara, México ........................................................................................251

• Cuadro 21. Áreas disciplinares del Programa avanzado de formación de re-cursos humanos en tecnologías de Información, PAFTI: Software embebido y Diseño Lógico de Circuitos Integrados & SW embebido, CINVESTAV, Guada-lajara, México ............................................................................................ 251-252

• Cuadro 22. Áreas disciplinares del Diplomado en Diseño e Implementación de Sistemas embebidos, UAQ, Querétaro, México ........................................252

• Cuadro 23. Áreas disciplinares del Diplomado en Sistemas Embebidos, UNI-SALLE, Colombia ............................................................................................252

• Cuadro 24. Áreas disciplinares del Diplomado en Sistemas Embebidos, USC, Colombia ..........................................................................................................253

• Cuadro 25. Articulación del plan de estudios y los macroprocesos de produc-ción de sistemas embebidos ..................................................................... 256-257

• Cuadro 26. Alcance central ..........................................................................259

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PrólogoNuestra vida cotidiana está sufriendo transformaciones profundas y cada vez más aceleradas. Sabemos que todo será diferente, pero desconocemos qué ve-remos en los próximos años.

Gran parte de este cambio, se debe a que los adelantos tecnológicos, en es-pecial en torno a la electrónica, permiten instrumentar dispositivos para captar y actuar sobre cualquier objeto a través de sensores, procesadores y actuadores; incidiendo en el quehacer de las personas y la operación de las máquinas.

Hoy, la electrónica se ocupa en prácticamente todos los ámbitos de la activi-dad humana a como una forma de magnificar nuestros sentidos, como auxiliar para interpretar el mundo que nos rodea e incluso como punto de apoyo para, en cierta forma, incidir en él.

A ello se suma la red global que sirve para compartir información sin im-portar el lugar y tiempo, y que desde hace menos de una década, se entiende como Internet de las cosas a partir de la posibilidad de interconectar dispositivos electrónicos que hasta entonces estaban aislados. Al dotar a los objetos con esta capacidad, empieza a generarse información en enormes cantidades que redi-mensionan las posibilidades de decisión y acción de la humanidad.

Los sistemas embebidos, son parte central de este complejo mundo interco-nectado del Internet de las cosas y con su inteligencia computacional conforma-da de hardware y software, que cumple con tareas determinadas desde el diseño, ejecutan en tiempo real tareas que hacen que la inteligencia integrada en circui-tos se multiplique día a día. Las posibilidades son enormes.

No participar en este avance tecnológico sería un error grave.

Por ello, Infotec, ha decido focalizar un esfuerzo particular en el tema de los sistemas embebidos: el de la formación al más alto nivel, con un valioso equipo de trabajo, ha realizado el diagnóstico que se presenta en este libro y que da cuenta de cuatro pilares para fundamentar los alcances de la Maestría en sis-temas embebidos: un marco teórico contextual, las tendencias de la profesión, los requerimientos del mercado laboral y la oferta educativa que al respecto se ofrece a nivel nacional e internacional.

Con estos elementos, ahora se tienen fundamentos de su importancia y al-cance. Tenemos la certeza de que el posgrado puede llenar la distancia que hay

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entre la formación de los ingenieros y la demanda de las industrias en el ámbito de los sistemas embebidos.

Avancemos en ese camino. El futuro solo promete cambios más profundos y acelerados.

Mtro. Sergio Carrera Riva Palacio

Director Ejecutivo de Infotec

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Introducción generalLa creación de nuevos programas de estudio en el nivel superior y posgrado se suma a las estrategias de desarrollo del país, refleja la necesidad del mercado la-boral armonizando la demanda y la oferta de competencias, ayuda a incorporar a la educación los cambios acelerados de la innovación tecnológica e impulsa la definición de nuevos campos y enfoques disciplinares de conocimiento.

Estos nuevos programas al crearse bajo un enfoque colaborativo estrechan la vinculación entre centros públicos de investigación, instituciones educativas, empresas y sociedad, y visualizan a los entes de formación, como elementos dina-mizadores y de fortalecimiento del tejido social que promueven la productividad de las empresas ubicadas a lo largo del territorio nacional y con ello impacta bienestar nacional.

El objetivo del presente trabajo es realizar un análisis diagnóstico que mues-tre la pertinencia de la creación de un nuevo programa de estudio, denominado Maestría en Sistemas embebidos, que responda a la convergencia tecnológica y a la necesidad de desarrollar nuevas competencias en la sociedad del conocimiento, para apoyar una mayor competitividad que requiere el país en la era de los dis-positivos electrónicos de la información y del conocimiento.

Por estas razones, el INFOTEC como centro público de investigación, elabora el presente análisis diagnóstico de los sistemas embebidos, que cumple con el modelo y criterios del Programa Nacional de Posgrados de Calidad1, y el Acuer-do 279 de la Secretaría de Educación Pública2, relativo a los trámites y procedi-mientos relacionados con el reconocimiento de validez oficial de estudios de tipo superior. El presente documento está integrado por cinco apartados y catorce capítulos. El documento cuenta, además, con once anexos.

I. Marco de referencia, profundiza en el origen y configuración técnica de los sistemas embebidos, desarrolla la complejidad de su ciclo de proceso de desarrollo, plantea el panorama del contexto nacional en las dimensiones social, cultural y económica y cierra con una caracterización del campo profesional en relación a las profesiones involucradas.

II. Tendencias de la profesión, conceptualiza la práctica profesional actual: su alcance y cobertura, hace un acercamiento a la demanda no atendida y

1 Versión 5.1 de abril de 2013.2 De fecha 10 de julio de 2000.

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delinea las competencias requeridas, para finalizar con una visión pros-pectiva de la profesión.

III. Requerimientos del mercado laboral, refleja el trabajo de investigación de campo a través de la aplicación de entrevistas in situ, un cuestionario y una encuesta, para acercar la visión de los empleadores y especialistas en cuanto a las características de las empresas, sus rutinas en la selección, for-mación y desempeño del personal que labora en embebidos así como su concepción del perfil del profesional que trabaja y requiere la industria.

IV. Comparación de la oferta educativa a nivel nacional e internacional, diferencia las estructuras curriculares y los alcances de cada una de las propues-tas a nivel maestrías, diplomados y especialidades. Este análisis valora la atención de los programas a las necesidades de la sociedad y del mercado laboral, los objetivos educativos, sus modelos y enfoques, y el programa en cuanto a formación básica, áreas disciplinares y la orientación al proceso productivo. La información obtenida, fue analizada por un panel de expertos.

V. Resultados, justifica la pertinencia de la creación de la Maestría, establece propuestas curriculares y define lo que será la oferta definitiva.

Para su elaboración se contó con la participación de especialistas en diferentes áreas del conocimiento, fue un trabajo transdisciplinario en el que las discusio-nes llevaron al grupo al enriquecimiento personal y profesional; los capítulos y sus diferentes apartados están firmados por los responsables de su desarrollo, sin dejar de mencionar a quienes de una u otra manera hicieron aportaciones que enriquecieron el documento. Todos, integrados en equipo, hicimos posible lo que ahora es una realidad, por ello tienen el reconocimiento y crédito corres-pondiente.

Mención especial merecen quienes respondieron los cuestionarios, llenaron las encuestas en línea y permitieron ser entrevistados, sin su apoyo no habría sido posible obtener información relevante para el estudio, se omiten sus nombres por cuestiones de confidencialidad pero no queremos dejar de reconocer su disposición y apoyo.

Agradecemos también los comentarios y sugerencias hechas al capítulo 3 por José Raymundo Lira Cortés, en el capítulo 7 a Mario Oliva quien hizo al-gunas recomendaciones que le dieron solides al mismo, y la lectura cuidadosa

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que hicieron Mario Alvarado Padilla, Gabriela García Acosta y Gabriela Barrios Garrido que permitieron hacer precisiones al texto.

Un trabajo que permitió validar los hallazgos y orientar la propuesta curri-cular de la Maestría en sistemas embebidos, fue la reunión de expertos, la cual fue coordinada de manera asertiva por consultoría ACET; a todos y cada uno de los participantes y moderadores les damos también las gracias por su entusiasta labor, el resultado obtenido superó las expectativas.

Un proyecto de tal magnitud se logra, mediante el impulso y la constante motivación para alcanzar y superar los objetivos planteados por las autoridades donde Sergio Carrera Riva Palacio fue el principal impulsor.

Juan Carlos Téllez Mosqueda y Patricia Avila Muñoz

Coordinadores

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I Marco de referencia

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Capítulo 1. Origen de los sistemas embebidos

Juan Carlos Téllez Mosqueda y José Francisco Rodríguez Arellano

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Comúnmente se cree que los sistemas embebidos se originaron en el campo de la electrónica, como resultado de la evolución en la forma de diseñar los sistemas electrónicos. Sin embargo, su origen es resultado de múltiples avances en diferentes campos de conocimiento, entre los que destacan la electrónica, comunicaciones y la computación.

Los primeros intentos de construir un sistema embebido o dedicado, provie-nen de los mismos orígenes de las computadoras, con la construcción de las má-quinas mecánicas para controlar un telar (1725) o para realizar las operaciones aritméticas básicas (aritmómetro) en 1820 (UNAM, 2009)1. Aunque cabe destacar que los primeros mecanismos de regulación automática se encuentran en la me-dición del tiempo, por ejemplo con el primer reloj marino que desarrolló Robert Hooke en 1658, a partir de un resorte en lugar de la gravedad (Boorstin, 1986)2. Para Boorstin, el reloj representa la madre de las máquinas que permitió unir distintas áreas de conocimiento, creatividad y pericia, y más allá de las inten-ciones de los primeros relojeros, se creó “la tecnología básica de las máquinas herramientas”, gracias al engranaje, el tornillo y el péndulo, y por supuesto a la construcción del torno de metal de precisión de Juanelo Torriano para fabricar las ruedas con dientes.

Los antecedentes de la electrónica se pueden situar a finales del siglo XIX y principios del XX, con el inicio de las aplicaciones del electromagnetismo y la electricidad, cuando se discutía el uso de la corriente directa y alterna. En tanto ocurría ese debate, John Fleming patentó los diodos de vacío (bulbos) en 1904 (UNAM, 2009).

Para Schuller (1986)3 dos acontecimientos despertaron el interés por la elec-trónica. El primero, cuando Guglielmo Marconi envió un mensaje al otro lado del mar vía telegrafía inalámbrica en 1901 y el segundo cuando en 1906 Lee De Forest inventó el vacío audion (triodo). El triodo se desarrolló con la idea de perfeccionar los receptores telegráficos para amplificar las ondas y controlar el volumen del sonido, añadiendo una delgada tira de alambre de platino (rejilla) entre el filamento (cátodo) y la placa (ánodo) (UNAM, 2009).

1 Universidad Nacional Autónoma de México (2009). 50 años de cómputo en México. 2008, Méxi-co, Medios y Enteros, pp. 14 y 15.

2 Boorstin, Daniel (1986). Los descubridores, España, Crítica, p.64.3 Schuler, Charles (1986). Electrónica, principios y aplicaciones, España, Editorial Reverté, p. 1.

En: http://books.google.es/books?id=_50ty8YvPHEC&pg=PA1&dq=historia+de+la+electronica&hl=es&sa=X&ei=FfJRUcmHNMWxygHQ7YHYAw&ved=0CC8Q6AEwAA

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En ese mismo año Greenleaf Whittier Pickard utilizó el primer radio detector de cristal que permitió la popularización de la radio y la electrónica, y poten-cialmente el empleo de los semiconductores. Igual que ahora, el problema de generación y disipación de grandes cantidades de calor de los dispositivos plan-teaba el reto de cómo disminuir o hacer más eficientes los bulbos. Los científicos sabían de la importancia de los cristales en los semiconductores, pero no los con-seguían con la suficiente pureza para su utilización (Schuler, 1986).

En 1919 los físicos William Henry Eccles y F.W. Jordan inventaron el primer circuito electrónico de conmutación flip flop (UNAM, 2009, p. 14 y 15). Poste-riormente, Philo T. Fransworth logró en 1927 plasmar las primeras imágenes electrónicas sin cable, llamada máquina de televisión, la cual, también ayudó a transformar la tecnología de la información (Badikian, 1975)4 5 .

La década de 1930 se caracterizó por el proceso de transición de la era ana-lógica a la digital, con diversos avances que se sucedían en distintos ámbitos. Uno es la utilización práctica de los números binarios que había formalizado Gottfried Wilhelm Leibinz en 1674. Otro es el desarrollo de la “numeración de Gödel”, quien codifica las expresiones formales como números naturales, con la publicación de sus dos teoremas de la incompletitud en 1931, con el empleo de la lógica y la teoría de conjuntos (UNAM, 2009). Kurt Gödel aprovecha también las leyes de la lógica que había descrito George Boole en 1854.

Alan Turing describió en 1936 los fundamentos teóricos de la computación, en su artículo “On Computable Numbers”, al introducir el concepto de una “máqui-na universal”, con la idea de replicar las matemáticas del “estado de la mente”. Turing concibió la máquina universal para responder a tres preguntas planteadas por David Hilbert en 1928 sobre las características de las matemáticas: son com-pletas, coherentes y decidibles. La pregunta final de Hilbert (‘Entscheidungspro-blem’) se refiere a la existencia de un método definido que se pueda aplicar a cualquier afirmación matemática, y que garantice una decisión correcta en cuan-to si la afirmación es cierta o no. Gödel ya había demostrado que la aritmética, y por extensión las matemáticas, no podían ser a la vez consistentes y completas. Turing demostró, por medio de su máquina universal, que la matemática es in-decidible.

4 Badikian, Ben (1975). Las máquinas de información, México, Fondo de Cultura Económica, pp. 9 y 10.

5 Según Schuller, la televisión comercial inicio alrededor de 1946, pp. 1 y 2.

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Para demostrar esto, Turing se le ocurrió el concepto de “números computa-bles”, que son números definidos por alguna regla. Estos números computables incluirían todos los números a los que se podría llegar a través de las operaciones aritméticas, con la búsqueda de las raíces de ecuaciones, y el uso de funciones matemáticas como senos y logaritmos. Turing demostró entonces que estos nú-meros computables podrían a su vez dar lugar a los no computables, y que por tanto no podía haber “proceso mecánico” para resolver todas las preguntas de matemáticas, ya que el cálculo de un número incomputable era un ejemplo de un problema sin solución. El concepto de la máquina de Turing, sugerido por Church, se ha convertido en el fundamento de la informática moderna6.

La evolución de la electrónica analógica y digital se ha caracterizado por ser muy rápida. El estudio de sus componentes activos (diodos, transistores, circuitos integrados) y pasivos (resistencias, conductores, condensadores, inductores) ha permitido profundizar en la creación de equipos y aparatos, también llamados hoy en día dispositivos electrónicos (Schuler, 1986). Este desarrollo acelerado, en una buena parte fue producto de las necesidades militares que dio lugar la Segunda Guerra Mundial.

Cabe aclarar que el concepto digital sería denominado como tal hasta 1942. George Stibitz, miembro del equipo del Comité Nacional de Investigación de Defensa de Estados Unidos, sugirió que el nombre más adecuado cuando se es-taban desarrollando las armas antiaéreas con el uso de pulsos eléctricos instantá-neos en contadores mecánicos no era el de pulsos, sino digital, como referencia al método de conteo de los dedos (digits) (Ceruzzi, 2012)7.

Otro esfuerzo que impulsó el desarrollo de los sistemas embebidos, fue la cons-trucción de autómatas. Wiener, el creador del concepto de Cibernética, sugiere:

“Este deseo de producir y estudiar los autómatas ha sido siempre expresado en términos de la técnica viviente de la época. En los días de la magia, existía el extraño y siniestro concepto del Golem, esa figura de arcilla sobre la que el Rabino de Praga infundía el soplo de la vida con

6 http://www.abebooks.com/servlet/SearchResults?tn=Computable+Numbers,+Application+Entscheidungsproblem

A Turing se le atribuye la Teoría computacional de la mente o Computacionalismo, planteando la posibilidad de que la mente humana puede ser modelada. Esta situación generó animados debates que continuan hoy en día. Stephen Wolfram ha propuesto el principio de equivalencia computacional, que establece que todo proceso natural o artificial, puede ser visto como compu-tación, y que los sistemas simples pueden alcanzar comportamientos complejos. Para este autor, la percepción puede reducirse a un reconocimiento de patrones y procesamiento de información.

7 Ceruzzi, Paul (2012). Computing, A concise history, United States of America, The MIT Press, pp. 1 y 2.

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la blasfemia del Inefable Nombre de Dios. En el tiempo de Newton el autómata consistía en la caja con el reloj de música con las pequeñas efigies haciendo piruetas rígidas en lo alto. En el siglo XIX el autómata es la glorificada máquina de vapor quemando algún combustible en lugar del glucógeno de los músculos humanos. Finalmente, el autómata del presente abre las puertas por medio de las fotocélulas o apunta las armas al lugar en el que un rayo del radar coge a un avión o computa la solución de una ecuación diferencial.” (Wiener, 1971)8.

La cibernética es complementaria a las ciencias de las comunicaciones, y ade-más se basa en una profunda analogía entre el comportamiento de las máquinas y el de los organismos biológicos. Está concentrada en sistemas de control basa-dos en la retroalimentación.

En los primeros años de la década de 1940, Wiener estableció comunicación con diversos científicos, con el propósito de construir máquinas computadoras y promover encuentros académicos entre distintas disciplinas interesadas en la cibernética para construir conceptos comunes. Su idea era romper las barreras que existían en cada disciplina, por ejemplo las matemáticas, la biología y la electrónica.

Dentro de las comunicaciones que estableció Wiener destaca la realizada con John Von Neumann, el cual contribuyó en 1945 a proporcionar los principios básicos de programación; al mostrar la posibilidad de la transferencia de datos de un lugar a otro de la computadora, a través de un programa integrado; la creación del Mathematical Analyser Numerical Integrator and Computer (MANIAC); y de relacionar un gran paralelismo entre el cerebro humano y la computadora.

La arquitectura Von Neumann no hubiera sido posible sin los inventores de la ENIAC (Presper Eckert y John Mauchly), quienes diseñaron paralelamente una nueva máquina provista con un programa almacenado, aunque Von Neumann ha pasado a la historia como el descubridor del programa almacenado.9 En 1949 publicó el modelo de computadora que permite la solución de problemas uti-lizando hardware y una serie de instrucciones de programación denominadas posteriormente como software. Este término fue aceptado hasta finales de los cincuenta.10

8 Weiner, Norbert (1971). Cibernética, Madrid, Guadiana de Publicaciones, p. 80, citado en http://www.infoamerica.org/documentos_pdf/wiener2.pdf pp. 11 y 12.

9 Wiener, Norbert (1971). op. cit., pp. 18-20. Como parte de sus contribuciones también se en-cuentra la teoría de juegos para el análisis de estrategias a través del análisis lógico de los datos, circunstancias y decisiones aplicables al comportamiento económico.

10 El año de aceptación del concepto (1957 o 1959) varia según la fuente utilizada: Mochi Alemán, Prudencio Oscar (2006). La industria del software en México en el contexto internacional y latinoamericano, México: Universidad Nacional Autónoma de México, Centro Regional de

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Al principio, los diseñadores en electrónica resolvían los problemas solamen-te utilizando hardware, lo que se conoce como diseño fijo, el cual es “un sistema físico (hardware) en el que los elementos que lo componen están unidos entre sí directamen-te, es decir, que las conexiones entre ellos no pueden ser modificadas por el usuario. Según el tipo de sistemas que permiten realizar se clasifican en combinacionales o secuenciales” (Mandado y Mandado, 2012, p. 420)11. La principal desventaja era la inflexibi-lidad, que hacía que el hardware de los sistemas electrónicos fuera desechable, es decir, que el sistema no pudiera ser reutilizado para otras aplicaciones, ya que la programación se realizaba mediante alambres que formaban parte del computador. Una parte del problema se resolvió a principios de los cincuenta, con el programa almacenado en una memoria física y posteriormente con otro llamado compilador, que traduce el lenguaje ensamblador a código máquina, que facilitó la escritura de las instrucciones en forma más familiar.

Una de las grandes innovaciones en electrónica ocurrió en 1947, cuando se logró construir el primer transistor operativo en los laboratorios de Bell. Con esta contribución científica John Bardeen, Walter Houser Brittain y William Bra-dford Shockley, recibieron el Premio Nobel (Schuler, 1986). (Paradógicamente, la prensa especializada y los ingenieros en electrónica dieron poca relevancia al descubrimiento del transistor. (Gergely, 1983)12.

Otro avance paralelo en el proceso de convergencia tecnológica se registró en las comunicaciones. Con el auge de telefonía se presentó el problema de satu-ración de las líneas. Claude Shannon publicó en 1948 la teoría matemática de la comunicación o teoría de la información, para optimizar la reproducción de un mensaje a través de la compresión de la información utilizando un código para codificar o descodificar los mensajes (Shanon, 1948)13.

Investigaciones Multidisciplinarias, p. 51, y en http://books.google.com.mx/books?id=hKCLgOftx6IC&pg=PA62&dq=historia+del+software&hl=en&sa=X&ei=Ae-GUYL5PPO40gGU1IGYCg&ved=0CC0Q6AEwAA#v=onepage&q=historia%20del%20software&f=false y Salvador Sánchez/Miguel Ángel Sicilia/Daniel Rodríguez (2012). Ingeniería del Software. Un enfoque desde la guía SWEBOK, p.13, Alfaomega, ISBN: 978-607-707-420-5)

11 Mandado Pérez y Yugo Mandado (2012). Sistemas electrónicos digitales. México. Marcombo Ediciones Técnicas y Alfa Omega Editores. p. 420.

12 Gergely, Stefan (1983). Microelectrónica, España, Salvat Editores, p. 66.13 Shannon, Claude. “A Mathematical Theory of Communication”, The Bell System Technical Jo-

urnal, ATT, vol. 27, USA, 1948, pp. 1-155. En http://cm.bell-labs.com/cm/ms/what/shannonday/shan-non1948.pdf

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Desde 1965 Gordon Moore (1965,)14, cofundador de Intel, pensó que la con-formación de los componentes de un circuito integrado se multiplicaría alrede-dor de cada dos años. Sin embargo, es común considerar que la Ley de Moore se refiere a que “el número de transistores que se podrían integrar en un chip, se duplicaría cada dos años” (UNAM, 2009). Pero se refería a la obsolecencia acele-rada de la capacidad de los componentes. Por esta razón, el avance provino cuan-do se logró incorporar una serie de transistores en un microprocesador o chip.

“Aunque el transistor estaba revolucionando la industria de la computación, en Inglaterra se llevaban a cabo actividades que afectarían profundamente la forma de construir compu-tadoras. Un ingeniero inglés, W.A. Dummer, se dió cuenta de que conforme se reducía el tamaño del equipo electrónico aumentaba la confiabilidad, y propuso el diseño del primer circuito integrado (IC) con ese fin. Una vez más, la habilidad y tecnología necesarias para este trabajo no estaban disponibles y la idea se abandonó en Inglaterra. Sin embargo, los ingenieros estadounidenses aceptaron el reto y en 1958 Jack Kilby, que trabajaba para Texas Instruments, produjo el primer IC. Otros ingenieros que trabajaban en su desarrollo poco a poco refinaron los diversos métodos de fabricación. Esto produjo un importante aumento en la complejidad de los IC disponibles. Con esto la computadora se podía construir a partir de componentes más confiables y pequeños.” (Sayers, Robson, Adams, & Chester, 1995)15.

No fue sino hasta 1969 cuando Marcian Ted Hoff concibió el diseño de una calculadora utilizando software y hardware, proyecto que fue realizado hasta 1971, cuando Federico Faggin construyó para Intel el primer microprocesador en chip. A partir de la creación del microprocesador 4004, los diseñadores comen-zaron a buscar aplicaciones y productos que pudieran ser controlados con este dispositivo. El gran éxito en ventas motivó a Intel a construir la siguiente versión, el 8008, que contaba con más prestaciones en hardware que su antecesor.

Quizá éste sea el origen del nombre Embedded System que se traduce al espa-ñol como sistema empotrado o embebido. El éxito de estos sistemas fue tal que marcó una nueva era en el diseño de los sistemas electrónicos. Por este motivo muchos diseñadores marcan el origen de los sistemas embebidos en 1971 con la creación del microprocesador 400416.

14 Moore, Gordon. Electronics Magazine, April 1965, citado por Hammon, Ray. El mundo en 2030, p. 43, en http://www.rayhammond.com/El%20Mundo%20en%202030.pdf p. 62.

15 Sayer, Robson, Adrian Adamas, Alan Chester y E, Graeme (1995). Principios de microprocesado-res. México. Continental.

16 Se menciona en literatura no confirmada que el primer sistema embebido fue el D-17, diseñado en 1961 por la fuerza aérea de Estados Unidos para el sistema de navegación del misil Minute-man I. Fue construido con transistores y con un disco duro como memoria principal.

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El auge de estos dispositivos se debió a que pueden realizar diferentes ta-reas con sólo cambiar el software, es decir, ejecutar la secuencia de instrucciones, sin necesidad de modificación alguna al hardware. Esta flexibilidad posibilitó la reutilización del sistema de hardware, también conocido como sistema mínimo, que se refiere a los componentes necesarios que integran un sistema.

Los requerimientos crecientes de las aplicaciones, condujo al incremento en el tamaño y complejidad de la secuencia de instrucciones que tenía que ejecutar el microprocesador, sobrepasando en ocasiones su capacidad de almacenamien-to. Por esta razón se les conoció como dispositivos con recursos limitados, aunque en su momento eran muy potentes.

Con el aumento de la capacidad de integración de transistores en un solo chip, la memoria de los microprocesadores también creció, y con ella la longitud de la secuencia de instrucciones, lo que se llamó programa o firmware, abriendo la posibilidad de desarrollar aplicaciones que irían configurando el uso de los sistemas embebidos.

El mercado de aplicación de los sistemas embebidos comenzó a crecer. Sur-gieron nuevas compañías que crearon sus propios microprocesadores, como Mo-torola y Zilog, con un conjunto de instrucciones diferentes, y en consecuencia con modelos de hardware distintos, a los que se les llamó arquitecturas de hard-ware. La única manera en que dos sistemas de hardware interpreten de la misma forma un listado de instrucciones es porque tienen la misma arquitectura.

En las últimas dos décadas (1980-2010) las partes de hardware y software han evolucionado casi a la par, en gran medida por los avances logrados en los semi-conductores en la década de los noventa. Mientras el hardware incorpora peri-féricos más veloces y de mayor capacidad para el manejo de datos, el software ha pasado de ser una secuencia de instrucciones a un bootloader (programa residen-te en memoria), un scheduler, y finalmente a un sistema operativo de tiempo real. Debido a que el software está dentro de la memoria del sistema se le suele llamar software embebido.

Actualmente existen sistemas embebidos tan complejos, capaces de conectar-se a Internet, consultar servidores, ejecutar tareas simultáneas, etcétera, que es difícil distinguir qué los diferencia de una computadora. Sin embargo, no debe olvidarse que un sistema embebido tiene la capacidad de ejecutar una tarea en un tiempo finito determinado, es decir, en tiempo real.

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En 2004 se estimaba que una persona promedio interactuaba diariamente con aproximadamente 300 sistemas embebidos diferentes. De mantenerse el ritmo actual en la evolución y difusión de los sistemas embebidos se puede pro-nosticar que para el 2020 los sistemas embebidos incluirán algoritmos complejos de inteligencia artificial y estarán integrados en redes colaborativas, que interco-nectados en la nube podrán conformar sistemas inteligentes.

Se podría decir que el desarrollo de los sistemas embebidos se ha acelerado por un proceso paralelo entre diferentes áreas: comunicaciones, cómputo y elec-trónica, que para fines del siglo XX, generó la gran convergencia tecnológica, y junto con la miniaturización de los componentes electrónicos, especialmente los microprocesadores, provocó la creación y explosión de los dispositivos mó-viles inalámbricos.

Es evidente que la fabricación de los microprocesadores ha tenido una ten-dencia a la miniaturización. En 2008 se construyó un microprocesador de 45 nanómetros (nm) que equivale a una milmillonésima parte de un metro, con la capacidad de enviar información a una velocidad de alrededor de 3 GHz por segundo. Intel estimó que para el 2015 su micro arquitectura permitiría gene-rar procesadores de 22 nm (UNAM, 2009). Sin embargo, existen algunas ideas de que la progresión de la Ley de Moore no podrá continuar. “Paul Packan, científico de Intel, declaró a The New York Times que difícilmente se encontrarán vías para que la progresión de Moore continúe. Las limitaciones de ésta fueron revisadas por el propio Moore con el científico Stephen Hawking, quien destacó que los límites están justo en las fronteras de la microelectrónica: la velocidad de la luz y la naturaleza cuántica de la materia, dos límites que ya no estan lejos. (UNAM, 2009).”

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Capítulo 2. Sistemas embebidos

José Francisco Rodríguez Arellano

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Los sistemas embebidos comenzaron a utilizarse antes de ser definidos y van evolucionando de manera tan rápida que provocan que las concepciones acerca de ellos cambien constantemente (ver anexo A).

Sin embargo, y a pesar de que aún se discute por qué se les llama sistemas embebi-dos, se pueden distinguir cuatro características fundamentales:

• Hardware (Embedded hardware)

• Software (Embedded software)

• Inteligenciacomputacional

• Ejecucióndeunaovariastareasentiemporeal(elsistemaespredecibleydeterminista)

En este sentido, se propone definir un sistema embebido como un dispositivo electrónicoquetieneinteligenciacomputacional,diseñadoparacumplirunaovariastareasrelacionadas,quesedeterminandesdeeldiseñoyporlotantosonpredeciblesalejecutarseentiemporeal;estáintegradoporcomponentesdehardware y software.

Figura1.EjemplodesistemaembebidoFriendlyARMMicro2440.

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DiagnósticoparalafundamentacióndelaMaestríaenSistemasEmbebidos

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Los sistemas embebidos son deterministas, es decir, que responden con el mismo resultado y en el mismo tiempo ante el mismo evento de entrada, a diferencia de una computadora personal o de escritorio, que entrega los mismos resultados ante eventos de entrada iguales, pero no lo hace siempre en el mismo tiempo, debido a la naturaleza de su sistema operativo.

2.1. Hardware embebido o Embedded hardware

Regularmentetodosloscomponenteselectrónicosqueformanelhardwareresi-denenunatarjeta,tambiénllamadacircuitoimpreso(PCB, Printed Circuit Board), tarjetaelectrónica,oembedded system board. Se pueden identificar seis secciones quecomponenalainmensamayoríadeestastarjetas(figura2):

• Unidaddeentrada

• Acondicionamientodeseñal

• Memoria

• UnidaddeProcesamiento

• Driver

• Unidaddesalida

Figura2.InteraccióndelasseisseccionesqueregularmentecomponenelEmbedded Hardware

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Ladelimitaciónde los componentes de las unidades de entrada y salida quepueden considerarse parte del hardwareembebidosonmotivodediscusión.En nuestrocaso,yteniendoencuentaqueunsistemaembebidosinaplicaciónno tiene sentido, consideramosal transductorque interpretael fenómenofísicocomopartedelaunidaddeentradayalactuadorquerespondealfenó-meno físico como parte de la unidad de salida.

Entonces, el bloque unidad de entrada engloba a todos aquellos dispositivos que permiten introducir datos o instrucciones al sistema, incluyendo teclados, interfaces USB, WiFi, Ethernet, pantallas táctiles, sensores, entre otros.

Lasseccionesdeacondicionamientodeseñalpuedentenerdiversasfuncio-nes,comoamplificarlaseñalprovenientedelsensor,filtrarla,convertirlaadigi-tal,yenalgunoscasos,aislarlasseñalesdeentradadelprocesamientodigital.

El bloque llamado Driver aumentalacorrientey/oelvoltajeencasodequela etapa de salida lo requiera. En algunas aplicaciones es necesario efectuar la conversiónde la señaldigital a analógicao aislar elprocesamientodigitaldeseñaldelaetapadesalida.

La unidad de salida está conformada por todos los dispositivos que permiten alsistemaentregarinformaciónalusuarioy/ocontrolarlosactuadores(moto-res, pistones neumáticos, electroválvulas, otros sistemas embebidos). Entre los dispositivos de salida se encuentran los indicadores luminosos, displays, panta-llas, interfaces USB, WiFi, Ethernet y las interfaces de potencia.

La unidad de procesamiento controla y coordina a las unidades de entrada, salida y memoria de datos, produciendo respuestas de acuerdo a las instruccio-nes almacenadas en la memoria de programa.

Algunossistemasdebenprocesargrandescantidadesdeinformación,porloque necesitan una memoria (buffer) que guarde los datos antes y/o después de las operaciones realizadas por la unidad de procesamiento. En algunos casos incluso es necesario utilizar memoria extraíble del sistema para guardar informa-ciónquerequieraserinterpretadafueradelíneaotransportadaaotrosistema.

Aunqueesposiblesepararenseccionescadafuncióndelsistemaembebido,puede suceder que esta separación sea físicamente imposible, ya que existeninterfaces que son bidireccionales, es decir, unidades de entrada/salida que pue-denenviaryrecibirinformación–comoUSB, Ethernet, UART,entreotras–einclusopueden ser parte integral de la unidad de procesamiento.

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LaFigura3muestraunsistemaembebidodeusogenéricocomercial(G20),diseñadoyconstruidoporlacompañíaACME Systems,queincluyeunaconexiónUSBparacomunicacióndedatosadistanciascortasyotradetipoEthernet para comunicacióndedatosalargasdistancias.

Figura3.Partesque componenaun sistemaembebidocomercialde la compañíaACME Systems.

http://www.acmesystems.it/FOXG20

No todos los sistemas embebidos necesitan conexiones USB o Ethernet (unidades deentrada/salida)pararecibiryenviardatos,algunossistemassólorequierenpush buttons como unidad de entrada y LED como unidad de salida. Todo depen-dedelproblemaofenómenofísicoquesedesearesolverconelsistemaydelostrade-offsocompromisosquesedebentomarcuandosediseñaelsistemaembe-bido. Los trade-offs más comunes son los que se generan entre la funcionalidad y el consumo de energía del sistema, entre la funcionalidad y el costo del sistema, o entre la carga de trabajo que se reparte al software embebido y al hardware embebido. Así, los trade-offs seconviertenenpartefundamentaldeldiseñodelhardware a pesar de no ser un elemento físico.

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Untrade-offeselqueseestableceentreelnivel(bajo,alto)deabstracciónuti-lizadoenlaconstruccióndel softwareembebidoylavelocidaddeejecucióndelaaplicación.Esconsideradoesencialporquedeterminaelniveldeconocimientoquedebeposeereldiseñadordelsistemasobreunidadesdeprocesamiento,es decir,siseutilizalenguajedealtonivel(niveldeabstracciónalto),sesacrificavelocidaddeejecuciónperonoesnecesariounconocimientoprofundodelaunidaddeprocesamiento.Porelcontrario,siloquesedeseaesaltavelocidadenlaejecucióndelaaplicaciónseránecesarioconstruirelsoftwareenlengua-jeensamblador(niveldeabstracciónbajo),loqueimplicaríaunconocimientoprofundo de la unidad de procesamiento por parte del desarrollador.

Los trade-offs son resueltospor losdiseñadoresde sistemasembebidosconbaseensuexperienciamásqueenunavaloracióndelassolucionesposibles.

2.1.1. Unidad de procesamiento

LaUnidaddeProcesamientoantesmencionadaseimplementafísicamenteporseccionesquerealizanunafuncióndeterminadayque,alinterconectarse,for-man una estructura a la que se le llama arquitectura1, que dota al sistema embe-bido de inteligencia computacional y sobre la que se monta el software embebido. La arquitectura puede estar conformada por uno o varios circuitos integrados.

Existen tres tipos de arquitecturas, es decir, tres maneras diferentes de interco-nectar estas secciones:

• VonNeumann

• Harvard

• Configurable

Cadaunadeestasarquitecturastienediferentedesempeñoenvelocidadyca-pacidad de procesamiento de datos, lo que las hace adecuadas para diferentes aplicaciones.

Arquitectura Von Neumann

LaarquitecturadeVonNeumannfueelprimermodelodearquitecturadelauni-dad de procesamiento, y está compuesta de ocho secciones: puertos de entrada,

1 En el hardware embebido conviven dos arquitecturas, una dentro de la otra, la arquitectura que forma la embedded board system y la de la unidad de procesamiento.

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puertos de salida, memoria de datos (RAM), memoria de programa2 (ROM), uni-dadaritméticalógica(ALU),unidaddecontrol,registrosyreloj.

La ALU (unidad de control y los registros), se agrupan en un solo bloque lla-mado unidad central de procesamiento (CPU), y actualmente están contenidas en un único chipocircuitointegrado,denominadomicroprocesador(figura4).

Figura4.-ArquitecturaVonNeumann.LosdispositivosdeEntradaySalidaestánagrupadosenel

bloquellamadoPuertosE/S

Las memorias ROM, RAM,elrelojy losdispositivosdeentrada/salidasonchips externos al microprocesador. A todos estos chipsenconjuntoselessuelellamarsistemamínimo,yaquecadachiprealizaunafunciónelementalenestetipodearquitecturacomosemuestraen la tarjetaelectrónicade la siguiente imagen(figura 5). [ver en la siguiente página].

2 Lamemoriadeprogramaessolodelectura,tipoROM (Read Only Memory), sin embargo la tecno-logía utilizada para el almacenamiento ha cambiado, desde EPROM, EEPROM, hasta de tipo FLASH.

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Figura 5. Arquitectura de Von Neumann y su implementación física(a la izquierda semuestraeldiagramaabloquesdelaarquitecturayaladerechasuimplementación)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/64/Signetics_2650_microprocessor_October_1975.jpg

La principal característica de esta arquitectura es que utiliza el mismo bus para direccionar la memoria de programa y de datos, lo que deriva en la necesidad deutilizardosciclosderelojporcadaoperación:uncicloparaobtenerlaopera-ciónaejecutaryotroparaobtenereloperando,estoes,losdatosnecesarios.

Arquitectura Harvard

LaArquitecturaHarvard se componedeocho secciones:puertosdeentrada,memoriadeprograma,memoriadedatos,unidadaritméticalógica,unidaddecontrol, registros, y puertos de salida (figura 6). [ver en la siguiente página].

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Figura6.ArquitecturaHarvard.

La principal característica de esta arquitectura es que tiene un bus de acceso a la memoria de programa y otro bus separado para la memoria de instrucciones, loquelepermiteejecutarunaoperaciónenunsolocicloderelojyaquepuededisponerdelaoperaciónyeloperandodemanerasimultánea.

Este tipo de arquitectura fue integrada en un solo chip al que se le dio el nombre de microcontrolador, es decir, los chips de memoria ROM, RAM, algunos puertosdeentrada/salidayrelojseencuentradentrodeunmismocircuitointe-grado (figura 7). [ver en la siguiente página].

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Figura7.Arquitectura internadelMicrocontroladorPIC16F84. ImagentomadadelDatasheetPI-

C16F84.

AunqueunMicrocontroladorestábasadoenarquitecturaHarvardyelmicro-procesadorenVonNeumann,comúnmenteseconsideraquesilospuertosdeentrada/salida están encapsulados dentro del mismo chip que la unidad central de procesamiento de datos (CPU), es un microcontrolador, en caso contrario es un microprocesador.

Arquitectura Configurable

Laarquitecturaconfigurableesunaevolucióndeldiseñode hardwarefijo3 que per-miteredireccionar físicamente las líneasdeconexióndelhardware posibilitando

3 Sonaquellosque,comosunombreindica,realizanunadeterminadafuncióncomoporejemplomultiplexar,contar,desplazarinformación,ocombinacionesdeellas.(DispositivosLógicosPro-gramables y sus aplicaciones, Enrique Mandado, L. Jacobo Álvarez, Ma. Dolores Valdés,(2002).Thomson Editores, Spain p.6).

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ejecutarotrastareas,consólocambiarlosregistrosdecontrol.Seasemejaaunarreglodecompuertaslógicascuyasconexionespuedenserconfiguradasatra-vésdeunlenguajedealtonivelparareproducirdesdefuncionestansencillascomolasllevadasacaboporunacompuertalógicahastalascomplejasfuncionesdeunaarquitecturaHarvardoVonNeumann.

Esta arquitectura suele estar en un solo chip, al cual se le llama dispositivo lógicoprogramable(PLD).UnodelosPLD más representativos es el FPGA (Field Programmable Gate Array).

EnlasiguienteimagensemuestraunFPGAcon64logicblock(Bloquesló-gicos)y60I/Oblocks(bloquesdeentrada/salida),cadaunodeestosbloquestiene la flexibilidad de ser reconfigurado dependiendo del problema a resolver (figura8).

Figura8.Arquitecturareconfigurable(FPGA)

No obstante a que la posibilidad de implementar las arquitecturas antes descri-tasresultasermuyatractiva,tienenunavelocidaddeejecuciónmuypordebajocomparada con la velocidad que se consigue con chips dedicados.

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2.1.2. Procesadores embebidos

Se les llama procesadores embebidos a los chips que realizan el procesamiento de lainformacióndentrodelsistemaembebido,esdecir,alosPLD, microprocesado-res y/o microcontroladores que son parte de la unidad de procesamiento.

Con la incorporaciónde losprocesadoresembebidos almercado,muchascompañíascomenzaronacrearlospropios, loscualesprotegieronintelectual-menteconpatentesynombrescomerciales,eventoqueoriginóunaavalanchade procesadores, a tal grado que se dificulta clasificarlos.

En el libro Embedded Hardware (Ganssle, et al.)4, el autor clasifica a los procesa-dores embebidos en modelos que se diferencian por las características del listado deinstruccionesconelcualelprogramadorpuededesarrollarsuaplicación.

Los diversos modelos de los procesadores embebidos pueden englobarse en trescategoríasdependiendodesuaplicación:

• Funciónespecífica.

• Propósitogeneral.

• Ejecuciónenparalelo.

Modelo de función específica

Sonprocesadoresdiseñadosparadesempeñarunsolotipodeaplicaciones.Aun-que existe una gran cantidad de aplicaciones específicas, se pueden agrupar en cuatro categorías generales:

• Controladores:Sonprocesadoresdiseñadosparaaplicacionesconcretas,conperiféricosinternosespecializadosenlaaplicaciónendondesedeseainsertar el sistema, como los controladores de video que cuentan con una capacidad de memoria FIFO (First In First Out) mayor a la de un controla-dor para microondas.

• DSP (Digital Signal Processor): Son procesadores utilizados en sistemas que requieren un alto volumen de operaciones matemáticas, ya que poseen multiplicadoresinternosquefacilitanymejoraneldesempeñodelasope-raciones.

4 Ganssle, Jack; Noergaard, Tammy; Fady, Fred; Edwards, Lewin; Katz, David J.; Gentile, Rick. et. al. (s/f). Embedded Hardware Know it all, Newnes.

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• PLD (Programmable Logic Device): Se utilizan para aplicaciones donde se necesitadiseñarunamáquinadeestadospersonalizadaparasolucionaróptimamenteunafunciónenespecífico.Tambiénseempleanenalgunasaplicacionestancomplejasquenecesitanunacombinacióndemodelostipo controlador y DSP.

• MáquinavirtualJava:SonprocesadoresquepermitelainterpretacióndellenguajeJava de alto nivel.

Modelo de propósito general

Estos procesadores incluyen puertos de entrada/salida de uso general, que les permiten ser utilizados en una gran variedad de aplicaciones. Existen dos mode-losdeprocesadoresdepropósitogeneral:

• RISC (Reduced Instruction Set Computer): Está compuesto por instrucciones potentesquesepuedenejecutarenunúnicociclodereloj.

• CISC (Complex Instruction Set Computer):Altenerunamplioconjuntodeinstruccionescomplejasofreceunmayorcontrolsobreel hardware.

Modelo de ejecución en paralelo

Comosunombreindica,estosprocesadoressoncapacesdeejecutardosomásinstrucciones simultáneamente, esto es, en paralelo. Técnicamente se les con-sidera una evolucióndelmodelo de propósito generalRISC, ya que ejecutanvariasinstruccionesparalelasenunciclodereloj.Estetipodemodelosepuedeclasificar en dos categorías:

• Unainstrucción-múltiplesdatos

• Máquinasúperescalar

Cada una de las arquitecturas antes descritas tiene características que las hacen adecuadas para cierto tipo de modelos, por lo que regularmente cada caso se asociaaunaarquitectura.Sinembargo,estaasociaciónnoesdeterminante.Asíporejemplopuedeexistirunmodelodefunciónespecífica,comouncontro-ladorde video, con arquitectura internaHarvard, ounmodelodepropósitogeneral CISC cuya unidad de procesamiento esté construida con arquitectura VonNeumann,etcétera.

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Algunossistemasmáscomplejosincorporanprocesadoresembebidosdedica-dosalaunidaddeentraday/odesalida,formandounesquemamaestro–escla-vodeprocesadoresembebidosquepermiteejecutartareasenparalelo(figura9), sinembargo,esteesquemacomplica lacomunicaciónentreprocesadores,generando errores de sincronía.

Figura9.EsquemadesistemaembebidoMaestro-Esclavo.

2.2. Software embebido o Embedded software

El software de los sistemas embebidos es un listado de instrucciones llamado pro-gramaquedebe ser traducido a códigomáquinao lenguaje binariopara serinterpretadoporelprocesadorembebido.Cadainstruccióndelprogramaestra-ducida a binario y almacenada en la memoria de programa la cual, dependiendo del tipode arquitectura sobre la que se esté trabajando,puede ser internaoexterna al procesador.

En caso de que la memoria de programa sea externa al chip del procesador (microprocesador,arquitecturaVonNeumann),debe serextraídadel sistema

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mínimo y llevada hasta un dispositivo programador universal de memorias para cargarelcódigobinario(programa)alamemoria.Yencasodequelamemoriade programa esté integrada en el chip del procesador (microcontrolador, arqui-tecturaHarvard),éstedebeserllevadohastaeldispositivoprogramadoruniver-saldeprocesadoresparacargarelprograma.Alcódigomáquinaalmacenadoenla memoria de programa se le suele llamar firmware o software embebido.

En sus inicios los programadores de los sistemas embebidos planteaban al-gorítmicamentelasoluciónalproblemaquedebíaresolverelsistemaydespuéslo convertían en una secuencia de instrucciones, que posteriormente traducían acódigobinario.Todo esto se hacía en papel. El último paso era introducir el códigobinarioresultantealamemoriadeprogramautilizandoelsoftware del pro-gramador de memorias universal.

Esteprocedimientoeramuytardadoypropensoaerrores.Pararesolveres-tosproblemassegeneróunsoftware de escritorio que automatizara el proceso deconversióndelasecuenciadeinstruccionesacódigomáquina.Estesoftware sellamalenguajedebajoniveloensamblador.

Apesardelasventajasquetieneellenguajeensamblador,actualmentepo-cos programadores lo usan, ya que es difícil realizar aplicaciones sobre él. La estrategia de ventas de algunas empresas fabricantes de procesadores es generar lenguajesycompiladoresamigables(dealtonivel)ydefácilaccesoparalospro-gramadores, que los motiven a comprar sus procesadores.

Con el incremento de la capacidad de almacenamiento de la memoria de programaylaposibilidaddegeneraraplicacionesenlenguajesdealtonivel,losprogramascomenzaronacrecerentamañoycomplejidadhastaquefuenece-sario importar modelos y estándares de ingeniería de software a las aplicaciones dedicadas a sistemas embebidos.

Apesardelasmejorasqueseconsiguenalutilizarestándaresde software, es necesario resolver el problema algorítmicamente antes de ser programado. En-tremásexperienciaseposeaenestecamposepropondráunamejorsolución.

Existen técnicas comúnmenteutilizadas en la resolucióndeproblemasdesoftware de escritorio que pueden, con algunas limitaciones, ser utilizadas en el desarrollodesistemasembebidos.Acontinuaciónanalizaremosalgunasdeestastécnicas.

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2.2.1. Técnicas para el desarrollo de aplicaciones de software

Se identificaron tres técnicas que ayudan al desarrollador de aplicaciones en softwareembebidoamodelarlasolucióndelproblemaaresolver:estructurada,programaciónorientadaaobjetosyconcurrente.

Técnica estructurada

Es una secuencia de bloques que pueden estar conformados por combinaciones detreselementosbásicos:secuenciación,selecciónocondicióneiteración(fi-gura10).

Siguiendo esta estructura, de lo general a lo particular, es posible plantear una soluciónacualquierproblema.

Figura10.Ejemplosdesecuenciasdebloques

Técnica orientada a objetos

Debidoaqueloslenguajesdealtonivelparasistemasembebidosnolopermi-ten, no es posible utilizar este tipo de técnica al cien por ciento. Sin embargo, se puedeaprovecharelestilodemodeladodelaprogramaciónorientadaaobjetosparaaportarunavisiónclaradeunaposiblesoluciónalproblema(figura11).

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Figura11.-Estilodemodeladodeprogramaciónorientadaaobjetos.Imagentomadadelanotade

aplicacióndeMicrochipAN1003.

Lasventajasdeutilizarestatécnicaparamodelarsolucionesensistemasembe-bidossesigueexplorando.UnodelosresultadosesMarte,unlenguajebasadoen UML orientado a modelar sistemas operativos de tiempo real (http://werner.yellowcouch.org/Papers/rtuml/).

Técnica concurrente

Esunatécnicautilizadapararesolveraplicacionesquerequierenlaejecucióndeprocesosconcurrentemente(figura12).Estatécnicaaprovechalasinterrupciones

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de hardwarepara“saltar”sobrelaejecucióndelprogramaprincipal.Cadasaltoes controlado por un Timerqueasignaelmismoperiododeejecuciónacadatarea.

Figura12.Técnicaconcurrente

Unavezpropuestalasoluciónalgorítmicaconayudadealgunadelastécnicasan-teriores, es necesario programarla en el procesador embebido. Antes de comen-zaraprogramarseprocedeaseleccionarlaestrategiadeprogramaciónomodelodecomportamientodesoftwarequeseguiránuestrosistemaembebido,yaqueestaselecciónimpactarádirectamenteenlacomplejidaddelprograma.

2.2.2. Modelos de comportamiento del software

Proponemostresmodelosdecomportamientodesoftware(Básico,bootloader, y RTOS)sobrelosquesepuedeprogramarlasoluciónpropuestasporeldesarro-llador de software embebido.

Cadaunodeestosmodelosofreceventajasydesventajassobreelcontroldehardware que el desarrollador del sistema debe conocer.

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Básico

Eselmodelonaturaldeprogramación,endondeeldesarrolladordespuésdeplantearunaposiblesoluciónalproblema,latranscribeaunlenguajedealtoobajonivel,lacompilaygeneraelcódigomáquinaquedebeseralmacenadoenla memoria de programa.

El resultado es un programa principal que tiene control sobre el hardware (figura 13).

Figura13.Representacióndelmodelodecomportamientobásico

Bootloader

Es un modelo de comportamiento que está compuesto de dos programas, uno principal (bootloader) que se almacena en la memoria de programa y otro secun-dario(aplicación)quesealmacenaenunamemoriasecundaria.Elprogramaprincipaleselprimeroenejecutarsecuandoseactivaelsistema,teniendoelcon-trol sobre el hardware. Sin embargo, después de revisar el estado de las unidades de entrada/salida se convierte en un esclavo del programa secundario.

Regularmente es utilizado en dos tipos de aplicaciones: cuando la memoria deprogramaeslimitadaylaaplicaciónesgrandeocuandosedesearealizarpro-gramaciones por algún puerto de entrada del sistema, como el puerto serie.

Este esun esquema importadodel diseñode computadorasde escritorio,las cuales tienen un BIOS (bootloader), que revisa el estado de los periféricos y re-direcciona la secuencia de instrucciones a seguir por el microprocesador al disco duro.

Figura14.RepresentacióngráficadelmodelodecomportamientoBootloader.

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RTOS

Es un sistema operativo de tiempo real, es decir, es un administrador de recursos con la capacidad de responder en un tiempo definido. Así, administra el tiempo deejecucióndelastareasquedeberealizarelprocesador,conlacapacidaddeasignar tiempos definidos a cierto tipo de tareas críticas.

2.2.3. Metodologías de desarrollo de software

Las técnicas para el diseñode software ayudan al desarrollador a organizar el problemaaresolvery,dependiendodelacomplejidaddelasoluciónpropuesta,a seleccionar un modelo de comportamiento para programarlo. Asimismo, pue-den contribuir a reducir significativamente el tiempo y los costos del proceso de desarrollo.

Amedidaque los sistemasembebidoscomenzaronacontrolar fenómenosfísicoscomplejos, losdesarrolladoresempezaronapreocuparsepor lacalidaddel software embebido, por lo que importaron metodologías propuestas para el software administrativo.

Se conocen cuatro metodologías (cascada, en V, basada en prototipo, espiral) que son aplicadas al desarrollo de software.

Metodología en cascada

Estáintegradaporcincoetapas:requisitos,diseño,construcción,pruebasyman-tenimiento (figura 15).

Es una metodología rígida, ya que no se puede cambiar de fase hasta que se con-sidera terminada. Cada vez que se termina una fase se debe realizar un documento queregularmentevalidaelcliente.Laventajaqueofreceelcontroldelasfasesseveopacada por el problema de parálisis que puede llegar a darse entre las fases.

Figura15.-Ciclodevidadeunproyectodedesarrollodesoftwareempleandolametodologíaencascada (Imagen tomadade Ingenieríadel Softwareun enfoquedesde la guía SWEBOK, Salvador

Sánchez, Miguel Ángel Sicilia, Daniel Rodríguez(2012),México,Alfaomega).

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Metodología en V

Esta metodología es muy utilizada en los sistemas embebidos del ramo auto-motriz (ECU). En este modelo para cada fase de desarrollo hay una paralela de validación.

Figura 16.- Ciclo de vida de un proyecto de desarrollo de softwareempleandolametodologíaenV(ImagentomadadeIngenieríadelSoftwareunenfoquedesdelaguíaSWEBOK, Salvador Sánchez,

Miguel Ángel Sicilia, Daniel Rodríguez(2012),México,Alfaomega).

Metodología basada en prototipos

La finalidad de esta metodología es generar un prototipo rápidamente, para que el cliente lo vea funcionando y como resultado especifique a detalle los reque-rimientosquedeseaparaelprototipofinal(figura17).Lamayordesventajadeesta metodología es que regularmente los prototipos intermedios son desecha-bles, por lo que el desarrollo resulta muy costoso.

Figura17.-Ciclodevidadeunproyectodedesarrollodesoftwareempleandounametodologíaba-sadaenprototipos(ImagentomadadeIngenieríadelSoftwareunenfoquedesdelaguíaSWEBOK,

Salvador Sánchez, Miguel Ángel Sicilia, Daniel Rodríguez(2012),México,Alfaomega).

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Metodología en espiral

Esta metodología es ágil, es decir, permite tomar un requerimiento o una seriedeellosydesarrollarloshastalaetapadepruebas.Unavezterminadoelciclosecomienzaotravez,peroenuntrabajomásafinado.Elprocesodeiteraciónsedetienecuandoseterminandeprecisarlosrequerimientos,for-mando un espiral de iteraciones.

Figura18.-Ciclodevidadeunproyectodedesarrollode software empleando la metodología en espi-ral(ImagentomadadeIngenieríadelSoftwareunenfoquedesdelaguíaSWEBOK, Salvador Sánchez,

Miguel Ángel Sicilia, Daniel Rodríguez(2012),México,Alfaomega).

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Capítulo 3. Ciclo del proceso de desarrollo de sistemas embebidos

Infotec*

* Participarón en la elaboración Leonardo Chapela, Víctor Méndez, Rubén Laguna, José Francisco Rodrí-guez, Ramón Reyes y Juan Carlos Téllez.

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El desarrollo de los sistemas embebidos, se distingue por sus componentes de hard-ware y de software así como su integración. Dicho desarrollo se puede representar esquemáticamente empleando para ello una abstracción de la secuencia de los diversos macroprocesos que forman el ciclo del proceso de desarrollo de sistemas em-bebidos.

Figura 19. Ciclo de procesos de desarrollo de sistemas embebidos (Elaboración propia, Infotec, 2013)

Se define a los macroprocesos como un grupo o secuencia de procesos que ges-tionan y dirigen el desempeño de las organizaciones; y a los procesos o subproce-sos como el conjunto de actividades y prácticas mutuamente relacionadas o que interactúan entre sí, las cuales transforman elementos de entrada en resultados y que cuando se realizan de forma efectiva satisfacen los objetivos planteados para dicho proceso. El hecho de subdividir ciertos procesos en subprocesos permite desagregar actividades para dar precisión al trabajo a desarrollar.

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Aun cuando los procesos describen el comportamiento de cualquier institu-ción, todos los procedimientos y prácticas involucradas deben ser analizadas e interpretadas en su contexto y circunstancias internas y externas.

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