Sistemas operativos embebidos

Tipos de sistemas operativos integrados

Un **sistema operativo integrado** es un sistema operativo especializado que administra el hardware y el software de un sistema informático integrado. Por lo general, los sistemas integrados tienen componentes de hardware y software. El componente de software normalmente se conoce como firmware y está integrado en el sistema y el dispositivo para controlar la funcionalidad y las características. Dado que los sistemas integrados son específicos de la tarea, un sistema operativo integrado permite que el sistema realice sus tareas dedicadas de manera eficiente.

Hay muchos tipos de sistemas operativos integrados. Se clasifican ampliamente en función de la arquitectura del sistema y las capacidades en tiempo real.

• Arquitectura del sistema

  Cada sistema operativo integrado debe integrarse en el sistema, pero la forma en que se hace puede variar según la arquitectura del sistema. Un modelo de arquitectura monolítica integra el sistema operativo y todos sus servicios en una sola capa, lo que proporciona eficiencia, velocidad y un mejor control de los recursos de hardware. Sin embargo, un modelo de arquitectura de microkernel solo tiene las funciones más esenciales de un sistema operativo en el kernel. Todos los demás servicios se ejecutan en el espacio de usuario, lo que promueve la modularidad, la flexibilidad y un mantenimiento más fácil. Un modelo híbrido combina ambos enfoques, haciendo que algunos servicios se ejecuten en el espacio del kernel y otros en el espacio del usuario.

• Capacidades en tiempo real

  Los sistemas operativos en tiempo real (RTOS) están diseñados para aplicaciones críticas que requieren una gestión y programación estrictas de la sincronización de la ejecución de las tareas. Un RTOS normalmente tiene tiempos de respuesta predecibles y deterministas. Los RTOS duros se utilizan en sistemas en los que la finalización de la tarea dentro de un marco de tiempo específico es fundamental para la seguridad e integridad de la aplicación, como los dispositivos médicos y los sistemas aeroespaciales. Los RTOS blandos, por otro lado, son adecuados para aplicaciones en las que la finalización de la tarea es deseable pero no crítica, como la electrónica de consumo.

Función y características

La función principal de un sistema operativo integrado es administrar los recursos de hardware del sistema integrado y proporcionar una plataforma para que las aplicaciones se ejecuten. También maneja tareas como la gestión de procesos y la comunicación entre procesos.

Las funciones incluyen las siguientes:

• Gestión de hardware: Un sistema operativo integrado administra el hardware a través de controladores de dispositivos, que son componentes de software que permiten que el sistema operativo y las aplicaciones se comuniquen con dispositivos periféricos como sensores, actuadores e interfaces de comunicación.
• Soporte de aplicaciones: Un sistema integrado proporciona una plataforma para que se ejecuten las aplicaciones, lo que permite a los usuarios interactuar con el sistema y realizar las tareas deseadas. Esto se hace proporcionando interfaces de programación de aplicaciones (API) y servicios que permiten a las aplicaciones acceder a los recursos y dispositivos del sistema.
• Operación en tiempo real: Muchos sistemas integrados requieren una operación en tiempo real, lo que significa que deben responder a los eventos dentro de un marco de tiempo específico. Un sistema operativo integrado proporciona capacidades en tiempo real, como la programación de tareas y el manejo de interrupciones, para garantizar una respuesta oportuna a los eventos.
• Comunicación entre procesos (IPC): Un sistema operativo integrado permite que varias aplicaciones o tareas se ejecuten simultáneamente y se comuniquen entre sí a través de mecanismos de comunicación entre procesos (IPC). La IPC permite que diferentes procesos o hilos intercambien datos y coordinen sus acciones, lo que permite el desarrollo de aplicaciones integradas complejas y modulares.

Las características incluyen las siguientes:

• Requisitos bajos de recursos: Los sistemas operativos integrados están diseñados para ser ligeros y eficientes, y requieren recursos del sistema mínimos, como CPU, memoria y almacenamiento. Esto es importante porque los sistemas integrados a menudo tienen capacidades limitadas y no pueden admitir un sistema operativo de escritorio completo.
• Operación en tiempo real: Algunos sistemas integrados requieren una operación en tiempo real, lo que significa que deben responder a los eventos dentro de un marco de tiempo específico. Los sistemas operativos integrados proporcionan capacidades en tiempo real, como la programación de tareas y el manejo de interrupciones, para garantizar una respuesta oportuna a los eventos.
• Fiabilidad: Los sistemas operativos integrados están diseñados para ser fiables y estables, ya que los sistemas integrados a menudo se utilizan en aplicaciones críticas en las que la falla del sistema puede tener consecuencias graves. Esto incluye características como el manejo de errores, la tolerancia a fallas y la recuperación del sistema para garantizar que el sistema pueda continuar operando en caso de falla.
• Programación de tareas: Un sistema operativo integrado proporciona un mecanismo de programación que determina el orden y la sincronización de la ejecución de la tarea en función de la prioridad, las fechas límite y otros criterios de programación. Esto garantiza que las tareas críticas reciban los recursos de procesamiento necesarios y se ejecuten dentro de sus restricciones de tiempo requeridas.

Usos del sistema operativo integrado

• Sistemas de automatización integrados:

  Hay muchas actividades industriales importantes que requieren precisión y los sistemas de automatización integrados están diseñados para regular, navegar y controlar tales operaciones. La siguiente lista describe las funciones de los sistemas de automatización en las industrias:

  • Control de procesos: los sistemas de automatización monitorean y controlan procesos cruciales como la presión, la temperatura y el nivel de líquido en refinerías y plantas químicas para garantizar la calidad y la seguridad del producto.
  • Robótica: los sistemas de automatización implantan brazos robóticos con sistemas de control de movimiento para llevar a cabo tareas automatizadas de ensamblaje, soldadura y manipulación de materiales.
  • Gestión de instalaciones: los sistemas de automatización monitorean y regulan los sistemas HVAC, la iluminación y los sistemas de seguridad de edificios en propiedades comerciales para mejorar la eficiencia y maximizar la gestión de recursos.
  • Logística: los sistemas de gestión de almacenes emplean sistemas de automatización integrados para administrar el movimiento de mercancías utilizando cintas transportadoras y sistemas de almacenamiento.

• Equipo médico:

  Se utilizan diferentes tipos de sistemas operativos para fabricar equipos médicos, pero cada sistema operativo integrado tiene aplicaciones comunes que ayudan a los dispositivos a realizar funciones básicas. Por ejemplo, ayudar a los profesionales médicos con un diagnóstico oportuno o un tratamiento que salva vidas. Las siguientes aplicaciones son importantes para la industria de la salud:

  • Monitoreo de signos vitales: los sistemas integrados monitorean y analizan signos vitales como la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria, la presión arterial y la temperatura corporal.
  • Asistencia quirúrgica: los robots quirúrgicos utilizan sistemas integrados para ayudar a las cirugías con movimientos precisos y tareas automatizadas.
  • Gestión de medicamentos: los sistemas integrados en los dispensadores de medicamentos garantizan que los pacientes tomen los medicamentos correctos en el momento adecuado.
  • Pruebas en el punto de atención: los dispositivos de diagnóstico portátiles con sistemas integrados permiten pruebas rápidas de sangre, orina y otras muestras en el lugar donde se encuentra el paciente.
  • Dispositivos de salud portátiles: los dispositivos portátiles de monitoreo de la salud con sistemas integrados rastrean la actividad física, la frecuencia cardíaca, los patrones de sueño y otras métricas.
  • Monitoreo ambiental: los sistemas para monitorear la temperatura, la humedad y la calidad del aire en las instalaciones sanitarias ayudan a mantener condiciones adecuadas en hospitales y clínicas.

• Sistema integrado para electrónica:

  El sistema operativo integrado se puede utilizar para fabricar grandes dispositivos electrónicos y pequeños dispositivos. Los siguientes usos describen cómo se puede implementar un sistema integrado en artículos electrónicos:

  • Automatización del hogar: los dispositivos inteligentes para el hogar, como termostatos, cámaras de seguridad y controladores de iluminación, utilizan sistemas integrados para permitir la automatización y el control remoto.
  • Electrónica de consumo: en la actualidad, muchos productos de consumo como televisores inteligentes, consolas de juegos y cámaras digitales tienen sistemas integrados para conectividad y funciones avanzadas.
  • Control industrial: los PLC, las máquinas CNC y otros equipos industriales utilizan sistemas integrados para el control de procesos y la automatización.
  • Electrodomésticos: los electrodomésticos modernos como lavadoras, hornos microondas y refrigeradores emplean sistemas integrados para funciones de programación y control.
  • Conectividad: los sistemas integrados en dispositivos de red como enrutadores, conmutadores y puertas de enlace de IoT permiten la conectividad para la comunicación y la transferencia de datos entre dispositivos.
  • Autodiagnóstico: los sistemas integrados pueden realizar autodiagnósticos para monitorear su salud y solucionar problemas para garantizar un rendimiento óptimo y reducir el tiempo de inactividad.

• Electrónica automotriz:

  La electrónica automotriz se basa en sistemas integrados para que los vehículos modernos sean más seguros, eficientes y mejores para satisfacer las expectativas de los conductores. Las siguientes implementaciones han revolucionado la industria automotriz:

  • Control de vehículos: los sistemas integrados en los módulos de control de vehículos administran las funciones del motor, la transmisión, la dirección y el frenado.
  • Sistemas avanzados de asistencia al conductor: funciones como el mantenimiento de carril, la asistencia de estacionamiento, el control de crucero adaptativo y la prevención de colisiones se basan en sistemas integrados.
  • Sistemas de información y entretenimiento: los sistemas integrados impulsan los sistemas de información y entretenimiento para brindar servicios de entretenimiento, navegación y conectividad.
  • Vehículos eléctricos e híbridos: los sistemas de gestión de baterías que manejan la carga, la descarga y la distribución de energía son esenciales para los vehículos eléctricos e híbridos.
  • Telemática: los sistemas integrados permiten servicios de telemática para el seguimiento de vehículos, diagnósticos remotos, asistencia de emergencia y gestión de flotas.
  • Control electrónico de estabilidad: estos sistemas ayudan a mantener la estabilidad del vehículo durante las curvas y otras situaciones de manejo para evitar la pérdida de control.

Cómo elegir sistemas operativos integrados

Los años de experiencia en la industria han dejado claro que hay algunos aspectos importantes que deben considerarse cuidadosamente al seleccionar un sistema operativo integrado.

• Requisitos de la aplicación: Es esencial identificar los requisitos de la aplicación y priorizarlos. Una evaluación exhaustiva de los requisitos del proyecto es el primer paso para seleccionar el sistema operativo integrado adecuado. Factores como la potencia de procesamiento, la capacidad de memoria y el almacenamiento deben evaluarse en el hardware de destino. Los sistemas integrados están limitados en recursos, por lo que comprender estas capacidades es fundamental.
• Capacidades en tiempo real: Considere los requisitos de sincronización de la aplicación. ¿Necesita un comportamiento determinista? Elija un RTOS si las restricciones de tiempo real son críticas.
• Recursos del sistema: El siguiente paso es comparar las características y capacidades de las diferentes opciones de sistema operativo integrado con los requisitos identificados y los requisitos de la aplicación priorizados. La selección debe considerar el soporte para interfaces y periféricos como GPIO, ADC, I2C, SPI, UART. Evalúe si el sistema operativo puede manejar tareas, interrupciones y temporizadores de manera efectiva para las necesidades de concurrencia de su aplicación.
• Entorno de desarrollo: Evalúe las herramientas de desarrollo, depuración y creación de perfiles que se ofrecen. Piense en si los desarrolladores prefieren la programación nativa de Linux o la compilación cruzada para el destino integrado. Evalúe la facilidad de integrar el sistema operativo con sistemas de control de versiones y canalizaciones de CI/CD.
• Comunidad y soporte: Elija un sistema operativo con una comunidad activa que comparta conocimiento y ofrezca soporte. Considere las opciones de soporte comercial para brindar asistencia y experiencia oportunas.
• Licencia y costo: Revise los términos de licencia de las opciones de sistema operativo integrado para garantizar el cumplimiento de las políticas comerciales. Evalúe el costo de las licencias comerciales para determinar la asequibilidad para las escalas de implementación.
• Rendimiento: Es importante examinar qué tan bien funcionará el software de un sistema integrado en términos de velocidad, eficiencia y uso de recursos.
• Escalabilidad y prueba de futuro: Un sistema operativo integrado debe tener soluciones probadas que les permitan escalar de forma flexible. Los recursos deben poder escalar hacia arriba de manera igualmente adaptable o hacia abajo para administrar las demandas cambiantes de las tareas.
• Seguridad: Un sistema operativo integrado debe tener sistemas de archivos cifrados para admitir el almacenamiento seguro de datos y evitar el acceso no autorizado a datos confidenciales.

P & R

P: ¿Cuáles son los diferentes tipos de sistemas operativos integrados?

R: Hay dos tipos principales de sistemas operativos integrados: sistemas operativos en tiempo real (RTOS) y sistemas operativos de propósito general (GPO). Los RTOS están diseñados para sistemas que necesitan realizar tareas dentro de límites de tiempo estrictos, como controladores industriales y dispositivos médicos. Los GPOS son más versátiles y se pueden utilizar en sistemas integrados que no tienen requisitos de tiempo tan estrictos. Ejemplos de GPOS incluyen Linux y Windows.

P: ¿Cuáles son algunas aplicaciones de los sistemas operativos integrados?

R: Algunas aplicaciones de los sistemas operativos integrados incluyen sistemas automotrices, electrónica de consumo, sistemas de control industrial, dispositivos médicos y equipos de telecomunicaciones.

P: ¿Se pueden actualizar los sistemas operativos integrados?

R: Sí, en algunos casos puede ser posible actualizar un sistema operativo integrado después de que se haya implementado. Esto se puede hacer para agregar nuevas funciones, corregir errores o mejorar la seguridad. Sin embargo, actualizar un sistema integrado puede ser desafiante, ya que a menudo se utiliza en aplicaciones críticas en las que se debe minimizar el tiempo de inactividad. Se debe tener especial cuidado para garantizar que el proceso de actualización no interrumpa el funcionamiento del sistema.

P: ¿Cuáles son los desafíos de los sistemas operativos integrados?

R: Hay algunos desafíos al desarrollar y utilizar sistemas operativos integrados. Un desafío es cumplir con los requisitos de tiempo real, lo que significa que el sistema debe hacer las cosas a tiempo. Otro desafío son las limitaciones de recursos, ya que los sistemas integrados tienen poca memoria y potencia de procesamiento. Los desarrolladores también deben asegurarse de que el sistema sea confiable y pueda ejecutarse durante mucho tiempo sin problemas. Finalmente, es importante optimizar el rendimiento y el costo del sistema.