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Automática e Instrumentación Octubre 2014 / n.º 466INFORME

E l Annual Report de 2013 de Siemens incorpora el dis-

curso de la cuarta revolu-ción industrial planteado por la Academia de Cien-cia e Ingeniería alemana (Acatech) en el documento Recomendations for im-plementing the strategic initiative Industrie 4.0, en el que se destaca la importancia del know-how sobre los sistemas embedded y la ingeniería de la automatización, y en el que se asigna al soft-ware un rol de enlazador omnipresente en todos los pasos requeridos en el de-sarrollo de productos, su fabricación y su mantenimiento, puesto que el escenario que se dibuja se basa en los denominados sistemas ciberfísicos, en los que el software es ingrediente protagonista.

Las revoluciones industrialesLa primera revolución industrial se basa en la máquina de vapor. Era la

primera vez que se podía disponer de energía mecánica controlada a partir de un combustible sólido, almacena-ble en régimen de larga duración y transportable, más allá de la obtenible directamente de fuentes naturales como ríos, viento o tracción animal. Ello posibilitó la puesta en marcha de sistemas productivos en cualquier región, algo que se realimentó a sí

mismo mediante el uso de la propia máquina de vapor como impulsora de medios de transporte como el ferrocarril o bar-cos de mercancías.

Desde el punto de vis-ta de empoderamiento ciudadano, su aportación fue prácticamente nula, puesto que se trataba de un medio muy caro y al alcance de un grupo privi-legiado de ciudadanos que dio lugar al nacimiento de una burguesía industrial a finales del siglo XVIII, coincidiendo en el tiempo con la Revolución Fran-cesa.

La segunda revolución industrial se basa en la electrificación. El transporte mágico, instantáneo e invisible de una energía que permitía la disponibilidad a pequeña escala de energía mecánica controlable dio lugar a una generación de pe-queños empresarios, comerciantes y, por ende, de ciudadanos, que podían disponer de maquinaria en

Los sistemas embedded en el centro de la cuarta revolución industrialLa IoT (Internet of Things) y los CPS (Cyber-Physical Systems) son los pilares teóricos de la cuarta revolución industrial (Industry 4.0). El nexo de unión entre el mundo físico y el mundo digital es el mundo ciberfísico, estudiado por investigadores como Joseph SIfakis (premio Turing de 2007), que advierte de la necesidad de formalizar de forma consistente y completa este nuevo campo emergente de conocimiento, o como Sabina Jeschke, que ha situado a los sistemas embedded en el centro del binomio IoT/CPS. En este artículo se describe un marco conceptual acorde al estado del arte actual, y se describen estándares emergentes en cuanto a arquitectura de procesadores, como ARM, o en cuanto al factor de forma, como la iniciativa SGET, en un contexto prerevolucionario en el que el mundo industrial y los ciudadanos en forma de comunidad Maker están más interconectados que nunca en la denominada sociedad del conocimiento.

n Fuente: Siemens Annual Report 2013.

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Octubre 2014 / n.º 466 Automática e InstrumentaciónINFORME

sus pequeños talleres o de electro-domésticos en las propias viviendas. Es la primera vez que se produce un fenómeno de empoderamiento ciudadano, dándose lugar a princi-pios del siglo XX a un movimiento conocido como DIY (Do It Yourself), del cual hay constancia en revistas de la época. Asimismo, emerge una nueva generación de juegos, como el mítico Meccano, creado en Liverpool por Frank Hornby y que se expandió por todo el mundo mediante licen-cias, una de las cuales permitió a Novedades Poch SA fabricar años más tarde en Barcelona una versión compatible denominada Metaling. Se produce un desfase de años entre la aplicación industrial y el empodera-miento ciudadano. La máquina de vapor se traslada a la generación de energía eléctrica, situación que se mantiene actualmente en centrales térmicas y nucleares.

La tercera revolución industrial se basa en el microprocesador y representa el inicio de la era digital. El AGC (Apolo Guidance Computer), que empezó a desarrollarse en 1966 en el MIT para el control del módulo lunar del cohete Apolo, es conside-rado el primer sistema embedded de la historia.

En esta tercera revolución indus-trial se producen varios procesos de empoderamiento ciudadano y en cada caso cada vez a mayor veloci-dad. En primer lugar, se introduce la informática personal y el PC, dando lugar a la proliferación de las denominadas nuevas tecnologías. Posteriormente irrumpe Internet con los buscadores y, más tarde, con las redes sociales. Finalmente se produce la eclosión de la fotografía, audio y vídeo digital, la telefonía y los dispositivos móviles.

En todos los procesos de empode-ramiento descritos hasta ahora se ha repetido el siguiente patrón: al principio los precios son muy altos y las prestaciones son escasas, pero paulatinamente tiene lugar un pro-ceso de diseminación entre el gran público que va acompañado de una disminución de los precios. Se confi-gura, pues, la denominada sociedad del conocimiento, inicialmente a través de medios convencionales

como revistas (en los 80 y 90 los kioskos estaban llenos de revistas de informática tanto para profesionales como para aficionados), y posterior-mente potenciada por la red y el movimiento Open Source, en la que el DIY incorpora el software (cabe citar aquí el mito del garaje de Apple), dando lugar a una nueva generación de emprendedores.

El boom del PC llevó consigo la consolidación de la arquitectura de procesadores Intel (x86), y con la telefonía y los dispositivos móviles ha emergido con fuerza la arquitectura de procesadores ARM.

La denominada cuarta revolución industrial (Industry 4.0), descrita en el documento de Acatech, se funda-

menta en dos pilares: el Internet de las cosas y los sistemas ciberfísicos. El report anual de Siemens de 2013 sitúa esta revolución en el tiempo del mañana, pero investigadores como Joseph Sifakis, premio Turing 2007, o Sabina Jeschke, de la RWTH Aachen University, advierten de la necesidad de construir un cuerpo de conocimiento formal, consistente y completo para dichos pilares. Para Si-fakis, mañana puede ser el 2015.

Desde el punto de vista del em-poderamiento del ciudadano se produce el fenómeno inédito de que el desfase del ciudadano respecto a la industria puede ser mínimo en muchos aspectos relacionados con la innovación, debido a la socialización del conocimiento, a la aparición de soluciones de alto valor añadido con licencias libres y nuevos mecanis-mos de financiación que permiten desarrollar sofisticados productos a precios asequibles. Un ejemplo es el dispositivo de instrumenta-ción embedded denominado Red Pitaya, nacido como un proyecto de crowdfunding en Kickstarter de la mano de un ingeniero emprende-dor de la Universidad de Ljubljana (Eslovenia) y que ya está disponible vía RS Components. El DIY y el mundo del hobby han evolucionado hacia el denominado movimiento Maker, que incorpora hardware de bajo coste (Arduino, Raspberry Pi, etc. Ver AeI núm. 429: Sistemas embedded de bajo coste) a los me-canismos físicos y a la informática. Investigadores como Micah Lande,

n GC: Primer sistema embedded.

n Fuente: The Connectivist.

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de la Universidad de Arizona, están desarrollando una Maker Theory sobre la correlación entre los jóvenes makers, los futuros ingenieros y el papel de los senior makers, que pue-den actuar como motivadores o, por el contrario, tener controversias con limitaciones normativas, teniendo en cuenta la apuesta de la Universidad de Stanford de hacer converger elementos de los estudios de inge-niería con aspectos del movimiento Maker. Mitchel Resnick, investiga-dor del MIT, ya advirtió de que los fundamentos de los movimientos constructivistas y construccionistas del ámbito educativo comparten los mismos fundamentos cognitivos que el movimiento Maker.

El binomio IoT/CPSLa constatación de que el número de dispositivos interconectados está creciendo exponencialmente, y el hecho de que a este ritmo práctica-mente todo estará interconectado es la idea central del Internet de las cosas (Internet of Things o IoT).

Una de las compañías que más está desarrollando el IoT es Cisco Systems, que advirtió que en el año 2008 el número de cosas conectadas superó al número de individuos de la población mundial.

El IoT es un concepto basado en la conectividad, centrado en la noción de red y en los servicios, y que implica a todo un abanico de “cosas”, desde los dispositivos de campo, como sensores, hasta las infraestructuras

del cloud computing. Desde el punto de vista teóri-

co y de cuerpo de conocimiento, IBM introdujo el término SSME (Service Science, Management and Engineering) en la primera década del 2000, planteando un nuevo y multidisciplinar campo de conoci-miento a desarrollar. A esta tarea se han incorporado diversos centros de investigación y universidades como el MIT, UC Berkeley, la Universidad de Helsinki o la UPC (grupo de investigación GESSI), entre otras. La iniciativa NESSI (Networked European Software and Services Initiative) recoge en su Manifiesto, A vision for Horizon 2020 (www.nessi-europe.eu), ideas de la SSME en clave de estrategia europea. Las arquitecturas orientadas a servicios, denominadas SOA, son cada vez más utilizadas en la industria, y en el te-rreno práctico se habla de servicios REST o webservices, que consisten en la estandarización de producción y consumo de servicios por la red me-diante el uso de protocolos estándar como el HTTP y la representación de datos mediante estándares abiertos como JSON o XML.

Por su parte, los denominados sistemas ciberfísicos (Cyber-Physical Systems o CPS) son el resultado del maridaje entre el mundo físico y el mundo computacional. A pesar de que esta definición es muy genérica y carece de elementos formales, algunas ideas empiezan a consoli-darse. Según Sabina Jeschke, entre

los mundos físico y digital (ciber) se halla el mundo ciberfísico. Los mun-dos físico y ciberfísico interaccionan entre ellos mediante dos mecanis-mos, cada uno en un sentido. Por una parte está la simulación, que consiste en trasladar objetos del mundo físico a un mundo virtual mediante modelos con el objeto de poder experimentar con ellos. Por otra parte está la automatización, que consiste en controlar objetos del mundo físico a través de objetos de software.

El circuito Manufacturing process-Automation-Embedded Systems-Things-Service Oriented, eje central del discurso de la Industria 4.0, está perfectamente representado en el diagrama de Jeschke.

Según puede observarse, los siste-mas embedded son elemento central de los sistemas ciberfísicos (CPS), y todos los caminos entre los mundos físico y digital pasan por al menos uno de ellos.

Los sistemas embedded han sido reconocidos como " crucial KETs" (Key Enabling Technology) por los expertos de la Unión Europea para el periodo 2014-2020. Se encuadran en el programa estratégico ECSEL, que es el heredero de los programas precedentes ARTEMIS y ENIAC de sistemas embedded y nanotecnología respectivamente, en cuyos documen-tos los términos multidisciplinario, interdisciplinario y cross-disciplina-rio aparecen recurrentemente. La multidisciplinariedad en entornos exigentes no es una cuestión menor. En la mecatrónica, término acuñado en 1969 por el ingeniero de Yaskawa Electric Tetsuro Mori, concurren las ingenierías mecánica, informática y electrónica, y Rainer Stetter advierte que a las empresas que fabrican maquinaria y que tienen sus raíces en la mecánica en general no les gusta el software (ver AeI núm. 426: El software no es un apéndice de la mecatrónica). La cultura de los CPS forzará la superación de estos prejuicios por definición.

Desde el punto de vista normativo, el discurso del IoT se ha incorpo-rado al discurso de los comités de estándares que representan dos corrientes en el ámbito de la au-

n Fuente: Sabina Jeschke.

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tomatización industrial. Por una parte está el comité AENOR CTN 116 Sistemas Industriales Automa-tizados, correspondiente al ISO/TC 184 Automation Systems and Inte-gration, y por otra la AENOR CTN 203 para Equipamiento Eléctrico y Sistemas Automáticos para la In-dustria, que corresponde al IEC/TC 65 Industrial-process measurement, control and automation. En la última década, la interacción de ambos con la AENOR CTN 71 Tecnología de la Información, correspondiente al ISO/IEC JTC 1 Information Technology, se ha incrementado de forma conti-nua debido al fenómeno identificado por Rockwell Automation denomi-nado convergence entre los mundos del manufacturing e IT, y que afecta no solo a aspectos tecnológicos como protocolos de comunicaciones, sino también a la problemática derivada de equipos mixtos con profesionales que provienen de comunidades con mentalidades distintas. Los sistemas embedded son el bloque constructivo que está propiciando estas conver-gencias inevitables.

Los sistemas embedded y su clasificaciónLa asociación INCOSE (Interna-tional Council of Systems Enginee-ring) define a un sistema como una construcción o colección de distintos elementos que juntos producen resul-tados no obtenibles por los elementos en solitario. Por otra parte, en el artículo publicado en AeI núm. 429 titulado Sistemas embedded se defi-nía un sistema embedded como una combinación de hardware y software orientada a soportar un conjunto finito y numerado de funciones bien definidas, a menudo con capacidades de proceso en tiempo real e integrado en un sistema mayor.

Para su desarrollo, los fabricantes suelen ofrecer starter kits, y para cada tipo de procesador hay dispo-nible un tool chain, que consiste en todo el conjunto de herramientas necesarias para desarrollar el soft-ware, incluyendo compilador, linker, depurador, fuentes y librerías con interfaces con el SO. El software puede consistir en una aplicación o en un sistema operativo completo,

en cuyo caso los recursos necesarios pueden ser elevados y los tiempos de compilación, largos.

Los sistemas embedded pueden cla-sificase según numerosos criterios. Aquí contemplaremos tres criterios de clasificación: por nivel de escala, según el modo de propiedad inte-lectual (ámbito muy complejo que en este artículo simplificaremos en libre o propietaria) y según el factor de forma (form factor).

El profesor Raj Kamal, en su libro Embedded Systems 2E, propone una clasificación en tres niveles de escala:

• Sistemas embedded de pequeña escala.

• Sistemas embedded de escala media.

• Sistemas embedded de escala sofisticada.

Esta clasificación permite encua-drar el conjunto de los sistemas em-bedded teniendo en cuenta su gran diversidad, que queda de manifiesto por la variedad de comunidades de práctica que se han creado a su alrededor.

Sistemas embedded de pequeña escalaSe trata de sistemas basados en un solo controlador, de 8 a 32 bits, con un nivel bajo de complejidades en cuanto a hardware y software. Pueden ser alimentados por una batería. Para el desarrollo del soft-ware embedded se suelen utilizar entornos de edición y compilación específicos para el microcontrolador o procesador utilizado. Definiremos microcontrolador como una unidad que contiene un procesador, me-moria, timers, un controlador de interrupciones, entradas y salidas con ADC (conversión analógico/

digital) o PWM (pulsos con modula-ción de anchura) y otras funciones. El lenguaje C está muy extendido en este tipo de procesadores y los programas deben ajustarse en es-pacio para poder caber en espacios de memoria reducidos, y al mismo tiempo suelen estar codificados de manera que el consumo de energía sea bajo al estar los programas eje-cutándose continuamente.

Sistemas basados en microcon-troladores PIC (Microchip) o los derivados del 8051 como los Atmel estarían en esta categoría de pequeña escala. Se utilizan en los sistemas de control de electrodomésticos como lavadoras, neveras, hornos microon-das o placas de inducción.

Sistemas embedded de escala mediaSon sistemas basados en uno o pocos microcontroladores, de tipo DSP (Digital Signal Processors) o RISC (Reduced Instruction Set Compu-ting). Los DSP son procesadores que incorporan en silicio funciones de cálculo matemático que pueden ser complejas, en general orientadas al proceso de señales. Por otra parte, los procesadores RISC poseen un reducido conjunto de instrucciones que se ejecutan todas ellas en un ciclo de reloj y tienen la característica de optimizar el consumo de energía y de utilizar estrategias avanzadas de paralelización en la ejecución del código. Los sistemas embedded de escala media pueden utilizar procesadores de propósito específico como los ASSP (Application Specífic Standard Processors) o IP cores (núcleos de tipo Intellectual Pro-perty). Los ASSP son procesadores con finalidades específicas, como por ejemplo los interfaces a buses.

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Los IP consisten en diseños que se pueden implementar en bases de silicio personalizables como las FPGA (Field Programmable Gate Array), que son matrices de celdas lógicas cuya funcionalidad puede progra-marse in situ mediante lenguajes de descripción de circuitos electrónicos digitales como el VHDL. A nivel de software, los sistemas embedded de escala media se suelen programar con lenguajes como C, C++ o Java, utilizando entornos de desarro-llo integrados con herramientas de depuración y simulación para afrontar complejidades de software y de hardware. Pueden incorporar pequeños RTOS (sistemas operativos de tiempo real). Aplicaciones como el proceso de voz (como VoIP), vídeo o el proceso de señales eléctricas para smart grids se han resuelto con soluciones multinúcleo DSP y ARM obteniendo lo mejor de ambos mundos (procesadores KeyStone de Texas Isntruments). Los denomina-dos smart meters o smart transducers (el término transducer incluye tanto a sensores como actuadores), que cada vez utilizan más elementos como los MEMS (microelectrome-chanical systems), son un ejemplo de aplicación de este tipo de sistemas embedded de escala media. Amplían a los de pequeña escala añadiéndoles proceso de señal y comunicación a

un bus o a una red.Este tipo de sistemas embedded

pueden llegar a utilizar arquitecturas de 64 bits y mediante RTOS ajustados pueden ofrecer excelentes ratios de alta potencia y baja complejidad para ofrecer total predictibilidad de cara a sistemas de misión crítica. El esquema multinúcleo está en auge y permite la garantía de ejecutar programas en tiempo real sin los de-nominados glitches que se producen cuando el sistema no atiende a una necesidad en un instante de tiempo determinado. La comunicación entre los programas que se ejecutan en los diversos núcleos se realiza en términos genéricos mediante un mecanismo de interface que puede ir desde la simple compartición de direcciones de memoria a nivel de hardware a un sofisticado protocolo o dispositivo de intercomunicación.

Sistemas basados en la plataforma abierta mbed para sistemas embedded e IoT basado en ARM correspon-derían a esta categoría de mediana escala. En http://developer.mbed.org/platforms se puede consultar una base de datos de dispositivos listos para usar de mbed. Asimis-mo, están disponibles todo tipo de módulos hardware y software en forma de librerías en lenguaje C para comunicaciones como TCP/IP, CAN Bus, RS 485, Modbus, USB, etc.

ofertados por un amplio ecosistema de empresas y equipos académicos, como el ESAII de la UPC.

Otro ejemplo de esta categoría sería la tarjeta de control CDA01-CU3 de teknoCEA (www.teknocea.com), de propósito general para aplicaciones de electrónica de potencia (10 kVA) con motores eléctricos trifásicos. Se basa en el DSP F28M35 Concerto de Texas Instruments.

Y otro ejemplo que estaría en esta categoría serían los sistemas basa-dos en las tarjetas RIO de National Instruments, programables con el entorno y lenguaje de programación gráfico y modular LabVIEW. Se ba-san en un procesador de arquitectura PowerPC y disponen de una FPGA de Xilinx para implementar en silicio la lógica diseñada.

Finalmente, el estándar AUTO-SAR (AUTomotive Open System ARchitecture, www.autosar.org) para la infraestructura de software embedded del automóvil, secundado por numerosos fabricantes del sector, se basa en el RTOS abierto OSEK. Se utiliza regularmente CAN Bus entre otros estándares y la programación de realiza en lenguaje C. El análisis de base está orientado a objetos y en la documentación se utiliza SysML/UML.

Sistemas embedded de escala sofisticadaLos sistemas embedded sofisticados incluyen elementos que son práctica-mente los de un ordenador completo, y en los últimos años ha habido una proliferación de los mismos con pro-cesadores basados en arquitectura ARM utilizando sistemas operativos como Linux, Android o Windows Compact, en que los servicios de comunicaciones, con drivers para todo tipo dispositivos inalámbricos o cableados, la disponibilidad de todo tipo de protocolos como TCP/IP, HTTP, Modbus, CAN bus, etc. y entornos de ejecución estándar para lenguajes como C, C++, Java o Python, están disponibles de forma común.

ARM es una corporación con sede en Cambridge (UK) que no produce componentes de silicio sino que diseña y comercializa núcleos de

n Dispositivo mbed Cortex M3 de NXP (Philips).

n Tarjeta CDA01-CU3 de teknoCEA basada en DSP.

n Tarjetas RIO de National Instruments.

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procesadores denominados Cortex en forma de elementos de propiedad intelectual (IP), de modo que los fabricantes de silicio los incorporan en sus semiconductores. La lista de licenciatarios (más de doscientos) se puede consultar en www.arm.com y en ella figuran prácticamente todos los fabricantes de procesado-res como Samsung, Texas Instru-ments, Broadcom, Atmel, Infineon (Siemens), NXP (Philips), Freescale (Motorola) y ST, entre otros. La aparición de pequeñas tarjetas de bajo coste con ARM/Linux como Raspberry Pi, BeagleBone Black (de TI) o IGEP (de ISEE), entre muchas otras, ha popularizado el uso de este tipo de sistemas en la comunidad Maker.

El kernel de Linux es una pieza de software de tremenda compleji-dad. Según el estudio realizado por Amanda McPherson, la estimación del coste de desarrollo acumulado del kernel de Linux 2.6.25 utilizando la metodología COCOMO sobre 6,7 millones de líneas de código sería de unos 91.000 meses/hombre, que en costes, dependiendo del precio/hora que se aplique, en números redondos sería de alrededor de 1.000 millones de euros. Esta proliferación de sistemas embedded con Linux se debe a dos fenómenos. A la irrupción masiva de procesadores de arqui-tectura ARM debida al boom de la telefonía móvil (actualmente se fa-brican unos 20 mill de uds ARM/díaque se han añadido a la preexistente base de sistemas compactos basados en arquitectura Intel, iniciando una gran batalla de arquitecturas entre Intel y ARM, y al fenómeno open.

Tanto los sistemas profesionales como los de los Makers que utili-zan Linux se aprovechan por igual

de los 91.000 meses/hombre que ha supuesto el kernel de Linux, la mayor obra colaborativa y referencia del movimiento Open de la huma-nidad. El kernel de Linux contiene elementos de enorme complejidad y el dominio del mismo a máxima profundidad está al alcance de pocos.

Sin embargo, el movimiento Open ha dado lugar a un ecosistema for-midable de comunidades de expertos en Linux de altísimo nivel de todas partes del mundo que ofrecen servi-cios de consultoría y formación, pero que al mismo tiempo participan en el desarrollo del producto e impul-

n IGEP 3730 ARM Cortex A8 SBC autóno-ma, de ISEE.

El desafío de la seguridad

U no de los desafíos más importantes del escenario IoT/CPS que se vislumbra es la cuestión de la seguridad, tal como se pone de

manifiesto en eventos como el congreso de EuroCACS 2014 organizado por ISACA, una organización de ámbito mundial de Auditoría y seguri-dad informática. Los términos anglosajones safety & security definen la seguridad en forma amplia. Nos referiremos al primer término como seguridad funcional (functional safety) y al segundo como ciberseguridad (ciber-security), siguiendo el esquema planteado por la entidad certifi-cadora TÜV para sistemas embedded. La seguridad funcional se orienta a la protección contra incidentes causados por un malfuncionamiento de componentes o sistemas. Por otra parte, la ciberseguridad se orienta a identificar, proteger (información), detectar, responder y recuperar-se de ataques (según la definición de la NIST-National Institute od Standards and Technology norteamericana). Según Silvia Mazzini, los enfoques generales de safety y security son muy diversos. En safety se supone que los operadores son bien intencionados, que los sistemas son cerrados y que los tiempos de respuesta son garantizados por recursos dedicados. Por el contrario, en security se supone que hay atacantes, que los sistemas son abiertos y se interconectan y que las respuestas vienen dadas por recursos compartidos. El estándar de referencia de safety es la norma IEC 61508 de seguridad funcional y el de referencia en security (industrial) es la IEC 62443 (también conocida como ISA 99). En safety se definen cuatro niveles de seguridad denominados SIL (Safety Integrity Level) según la probabilidad de fallo en demanda. El nivel mínimo SIL1 establece una probabilidad del orden 10^-2 y el máximo SIL4 del orden de 10^-5. En security se definen cuatro niveles de seguridad denominados SL (Security Level) en el que el SL1 se refiere a ataques casuales o accidentales y el SL4 se refiere a ataques intencionados utilizando recursos altamente sofisticados. Hasta 2010 cada estándar había ido por su cuenta, hasta que una actualización de la IEC 61508 reconoce los riesgos derivados de la ciberseguridad como un riesgo potencial y hace referencia explícita a la IEC 62443 como recomendación en este aspecto. En el pasado, proyectos de misión crí-tica como centrales nucleares o sistemas aeronáuticos habían forzado la integración de ambos mundos en sus proyectos presionados por una causa mayor, pero de ello no se había generado ninguna metodología de tipo general. La privacidad, tan importante en la security, no lo es tanto desde el punto de vista de safety, que prioriza la garantía a la no manipulación. Investigadores como Curtis G. Northcutt del MIT pro-ponen algoritmos de robustez que garantizan desde el punto de vista teórico la detección inmediata de cualquier intento de manipulación de información en sistemas ciberfísicos. En cuanto a la industria, la TÜV Sud ofrece una certificación conjunta de safety & security para sistemas embedded y diversos fabricantes de semiconductores y com-ponentes para sistemas embedded están certificando productos según la IEC 61508, como Texas Instruments.

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san la comunidad Open de Linux, fomentando su uso y aplicaciones tanto en el ámbito industrial como educativo, como es el caso de free-electrons.com, con sedes en Orange y Toulouse, que tienen a disposición de forma libre fantásticos materiales en su página web.

En 2011, Intel disponía de la li-cencia de ARM pero declaraba que no tenía intenciones de hacer uso de ella, y en 2014 ha anunciado que utilizará un chip basado en ARM para un smartwatch.

La potencia de estos sistemas permite sofisticadas aplicaciones HMI (Human Machine Interface) y aplicaciones tipo scada (como openSCADA, libre y programado en Java, o Ignition SCADA, propietario y programado en Python).

Son ejemplos de sistemas sofisti-cados aquellos que funcionan con un sistema operativo como Linux, ya sea como SBC autónoma o como COM más carrier.

También corresponden a esta ca-tegoría las tarjetas de los estándares SMARC y Qseven, que se verán más adelante.

Más allá de los sistemas embeddedLa definición adoptada se contrapone a la noción de ordenador de propósito general. ARM es una arquitectura que va de abajo a arriba en cuanto a potencia, ya que proviene del mundo embedded y, por otra parte, Intel va de arri-ba hacia abajo, habiendo creado un procesador de bajo consumo denominado Atom a partir de un bac-kground de procesadores provenientes del mundo del PC y de grandes servi-dores. Un campo de batalla encarnizado es el de las tabletas, en que Intel ha desarrollado una versión de Android para su arqui-tectura, pero en el que ARM de momento es el claro dominador al tener un mejor comportamiento en el consumo de energía que afecta directamente a la duración de las baterías

y a la emisión de calor. Los intentos de Intel de entrar en la telefonía mó-vil o en el campo de los Makers con la tarjeta Galileo están dando escasos resultados en comparación con los crecimientos que están consiguiendo los productos basados en ARM.

En el ámbito del escritorio, Li-nux ya está disponible tanto en Intel como en ARM de forma muy amplia, de modo que la famosa instrucción de Linux apt-get install (propia de las distribuciones Debian y Ubuntu) posibilita el acceso a un sinfín de aplicaciones informáticas desde entornos de desarrollo como

Eclipse, Mathematica, runtimes de Java o Python, programas de ofimá-tica como Libre Office, etc., tanto desde ordenadores de escritorio, servidores o portátiles como desde sistemas embedded populares como una Raspberry Pi, una BeagleBone Black o una Olimex, o tarjetas más profesionales como una IGEP (ARM), o Advantech o una Adlink. Microsoft dispone de una versión de Windows para arquitecturas ARM denominada RT, pero sus funcionalidades son muy limitadas. La presión que está ejerciendo la evolución de Android sobre ARM hacia aplicaciones de es-

critorio es enorme y habrá que ver si se cumple que el sistema Windows 10 anunciado para el próxi-mo año estará disponible de forma completa tanto para las arquitecturas Intel como para las ARM de forma completa. Si ello sucede, la batalla puede transformarse en una gue-rra total.

Clasificación según el factor de formaEl factor de forma (Compu-ter Form Factor) engloba los aspectos relacionados con el reemplazo físico de los componentes. Ello implica compatibilidad no

n Tarjetas SMARC de Kontron.

n IGEP COM Module DM3730 ARM Cortex A8 de ISEE con una carrier (www.isee.biz).

n Pinout del conector SMARC (Fuente: Kontron).

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solo dimensional, sino también en cuanto a los conectores y a sus res-pectivas señales eléctricas e incluso a los protocolos de comunicaciones. En componentes de menor tamaño, las piezas se sustituyen, y en los de mayor tamaño se enracan. La re-lación de estándares de Computer Form Factor es muy extensa y, en particular, las que pueden conside-rarse propias de sistemas embedded sigue siendo muy amplia (ver AeI núm. 429 Sistemas Embedded).

Entre los numerosos estándares se hallan el mítico PC/104 o el COM Express. Sin embargo, desde Europa está emergiendo la inicia-tiva SGET (Standarization Group for Embedded Technologies, www.sget.org), que propone el uso de dos estándares para sistemas embedded: SMARC (Smart Mobiliy ARChi-tecture), orientado a sistemas con procesadores de arquitectura ARM, y QSEVEN, orientado a sistemas con procesadores de arquitectura Intel.

Ambos estándares definen a sis-temas tipo COM (Computer on Mo-dule), que consisten en SBC (Single Board Computer) que puede tener ciertos conectores pero que en ge-neral necesitan de una tarjeta de expansión denominada carrier, que es la que exponen los diferentes co-nectores que se quieran utilizar.

SMARC form factorDefine dos tamaños, el full size mo-dule (82 x 80 mm) y el short module (82 x 50 mm).

SMARC utiliza el conector utilizado por las tarjetas gráficas MXM 3.0 de 314 pins. Diversos fabricantes, como Kontron, Advantech, QNV o Adlink ofrecen este tipo de tarjetas.

QSEVEN form factorDefine un tamaño de 70 x 70 mm y utiliza el conector utilizado por las tarjetas gráficas MXM2 SMT de 230 pins. Diversos fabricantes, como Ad-vantech, QNV o Adlink ofrecen este tipo de tarjetas. El estándar incluye las características que aparecen en la tabla superior.

Los sistemas embedded de escala sofisticada son propicios para el desembarco de los desarrolladores

de software provenientes del mundo de los integradores de IT. No obs-tante, se pueden concebir sistemas embedded compuestos formados por la combinación de subsistemas embedded de diversas escalas, co-ordinados entre sí por mecanismos de interface, pudiéndose así evitar interferencias de unos con otros.

El círculo virtuoso de la simulación y la automatizaciónLos mecanismos de interacción entre el mundo físico y ciberfísico son dos: la simulación y la automatización.

Simulación y sistemas ciberfísicosLa simulación lleva siendo utilizada desde hace décadas en el ámbito de la ingeniería (ver AeI, núm. 446: Simulación multifísica en los siste-mas CAD/CAE). En el ámbito de la simulación de sistemas embedded, desde los trabajos seminales de Hil-ding Elmqvist en los años setenta, que desembocaron en el lenguaje Modelica, la oferta de entornos de simulación es amplia. Desde solu-ciones propietarias como Simulink o Electronics Workbench (de Natio-nal Instruments) hasta soluciones abiertas como OpenModelica, Scilab, KiCad for SPICE, entre otras, y cada una con sus especificidades. Desde el punto de vista de la estandarización, lenguajes abiertos de modelización como SysML pueden jugar un papel crucial en un futuro para posibilitar la interoperabilidad de modelos.

Merece especial atención la inicia-tiva 123D Circuits de Autodesk. Se trata de un entorno de simulación para sistemas ciberfísicos basados

en Arduino, utilizable online sin instalación en http://123d.circuits.io y de forma gratuita. El entorno permite diseñar circuitos sobre un realista protoboard, programar el Arduino, compilar y simular la carga del programa al target y simular su ejecución, tanto a nivel eléctrico (eliminando riesgos de dañar ele-mentos reales) como a nivel lógico (software programado). También están disponibles las vistas tipo es-quemático tradicional y la vista PCB para el diseño y ulterior fabricación de un circuito impreso. El catálogo de componentes incluye elementos pasivos, circuitos integrados, senso-res y componentes electromecánicos como motores, servos, etc.

Se observa una tendencia al auge de este tipo de software de simula-ción orientado al soporte comercial de componentes electrónicos. La idea es tener de cada producto físico su correspondiente objeto de simulación

n Tarjetas Qseven de Advantech: la SOM-3565, de arquitectura Intel, y la ROM-7420, de arquitectura ARM.

Características del estándar Qseven

4× PCI Express ×1 vía

2× SATA

8× USB 2.0

1× 1000BaseT Ethernet

1× SDIO 8-bit

LVDS 2× 24-bit

SDVO / HDMI / DisplayPort(compartido)

HDA (High Definition Audio)

I²C Bus

LPC (Low Pin Count Bus)

CAN bus (Controller–area network)

SPI (Serial Peripheral Interface Bus)

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(objeto virtual o modelo), disponien-do así de un catálogo de productos virtualizados al cual se puede acceder desde el simulador e integrarlos en nuestro modelo. El proceso termina construyendo una lista de materiales valorada que se puede convertir en un pedido que se puede pagar desde el propio simulador, una vez veri-ficado el correcto funcionamiento desde el punto de vista funcional y físico (eléctrico, mecánico, dimen-sional, etc.). Se empiezan a hacer realidad los postulados del docu-mento seminal de la NSF (National Science Foundation de los EEUU) de 2006 titulado Simulation-Based Engineering Science, que establece las bases de procesos de creación y desarrollo basados en modelos que se contraponen a procesos basados en documentos, tan asentados en la ingeniería tradicional. Los avances en la simulación multifísica que vayan apareciendo, vengan de donde vengan, están llamados a incorpo-rarse al círculo virtuoso.

Automatización y sistemas ciberfísicosLa automatización es definida como el control de objetos físicos a través de objetos de software. Este sentido del flujo de lo virtual a lo real es la última fase que cierra el círculo vir-tuoso de la 4ª revolución industrial. La aplicación de este sentido del flujo se está realizando en dos fases, desde un punto de vista evolucionario. La primera fase consiste en incorporar sistemas embedded a objetos físicos ya existentes para lograr su automatiza-ción (automatic override) y se basa

en dos reglas simples: Todo medidor debe ser accesible (modo lectura) vía webservice y todo actuador debe ser manipulable (modo escritura) también vía webservice. La segun-da fase consiste en incorporar de forma nativa los sistemas embedded a los nuevos objetos físicos desde su concepción y diseño. La noción de objeto es muy amplia y abarca todo tipo de sensores, actuadores, interruptores, motores, válvulas y cosas en general.

Conclusiones y una reflexión finalEn este artículo se ha descrito un marco conceptual para los siste-mas embedded para el contexto del Internet de las cosas y los sistemas ciberfísicos (IoT/CPS). En las puertas de la cuarta revolución industrial, los sistemas embedded se sitúan en el centro del tablero, en la casilla de los CPS.

Por otra parte, en los documen-tos de la Unión Europea sobre el programa estratégico para los siste-mas embedded ECSEL, el carácter transversal de las iniciativas que se proponen son de forma reiterada de carácter multidisciplinario o interdis-ciplinario, y todo ello en el familiar contexto de continuas propuestas desde la industria de nuevos están-dares que prometen el paraíso de la compatibilidad e interoperabilidad.

La clasificación de Raj Kamal es sufientemente amplia y flexible para albergar prácticamente todo tipo de sistemas embedded. No obstante, dentro de la comunidad genérica de los sistemas embedded caben

subcomunidades con muy poco en común entre sí. Los precedentes del fenómeno de la convergence definida por Rockwell Automation, la histórica separación de los mundos safety & security, la problemática cultural indicada por Rainer Stetter en la mecatrónica o las controversias de los senior Makers con limitaciones normativas, son indicadores de la dificultad de avanzar en equipos con miembros provenientes de distintas comunidades con modelos mentales muy distintos. Todo ello, combinado con la transversalidad que se prevé que habrá en la adopción de los sistemas embedded en todo tipo de ámbitos, sugiere que van a hacer falta muchas dosis de empatía, la cual figu-ra en el catálogo de competencias de inteligencia emocional de Goleman y que se define como la capacidad de compartir y entender estados mentales o emociones de otros.

Permítame el lector proponer una nueva competencia emocio-nal denominada emulsividad, que definiremos como la capacidad de mantener estados de empatía de forma sostenida en el tiempo. El nombre proviene del término emulsión, que se define como una mezcla estable de elementos que por naturaleza tienden a separarse. Un ejemplo de emulsión que sirve de metáfora para explicar la noción de emulsividad es la obtención ma-nual de allioli, del cual se realizan numerosos concursos populares en los que los participantes deben mostrar habilidad técnica y empeño sostenido en el tiempo para lograr la ansiada emulsión. La emulsividad es una competencia que se puede aprender, entrenar y recomendar para proyectos en los que sus miem-bros provienen de comunidades con modelos mentales muy diversos, incluso contradictorios. Los sistemas embedded están en el centro de una revolución de la que no se sabe si será más tecnológica que social, o viceversa.

Xavier PiEmbedded Systems WorkingGroup Chaircoeic.com

los sistemas embedded en el centro de la cuarta...

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