I Sistemi Embedded, Il Micromondo che ci circonda in Nad Nuova Accademia del Design

I SISTEMI EMBEDDED, IL MICROMONDO CHE CI CIRCONDA

I sistemi embedded stanno diventando sempre più utilizzati in differenti contesti grazie ai loro punti di forza, ovvero il costo e il consumo, molto inferiori rispetto ai sistemi general purpose.

Ce ne parla Enrico Giordano, coordinatore della Innovation e della Visual Design School, ingegnere informatico.”

Che cosa sono i sistemi embedded?

I sistemi embedded sono un particolare tipo di hardware progettato per eseguire una specifica funzione; per questo sono definiti “special purpose” per differenziarli dai sistemi “general purpose”, che invece sono sistemi generici in grado di svolgere diverse funzioni generiche.

I sistemi embedded si possono trovare in svariati contesti, dal più comune e quotidiano (basti pensare ad un telecomando di un televisore o ad un termostato casalingo) al più particolare ed avanzato, come un controllore di un robot chirurgico o un sintetizzatore audio.

Sono dispositivi pervasivi, che esistono da quando esiste la microelettronica digitale, da quando “volgarmente” siamo abituati a vedere i famosi chip, ovvero i classici “ragnetti” neri che vediamo nei circuiti.

Piccoli, precisi ed efficienti.

Le caratteristiche principali sono quindi: essere piccoli, avere una precisione accurata in base al contesto applicativo ed essere efficienti dal punto di vista energetico. 

Com’è possibile tutto ciò?

Tutto ruota attorno al concetto di ottimizzazione: a differenza di un normale computer, che è composto da svariati componenti, con un sistema operativo in grado di gestire svariati processi e, perché no, uno schermo 4k pilotato da una GPU di ultima generazione, questi sistemi sono ridotti allo stretto necessario per eseguire solo ciò per cui sono stati creati. 

Molto spesso sono dispositivi “ciechi” (senza schermo) che non dialogano con il mondo esterno ma si fanno semplicemente pilotare, o addirittura la maggior parte del tempo “dormono” (vanno in power saving) per risparmiare energia, ma devono essere reattivi ed efficienti.

Il sistema embedded quindi è ottimizzato, ovvero “ridotto al minimo”, per le operazioni che deve eseguire e il contesto in cui deve lavorare.

 In questo modo non si sprecano risorse, può costare il meno possibile e può rispettare i vincoli temporali imposti dal caso applicativo, oltre ad essere abbastanza piccolo per non creare situazioni di disturbo

Facciamo un po’ di esempi

1) Il sistema di controllo di un airbag deve:

  • consumare poca energia (perché non deve scaricare la batteria della macchina)
  • essere piccolo altrimenti occuperebbe troppo ingombro dentro il cruscotto e non ci sarebbe spazio per tutti i componenti della centralina dell’auto
  • rispettare un vincolo temporale molto forte, ovvero i decimi di secondo, non troppo veloce altrimenti danneggerebbe gli occhi (il tempo di riflesso della palpebra è in decimi di secondo), non troppo lento altrimenti sarebbe inutile (prima si sbatterebbe la faccia sul volante e poi scoppierebbe l’airbag)
  • non ci sono vincoli di costo, la sicurezza alla guida prima di tutto (ma se si accende la spia degli airbag, sono dolori per il portafoglio)      

2) Un termostato deve :

  • consumare poca energia (nessuno vorrebbe vedere la bolletta della luce aumentare per colpa del termostato)
  • essere più piccolo di un normale computer, possibilmente stare attaccato ad un muro (potrebbe diventare un elemento di design per la casa)
  • non ha vincoli temporali, in quanto la temperatura in casa cambia approssimativamente ogni minuto, quindi non serve un sistema particolarmente complesso ed efficiente in termini di tempi di risposta
  • costare il meno possibile, ne devono essere venduti in grandi quantità e quindi deve avere un prezzo concorrenziale

3) Uno smartphone:

  • è consigliabile la durata di una giornata, ma non è indispensabile
  • deve essere piccolo ma non troppo, si deve vedere bene lo schermo, soprattutto per le foto
  • ha dei vincoli temporali molto stringenti, perché deve essere assolutamente reattivo sia nell’interfaccia sia nelle operazioni di routine
  • è consigliabile un costo basso, ma non è un fattore importante, tanto che alcuni smartphone costano volutamente tanto 

Il compromesso

Dagli esempi precedenti abbiamo notato, però, che ci sono caratteristiche differenti, ovvero non tutti i dispositivi sono piccoli, precisi ed efficienti; questo perché, in situazioni reali, bisogna scegliere cosa si può implementare e cosa no. 

Si parla perciò di trade-off implementativo: bisogna scegliere delle caratteristiche predominanti ed escluderne altre.

In generale, bisogna scegliere tre su quattro caratteristiche potenziabili, tra cui: costo, velocità, consumo, dimensioni. 

Dal punto di vista progettuale, si può fare in modo di spingere al massimo tutte e quattro le caratteristiche, ma bisogna sempre considerare aspetti tecnologici non indifferenti, che possono portare ad un ritardo troppo importante di time-to-market.

In contesti realistici comunque, non c’è da preoccuparsi: una delle quattro caratteristiche è quasi sempre trascurabile, difficilmente un potenziale cliente vorrebbe il dispositivo più veloce in assoluto, che consumi il meno possibile, che sia il più piccolo possibile e che costi il meno possibile.

E’ anche vero, però, che la storia è anche piena di errori di valutazione non indifferenti, causati da un’analisi sbagliata di quali caratteristiche potenziare. 

Per citarne alcuni:

  • nel 1991, il missile Patriot doveva difendere la pista di volo dell’aeroporto di Dharhan dallo Scud iracheno, ma un piccolo errore di calcolo (quindi di precisione scelta) unito ad un problema di reset del timer interno, ha portato l’impossibilità di intercettare il missile, causando la morte di 28 soldati americani
  • nel 2016, sono stati ritirati tutti i pacemaker St.Jude perché, dopo l’aggiornamento del firmware interno e relativi crash causati da esso, si scaricava troppo velocemente la batteria; fortunatamente nessun paziente è morto a causa di questo problema

In generale possiamo affermare quindi che i sistemi embedded, quando non vengono progettati bene, possono causare notevoli danni.

 

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