Arduino es actualmente una de las plataformas más populares para robótica educativa debido a su bajo costo y gran cantidad de recursos disponibles en línea. Las librerías de Arduino proporcionan una capa de abstracción sobre los detalles del hardware, lo que permite construir proyectos interesantes aún sin tener experiencia en el tema. Sin embargo, su falta de soporte para la concurrencia dificulta algunos proyectos de robótica educativa. Como solución, hemos propuesto el uso de un lenguaje de programación concurrente soportado por una máquina virtual que se ejecuta en la placa Arduino. En este artículo, describimos la implementación de dicho lenguaje.Eje: Innovación en Sistemas de Software.Red de Universidades con Carreras en Informátic

Morán, Ricardo

Teragni, Matías

Zabala, Gonzalo

Spanish

SEDICI - Repositorio de la UNLP

Concurrencia en Arduino: Un enfoque basado en una máquina virtual 
Ricardo Moran, Gonzalo Zabala, Matías Teragni 
 
Centro de Altos Estudios en Tecnología Informática 
Facultad de Tecnología Informática 
Universidad Abierta Interamericana  
Av. Montes de Oca 745, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, República Argentina 
(+54 11) 4301-5323; 4301-5240; 4301-5248 
{Ricardo.Moran, Gonzalo.Zabala, Matias.Teragni}@uai.edu.ar 
 
RESUMEN 
Arduino es actualmente una de las      
plataformas más populares para robótica     
educativa debido a su bajo costo y gran        
cantidad de recursos disponibles en línea. Las       
librerías de Arduino proporcionan una capa de       
abstracción sobre los detalles del hardware, lo       
que permite construir proyectos interesantes     
aún sin tener experiencia en el tema. Sin        
embargo, su falta de soporte para la       
concurrencia dificulta algunos proyectos de     
robótica educativa. Como solución, hemos     
propuesto el uso de un lenguaje de       
programación concurrente soportado por una     
máquina virtual que se ejecuta en la placa        
Arduino. En este artículo, describimos la      
implementación de dicho lenguaje. 
Palabras clave: ​robótica educativa, lenguaje     
de programación, máquina virtual, Arduino,     
concurrencia, programación, sincronización. 
CONTEXTO 
El presente proyecto está radicado en el       
Centro de Altos Estudios en Tecnología      
Informática (CAETI), dependiente de la     
Facultad de Tecnología Informática de la      
Universidad Abierta Interamericana. El    
mismo se encuentra inserto en la línea de        
investigación “Sociedad del conocimiento y     
Tecnologías aplicadas a la Educación”. El      
financiamiento está brindado por la misma      
Universidad Abierta Interamericana. 
Ricardo Moran percibe además una beca      
doctoral por parte de la Comisión de       
Investigaciones Científicas de la Provincia de      
Buenos Aires (CIC). 
1. INTRODUCCIÓN 
Arduino se ha convertido en una de las        
plataformas más populares para construir     
proyectos de electrónica, en especial entre      
hobbistas, artistas, diseñadores y principiantes     
en el área. Las librerías de software y el         
ambiente de desarrollo (IDE) de Arduino      
proveen una capa de abstracción sobre los       
detalles de hardware que hace posible      
construir proyectos interesantes sin una     
completa comprensión de conceptos más     
avanzados de microcontroladores como    
interrupciones, registros, y timers entre otros. 
Al mismo tiempo, esta capa de abstracción       
puede ser ignorada para acceder a      
funcionalidades avanzadas si el programador     
lo requiere. Estas características hacen que la       
plataforma Arduino sea útil tanto para      
principiantes como para expertos. 
 
Pero hay un aspecto en la que el lenguaje         
propuesto por Arduino carece de una      
abstracción adecuada, la concurrencia. Para     
todo proyecto que contenga cierta     
complejidad la estructura de setup() y loop()       
no es suficientemente expresiva. Incluso     
tareas moderadamente complejas requieren    
cierta ejecución de tareas simultáneas. 
Particularmente, la mayoría de los proyectos      
de robótica educativa requieren la     
implementación de un dispositivo que realice      
dos o más tareas en simultáneo. Esto impone        
una limitación sobre el tipo de proyectos       
educativos que se pueden llevar a cabo,       
especialmente si el contenido que se desea       
transmitir no está relacionado a robótica o       
programación en sí mismo. 
 
2. LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN, 
DESARROLLO E INNOVACIÓN 
 
Propusimos la implementación de un lenguaje      
de programación concurrente soportado por     
una máquina virtual que se ejecuta en       
Arduino. Lo llamamos UziScript y tenemos la       
expectativa de que se convierta en el lenguaje        
al cual compilan entornos de programación      
visual como Physical Etoys, Scratch for      
Arduino y Ardublock , entre otros. 
Dado que su propósito principal es educativo,       
fue diseñado en base a los siguientes       
principios: 
1. Simplicidad: la máquina virtual debería ser      
fácil de entender, comprendiendo cómo     
realiza su trabajo. 
2. Abstracción: el lenguaje debe proporcionar     
funciones de alto nivel que oculten algunos       
de los detalles relacionados con los      
conceptos de microcontroladores básicos y     
avanzados (como timers, interrupciones,    
concurrencia, pines de entrada/salida, etc.).     
Estos conceptos pueden introducirse    
posteriormente a un ritmo adecuado a las       
capacidades del estudiante. 
3. Supervisión: debería ser posible monitorear     
el estado de la placa mientras esté       
conectada a la computadora. 
4. Autonomía: los programas deben poder     
ejecutarse sin tener la placa conectada a la        
computadora. 
5. Depuración: las herramientas deben    
proporcionar mecanismos para la detección     
de errores y la ejecución paso a paso del         
código. Sin herramientas de depuración, el      
proceso de corrección puede ser frustrante      
para un usuario sin experiencia. 
 
3. RESULTADOS 
OBTENIDOS/ESPERADOS 
 
Se diseñó e implementó un entorno de       
desarrollo integrado para robótica educativa     
cuyo objetivo es solucionar algunos     
problemas comunes que se observan en las       
herramientas actualmente disponibles en el     
mercado, particularmente la falta de soporte      
para expresar tareas concurrentes. 
La solución tecnológica está compuesta por      
un firmware que se ejecuta en el robot y un          
conjunto de herramientas de desarrollo que      
pueden ejecutarse en una computadora o      
dispositivo móvil. El firmware desarrollado     
incluye un programa monitor encargado del      
protocolo de comunicación y una máquina      
virtual que abstrae los detalles del hardware.       
Se diseñó un lenguaje específico de dominio       
para robótica educativa y se implementaron      
dos interfaces de programación: una textual y       
otra visual (basada en programación por      
bloques). Ambas interfaces fueron diseñadas     
para usarse en simultáneo, proveyendo     
generación automática de una representación     
a partir de la otra. 
Dado que la mayoría de los Arduinos       
contienen un solo microcontrolador, estos     
solo pueden ejecutar un hilo a la vez. Esto         
implica que todas las tareas definidas en el        
programa deben compartir un solo     
procesador. La máquina virtual, además de      
ejecutar las instrucciones del programa, es      
responsable de manejar la planificación de      
tareas. Esta decide qué tareas son ejecutadas,       
y cuando deben ser interrumpidas     
preventivamente. La estrategia de    
planificación es simple, la máquina virtual      
recorre la lista de tareas, encolando aquellas       
cuyo tiempo para correr haya sido alcanzado.       
Luego ejecuta cada instrucción de dichas      
tareas hasta que se realice una operación       
bloqueante, interrumpiendo la tarea actual y      
pasando a la siguiente. Cada tarea almacena       
entonces su contexto de ejecución (pila,      
contador de programa y frame pointer)      
permitiendo luego continuar la ejecución en el       
punto donde fué interrumpida. Algunas de las       
operaciones bloqueantes que fuerzan un     
cambio de contexto son la instrucción “yield”,       
todas las variantes de delay(), los saltos a        
instrucciones anteriores al puntero de     
ejecución actual, escribir el puerto serie      
cuando el buffer está lleno, leer del serie        
cuando el buffer está vacío, entre otras. 
Poder simplemente expresar tareas    
concurrentes no es suficiente, dado que todas       
comparten los mismos recursos (memoria,     
pines, puerto serial) es necesario poder      
coordinarlas. Hemos implementado dos    
librerías externas que proveen mecanismos de      
sincronización. Ambas están escritas    
completamente en UziScript, permitiendo a     
los usuarios acceder a la lógica de       
sincronización de ser necesario sin la      
complejidad de enfrentarse a código de bajo       
nivel. 
 
Este proyecto se encuentra en un estado de        
desarrollo avanzado y una primera versión fue       
publicada a principios de este año. Sin       
embargo, el lenguaje diseñado todavía     
presenta muchas limitaciones. Por ejemplo, el      
único tipo de dato soportado es punto flotante        
de 32 bits. Sería deseable soportar otros tipos        
de datos como integers, arrays, y strings. 
El firmware también podría mejorarse.     
Quedan por implementar muchas primitivas     
de Arduino así como dar soporte a       
interrupciones de hardware. Estamos    
trabajando en un diseño que hará posible       
especificar tareas especiales que sólo se      
ejecutarán cuando ocurra una interrupción. 
Finalmente, la performance también puede ser      
un problema. Nuestras mediciones iniciales     
muestran que UziScript es entre 20 y 60 veces         
más lento que el código Arduino nativo. Si        
bien esto puede ser suficiente para ciertas       
aplicaciones (sobre todo en el ámbito      
educativo), creemos que hay mucho lugar      
para optimizaciones. 
Otro potencial problema es el tamaño de los        
programas. Considerando que muchas placas     
Arduino tienen una memoria reducida, es      
deseable que la máquina virtual y los       
programas del usuario sean lo más compactos       
posible. El conjunto de instrucciones, si bien       
fue diseñado para ser compacto, podría      
optimizarse. Y el compilador actual no realiza       
ninguna optimización adicional. 
 
A pesar de las limitaciones descritas      
anteriormente, creemos que los beneficios que      
presenta la solución propuesta superan sus      
desventajas, especialmente en el contexto de      
robótica educativa. 
 
4. FORMACIÓN DE RECURSOS 
HUMANOS 
El equipo de trabajo está conformado por un        
investigador adjunto del Centro de Altos      
Estudios en Tecnología Informática (CAETI)     
quien ejerce el rol de director del proyecto,        
dos doctorandos, y un ayudante alumno de la        
Facultad de Tecnología Informática de la      
Universidad Abierta Interamericana. 
 
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Concurrencia en Arduino: un enfoque basado en una máquina virtual

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/77188/Documento_completo.pdf?sequence=1

Concurrencia en Arduino: un enfoque basado en una máquina virtual

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