DAL MICROPROCESSOREAI SISTEMI EMBEDDED

Informatica per l’Automazione II(Informatica B o II)

Anno accademico 2008/2009

Prof. Giuseppe Mastronardi

Ing. Marco Giannini

Introduzione

La struttura dei moderni calcolatori è rappresentata dal modello di VON

NEUMANN ed è costituita dalle seguenti unità:

• Unità di ingresso o input

• Unità di memoria• Unità di controllo (CU)

• Unità aritmetico logica (ALU)

• Unità di uscita o output

Unità Aritmetico-Logica

Unità di ControlloUnità di Input

Memoria

Unità di Output

Parte fondamentale di un computer è il processore (CPU)* che è composto

da:

• Unità Aritmetico-Logica (ALU), che opera su informazioni presenti in singole unità di memoria, i Registri

• Unità di Controllo (CU), che consente di interpretare ed eseguire una sequenza di istruzioni mediante un numero finito di micro-ordini, passando da uno stato iniziale ad uno finale

* Se tutte le parti di un processore sono integrate in un unico chip si parla di “microprocessore”

Il sistema prevede che la macchina effettui le seguenti operazioni elementari:

1. Operazioni di ingresso dati2. Operazioni di trasferimento dati dalla

memoria ai registri, all’ALU e viceversa

3. Operazioni aritmetiche e logiche eseguite in ALU

4. Operazioni di uscita

Il programma è una sequenza

di istruzioni che impartiscono comandi

all’hardware per l’esecuzione

delle diverse operazioni richieste

Tutte le operazioni sono permesse da programmi memorizzati nella memoria centrale ed avvengono sotto il controllo

del processore che accede alla memoria, preleva le istruzioni del programma, le

interpreta e le esegue. Per fare ciò opera in due fasi:

- Caricamento del programma (load-time)- Esecuzione del programma (run-time)

Nel modello di VON NEUMANN la memoria centrale è costituita da:

• Insieme ordinato di celle o locazioni indirizzabili

• In ogni cella viene contenuto il valore di una informazione

• Il prelievo dell’informazione dalla memoria non altera e non cancella il contenuto dell’informazione che quindi rimane disponibile per altre analoghe operazioni di lettura (la lettura non è distruttiva)

• La registrazione o scrittura in memoria comporta la sostituzione e perciò la modifica della vecchia informazione con la nuova

(la scrittura è distruttiva)• Le informazioni della memoria

centrale sono direttamente accessibili dall’unità di controllo

La capacità di memoria centrale

viene espressa in byte che è

la minima unità indirizzabile;

se di tipo statico è dell’ordine dei KB,

se di tipo dinamico è dell’ordine dei MB.

La capacità di memoria di massa

è dell’ordine dei GB e la minima unità indirizzabile è il record fisico

(da 512 a 4096 bit).

• Le memorie di massa sono memorie ausiliarie e funzionano come unità I/O; le informazioni in esse contenute vengono trasferite nella memoria centrale per poter essere elaborate.

• La memoria di massa svolge un ruolo di archivio di informazioni ed i dati su di essa sono organizzati in archivi o file, composti da più record logici.

Gerarchie di memorie

• Registri• Cache• Memoria centrale

volatile (SRAM o DRAM)o non volatile (ROM o Flash EEPROM)

• Dischi magnetici fissi• Dischi magnetici rimovibili• Dischi ottici rimovibili a sola

lettura (CD-ROM o DVD)• Nastri magnetici o di backup

(Streamer tape)• Memoria universale della rete

(Internet)

Aumenta la capacità di memoria

Aumenta la velocità di accesso a memoria (alla reperibilità dei dati)

Le unità di ingresso e di uscita vengono dette in gergo unità I/O (input/output) e

sono:

• Tastiera • Mouse• Monitor (schermo)• Supporti magnetici e

magneto-ottici (dischi, dischetti, nastri, CD, DVD, etc.)

• Stampanti• Plotter

• Scanner• Schede magnetiche• Lettori ottici (barre)• Audio grabber• Frame grabber• Video grabber• Microfoni• Altoparlanti

Tra le unità I/O vanno quindi ricordatii convertitori analogico-digitaliper l’acquisizione di segnali

(grabber di suoni e immagini) ei convertitori digitali-analogiciper la restituzione di segnali(verso altoparlanti e monitor)

La qualità della definizione di suoni e immagini è funzione della quantizzazione (bit per campione) e della risoluzione nel tempo

o nello spazio (frequenza di campionamento)

I microcontrollori

Sistemi di elaborazione 1/3

I sistemi di elaborazione, generalmente, possono essereclassificati in due categorie: general-purpose e application-specific.

General-purpose: programmati per soddisfareuna varietà di differenti applicazioni (PC, Mainframee Workstation) Application-specific: sistemi “dedicati” ad una precisa applicazione (Controllo di applicazioni domestiche, controllo di impianti industriali, robot)

Sistemi di elaborazione 2/3

I sistemi dedicati sono un sottoinsieme dei sistemi application-specific. Essi sono pensati, sin dalla fase di progetto, per essere sistemi che eseguono un singolo programma ripetutamente. Sono sistemi piccoli, veloci dal punto di vista computazionale, dal basso consumo e dal costo modesto.

Sistemi di elaborazione

General-purpose Application-specific

Sistemi dedicati

Sistemi di elaborazione 3/3

Nei sistemi general-purpose l’utente finale e l’operatore hanno accesso a tutte le componenti software del sistema.

Nei sistemi dedicati il produttore programma il sistema. Mentre l’utente finale può intervenire solo su una sezione molto limitata della componente software.

Sistemi Embedded

Per la realizzazione dei sistemi embedded un posto di rilievo è occupato dai microcontrollori.

Essi presentano una serie di caratteristiche che li rendono dei completi sistemi di calcolo.

Sono costituiti da tre parti:• CU, ALU e registri• Memoria di programma (ROM) e memoria dati

(RAM)• Una parte che si occupa dell’Input/Output

Microcontrollori

CU

ALU

REGISTRI

ROM

RAM

La peculiarità di questi sistemi è quella di inglobare in un unico chip le caratteristiche di base di un microprocessore, più una serie di caratteristiche che li rendono un completo sistema di calcolo.

INPUT/OUTPUT

Microprocessore

+

+

MICROCONTROLLORE

Introduzione

Microcontrollori Vs Microprocessori

• Microprocessore : singolo circuito integrato in grado di effettuare operazioni decisionali, di calcolo o di elaborazione

dell'informazione • Microcontrollore : In un unico circuito integrato sono realizzate

tutte le funzioni tipiche di un calcolatore

• unità centrale

• memorie RAM e ROM

• porte di ingresso/uscita

• timer

• convertitore A/D

• …

Vantaggi e svantaggi di un microcontrollore

Ideali per sistemi embedded

Maggiore efficienza delle istruzioni create apposta per

svolgere operazioni specifiche

Semplificazione nella scrittura dei programmi

Costi contenuti

Flessibilità limitata

Risorse Limitate