Microelettronica · 2020. 3. 9. · S. Salvatori – Microelettronica – marzo 2020 – (1 di 48)...

S. Salvatori – Microelettronica – marzo 2020 – (1 di 48)

Microelettronica

Progettazione di sistemi embedded

Introduzione

prof. Stefano Salvatori

Eccetto dove diversamente specificato, i contenuti di questo documento sono rilasciati sotto Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 Italia.

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/it/


Qual è l'obiettivo di questo corso?

Queste lezioni cercheranno di rispondere alla domanda:

“cos'è un microcontrollore?”

ponendo come obiettivo il poterci mettere in condizione di iniziare a progettare su misura applicazioni intelligenti.

L'ideale, alla fine di questo ciclo, è l'aver ottenuto un vero e proprio trasferimento di tecnologie con l'acquisizione di conoscenze e competenze di base utili ad avviare un lavoro personale per lo sviluppo di progetti di sistemi embedded a microcontrollore.


Conosco i microcontrollori?

Un microcontrollore è un “computer in miniatura” che possiamo trovare in ogni genere di oggetti.

Quanti microcontrollori usiamo ogni giorno?

Un dispositivo equipaggiato di tasti, led, display o altoparlante, è probabile che abbia anche un microcontrollore.


Sommario

● I sistemi di elaborazione● Cos'è un sistema embedded?● Sistemi embedded a microcontrollore● Design metrics● Il ciclo di progettazione tipico● Perché ARM?


Sistemi di elaborazione

● I sistemi di elaborazione si trovano ovunque● Molti di noi pensano subito a computer di tipo desktop

– PC– Laptop– Mainframe– Server– ...

● Ci sono però altri tipi di sistemi di elaborazione– Molti di uso comune ...



– Automotive– Elettronica di consumo– Medicina– Ricerca scientifica– …

● Miliardi di prodotti ogni anno● Circa 50 in ogni abitazione e in un'automobile



● Una breve lista

ABSAuto-focusAvionicaCarica-batteriaCondizionatoriConsole per videogiochiControllo missileControllori di temperaturaDecoder MPEGForno a microondeFotocopiatriciGiocattoli elettroniciLettori CD/DVDLettore impronta digitale

LavastoviglieMacch. a controllo numericoModemRiconoscitori vocaliRouterScannerSistemi audioSistemi di guidaSistemi di sicurezzaSistemi di supporto vitaSistemi medicaliStampantiStazioni base per telefonia cellulareStrumenti elettronici

TelecamereTelefoni cellulariTelefoni cordelessTrasmissioneTelevisioneVideo game portatiliVideocitofoniVideosorveglianzaVideotelefoni ...


Cos'è un sistema embedded?

● Si definiscono "embedded" tutte le applicazioni che usano un microcontrollore quale processore principale e qualunque applicazione basata su microprocessore che non sia già coperta da altre aree. Ad esempio, nella prima categoria rientrano gli elettrodomestici, sistemi di condizionamento, piattaforme di misurazione intelligenti, controllori per touch-screen, controllori per sensori e motori dove i processori sono il cuore della soluzione...

http://arm.com/markets/embedded/index.php

da ARM®

http://arm.com/markets/embedded/index.php



Noi parleremo di “Sistemi Embedded a Microcomputer”.

Sistema: insieme di componenti tra loro interagenti per svolgere un prefissato lavoro in modo coordinato;

Embedded: letteralmente, “incastonato”, cioè nascosto, inserito all'interno;

Micro: piccolo;Computer: che contiene, cioè, un processore, memoria e mezzi per lo scambio delle informazioni da e verso l'esterno.

Un po' più “accademica”



Sinonimo di sistemi embedded è “Cyber-Physical System”, coniato nel 2006 (*).

Infatti i sistemi embedded coniugano la potenza di calcolo di un computer (“intelligenza”) con oggetti fisici.

(*) Helen Gill, National Science Foundation, USA



I componenti che si hanno in un sistema a microcontrollore sono:● Software● Hardware di un microcomputer (processore, ROM, RAM)● Circuiti digitali● Circuiti analogici● Componenti meccanici● Sistemi di alimentazione● Sensori● Attuatori

CPU

ROM

RAM

I/O

ADC

DAC

comp.meccanici

sensori

attuatori



I sistemi embedded dovono in qualche modo interagire col mondo esterno.

In particolare l'interazione è verso l'uomo e si parla di:

● HCI: human-computer-interface● MMI: man-machine interface

input

output



Una calcolatrice, però, ricorda troppo da vicino un computer.

Non dobbiamo confondere i sistemi embedded in generale solo con questo tipo di apparati.


Identificazione dell'hardware

microcontrollori

DigitalSignalProcessors

FPGA

SingleBoardComputer


Noi tratteremo solo sistemi embedded a microcontrollore

Sarà necessario approfondire alcuni argomenti.● Cos'è una CPU● Qual è l'architettura di un sistema a microprocessore● Come viene gestito

l'interfacciamento● Come sviluppare il software

di gestione● ...

CPU

ROM

RAM

I/O

ADC

DAC

comp.meccanici

sensori

attuatori

Sistemi embedded a microcontrollore



Hardware

PC-desktop

embedded

Sistema Software

firmwa

re


Il lavoro svolto da un sistema embedded a microcontrollore è nettamente distinto da quello di un PC

Reset Reset handler

Inizializzazione del sistema

Codice di startup (in C)

Inizializzaz.hardware Elaborazione

Librerie inruntime

Routine diservizio delleinterruzioni



Caratteristiche tipiche

● Singola funzionalità– Esegue un unico programma, ripetutamente

● Vincoli molto stringenti– Basso costo, basso consumo, leggero, veloce, …

● Real-time– Generalmente deve reagire all'ambiente esterno– Deve elaborare i risultati in tempo reale senza ritardi


Un esempio: videocamera

Processore CCD Processore pixel

Codec JPEG

D/AA/D

Molt/acc

DMA controller

Memory controller Interfaccia ISA UART Contr. LCD

Contr. display

CCD

Dig

italC

amer

a C

hip

Microcontrollore


Design metrics● Costo unitario

– Costo del singolo pezzo (escl. NRE);● Costo NRE (Non-Recurring Engineering)

– Costo per la progettazione;● Dimensioni

– Spazio fisico dell'apparato;● Prestazioni

– Tempo di esecuzione o trhoughput del sistema;● Consumo

– La potenza dissipata dall'apparato;● Flessibilità

– Abilità di modificare la funzionalità del sistema senza incorrere in un costo eccessivo per NRE.


Design metrics

Dimensioni

Consumo

Costo del progetto

Prestazioni

Costo unitario Flessibilità


Hardware versus software

È necessario coprire entrambe gli aspetti, software e hardware, per ottimizzare il progetto (design metrics)

software

hardware


Ciclo di progettazione

analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti

● Specifiche● Constrain ● Schemi

● Diagr. flusso

● Call-graph● Strutture dati● Interfacce

● HW● SW

ok

revisione


analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

Nella fase di analisi, vengono messi in evidenza i requisiti essenziali sistema dovrà essere dotato.

In genere questo lavoro è svolto insieme al “cliente” in modo da comprendere meglio le sue richieste.


Esempio di requisiti: il sistema deve essere portatile, di dimensioni limitate (p.es stare in tasca), ...


analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

I requisiti si tradurranno in una lista di parti HW e SW e principalmente nella stesura di quelle che sono le specifiche del sistema, cioè una lista dettagliata di parametri che il sistema dovrà rispettare.

Oltre alle specifiche, verranno anche definiti i limiti (constrain) entro cui il sistema dovrà operare.


Esempio di specifiche: il sistema peserà al massimo X g;

le dimensioni sono Y cm x cm x cm; ...


analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

Durante la fase di analisi vengono elaborate anche altre specifiche:

● Range● Stabilità● Accuratezza● Tempo di risposta● ...



analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

Sempre nell'analisi sono individuati limiti entro cui il sistema dovrà operare (constrain):

● Costo● Compatibilità con altri

prodotti● ...



analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

Durante la fase di progettazione ad alto livello viene realizzato un modello del sistema.

Il sistema è ridotto in sotto-insiemi.

Durante questa fase si stimano i costi e i tempi di progettazione/realizzazione.



analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

Nella fase di ingegnerizzazione viene avviato il vero e proprio lavoro di progettazione (gen. top-down).

Il modello del sistema si traduce nei componenti che serviranno alla realizzazione del sistema.

Viene ideato il SW di gestione.

I “call-graph” sono rappresentazioni grafiche di come i moduli HW/SW sono interconnessi



analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

Segue poi la realizzazione del sistema.

Avendo seguito un lavoro di tipo top-down, alcuni sottoinsiemi possono essere realizzati in parallelo.

Il sistema si traduce nell'oggetto fisico.



analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

Nella fase di test vengono valutate le prestazioni del sistema e se esso soddisfa le specifiche assegnate.

In questa fase possono essere ripensate certe soluzioni per rendere il sistema migliore (spazio di memoria, velocità, accuratezza, stabilità). Questo è un lavoro di revisione. Tuttavia andrà previsto anche un lavoro di manutenzione.



analisiproblema

ingegn.zione

realizz.test.

progettoalto

livello

apertura

SpecificheRequisiti


● Diagr. flusso


● HW● SW

ok

revisione

La revisione/manutenzione di un prodotto prevede in generale di ripercorrere il ciclo di progettazione più volte.

Sistemi semplici in genere percorrono il ciclo una sola volta. Per quelli più complessi è necessario rivedere il progetto per ottimizzare il sistema (in termini di consumi, costo, velocità, ...)



Richiesta:Sistema per la misura della temperatura ambiente

Requisiti:● Compatto● Portatile

Esempio: apertura



Requisiti: → Specifiche:● Compatto→ dimensioni effettive● Portatile → batteria → peso

Esempio: analisi



Requisiti: → Specifiche:● Compatto→ dimensioni effettive● Portatile → batteria → peso

● Intervallo: da -40 °C a +40°C● Risoluzione: 0.1°C● Accuratezza iniziale: 1°C

Esempio: analisi



Requisiti: → Specifiche: constrain:● Compatto→ dimensioni effettive costo● Portatile → batteria → peso

● Intervallo: da -40 °C a +40°C● Risoluzione: 0.1°C● Accuratezza iniziale: 1°C

Esempio: analisi


Elaboriamo un primo modello del sistema

Con questo modello riusciamo a definire come si muove il flusso di informazioni nel sistema → data-flow graphIn questo modello inseriamo le specifiche

Esempio: progetto ad alto livello

sensore condiz.analogico ADC

HWSW

ADCdriver

TimerISR

Timer

LCDdriver LCD

temperatura-40–+40 °C

corrente233–313

μA

tensione0–3 V 0–1023 0–1023

1 s

numero -400–+400

Caratteri -40.0–+40.0 °C


ADCdriver

LCDdriver

Call-graph

Esempio: ingegnerizzazione

ADCHW

HWSW

main

Timerdriver

TimerHW

TimerISR

LCDHW


La scelta per il corso:SoC - ARM®


Perché ARM?

http://arm.com/index.php

http://arm.com/index.php


Prodotti basati su ARM

mobile home

embedded enterprise

ARM

file:///home/stefo/Documenti/Didattica/RomaTre/2019-2020/Microelettronica/lezioni/video/2_Introduzione/riferimenti/ARM%20Mobile%20Powered%20Products.pdffile:///home/stefo/Documenti/Didattica/RomaTre/2019-2020/Microelettronica/lezioni/video/2_Introduzione/riferimenti/ARM%20Home%20Powered%20Products.pdffile:///home/stefo/Documenti/Didattica/RomaTre/2019-2020/Microelettronica/lezioni/video/2_Introduzione/riferimenti/ARM%20Embedded%20Powered%20Products.pdffile:///home/stefo/Documenti/Didattica/RomaTre/2019-2020/Microelettronica/lezioni/video/2_Introduzione/riferimenti/ARM%20Enterprise%20Powered%20Products.pdf


Storia di ARM

● anni ’80, Università di Berkeley e Stanford (CA- USA): nasce il concetto di RISC, Reduced Instruction Set Computer. RISC I, sviluppato in un anno da studenti della Berkeley

● anni ’80, Acorn Computer Ltd (Cambridge, UK)– forte posizione nel mercato britannico (microcomputer BBC, basato sul

6502). Il punto di forza del 6502 era la velocità di risposta agli interrupt;– migliorare la risposta a interrupt, senza trovare soluzione con i uP CISC

disponibili; – La Acorn decide allora di sviluppare un proprio uP pur non avendo la

sufficiente forza lavoro e la competenza su progettazione ASIC;– La soluzione RISC I appare la soluzione vincente:

● la semplice architettura del RISC supera i limiti progettuali;● la semplicità, inoltre, soddisfa il vincolo di velocità di risposta agli

interrupt.


Storia di ARM

● 1983, Acorn: nasce ARM, Acorn RISC Machine● 1985: l’ARM diventa il componente centrale della produzione

Acorn● 1990: nasce la ARM Ltd, Advanced RISC Machine, come società

autonoma. Vende IP (fabless);● 1991: ARM introduce ARM6; ● 1993: ARM7;● 1997: ARM9TDMI;● 2004: nuova famiglia: Cortex. Cortex-M3;● 2008: oltre 1010 uP ARM sono stati consegnati agli oltre 200 partner della

ARM Ltd. (10MLD / 18 anni ~ 20 processori ogni secondo !)● 2009: Cortex-M0, processore di altissimo rendimento energetico.● ….. Oggi ARM è semplicemente ARM®


Storia di ARM


Processori ARM


Ecosistema

● Cosa rende speciale l'architettura ARM rispetto a un'architettura proprietaria?– A parte la tecnologia, l'ecosistema che si sviluppa intorno ad ARM

gioca il ruolo predominante● Oltre a lavorare a stretto contatto con coloro che producono e

commercializzano dispositivi e apparati basati su ARM,– ARM lavora con tutti coloro che provvedono all'ecosistema di

supporto per tali dispositivi e che sviluppano:● compilatori;● sistemi operativi;● tool di sviluppo;● corsi e supporto alla progettazione;● rete di distribuzione;● ricerca.


Ecosistema

➢ Scelte:➢ maggiori per i microcontrollori;➢ maggiori su sistemi di sviluppo;➢ più alto numero di schede di sviluppo;➢ maggiore supporto su progetti open

source;➢ maggiore supporto su OS;➢ maggiori soluzioni in ambito software.

➢ Scambio di conoscenza➢ risorse su internet;➢ ampia comunità;➢ forum tecnici;➢ seminari (anche su web);➢ supporto.

Questa “filosofia” porta a un potenziamento


ARM Connected Community

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