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S. Salvatori - Microelettronica – marzo 2019 – (1)

Microelettronica

Corso introduttivo di progettazionedi sistemi embedded a microcontrollore

prof. Stefano Salvatori

Università degli Studi Roma Tre


Dove siamo?

Elettronica II

Elettronica I

Elettronica dei sistemi digitali

Microelettronica

Siamo qui


Il caso di ST

ARM Cortex M0+


Identificazione dell'hardware

microcontrollori

DigitalSignalProcessors

FPGA

SingleBoardComputer


Qual è l'obiettivo di questo corso?

e si pone come obiettivo quello di mettere in condizione i singoli studenti di poter iniziare a progettare applicazioni intelligenti su misura basate su microcontrollore.

→ trasferimento di tecnologie

→ acquisizione di conoscenze e competenze nella progettazione di sistemi embedded a microcontrollore.

Questo Corso cercherà di rispondere alla domanda:

“cos'è un microcontrollore?”


Conosco i microcontrollori?

Un microcontrollore è un “computer in miniatura” che potete 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.


Conosco i microcontrollori?

Ogni giorno usiamo decine di uC!

Si parla spesso di sistemi di elaborazione


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 categoria rientrano 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...

da ARM®



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;

Micro: piccolo;

Computer: che contiene, cioè, un processore, una memoria e i 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 (“l'intelligenza”) con oggetti fisici (sensori e attuatori).

(*) Helen Gill, National Science Foundation, USA



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

oppure

● 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.


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 può essere sviluppato 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

firm

ware



firm

ware


Il lavoro svolto da un sistema embedded a microcontrollore è nettamente diverso da quello eseguito da un PC

Reset Reset handler

Inizializzazione del sistema

Codice di startup (in C)

Inizializzaz.dell'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 a stimoli dell'ambiente esterno

– Deve elaborare i risultati in tempo reale senza ritardi (eccessivi)


Un esempio: videocamera

Processore CCD Processore pixel

Codec JPEG

D/A

A/D

Molt/acc

DMA controller

Memory controller Interfaccia ISA UART Contr. LCD

Contr. display

CCD

Dig

ital

Cam

era

Ch

ip

Microcontrollore


Sviluppo

allestimento dell'hardware

scrittura firmware

collaudo

IDEA!

Importanza della documentazione


Il lavoro

in aula


esercitazioni

dal livello “zero” ...

...a ...


Sezione Hardware


Sezione Hardware

scheda LPC845-BRK

Mouser: http://www.mouser.it (cod. 771-LPC845-BRK);

Farnell: http://it.farnell.com (cod. 2985275);

Digikey: http://www.digikey.it (cod. 568-15261-ND).

http://www.mouser.it/

http://it.farnell.com/

http://www.digikey.it/


Sezione Hardware

scheda LPC845-BRK


Sezione Hardware

Documentazione


Sezione Hardware

scheda LPC845-BRK

Mouser: http://www.mouser.it (cod. 771-LPC845-BRK)

http://www.mouser.it/


Sezione Hardware

componenti aggiuntivi: chi ha già un po' di materiale

- una breadboard;

- ponticelli per breadboard;

- cavetti di collegamento;

- resistori di valore diverso(da centinaia a decine di migliaia di Ω);

- trimmer o potenziometri (da 10k e da 100k Ω);

- LED di vari colori;

- pulsanti;

- un LCD alfanumerico (16 caratteri su due righe).

es. Fan kit (Amazon)


Sezione Hardware

componenti aggiuntivi: minimo necessario

- una breadboard;

- ponticelli/cavetti per breadboard;

- un LCD alfanumerico (16 caratteri su due righe);

- alimentazione per LCD.


Sezione Hardware


Es. AMAZON:

- AZDelivery Kit Breadboard MB 102 (7,99 €);

- Display LCD retroilluminato generico 1602, 16 x 2 blu (5.50 €)

- KEESIN 10 (7,49 € / 10);

- Pin Pin Breaka (8,99 € / 60) ~14 €


Sezione Hardware


Es. AMAZON:



- KEESIN 10 (7,49 € / 10);

- Pin Pin Breaka (8,99 € / 60) ~14 €


Sezione Hardware


Es. AMAZON:



- KEESIN 10 (7,49 € / 10);

- Pin Breaka (8,99 € / 60) ~14 €


Sezione software

MCUXpresso IDE


Sezione software

Documentazione


Sezione software

MCUXpresso IDE


Note sul corso


Corso: architettura ARM (provvisorio)

● Generalità e cenni storici del processore ARM• Generalità sui microprocessori:

MU0• Architettura RISC

● Organizzazione dei registri interni• Stato ARM e stato Thumb• Registri generali e di stato in

modalità ARM e Thumb● Set di struzioni

• Panoramica delle istruzioni ARM• Istruzioni per la gestione di

stack• Istruzioni e salti condizionali

Concetto di pipeline• pipeline a 3 stadi in ARM7TDMI-S• Rischi delle pipeline

Eccezioni• Origine delle eccezioni e modalità

di gestione delle eccezioni• Vettori di interrupt e priorità

Memorie• Organizzazione delle memorie:

little e big-endian• Il modello di indirizzamento

standard di memoria in ARM• Comportamento dello stack

Architetture di bus• AMBA, ASB, AHB, APB

Sistemi di debug• Interfaccia JTAG

Organizzazione ARM7TDMI


Corso: esercitazioni con MCUXpresso

● Compilazione, upload, debug di un progetto● uso di GPIO ● gestione timer● gestione LCD● gestione delle interruzioni● acquisizione da ADC● Macchine a stati di tipo sw● ...

Ogni gruppo deve avere a disposizione una propria postazione hw/sw con cui poter lavorare anche a casa (non è obbligatorio che ogni studente abbia la dotazione hw)


Modalità d'esame: studente singolo

1. Sviluppo di un progetto con LPCXpresso:a. stesura della documentazione

b. allestimento del prototipo

c. uso degli strumenti di sviluppo

d. progettazione del software

e. debugging e collaudo

2. Colloquio:processore ARM


Esempio d'esame: testo


Esempio d'esame: sulla soluzione


Per Casa


Per casa

Scaricare MCUXpresso IDE sul sito NXP


Per casa

Scaricare la documentazione, sia per il sw che per l'hw, sul sito NXP

Documentazione


Per casa


Per casa: download


Per casa

“Muoversi” per acquistare il materiale per le esercitazioni


Domande?

Stefano Salvatori

[email protected]

www.ssalvatori.altervista.org☞

“Se ascolto, dimentico. Se vedo, ricordo. Se faccio, capisco!”

Confucio

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