Microelettronica - ssalvatori · 2020. 3. 8. · S. Salvatori - Microelettronica – (49) Corso:...

S. Salvatori - Microelettronica – (1)

MicroelettronicaCorso introduttivo di progettazione

di 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


Quale occupazione per

l'ingegnere elettronico:

un esempio


Il caso di ST


Il caso di ST

ARM Cortex M0+


Sistemi

embedded


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 Systemconiato 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-interfaceoppure

● MMI: man-machine interface

input

output


Noi tratteremo solo sistemi embedded a microcontrolloreSarà 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

firmwa

re



firmwa

re


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/AA/D

Molt/acc

DMA controller

Memory controller Interfaccia ISA UART Contr. LCD

Contr. display

CCD

Dig

italC

amer

a C

hip

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 Hardwarescheda LPC845-BRK


Sezione Hardware

Documentazione


Sezione Hardware

scheda LPC845-BRKMouser: 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 Header Connector (9,99 € / 200) ~14 €


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);



Sezione Hardware


Es. AMAZON:


- Display LCD retroilluminato generico 1602, 16 x 2 blu (5.50 €)- KEESIN 10 (7,49 € / 10);



Sezione Hardware


Es. AMAZON:



- KEESIN 10 (7,49 € / 10);- Pin Header Connector (9,99 € / 200) ~14 €


Sezione Hardware


Es. AMAZON:



- KEESIN 10 (7,49 € / 10);



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 MCUXpresso:

a. stesura della documentazioneb. allestimento del prototipoc. uso degli strumenti di sviluppod. progettazione del softwaree. debugging e collaudo

1. Colloquio:processore ARM


Esempio d'esame: testo


Esempio d'esame: sulla soluzione


Per Casa


Per casa

Scaricare MCUXpresso IDE dal sito NXP


Per casa

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

Documentazione

+ documento con schema elettrico breakout board


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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