Microelettronica Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded

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1 Microelettronica Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded Introduzione prof. Stefano Salvatori A.A. 2014/2015 Eccetto dove diversamente specificato, i contenuti di questo documento sono rilasciati sotto Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 Italia. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (1 di 33)

2 Qual è l'obiettivo di questo corso? Questo Corso cercherà di rispondere alla domanda: cos'è un microcontrollore? e si pone come obiettivo quello di mettere in condizione i singoli studenti di poter iniziare a progettare su misura applicazioni intelligenti. A differenza di altri corsi, alla fine di questo avrete 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. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (2 di 33)

3 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. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (3 di 33)

4 Sommario I sistemi di elaborazione Cos'è un sistema embedded? Design metrics Hardware e software Perché ARM? S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (4 di 33)

5 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... S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (5 di 33)

6 Sistemi di elaborazione Automotive Elettronica di consumo Medicina Ricerca scientifica Miliardi di prodotti ogni anno Circa 50 in ogni abitazione e in un'automobile S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (6 di 33)

7 Sistemi di elaborazione Una breve lista ABS Auto-focus Avionica Carica-batteria Condizionatori Console per videogiochi Controllo missile Controllori di temperatura Decoder MPEG Forno a microonde Fotocopiatrici Giocattoli elettronici Lettori CD/DVD Lettore impronta digitale Lavastoviglie Telecamere Macch. a controllo numerico Telefoni cellulari Modem Telefoni cordeless Riconoscitori vocali Trasmissione Router Televisione Scanner Video game portatili Sistemi audio Videocitofoni Sistemi di guida Videosorveglianza Sistemi di sicurezza Videotelefoni Sistemi di supporto vita... Sistemi medicali Stampanti Stazioni base per telefonia cellulare Strumenti elettronici S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (7 di 33)

8 Cos'è un sistemi 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... S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (8 di 33)

9 Cos'è un sistema embedded? Sistema Hardware Software PC-desktop embedded if rm w e r a S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (9 di 33)

10 Lavoro di un sistema embedded Reset Il lavoro svolto da un sistema embedded a microcontrollore è nettamente distinto da quello di un PC Reset handler Inizializzazione del sistema Codice di startup (in C) Inizializzaz. ell'hardware Elaborazione Librerie in runtime Routine di servizio delle interruzioni S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (10 di 33)

11 Caratteristiche tipiche Singola funzionalità Vincoli molto stringenti Esegue un unico programma, ripetutamente Basso costo, basso consumo, leggero, veloce, Real-time Generalmente deve reagire all'ambiente esterno Deve elaborare i risultati in tempo reale senza ritardi S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (11 di 33)

12 Un esempio: videocamera CCD Processore CCD Processore pixel D/A A/D Codec JPEG Microcontrollore DMA controller Memory controller Contr. display Interfaccia ISA UART Contr. LCD DigitalCamera Chip Molt/acc S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (12 di 33)

13 Design metrics Costo unitario Costo NRE (Non-Recurring Engineering) Tempo di esecuzione o trhoughput del sistema; Consumo Spazio fisico dell'apparato; Prestazioni Costo per la progettazione; Dimensioni Costo del singolo pezzo (escl. NRE); La potenza dissipata dall'apparato; Flessibilità Abilità di modificare la funzionalità del sistema senza incorrere in un costo eccessivo per NRE. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (13 di 33)

14 Design metrics Consumo Prestazioni Dimensioni Costo unitario Flessibilità Costo del progetto S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (14 di 33)

15 Hardware versus software È necessario coprire entrambe gli aspetti, software e hardware, per ottimizzare il progetto (design metrics) software hardware S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (15 di 33)

16 Identificazione dell'hardware Digital Signal Processors microcontrollori Single Board Computer FPGA S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (16 di 33)

17 Perché ARM? S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (17 di 33)

18 Prodotti basati su ARM mobile home ARM embedded enterprise S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (18 di 33)

19 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. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (19 di 33)

20 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... S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (20 di 33)

21 Storia di ARM S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (21 di 33)

22 Processori ARM S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (22 di 33)

23 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. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (23 di 33)

24 Ecosistema Questa filosofia porta a un potenziamento 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. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (24 di 33)

25 ARM Connected Community S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (25 di 33)

26 Obiettivi del corso Cosa è un microcontrollore progettare su misura applicazioni intelligenti trasferimento di tecnologia conoscenza competenza progetti basati su microcontrollore S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (26 di 33)

27 Corso: architettura ARM Generalità e cenni storici del processore ARM Organizzazione dei registri interni Generalità sui microprocessori: MU0 Il set di istruzioni MU0 Architettura RISC 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 Origine delle eccezioni e modalità di gestione delle eccezioni Vettori di interrupt e priorità Eccezioni Memorie Organizzazione delle memorie: little e big-endian Il modello di indirizzamento standard di memoria in ARM Comportamento dello stack AMBA, ASB, AHB, APB Interfaccia JTAG Architetture di bus Sistemi di debug Organizzazione ARM7TDMI S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (27 di 33)

28 Corso: LPC2103 e periferiche Introduzione Memoria di sistema VIC PL190 Il controllo di sistema nel μc LPC2103 Mappa e impostazione dei pin Porte di input/output Conversione A/D e D/A ADC UART, I2C, SPI Timer Real Time Clock Watchdog Memoria Flash Embedded ICE Lo standard I2C Collegamento seriale SPI LCD standard HD44780 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (28 di 33)

29 Corso: esercitazioni con l'lpc2103 Ogni gruppo avrà a disposizione una propria postazione hw/sw con cui lavorare anche a casa Compilazione, upload, debug di un progetto uso di GPIO comando di un LED on/off lettura di un tasto Gestione di tasto con interrupt acquisizione da ADC Gestione timer Gestione LCD RTC programmabile S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (29 di 33)

30 Modalità d'esame Giugno 2014: pre-appello 1. Sviluppo di un progetto con LPC2103: 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 (*) a giugno: scritto S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (30 di 33)

31 Riferimenti S. Furber ARM, system-on-chip architecture 2 ed., Addison Wesley S. Salvatori, Introduzione alla progettazione con gli LPC2000, Aracne ed. NXP, UM10161 LPC2101/02/03 User Manual, LPC2101/02/03 datasheet, T. Martin, The insider s guide to the NXP ARM7based microcontrollers, ARM Limited ARM7TDMI-S Technical Reference Manual, r4p3, S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (31 di 33)

32 La prossima volta Portare una pen-memory di almeno 4 GiB per installare la live GNU/Linux e la toolchain per lo sviluppo dei progetti S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (32 di 33)

33 Domande? Stefano Salvatori S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (33 di 33)

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