Lezione 1. Lezione 1. Microcontrollori (mc) Microcontrollori (mc) Microcontrollori (mc) Microcontrollori (mc) Materiale di riferimento.

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1 Sommario Lezione Lezione Materiale di riferimento Definizione di microcontrollore (mc) Definizione di Digital Signal Processor (DSP) Criteri per il confronto delle prestazioni di mc e DSP Misura delle prestazioni Valutazione critica delle più comuni unità di misura delle prestazioni. D. A. Patterson, J. L. Hennessy, Computer Organization and Design, Morgan Kaufmann, cap. 2 pagg Berkeley Design Technology, Inc.(BDTi), Evaluating DSP processor performance, reperibile sul sito del corso in formato pdf. 3. P. Lapsley, J. Bier, A. Shoham, E.A. Lee, "DSP Processor Fundamentals - Architectures and Features", IEEE Press, New York, 997, cap.. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 2 Un microcontrollore è un processore ottimizzato per lo svolgimento di compiti di controllo, temporizzazione, supervisione, di apparati o dispositivi. E caratterizzato dalla disponibilità on chip di memoria (ROM, EEPROM, Flash.. ) e di numerose periferiche, che svolgono diverse funzioni (I/O, conversione A/D, timer, contatori, PWM, ). Inoltre presenta di norma una ridotta complessità di uso e basso costo. I microcontrollori permettono la realizzazione su vasta scala e a costi contenuti di funzioni di controllo nei prodotti più diversi in ambito civile e industriale. La riduzione dei costi deriva dalla flessibilità, economicità, e diversificazione dei mc. Esistono unità da 4 a 32 bit, disponibili in differenti packages e con un corredo di periferiche dedicato per ciascuna delle applicazioni più tipiche. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 3 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 4 Periferiche più comuni nei mc Convertitori A/D (numero di bit, velocità di conversione, linearità molto variabili da modello a modello) Timer e contatori Modulatori PWM Memorie esterne (ROM, EEPROM, FLASH) Porte di comunicazione (seriali, I2C, bus di campo) L uso di mc è molto diffuso nella realizzazione di: strumenti di misura portatili; periferiche per PC; fax/fotocopiatrici; elettrodomestici; telefoni cellulari; applicazioni industriali, in particolare nel settore automotive (strumenti di bordo, centraline) e degli azionamenti elettrici. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 5 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 6

2 Digital Signal Processors (DSP) I DSP sono microprocessori ottimizzati per lo svolgimento efficiente di funzioni di elaborazione numerica del segnale in tempo reale (real-time). Si caratterizzano per le elevate potenze di calcolo e il costo relativamente basso (rispetto a processori per uso generico). Particolare attenzione è rivolta al consumo di potenza (e.g. nelle applicazioni di tipo embedded, specialmente se portatili). Digital Signal Processors (DSP) Esistono molte famiglie di DSP sul mercato. Presentano alcune caratteristiche comuni: disponibilità di un circuito moltiplicatore all interno della CPU (istruzione MAC); capacità di operare accessi multipli alla memoria in un singolo ciclo di clock; modi di indirizzamento specifici per registri circolari e stack; modalità sofisticate per il controllo del flusso del programma (interruzioni); presenza di DMA (solo top di gamma ). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 7 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 8 Digital Signal Processors (DSP) L uso primario dei DSP riguarda la realizzazione di funzioni (algoritmi) come: codifica/decodifica del parlato, di segnali audio (alta fedeltà) e video; compressione/decompressione di dati; criptazione/decriptazione di dati; mixaggio di segnali audio e/o video; sintesi del suono. Tradizionalmente, i mc venivano impiegati nello svolgimento di funzioni di controllo data la larga disponibilità di periferiche on-chip. La potenza di calcolo era limitata (CPU a 8 bit o meno, niente moltiplicatore hardware). I DSP, invece, venivano utilizzati quasi esclusivamente per lo svolgimento di funzioni di signal-processing, dove la potenza di calcolo è il parametro chiave. Attualmente questa diversificazione negli usi appare assai più sfumata. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 9 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 0 I DSP più recenti incorporano spesso periferiche tradizionalmente proprie dei mc. D altro canto, i mc presentano, nelle serie di costo più elevato, organizzazioni hardware e potenze di calcolo sempre più vicine a quelle dei DSP. I costi e le prestazioni sono talvolta (i.e. per alcune applicazioni) molto vicini. Si pone il problema di confrontare diversi dispositivi per effettuare una scelta. I parametri fondamentali nel confronto sono, ovviamente, costo e prestazioni. L obiettivo di ogni progetto è ottenere le funzionalità richieste per il prodotto al minimo costo complessivo. Questo non è determinato solamente dal costo dei dispositivi utilizzati, ma anche dal tempo necessario a completare lo sviluppo del prodotto (time to market). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 2

3 Il costo dei dispositivi è largamente determinato dal volume di produzione. Il tempo e le risorse necessarie allo sviluppo dell applicazione sono invece funzione di molti fattori, tra i quali: la disponibilità di sistemi di sviluppo di buona qualità; un efficace supporto da parte del costruttore del dispositivo utilizzato. L applicazione fissa il livello di prestazioni richiesto al processore in termini di: periferiche necessarie e loro caratteristiche (e.g. convertitore A/D a 8, 0 o 2 bit); condizioni di funzionamento (e.g. massimo consumo di potenza ammissibile, temperatura); potenza di calcolo richiesta (controllo real time, signal processing ). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 3 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 4 Misura delle prestazioni Le prestazioni di un processore si valutano in termini di tempo richiesto per l esecuzione di un dato programma. Nel caso di un mc o DSP questo, nei casi più comuni, coincide con il tempo che il processore effettivamente dedica al programma (tempo di calcolo), non essendo molto comune la presenza di un sistema operativo che gestisca più processi in timesharing. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 5 Il tempo di calcolo richiesto da un programma è un parametro chiave nelle applicazioni che comportano attività di signal-processing e/o controllo real time. La sua stima può essere ottenuta sulla base di alcuni dati fondamentali: periodo di clock del processore; numero di cicli richiesto dalle istruzioni di uso più comune nel programma; numero di istruzioni (per ciascun tipo) richiesto dal programma. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 6 Il periodo di clock (o tempo di ciclo) e il numero di cicli richiesto dalle istruzioni di interesse possono essere ricavati leggendo il datasheet/manuale del processore. Il numero di istruzioni richiesto da un dato programma dipende dall architettura del processore. Per architettura si intende l insieme delle risorse disponibili al programmatore per la realizzazione del suo codice. Una data architettura può essere realizzata in modi molto diversi a livello hardware. Si parla quindi di organizzazione del processore per indicare la particolare realizzazione della sua architettura. L architettura ha un effetto diretto sul numero di istruzioni di un dato programma, l organizzazione invece ha effetto sul tempo di ciclo e sul numero di cicli richiesto dalle istruzioni. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 7 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 8

4 Il tempo di calcolo di un dato programma è quindi stimabile tramite una relazione del tipo della seguente: T = T N cl N NC cal clk i i () i = dove T clk è il periodo di clock del processore, N i è il numero di istruzioni di tipo i, NC i è il numero medio di cicli richiesto dalle istruzioni di tipo i, N cl è il numero di classi di istruzioni considerato. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 9 La relazione () assume che il programma non venga interrotto nella sua esecuzione da altri processi e trascura i ritardi dovuti alla gestione della memoria. Si vede allora che aumentare la velocità di un processore può significare: ridurre il suo tempo di ciclo (T clk ); ridurre il numero di cicli richiesto dalle istruzioni di uso più comune (NC); ridurre il numero di istruzioni richiesto. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 20 Limiti di velocità! La riduzione del tempo di ciclo si accompagna ad un incremento della potenza dissipata dal processore. Questa può essere limitata dalla riduzione della tensione di alimentazione. Ciò spiega l attuale corsa verso processori alimentati a tensioni molto basse (<V). I limiti sono essenzialmente tecnologici (servono processi/materiali innovativi). Limiti di velocità! La riduzione del numero di cicli per istruzione richiede una organizzazione hardware del processore più complessa, e.g. a controllo cablato piuttosto che microprogrammato, con maggiori caratteristiche di parallelismo (ottenibile in diverse maniere) o facente uso di pipeline. Ciò porta verso processori complessi e di costo elevato. Il limite è essenzialmente economico. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 2 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 22 Limiti di velocità! Il numero di istruzioni necessarie a realizzare un certo programma dipende dall architettura del processore, ovvero dalle risorse a disposizione del programmatore e/o del compilatore. La sua riduzione porta verso architetture con istruzioni complesse (CISC), rispetto a quelle con istruzioni semplici e in numero ridotto (RISC). Questo di nuovo influisce sulla organizzazione del processore e sul suo costo. Massimizzare le prestazioni Le prestazioni di un processore dipendono sia dalla sua architettura logica che dalla sua organizzazione hardware. La massimizzazione delle prestazioni richiede una progettazione coordinata delle due. Il problema è ulteriormente complicato dalla presenza di vincoli come: costo; consumo di potenza elettrica. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 23 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 24

5 Misura delle prestazioni Un modo diffuso di valutare le prestazioni dei processori per uso generico è attraverso il benchmarking, ovvero l uso di programmi campione. Questo metodo ha il vantaggio di valutare globalmente le prestazioni di un processore, includendo anche la gestione della memoria. Attualmente questa tecnica viene applicata anche ai DSP. I programmi che vengono presi in considerazione sono tipici algoritmi per signal-processing (FFT, filtri FIR, IIR etc.). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 25 Misura delle prestazioni Il modo usuale di operare il benchmarking per processori general purpose fa uso di applicazioni complete (e.g. metodo SPEC). Questo approccio è inapplicabile ai DSP perché tende a valutare l insieme compilatore - processore, più che il solo processore. Inoltre rende molto difficile qualunque ottimizzazione e spesso anche la realizzazione di confronti a parità di condizioni. Per i DSP si parla di kernel benchmarking. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 26 DSP Benchmarking I codici di benchmarking devono presentare 4 caratteristiche di base: ) rilevanza rispetto alle tipiche applicazioni del DSP; 2) facilità di definizione univoca (ad es. quale tipo di algoritmo FFT si considera); 3) semplicità; 4) ottimizzazione: devono poter essere rapidamente ottimizzati per ciascun DSP sotto test. DSP Benchmarking Esistono sul mercato, ma sono piuttosto costosi (>2000 Euro), cataloghi che forniscono i benchmark relativi ai DSP più diffusi. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 27 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 28 Indici comuni di prestazioni sono i seguenti: MACS: operazioni MAC al secondo MIPS: milioni di istruzioni al secondo MOPS: milioni di operazioni al secondo FLOPS: milioni di operazioni a virgola mobile al secondo Tutti forniscono indicazioni molto poco affidabili sulla velocità di un processore. Certamente non permettono confronti tra dispositivi di famiglie diverse. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 29 L indice MACS esprime il massimo numero di moltiplicazioni (con somma sull accumulatore) che una CPU è in grado di operare nell unità di tempo (valore di picco). Nella normale attività di un DSP intervengono però anche altri tipi di operazioni (e.g. somme semplici, accessi alla memoria, etc. ), in misura non facilmente quantificabile. L indice non è quindi rappresentativo della reale velocità del processore in una tipica applicazione. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 30

6 L indice MIPS indica il massimo numero di istruzioni che una CPU è in grado di operare nell unità di tempo (valore di picco). Il numero di istruzioni richiesto da una certa funzione dipende dall architettura della CPU (la quantità di lavoro svolto da una istruzione può essere molto diverso da CPU a CPU) e dalla qualità del compilatore. L indice permette al più di confrontare dispositivi con la stessa architettura di base. L indice MOPS esprime il massimo numero di operazioni che una CPU è in grado di operare nell unità di tempo (valore di picco). La sua stessa definizione è ambigua in quanto non si definisce univocamente cosa sia un operazione e quanto lavoro un operazione sia in grado di svolgere o quale sia il set di operazioni di riferimento. La significatività di questo indice è quindi molto bassa. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 3 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 32 L indice FLOPS indica il massimo numero di operazioni a virgola mobile che una CPU è in grado di operare nell unità di tempo (valore di picco). Chiaramente la sua validità è la stessa dell indice MOPS, ulteriormente ristretta perché applicabile solo a processori con aritmetica a virgola mobile. Nessuno degli indici citati considera poi aspetti essenziali per le prestazioni di una CPU, e.g. la velocità degli accessi in memoria. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 33 Esempio: MIPS vs Tempo di calcolo Classi di istruzioni A B C Numero medio di cicli (NC) Un processore dispone di 3 classi di istruzioni. Ciascuna classe richiede un differente numero medio di cicli di clock. Un dato programma avrà un certo numero di istruzioni per ciascuna classe (dipendente dal compilatore). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione Esempio: MIPS vs Tempo di calcolo Esempio: MIPS vs Tempo di calcolo Compilatore / Programmatore 2 Numero istruzioni per classe (in centinaia) A 5 0 B C Applicando la () siamo in grado di valutare il tempo di calcolo per i due codici. Risulta: T cal = T clk 00 ( ) = 000 T clk T cal2 = T clk 00 ( ) = 500 T clk Due diversi compilatori/programmatori organizzano il codice in modo diverso, usando un numero diverso di istruzioni e distribuendole diversamente nelle varie classi. Il secondo codice ha un tempo di esecuzione più lungo del 50% rispetto al primo. E quindi decisamente più lento del primo. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 35 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 36

7 Esempio: MIPS vs Tempo di calcolo Valutando l indice MIPS per le due situazioni troviamo: MIPS = (5++)/(000 T clk ) = 0.7 F clk 0-6 MIPS 2 = (0++)/(500 T clk ) = 0.8 F clk 0-6 Il secondo codice ha un indice MIPS più alto del primo e quindi sembrerebbe risultare più veloce! Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 37 Il costruttore dichiara una velocità massima di 30 MIPS (F clk = 40 MHz) Esempio: Data-sheet Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 38 Esempio: Data-sheet Esempio: Data-sheet Il costruttore dichiara una velocità massima di 8000 MIPS! Ma qui F clk = 000 MHz! Il costruttore dichiara una velocità massima di 40 MIPS (F clk = 80 MHz). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 39 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 40