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. 2015/2016 Eccetto dove diversamente specificato, i contenuti di questo documento sono rilasciati sotto Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 Italia. S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (1 di 54)

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 febbraio 2016 (2 di 54)

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 febbraio 2016 (3 di 54)

4 Sommario I sistemi di elaborazione Cos'è un sistema embedded? Design metrics Hardware e software Perché ARM? S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (4 di 54)

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 febbraio 2016 (5 di 54)

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 febbraio 2016 (6 di 54)

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 febbraio 2016 (7 di 54)

8 Cos'è un sistema embedded? da ARM 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 febbraio 2016 (8 di 54)

9 Cos'è un sistema embedded? Un po' più accademica 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. S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (9 di 54)

10 Cos'è un sistema embedded? 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 S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (10 di 54)

11 Cos'è un sistema embedded? I componenti che compongono un sistema sono: Software Hardware di un microcomputer (processore, ROM, RAM) Circuiti digitali Circuiti analogici Componenti meccanici Sistemi di alimentazione ROM Sensori RAM Attuatori CPU I/O sensori comp. meccanici ADC attuatori DAC S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (11 di 54)

12 Cos'è un sistema embedded? 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 output oppure MMI: man-machine interface input S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (12 di 54)

13 Cos'è un sistema embedded? Una calcolatrice, però, ricorda troppo da vicino un computer. Non dobbiamo confondere i sistemi embedded in generale solo con questo tipo di apparati. S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (13 di 54)

14 Identificazione dell'hardware Digital Signal Processors microcontrollori Single Board Computer FPGA S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (14 di 54)

15 Sistemi embedded a microcontrollore 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 sensori comp. meccanici ADC attuatori DAC S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (15 di 54)

16 Sistemi embedded a microcontrollore Sistema Hardware Software PC-desktop embedded if rm w e r a S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (16 di 54)

17 Sistemi embedded a microcontrollore 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. ell'hardware Elaborazione Librerie in runtime Routine di servizio delle interruzioni S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (17 di 54)

18 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 febbraio 2016 (18 di 54)

19 Un esempio: videocamera CCD Processore CCD Processore pixel D/A A/D Codec JPEG Molt/acc DMA controller Memory controller Contr. display Interfaccia ISA UART Contr. LCD DigitalCamera Chip Microcontrollore S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (19 di 54)

20 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 febbraio 2016 (20 di 54)

21 Design metrics Consumo Prestazioni Dimensioni Costo unitario Flessibilità Costo del progetto S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (21 di 54)

22 Hardware versus software È necessario coprire entrambe gli aspetti, software e hardware, per ottimizzare il progetto (design metrics) software hardware S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (22 di 54)

23 Ciclo di progettazione Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (23 di 54)

24 Ciclo di progettazione 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. Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce Esempio di requisiti: il sistema deve essere portatile, di dimensioni limitate (p.es stare in tasca),... S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (24 di 54)

25 Ciclo di progettazione 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. Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce Oltre alle specifiche, verranno anche definiti i limiti (constrain) entro cui il sistema dovrà operare. Esempio di specifiche: il sistema peserà al massimo X; le dimensioni sono... S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (25 di 54)

26 Ciclo di progettazione Durante la fase di analisi vengono elaborate anche altre specifiche: Range Stabilità Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Accuratezza Tempo di risposta... Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (26 di 54)

27 Ciclo di progettazione Sempre nell'analisi sono individuati limiti entro cui il sistema dovrà operare (constrain): Costo Compatibilità con altri prodotti Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce... S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (27 di 54)

28 Ciclo di progettazione Durante la fase di progettazione ad alto livello viene realizzato Specifiche Requisiti un modello del sistema. Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione Il sistema è ridotto in sottoinsiemi. apertura ok test. Durante questa fase si stimano i costi e i tempi di progettazione/realizzazione. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (28 di 54)

29 Ciclo di progettazione Nella fase di ingegnerizzazione viene avvito il vero e proprio lavoro di progettazione (gen. top-down). Il modello del sistema si traduce nei componenti che serviranno alla realizzazione del sistema. Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce Viene ideato il SW di gestione. Viene iniziata la stesura della documentazione. In questa, p. es: call-graph sono rappresentazioni grafiche di come i moduli HW/SW sono interconnessi tra loro S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (29 di 54)

30 Ciclo di progettazione 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. Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (30 di 54)

31 Ciclo di progettazione Nella fase di test vengono valutate le prestazioni del sistema e se esso soddisfa le specifiche assegnate. Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione In questa fase possono essere ripensate certe soluzioni per rendere il sistema migliore (spazio di memoria, velocità, accuratezza, stabilità). Questo è anche quanto si fa durante il lavoro di manutenzione. apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (31 di 54)

32 Ciclo di progettazione La manutenzione e i test di un prodotto prevedono 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,...) Specifiche Requisiti Specifiche Constrain progetto alto livello analisi problema Schemi Diagr. flusso ingegn. zione revisione apertura ok test. HW SW realizz. Call-graph Strutture dati Interfacce S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (32 di 54)

33 Esempio: apertura Richiesta: Sistema per la misura della temperatura ambiente Requisiti: Compatto Portatile S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (33 di 54)

34 Esempio: analisi Richiesta: Sistema per la misura della temperatura ambiente Requisiti: Specifiche: Compatto dimensioni effettive Portatile batteria peso S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (34 di 54)

35 Esempio: analisi Richiesta: Sistema per la misura della temperatura ambiente Requisiti: Specifiche: Compatto dimensioni effettive Portatile batteria peso Intervallo: da -40 C a +40 C Risoluzione: 0.1 C Accuratezza iniziale: 1 C S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (35 di 54)

36 Esempio: analisi Richiesta: Sistema per la misura della temperatura ambiente Requisiti: Specifiche: Compatto dimensioni effettive Portatile batteria constrain: costo peso Intervallo: da -40 C a +40 C Risoluzione: 0.1 C Accuratezza iniziale: 1 C S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (36 di 54)

37 Esempio: progetto ad alto livello Elaboriamo un primo modello del sistema Con questo modello riusciamo a definire come si muove il flusso di informazioni nel sistema data-flow graph In questo modello inseriamo le specifiche corrente μa sensore temperatura C tensione 03 V condiz. analogico ADC driver Timer ISR ADC Timer Caratteri C numero LCD driver LCD 1s HW SW S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (37 di 54)

38 Esempio: ingegnerizzazione Call-graph Timer ISR main Timer driver ADC driver LCD driver Timer HW ADC HW LCD HW HW SW S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (38 di 54)

39 La scelta per il corso: SoC - ARM S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (39 di 54)

40 Perché ARM? S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (40 di 54)

41 Prodotti basati su ARM mobile home ARM embedded enterprise S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (41 di 54)

42 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 febbraio 2016 (42 di 54)

43 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 S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (43 di 54)

44 Storia di ARM S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (44 di 54)

45 Processori ARM S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (45 di 54)

46 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 febbraio 2016 (46 di 54)

47 Ecosistema Questa filosofia porta a un potenziamento nelle 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. e nello Scambio di conoscenza risorse su internet; ampia comunità; forum tecnici; seminari (anche su web); supporto. S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (47 di 54)

48 ARM Connected Community S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (48 di 54)

49 Riassumendo S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (49 di 54)

50 Obiettivi del corso Cosa è un microcontrollore progettare su misura applicazioni intelligenti trasferimento di tecnologia conoscenza competenza progetti basati su microcontrollore S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (50 di 54)

51 Corso: architettura ARM (prob. sarà modificato) Generalità e cenni storici del processore ARM Organizzazione dei registri interni Generalità sui microprocessori: 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 febbraio 2016 (51 di 54)

52 Corso: esercitazioni con LPCXpresso 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) 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 febbraio 2016 (52 di 54)

53 Modalità d'esame: studente singolo Giugno 2016: pre-appello 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 (*) a giugno: scritto S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (53 di 54)

54 Domande? Stefano Salvatori Inviare una mail con: Nome, Cognome, matricola, indirizzo corso di studio S. Salvatori - Microelettronica febbraio 2016 (54 di 54)