Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo. Unità di Elaborazione: MicroControllori e DSP

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Unità di Elaborazione: MicroControllori e DSP Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna Revisionato: 02/10/2006

2 Introduzione Varie tipologie di soluzioni Elaboratori: general purpose (o quasi) Unità di controllo digitali Basate su PC standard o industriali + opportune I/O board Custom Due livelli possibili: Costruttore di unità di controllo general purpose (es: PLC, vedi in seguito) Costruttore di sistemi di controllo Eventualmente distribuite Scopo di tale sezione: Introdurre alcuni processori particolari usati nelle unità di controllo ed evidenziarne le caratteristiche Microcontrollori (µc) e Digital Signal Processors (DSP) Usati in architetture custom Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2

3 Caratteristiche generali Uso di processori speciali microprocessori 8/16/32 bit microcontrollori processori di segnale (DSP) ASIC (non riprogrammabili) programmazione: Unità di controllo digitali custom gestione dell HW di scheda e delle funzionalità di base come le temporizzazioni (Real Time vedi avanti) (Kernel) Procedure di Utente (Algoritmi di controllo) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 3

4 MicroControllore Speciale microprocessore per il controllo digitale grande capacità di gestione I/O Ottimizzato per ridurre i costi e gli ingombri risorse hardware a bordo Spesso realizzato su specifica per ottimizzare un prodotto o una classe di prodotti stampanti, automobile, telefonia Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4

5 MicroControllore Integrazione nel chip di funzioni periferiche tipiche dei sistemi di controllo memoria (EP)ROM, RAM convertitore D/A modulatore PWM convertitore A/D n canali + multiplexer interfaccia di comunicazione seriale sincrona/asincrona gestione di eventi timers, watch-dog porte di I/O digitale configurabili singolarmente Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5

6 MicroControllore A/D RAM (EP) ROM ALU interrupt S/H timers MPX PWM porta seriale I/O gestore eventi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6

7 Processore Digitale di Segnale (DSP) Progettato per minimizzare i costi della elaborazione digitale dei segnali moltiplicatore hardware integrato ALU 16/32 bit fixed e floating point architettura Harward modificata bus dati e bus istruzioni separati istruzioni a singolo ciclo di esecuzione ciclo istruzione molto basso anche poche decine di ns istruzioni dedicate saturazione delle operazioni di somma (fixed point) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 7

8 Processore Digitale di Segnale (DSP) Sviluppato nei primi anni 80 coprocessore intelligente processore autonomo per l elaborazione dei segnali ed il controllo signal processing telecomunicazioni audio e video digitale controllo dischi magnetici azionamenti robotica Applicazioni tipiche Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 8

9 Processore Digitale di Segnale (DSP) Architettura hardware unità di controllo PC 16 moltipli- 16 catore 32 RAM dati Program (EP) ROM programma ALU shifter dati Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9

10 Processori Digitali di Segnale (DSP) Principali caratteristiche di esecuzione pre-fetch di più istruzioni strutture a pipeline (problemi di branch) linguaggio assembler ottimizzato per l esecuzione di prodotti scalari moltiplicazione e somma nello stesso ciclo macchina shift di un dato in memoria durante la moltiplicazione aggiornamento della memoria del regolatore saturazione delle operazioni di somma tempo di esecuzione di un PID 13 cicli macchina < 2µs tipico Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 10

11 Processori Digitali di Segnale (DSP) Sviluppi recenti tempi di esecuzione di istruzione < 10ns versioni floating-point (>200Mflops) versioni tipo microcontrollore Dispositivo ideale per le applicazioni dedicate ad alta complessità ed elevata dinamica azionamenti elettrici controllo adattativo controllo coordinato del moto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11

12 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Unità di Elaborazione MicroControllori e DSP FINE Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna

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