Elettronica dei Sistemi Programmabili

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1 Elettronica dei Sistemi Programmabili Introduzione Stefano Salvatori Università degli Studi Roma Tre Università degli Studi Roma Tre Elettronica dei Sistemi Programmabili 2013

2 Sistemi programmabili Microprocessori Microcontrollori Digital Signal Processors Programmable Logic Devices Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 2

3 Sistemi programmabili Microprocessori Microcontrollori Digital Signal Processors Programmable Logic Devices Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 3

4 Microprocessori e microcontrollori Il termine microprocessore è oggi di uso comune e diffuso. Ad esso associamo le macchine di calcolo di cui, sappiamo, esso rappresenta il cervello. Ma cosa dire di un microcontrollore? abbiamo idea in quale ambito esso possa trovare applicazione? Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 4

5 Microprocessori e microcontrollori Dove troviamo un microprocessore? Dove troviamo un microcontrollore? Conosciamo apparati che basino il loro funzionamento su un microcontrollore? Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 5

6 Cos'è un microcontrollore? E un sistema che rispecchia l architettura di un computer (CPU, memorie, I/O) Ha una modesta capacità di calcolo ma esegue le istruzioni piuttosto rapidamente Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 6

7 System on a Chip I moderni microntrollori rientrano nella categoria dei SoC, System on a Chip. Nel chip è integrato una CPU (core) e diversi blocchi dalla funzionalità specifica: RAM e ROM; porte di interfacciamento (GPIO); ADC e DAC; hardware per la comunicazione: BUS UART I 2 C, SPI, USB, CAN, LIN Dispositivi per lo sviluppo ISP, In System Programmable ICE, In System Emulator Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 7

8 Applicazioni microcontrollori Con un microcontrollore possiamo realizzare sistemi che in logica cablata richiederebbero molto tempo sia per la progettazione che la realizzazione Viene impiegato in applicazioni embedded stand-alone Molto del lavoro di progettazione riguarda la definizione del firmware Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 8

9 Dove troviamo un microcontrollore? Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 9

10 Dove troviamo un microcontrollore? in un'automobile trovano posto decine di microcontrollori Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 10

11 Dove troviamo un microcontrollore? non in tutte Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 11

12 Sistemi programmabili Microprocessori Microcontrollori Digital Signal Processors Programmable Logic Devices Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 12

13 Cos'è un DSP? Un processore DSP è un apparato elettronico in grado di svolgere funzioni di elaborazione su preciso comando (meglio programmazione) dell operatore, su segnali (audio e video, ad esempio) che riceve in ingresso; DSP è l acronimo di Digital Signal Processor, ovvero elaboratore digitale di segnale; Lo stesso acronimo è usato per indicare l'elaborazione digitale dei segnali, Digital Signal Processing. Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 13

14 Cos'è un DSP? Ogni sorta di elaborazione del segnale equalizzazione, compressione, espansione, limitazione, filtraggio, ritardo, è (spesso più agevolmente) implementabile mediante circuiti digitali (piuttosto che con circuiti analogici); Qualunque operazione di elaborazione del segnale può essere più convenientemente eseguita nel dominio digitale; I vantaggi sono innegabili: risposta in frequenza lineare; distorsione più contenuta; dinamica più ampia; migliore rapporto segnale/rumore; regolazioni più precise e più ampie; minore criticità della componentistica. Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 14

15 Cos'è un DSP? Blocchi fondamentali: un convertitore analogico-digitale (o convertitore A/D), che esegue la digitalizzazione del segnale da elaborare; una sezione di elaborazione del segnale digitale (DSP), convenientemente progettata con il fine di realizzare determinate funzioni (es. ritardo, filtraggio, ecc.); un convertitore digitale-analogico ( o convertitore D/A), che ricostruisce il segnale analogico a partire dalla sua versione digitale elaborata Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 15

16 Dove troviamo i DSP? Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 16

17 Sistemi programmabili Microprocessori Microcontrollori Digital Signal Processors Programmable Logic Devices Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 17

18 Cos'è una FPGA? L'FPGA è un circuito integrato che contiene molte celle logiche identiche, che possono essere viste come delle singole porte logiche. Ogni cella può indipendentemente implementare una funzione specifica, definita da una tabella e può comunicare con le altre celle tramite una fittissima trama di interconnessioni e di interruttori; Questa matrice di celle e di connessioni forma la base per la costruzione di ogni circuito, anche di quelli più complessi, grazie alla grande varietà di funzioni possibili e all'elevatissimo numero di connessioni. Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 18

19 Cos'è una FPGA? Field Programmable significa che la funzione della FPGA è definita dal programma dell'utente, piuttosto che dalla disposizione, non modificabile, dei dispositivi che realizzano le funzioni logiche; Questi dispositivi permettono di raggiungere livelli di integrazione molto spinti, fino a pochi anni fa pensabili solo con circuiti ASIC, mantenendo la caratteristica di basso costo di produzione iniziale, tipico dei dispositivi programmabili; Tuttavia, una FPGA non è ancora in grado di raggiungere prestazioni paragonabili a quelle di un circuito ASIC, proprio per il diverso tipo di interconnessione usata. D altra parte, una soluzione ASIC è adottabile unicamente per progetti a larga scala di produzione, per ovvi motivi di costo di fabbricazione. Le FPGA oggi sono impiegate non solo a livello di prototipazione ma anche per produzione in serie. Le loro applicazioni vanno dai sistemi di controllo di tipo predittivo alla strumentazione scientifica, dall'elettronica di consumo all'elaborazione digitale dei segnali. Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 19

20 Domande Stefano Salvatori (st lab. 132) [email protected] Lucidi e materiale vario: Università degli Studi Roma Tre Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 20