Microelettronica. Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded a microcontrollore. prof. Stefano Salvatori. Università degli Studi Roma Tre

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1 Microelettronica Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded a microcontrollore prof. Stefano Salvatori Università degli Studi Roma Tre S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (1)

2 Dove siamo? Elettronica I Elettronica II Elettronica dei sistemi digitali Siete qui Microelettronica S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (2)

3 Identificazione dell'hardware Digital Signal Processors microcontrollori Single Board Computer FPGA S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (3)

4 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 applicazioni intelligenti su misura basate su microcontrollore. trasferimento di tecnologie acquisizione di conoscenze e competenze nella progettazione di sistemi embedded a microcontrollore. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (4)

5 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 2018 (5)

6 Conosco i microcontrollori? Ogni giorno usiamo decine di uc! Si parla spesso di sistemi di elaborazione S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (6)

7 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 2018 (7)

8 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 2018 (8)

9 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 2018 (9)

10 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 categoria rientrano 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 2018 (10)

11 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 marzo 2018 (11)

12 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 ( l'intelligenza ) con oggetti fisici (sensori e attuatori). (*) Helen Gill, National Science Foundation, USA S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (12)

13 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 marzo 2018 (13)

14 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 marzo 2018 (14)

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 può essere sviluppato il software di gestione? CPU... ROM RAM I/O sensori comp. meccanici ADC attuatori DAC S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (15)

16 Sistemi embedded a microcontrollore Sistema Hardware Software PC-desktop embedded if rm w e r a S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (16)

17 Sistemi embedded a microcontrollore w if rm e r a S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (17)

18 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. dell'hardware Elaborazione Librerie in runtime Routine di servizio delle interruzioni S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (18)

19 Caratteristiche tipiche Singola funzionalità Vincoli molto stringenti Esegue un unico programma, ripetutamente Basso costo, basso consumo, leggero, veloce, Real-time Generalmente deve reagire a stimoli dell'ambiente esterno Deve elaborare i risultati in tempo reale senza ritardi (eccessivi) S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (19)

20 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 marzo 2018 (20)

21 Sviluppo allestimento dell'hardware IDEA! scrittura firmware collaudo Importanza della documentazione S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (21)

22 esercitazioni con LPCXpresso dal livello zero......a... S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (22)

23 Materiale per le esercitazioni scheda LPCXpresso824-MAX Mouser: (cod. 771-OM ); Farnell: (cod ); Digikey: (cod ND); Embedded Artists: (cod. EA-XPR-024); Amazon: (cod. OM13071-NXP_IT). S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (23)

24 Materiale per le esercitazioni scheda LPCXpresso824-MAX Mouser: (cod. 771-OM ) S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (24)

25 Materiale per le esercitazioni componenti aggiuntivi - una breadboard; - ponticelli per breadboard; - cavetti di collegamento; - resistori di valore diverso (da centinaia a decine di migliaia di Ω); - trimmer o potenziometri (da 10k e da 100k Ω); - LED di vari colori; - pulsanti; - un LCD alfanumerico (16 caratteri su due righe). es. Fan kit (Amazon) S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (25)

26 Materiale per le esercitazioni LPCXpresso IDE S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (26)

27 Corso: architettura ARM (provvisorio) 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 marzo 2018 (27)

28 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 gestione timer gestione LCD gestione delle interruzioni acquisizione da ADC Macchine a stati di tipo sw... S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (28)

29 Modalità d'esame: studente singolo 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 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2018 (29)