Prof. Lug Puccnell IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI CALCOLATORI DI BORDO
2 Inzalmente basat su tecnche analogche ora quas esclusvamente dgtal Vantagg dgtal Maggore precsone Possbltà d modfca del comportamento Possbltà d autodagnos Svantagg Comuncazone col mondo reale Programmazone real tme
Analogco - Dgtale 3 Analogco Dgtale Rappresentazone Altra grandezza fsca e scala Numero e untà d msura Precsone Dpende da strumento d msura Numero d cfre Sensbltà alle nterferenze Alta Bassa Controllo dat trasmess Molto dffcle Molto facle Possbltà d elaborazone Problem lnear => buona Problem non lnear => Scarsa Problem non numerc => Nulla Buona Memorzzazone dat Scarsa Semplce Comuncazone con mondo fsco Immedata Possble Operazon real tme Implcte Complesse
CALCOLATORI ANALOGICI 4 Obsolet come macchne per calcolo Metodologa utlzzata n component Possbltà n molte occason d realzzare crcut semplc per operazon d controllo. Possbltà d realzzare analoge sa meccanche che elettrche
Amplfcatore operazonale 0 10 8 0 g u V V K 5 c u u c u c V R R V V V R V V R V V 0 0 0
Sommatore n c u V R R V 1 6 c u n n c R V V R V V I I 0 1 0 1
Integratore 7 V V0 d V0 V C R dt u V u t 0 V R C dt V 0
Integratore 8 V u t 0 V R C dt V 0 I I Aperto Aperto Memora Aperto Chuso Condzone nzale Chuso Aperto Integra Chuso Chuso Non Usato
Calcolator analogc 9 Graze all mpego d amplfcator operazonal s resce a costrure blocch che eseguono su tenson operazon ben stablte Ad esempo Integratore V 1 V 2 V u Vu V dt R C V 0 V 0 Sommatore V 1 V 2 V u V u R R c V
Soluzone d equazone dfferenzale 10 C x x K x 1 F t M M M
ELEMENTI NON LINEARI 11 V -V0 Vu V0 V V -V0 Vu V0 V -V V0 Vu V0 V -V V0 Vu V0 V
GENERATORE DI FUNZIONI 12
MOLTIPLICATORE 13 xy 1 2 x y x y 2 4
Calcolator analogc 14 È possble realzzare crcut l cu funzonamento è retto dalle stesse equazon che s voglono rsolvere Le grandezze d nteresse vengono messe n analoga con le tenson present nel crcuto attraverso una messa n scala Con questa metodologa è facle elaborare dat fornt come tenson da strument d msura e fornre rsultat come tenson per agre su component estern
Calcolator analogc 15 I calcolator analogc agscono per loro natura n tempo reale La precsone del calcolo non molto elevata Trattando tenson s è soggett a dsturb d tpo elettromagnetco Non s possono trattare nformazon d tpo alfanumerco
Regolazone temperatura cabna 16 T T cab h T cab T cab T kt ( 1 k) T c f k T T c T f T f T cab h T T cab c T T f cab T f
Regolazone temperatura cabna 17 k T T c T f T f T cab h T T cab c T T f cab T f
Component d calcolo logco 18 Grandezze logche (falso-vero ; 0-1) che costtuscono l elemento base della memora d un calcolatore dgtale (bt) possono essere utlzzate per rappresentare anche stat d dspostv estern È possble elaborare grandezze logche con gl stess component elementar d un calcolatore dgtale
Component d calcolo logco 19 Gate Flp-Flop T camba uscta S porta uscta a 1 C porta uscta a 0 A B T S C A.or.B not(a.or.b)=not(a).and.not( B) Pulsar Se t passa da 0 a 1 l uscta dventa 1 per un certo tempo T
20 Devono gestre stat o msure n tempo reale fornendo n uscta controll dscret o analogc Sono rcheste anche funzon nformatche classche Il sstema deve essere altamente affdable, normalmente ha qund fort rdondanze
Sstem federat 21 Un calcolatore per ogn funzone Software pù semplce Calcolator standard => effcenza logstca ad hoc => effcenza d funzonamento Ogn calcolatore ha propr I/O anche rdondant
Sstem ntegrat 22 Uno o pù calcolator con memore n comune Software pù complesso Stess valor utlzzat n funzon dverse
Sstem mst 23 Sstem ntegrat con alcune funzon partcolar affdate a calcolator dedcat: Radar Controllo dsplay Controllo motore
Problem software 24 Soddsfare tutte le specfche Ruscre a defnre le specfche n forma completa ed accurata Provvedere a documentazone adeguata, unforme e comprensble Dffcoltà e tempo per lo svluppo del software Dffcoltà e tempo per la valdazone del software Costo
Problem software 25 Programmazone real-tme Acquszone dat a scadenze precse Interrupt Da orologo Da nput Preprogrammata Prortà task Evoluzone sstema e necesstà svlupp futur
Problem software 26 Raramente software trasferble su altra macchna Self test test ncrocat Sstem operatv ad hoc Può essere necessaro svluppare completamente l software, compreso quello d svluppo.
Interazone uomo - sstema 27 Semplce e stntva anche se c attendono operator espert Protezone assoluta programm e parametr fss Possbltà d ntrodurre parametr e rsposte su nterrogazone
Programmazone real-tme 28 Cert parametr devono essere acqust ad ntervall d tempo costante. Complcato quando questo deve avvenre mentre vengono rcheste anche altre funzon, d cu alcune possono essere del tutto casual. Occorre una organzzazone rgorosa e sofstcata dell uso delle rsorse dsponbl Problem d gestone d modfche d parametr, magar relatv al calcolo n corso
Programmazone 29 Dffcoltà della possbltà d rutlzzare lo stesso sstema n altre applcazon, dato l rapdo svluppo tecnologco (resta l esperenza!) Per la programmazone real-tme occorrono specalst
Hardware 30 Defnzone della confgurazone hardware a lvello d sstema e component Dmensonamento della memora, tenendo conto d espanson future (da rtenere certe)
CALCOLATORI DIGITALI 31
CALCOLATORI DIGITALI 32
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MEMORIE 34 RAM Random access memory ROM Read only memory PROM Programable read only memory Elemento base: bt (due lvell d tensone o magnetzzazone che rappresentano una cfra bnara 0/1) Struttura mnma ndrzzable: BYTE (8 bt) Rappresentazone bnara d numer nter, floatng pont, caratter, struzon, pxel, ecc.
SISTEMI NUMERICI 35 Sstema decmale poszonale - Necessar dec stat dvers d tensone Sstema bnaro suffcent due stat (ad es. 0V e 5V) Poszone assocata a potenza d 2 NUMERI INTERI 100101 100101 100101 2 2 2 1*2 37 10 5 1*32 0*16 0*2 4 0*2 3 1*2 0*8 1*4 0*2 1*1 2 0*2 1 1*2 0
Numer nter negatv 36 Complemento a 1 scambando gl 0 con 1 e gl 1 con 0: 1100100110 sommando due numer s ottene un numero con tutte le cfre par a 1. Se al complemento ad 1 sommo 1 ottengo l complemento a due: Numero orgnale 11001 Complemento ad 1 00110 Complemento a 2 00111 sommando l numero orgnale al complemento a 2 e gnorando la cfra d rporto oltre la pù sgnfcatva l rsultato è 0: 11001+ 00111= (1)00000 Complemento a 2 è utlzzato per rappresentare numer negatv
SISTEMI NUMERICI 37 Altre codfche Codfca BCD (4 bt per cfra decmale equvalente) 9427= 1001 0100 0010 0111 Codfca ottale: 8 cfre da 0 a 7 e poszone legata a potenza d otto Codfca esadecmale: 16 cfre da 0 a 9 e A B C D E F e poszone legata a potenza d 16
Utlzzo della memora 38 Numer nter - S usano raggruppament d 8-16-32-64 bt Numer razonal - Caratterstca (8 bt) e mantssa (24 bt) Grandezze logche - 8 bt Caratter alfanumerc - Codfche tpo ASCII (8 bt per carattere) Pxel coordnate e codce colore Istruzon - Numero d bytes dpendent dalla struttura del calcolatore e/o dal tpo d struzone - Codce dell struzone + Indrzzo() d memora su cu operare.
Numer rappresentabl 39 NUMERI INTERI Bt Combnazon Massmo ntero 8 256 127 16 65536 32767 32 4.29E+09 2.15E+09 64 1.84E+19 9.22E+18 NUMERI RAZIONALI Caratterstca 8 bt 2^127 10^38 Mantssa 24 bt precsone 10^-8 56 bt precsone 10^-17
COMPONENTI PRINCIPALI DELLA CPU 40 Orologo Accumulator Regstro struzon BUS d comuncazone
Programmm 41 Un computer è n grado d elaborare un programma graze ad un certo numero d regstr Indrzzo d programma: ndrzzo d una poszone dove è memorzzata una struzone L struzone vene prelevata ed eseguta, al termne dell esecuzone l regstro con l ndrzzo d programma vene ncrementato d uno e s passa così all struzone successva. La sequenza è governata da un orologo che fornsce la frequenza con la quale vengono esegute le struzon. La sequenza può essere alterata da partcolar struzon d programma che consentono d svolgere sequenze dverse n base a determnat event
Perferche 42 Input: Tast, nterruttor,joystck, tastern alfanumerc Output: Dsplay, lampade, suon, voc Sstem I/O fsc: D/I, D/O, A/I, A/O, Counter, Memore d massa (dsch, nastr): raramente present
Comuncazone fra apparat dgtal 43 Esstono dverse tecnche per collegament Punto punto Attesa nterrupt - DMA Pù untà collegate su unca lnea con master e slave Possbltà o meno d qualsas untà d assumere la funzone d master Trasmssone crcolare con rnvo Trasmssone con ndrzzo d destnataro
Modaltà accesso nformazon 44 Attesa arrvo Rchesta e attesa Rchesta e tentatvo Interrupt Accesso dretto memora
Comuncazone fra apparat dgtal 45 Aggunta e scoperta d partcolar confgurazon d bt per rconoscere nformazone rlevante n un flusso contnuo d bt Adattamento della frequenza d trasmssone alla effettva frequenza d arrvo e partenza delle nformazon Aggunta d rdondanze per scoprre ed eventualmente correggere error d trasmssone Controll d partà, checksum Eventuale crttografa
Trattamento dgtale delle nformazon 46 Bus d comuncazone Defnt come hardware e protocollo d trasmssone Hardware Trasmsson seral/parallele Frequenze e modaltà trasmssone Problem d compatbltà elettromagnetca Protocollo d trasmssone Defnzone logca della struttura delle nformazon trasmesse
Comuncazone fra apparat dgtal 47 Parametr rlevant Verso d trasmssone Mezzo d trasmssone Cavo elettrco, fbra ottca, trasmssone rado Formato dat Serale/parallelo Sncrono/asncrono Temp d trasfermento Frequenza d trasfermento
Interfacca calcolator dgtal con mondo fsco 48 D/I, D/O Acquszone o emssone d stat A/I, A/O Msura o uscta d corrent/tenson Contator Conteggo d cambament stato Encoder Lettura d codfca d nformazon
D/I, D/O 49 Vengono lett o fornt contemporaneamente gl stat d un nseme d canal raggruppat n un certo numero bytes (tpcamente 16) Una scheda montata nel calcolatore o n apposta untà esterna contene n cope d morsett ognuno de qual corrsponde ad un canale esterno Per D/I vene sentto o la presenza d una tensone o la chusura d un contatto Per D/O vene fornta una tensone o la chusura d un contatto
D/I, D/O 50 La scheda con gl n canal vene vsta come una parola d memora nella quale può essere prelevato o memorzzato l contenuto L acquszone o l emssone d stat avvene qund sempre a blocch I canal D/I sono utlzzat per acqusre stat (fne corsa, poszone d nterruttor, ) I canal D/O hanno funzone analoga all azonamento d nterruttor
A/O - Converttor D/A Per emettere un segnale n termn d tensone occorre un converttore dgtale/analogco Un modo per realzzarlo consste nell utlzzare un sommatore analogco con resstenze scelte n modo da realzzare un rapporto Rc 1 R 2 Dato che 1 n 1 1 1 2 1 2 S può nserre o meno var termn della sommatora ed ottenere una tensone n uscta varable fra 0 e l valore massmo 1
A/O - Converttor D/A V j V n n u n n 1 8 1 1 2 1 256 255 256 1 1 2 1 1 8 2 1 1 2 1 1 2 1
A/I Converttore A/D 53 Per acqusre la msura d un segnale occorre un converttore analogco/dgtale Esstono vare tecnche per realzzarlo Voltmetro ntegratore S ntegra una tensone costante fno a quando non s raggunge l valore del segnale da msurare; dal tempo mpegato s ha la msura Rcerca per tentatv con confronto d uscta da un converttore D/A
A/I Converttore A/D 54 Nell acquszone d segnal analogc può essere molto mportante la frequenza con la quale segnal vengono acqust per evtare fenomen d alasng Con voltmetro ntegratore l tempo d msura dpende dal valore della msura Con rcerca per tentatv l tempo è varable se la rcerca è d tpo lneare (può essere accelerata partendo dall ultmo valore trovato), ma è costante se la rcerca è per bsezone
A/I Converttore A/D 55 La conversone ha tutte le caratterstche d uno strumento d msura : Fondo scala Valore massmo msurable Precsone Normalmente percentuale del fondo scala Rsoluzone Correlata alla precsone; n questo caso dpende dal numero d bt; con 10 bt la rsoluzone è d 1/2 10 =1024>0.1% Frequenza d msura
Frequenza d msura 56 Alasng
Acquszone canal analogc 57 Se l numero d canal da acqusre è basso e la frequenza rchesta per la lettura è alta s può utlzzare un converttore per ogn canale, altrment s rcorre ad apparecchature che collegano un canale per volta al converttore. Per acquszone d molt canal a bassa frequenza s possono utlzzare scanner apparecchature nelle qual l collegamento avvene attraverso relè (normalmente reed relè) Per acquszone d canal ad alta frequenza s rcorre a multplexer che collegano l converttore con nterruttor elettronc
Acquszone canal analogc 58 Il passaggo da un canale ad un altro rchede un certo tempo; normalmente questo rtardo (da sommare al tempo d conversone) è trascurable Se propro è necessaro che msura d pù canal sa relatva allo stesso stante d tempo s può rcorrere a memore analogche che sono n grado d conservare un valore d tensone per un certo tempo Queste sono basate su ntegrator analogc dove l valore da memorzzare vene nserto come condzone nzale e l ngresso è nullo
Encoder Codce Gray X X X X X X X X X X X X L acquszone d certe nformazon può avvenre attraverso encoder, con tre fotocellule può essere acqusta l nformazone sulla poszone gà n formato dgtale Per non avere ambgutà nel passaggo da una confgurazone a quella vcna convene dsporre le marcature n modo che ogn volta s abba un solo cambamento X X X X X X X X X X X X