Elettronica dei Sistemi Programmabili A.A. 2013-2014 · Elettronica dei Sistemi Programmabili – marzo 2014 – S. Salvatori 41/42 Riferimenti Lewin A.R.W. Edwards “Embedded System

Elettronica dei Sistemi Programmabili

A.A. 2013-2014

Microcontrollori

Scelte di base per la realizzazione di sistemi embedded

2/42Elettronica dei Sistemi Programmabili – marzo 2014 – S. Salvatori

Sommario

Upgrade tecnologico

Criteri di scelta

Migrazione da 8/16 bit a 32 bit

Perché ARM?


Letteratura

Molta della letteratura dedicata alla progettazione di sistemi embedded è concentrata su uC tipo:

Microchip PIC

Atmel AVR

Intel 8051


Letteratura

Il motivo è da ricercarsi:

Maturità dei componenti

Disponibilità per basse quantità

Vasta documentazione

Ampia scelta di strumenti di sviluppo

Basso costoMicrochip PIC

Atmel AVR

Intel 8051


Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni

Fino a qualche anno fa il passaggio verso i dispositivi aventi

migliori prestazioni (a 16 0 32 bit) presupponeva:

Una spesa eccessiva

L'acquisto di grandi quantità di componenti

Toolchain costose

Componenti aggiuntivi (clock, memorie, …) costosi perché

di più elevate prestazioni

Design “delicato” dovuto alle caratteristiche stringenti delle

temporizzazioni



Negli ultimi anni, invece:

Diminuzione del prezzo di dispositivi più complessi

Diminuzione della dimensione dei dispositivi

Sviluppo di sistemi di sviluppo di tipo open-source dedicati

a questi dispositivi

Aumento e arricchimento della documentazione a

disposizione

Interfacciamento sempre più agevole (verso RAM, display

grafici, sistemi di comunicazione, ...)



… inoltre:

Disponibilità di software (anche libero):

Compilatori per linguaggi ad alto livello

Software di sviluppo per PC-desktop

… quindi:

Non è più necessario dover investire in software

proprietario e in workstation.

La migrazione può così avvenire con costi realmente contenuti



Paradossalmente, nel progetto di un sistema sempre più

complesso, attualmente:

Complessitàdel sistema

Grado di specializzazione del progettista



Nella maggior parte dei casi, infatti:

Si dispone di piattaforme già in buona parte “pronte per l'uso” (development boards)

con soluzioni software già collaudate

o, addirittura, di sistemi in cui è possibile implementare un sistema operativo (anche maturo, cioè ben collaudato e documentato)



Avendo a disposizione una piattaforma di sviluppo

sviluppare il codice di startup necessario

“assemblare” diversi codici che si hanno a disposizione;

creare driver per periferiche speciali;

...

La maggior parte del lavoro di progettazione del firmware è al livello di applicazione e quindi si può sviluppare in un linguaggio ad alto livello, quale il C.



Conseguenza di un tale sviluppo evolutivo:

sviluppare applicazioni intelligenti e sempre più sofisticate

con mezzi e costi:

accessibili a piccole aziende (budget limitato);idonei anche a studenti e hobbisti che in questo modo arricchiscono la loro cultura

Le aziende costruttrici di strumenti di sviluppo tendono comunque a rivolgersi verso clienti che lavorino su grande scala.



Esempio di alcuni che comunque continuano a curare la commercializzazione di prodotti ad alte prestazioni ma a prezzi contenuti


Criteri di scelta


Criteri di scelta

L'avvio del lavoro di progettazione di un nuovo sistema embedded può risultare arduo soprattutto in una piccola azienda in cui non può essere presente un ingegnere che dedica tutto il suo tempo alla ricerca di nuovi componenti e tecnologie


Criteri di scelta

Il progetto di un nuovo sistema prevede la definizione dei requisiti.

I requisiti si tradurranno in una lista di parti

HardwareSoftware

In questa fase preliminare saranno operate le prime scelte sia dei componenti che dell'ambiente in cui sarà opportuno sviluppare il progetto.


Criteri di scelta

Sempre nella fase preliminare:

valutare sezioni che possono essere sintetizzate con un codice che può essere eseguito dal processoretrovare quelle che invece conviene sintetizzare con dispositivi standard o hw dedicato:

PLDperiferiche standard


Criteri di scelta

Obiettivi principali:

possibilità di sviluppare agevolmente sia il firmware che l'hardware;basso costo dei dispositivi e, al limite, anche del software usato per lo sviluppo del progetto;affidabilità dei componenti anche nel reperimento sul mercato


Criteri di scelta

Ricorrendo a dispositivi in cui la maggior parte delle periferiche sia già integrata su singolo chip (System On a Chip, SoC):

miglioramento dell'affidabilità del sistemariduzione dei costi di

progettazioneproduzione

riduzione dei consumi


Criteri di scelta

Per districarsi nella giungla di dispositivi disponibili sul mercato spesso si hanno a disposizioni motori per una ricerca parametrica

limitati ad una sola aziendascarse informazioni per produttori terzii più avanzati sono a pagamento


Criteri di scelta

Utilissimi i forum

comunità impegnata in diversi progettiesperienza sul campo dei contributiaggiornamentovisione più ampia


Criteri di scelta

Documentazione

Riviste specializzate


Criteri di scelta

Spesso, per questioni di tempo (ma anche di cultura) l'azienda

preferisce pensare a un riadattamento di un vecchio progetto per nuove applicazioni

le “poche modifiche” su qualcosa che funzionava non pregiudicheranno il successo

Tuttavia, la soluzione di oggi è solo il frutto di una scelta di ieri.

Non potrà godere dell'evoluzione tecnologia avutasi negli anni.

Un componente “datato” può andare fuori produzione o può diventare difficile il supporto da parte dei costruttori.


Criteri di scelta

In un'ottica di innovazione:

il progettista deve comprendere che quanto viene scelto oggi determinerà le prestazioni del sistema di domani

Considerare la tendenza “storica” del produttore:garantire la produzione di una famiglia di componenti per un certo numero di anni (così da non trovarsi con un progetto che risulta obsoleto)supportare con articoli e tools una più facile migrazione verso una nuova famiglia quando la vecchia è messa fuori produzione


Migrazione verso i 32-bit


Migrazione verso i 32 bit

Motivazioni:

diminuzione quantità del codicediminuzione consumidiminuzione spaziosemplificazione codice...



Sistemi di sviluppo:

entry levelkit di valutazionedevelopment boardssoluzioni di tipo professionale

cost

o



Sistemi di sviluppo software:

proprietarioKeilHitex...

liberogcc - gdb


Perché ARM?


Perché ARM?

ARM?

x86

embedded PC


Perché ARM?

http://arm.com/index.php

http://arm.com/index.php


Perché ARM?

Prodotti basati su ARM

mobile home

embedded enterprise

ARM



Tra i partner di ARM per i semiconduttori citiamo:


Breve 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.


Breve storia di ARM

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 semplicità dell'architettura del RISC fa superare i limiti progettuali della Acorn;la semplicità, inoltre, soddisfa il vincolo di velocità di risposta agli interrupt.


Breve storia di ARM

1983, Acorn: nasce ARM, Acorn RISC Machine

1985: l’ARM diventa il componente centrale della produzione Acorn1990: 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 consegnati agli oltre 200 partner della ARM Ltd. (10MLD / 18 anni ~ 20 processori/s !)

2009: Cortex-M0, uP di altissimo rendimento energetico.


Breve storia di ARM


I processori ARM


Ecosistema


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 ...


Ecosistema

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.

Scambio di conoscenzarisorse su internet;

ampia comunità;

forum tecnici;

seminari (anche su web);

supporto.

Questa “filosofia” porta a un potenziamento

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Riferimenti

Lewin A.R.W. Edwards“Embedded System Design on a Shoestring

Achieving High Performance with a Limited Budget”pp. 1-19

Newnes, 2003

Stefano Salvatori“Introduzione alla progettazione con gli LPC2000”pp. 1-8

Aracne, 2012

http://www.arm.com/about/company-profile/milestones.php

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Grazie per l'attenzione …

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http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

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