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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?
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Letteratura
Molta della letteratura dedicata alla progettazione di sistemi embedded è concentrata su uC tipo:
Microchip PIC
Atmel AVR
Intel 8051
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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
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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
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Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni
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, ...)
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Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni
… 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
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Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni
Paradossalmente, nel progetto di un sistema sempre più
complesso, attualmente:
Complessitàdel sistema
Grado di specializzazione del progettista
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Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni
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)
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Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni
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.
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Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni
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.
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Migrazione verso sistemi a maggiori prestazioni
Esempio di alcuni che comunque continuano a curare la commercializzazione di prodotti ad alte prestazioni ma a prezzi contenuti
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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Criteri di scelta
Utilissimi i forum
comunità impegnata in diversi progettiesperienza sul campo dei contributiaggiornamentovisione più ampia
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Criteri di scelta
Documentazione
Riviste specializzate
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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.
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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
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Migrazione verso i 32 bit
Motivazioni:
diminuzione quantità del codicediminuzione consumidiminuzione spaziosemplificazione codice...
26/42Elettronica dei Sistemi Programmabili – marzo 2014 – S. Salvatori
Migrazione verso i 32 bit
Sistemi di sviluppo:
entry levelkit di valutazionedevelopment boardssoluzioni di tipo professionale
cost
o
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Migrazione verso i 32 bit
Sistemi di sviluppo software:
proprietarioKeilHitex...
liberogcc - gdb
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Perché ARM?
ARM?
x86
embedded PC
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Perché ARM?
http://arm.com/index.php
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Perché ARM?
Prodotti basati su ARM
mobile home
embedded enterprise
ARM
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Migrazione verso i 32 bit
Tra i partner di ARM per i semiconduttori citiamo:
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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.
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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.
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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.
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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 ...
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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
Elettronica dei Sistemi Programmabili – marzo 2014 – S. Salvatori42/42
Grazie per l'attenzione …
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