DAL MICROPROCESSOREAI SISTEMI EMBEDDED
Informatica per l’Automazione II(Informatica B o II)
Anno accademico 2008/2009
Prof. Giuseppe Mastronardi
Ing. Marco Giannini
Introduzione
La struttura dei moderni calcolatori è rappresentata dal modello di VON
NEUMANN ed è costituita dalle seguenti unità:
• Unità di ingresso o input
• Unità di memoria• Unità di controllo (CU)
• Unità aritmetico logica (ALU)
• Unità di uscita o output
Unità Aritmetico-Logica
Unità di ControlloUnità di Input
Memoria
Unità di Output
Parte fondamentale di un computer è il processore (CPU)* che è composto
da:
• Unità Aritmetico-Logica (ALU), che opera su informazioni presenti in singole unità di memoria, i Registri
• Unità di Controllo (CU), che consente di interpretare ed eseguire una sequenza di istruzioni mediante un numero finito di micro-ordini, passando da uno stato iniziale ad uno finale
* Se tutte le parti di un processore sono integrate in un unico chip si parla di “microprocessore”
Il sistema prevede che la macchina effettui le seguenti operazioni elementari:
1. Operazioni di ingresso dati2. Operazioni di trasferimento dati dalla
memoria ai registri, all’ALU e viceversa
3. Operazioni aritmetiche e logiche eseguite in ALU
4. Operazioni di uscita
Il programma è una sequenza
di istruzioni che impartiscono comandi
all’hardware per l’esecuzione
delle diverse operazioni richieste
Tutte le operazioni sono permesse da programmi memorizzati nella memoria centrale ed avvengono sotto il controllo
del processore che accede alla memoria, preleva le istruzioni del programma, le
interpreta e le esegue. Per fare ciò opera in due fasi:
- Caricamento del programma (load-time)- Esecuzione del programma (run-time)
Nel modello di VON NEUMANN la memoria centrale è costituita da:
• Insieme ordinato di celle o locazioni indirizzabili
• In ogni cella viene contenuto il valore di una informazione
• Il prelievo dell’informazione dalla memoria non altera e non cancella il contenuto dell’informazione che quindi rimane disponibile per altre analoghe operazioni di lettura (la lettura non è distruttiva)
• La registrazione o scrittura in memoria comporta la sostituzione e perciò la modifica della vecchia informazione con la nuova
(la scrittura è distruttiva)• Le informazioni della memoria
centrale sono direttamente accessibili dall’unità di controllo
La capacità di memoria centrale
viene espressa in byte che è
la minima unità indirizzabile;
se di tipo statico è dell’ordine dei KB,
se di tipo dinamico è dell’ordine dei MB.
La capacità di memoria di massa
è dell’ordine dei GB e la minima unità indirizzabile è il record fisico
(da 512 a 4096 bit).
• Le memorie di massa sono memorie ausiliarie e funzionano come unità I/O; le informazioni in esse contenute vengono trasferite nella memoria centrale per poter essere elaborate.
• La memoria di massa svolge un ruolo di archivio di informazioni ed i dati su di essa sono organizzati in archivi o file, composti da più record logici.
Gerarchie di memorie
• Registri• Cache• Memoria centrale
volatile (SRAM o DRAM)o non volatile (ROM o Flash EEPROM)
• Dischi magnetici fissi• Dischi magnetici rimovibili• Dischi ottici rimovibili a sola
lettura (CD-ROM o DVD)• Nastri magnetici o di backup
(Streamer tape)• Memoria universale della rete
(Internet)
Aumenta la capacità di memoria
Aumenta la velocità di accesso a memoria (alla reperibilità dei dati)
Le unità di ingresso e di uscita vengono dette in gergo unità I/O (input/output) e
sono:
• Tastiera • Mouse• Monitor (schermo)• Supporti magnetici e
magneto-ottici (dischi, dischetti, nastri, CD, DVD, etc.)
• Stampanti• Plotter
• Scanner• Schede magnetiche• Lettori ottici (barre)• Audio grabber• Frame grabber• Video grabber• Microfoni• Altoparlanti
Tra le unità I/O vanno quindi ricordatii convertitori analogico-digitaliper l’acquisizione di segnali
(grabber di suoni e immagini) ei convertitori digitali-analogiciper la restituzione di segnali(verso altoparlanti e monitor)
La qualità della definizione di suoni e immagini è funzione della quantizzazione (bit per campione) e della risoluzione nel tempo
o nello spazio (frequenza di campionamento)
I microcontrollori
Sistemi di elaborazione 1/3
I sistemi di elaborazione, generalmente, possono essereclassificati in due categorie: general-purpose e application-specific.
General-purpose: programmati per soddisfareuna varietà di differenti applicazioni (PC, Mainframee Workstation) Application-specific: sistemi “dedicati” ad una precisa applicazione (Controllo di applicazioni domestiche, controllo di impianti industriali, robot)
Sistemi di elaborazione 2/3
I sistemi dedicati sono un sottoinsieme dei sistemi application-specific. Essi sono pensati, sin dalla fase di progetto, per essere sistemi che eseguono un singolo programma ripetutamente. Sono sistemi piccoli, veloci dal punto di vista computazionale, dal basso consumo e dal costo modesto.
Sistemi di elaborazione
General-purpose Application-specific
Sistemi dedicati
Sistemi di elaborazione 3/3
Nei sistemi general-purpose l’utente finale e l’operatore hanno accesso a tutte le componenti software del sistema.
Nei sistemi dedicati il produttore programma il sistema. Mentre l’utente finale può intervenire solo su una sezione molto limitata della componente software.
Sistemi Embedded
Per la realizzazione dei sistemi embedded un posto di rilievo è occupato dai microcontrollori.
Essi presentano una serie di caratteristiche che li rendono dei completi sistemi di calcolo.
Sono costituiti da tre parti:• CU, ALU e registri• Memoria di programma (ROM) e memoria dati
(RAM)• Una parte che si occupa dell’Input/Output
Microcontrollori
CU
ALU
REGISTRI
ROM
RAM
La peculiarità di questi sistemi è quella di inglobare in un unico chip le caratteristiche di base di un microprocessore, più una serie di caratteristiche che li rendono un completo sistema di calcolo.
INPUT/OUTPUT
Microprocessore
+
+
MICROCONTROLLORE
Introduzione
Microcontrollori Vs Microprocessori
• Microprocessore : singolo circuito integrato in grado di effettuare operazioni decisionali, di calcolo o di elaborazione
dell'informazione • Microcontrollore : In un unico circuito integrato sono realizzate
tutte le funzioni tipiche di un calcolatore
• unità centrale
• memorie RAM e ROM
• porte di ingresso/uscita
• timer
• convertitore A/D
• …
Vantaggi e svantaggi di un microcontrollore
Ideali per sistemi embedded
Maggiore efficienza delle istruzioni create apposta per
svolgere operazioni specifiche
Semplificazione nella scrittura dei programmi
Costi contenuti
Flessibilità limitata
Risorse Limitate