I Sistemi Embedded

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FONDAMENTI DI INFORMATICA Prof. PIER LUCA MONTESSORO

Laureando LUCA DA RE Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Udine

I Sistemi Embedded

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Nota di Copyright

Fondamenti di Informatica – I Sistemi Embedded

I Sistemi Embedded

• Un Sistema Embedded può essere definito come un sistema informatico dedicato, progettato cioè per svolgere un compito preciso e determinato (a differenza di quanto succede nei sistemi general purpose)

• Il termine Embedded riflette il fatto che tali sistemi sono parte integrante di sistemi più grandi di cui sono alla base del funzionamento con compiti di controllo, elaborazione, memorizzazione, ecc.

• Il PC non è di per sé un S.E. sebbene sia talvolta utilizzato per realizzare sistemi embedded; esso include diversi sistemi embedded (disco, CD, scheda video, …)

Evoluzione dei Sistemi Embedded

• L’utilità dei computer in sostituzione dei controlli meccanici o umani fu subito palese sin dall’avvento dei primi esemplari di elaboratore alla fine degli anni ’40

• I primi esemplari di Sistemi Embedded si trovano già nei primi anni ’50 , il primo campo di applicazione sono stati i sistemi Real-time

• Negli anni ’70 la tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration) ha reso possibile l’integrazione di un’intera CPU su di un singolo chip

• Il primo microprocessore progettato per un’applicazione embedded era l’Intel 4004 che eseguiva semplici operazioni aritmetiche

Evoluzione dei Sistemi Embedded

• Dagli anni ’80 i microprocessori sono stati sviluppati con diversi livelli di complessità

• Essi sono classificati in base alla dimensione della loro word:

– Si parte da un microcontrollore a 8-bit è progettato per applicazioni a basso costo ed include una memoria ed un dispositivo di I/O

– Fino ad arrivare ad un microcontrollore a 32-bit RISC che offre alte prestazioni ed una grande potenza di calcolo

Principali requisiti

• I requisiti di progetto imposti ad un Sistema Embedded possono essere:

– costi

– dimensioni, prestazioni, consumi – tempi di sviluppo

– flessibilità

– aggiornabilità

– robustezza

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Principali requisiti

• Per sistemi prodotti in larga scala il costo finale è un aspetto fondamentale.

• Il costo è profondamente legato alle scelte di progetto, i principali fattori che lo influenzano sono:

– Scelta dell’architettura (distribuita, centralizzata, …) – Hardware (tipo di CPU, tipo e quantità di memoria,

periferiche di I/O necessarie)

– Software (costi di progettazione e di sviluppo)

– Licenze e diritti per HW e SW (librerie, ambienti di sviluppo, compilatori, ambienti di testing)

– Numero di pezzi prodotti

Principali requisiti

• In quanto a prestazioni si devono spesso rispettare vincoli Real-Time

• Un sistema real-time esegue dei task con obblighi temporali

• Sistemi Hard real-time vs. Soft real-time

– Nei sistemi Hard real-time i task devono terminare entro specifiche deadline temporali.

– Nei sistemi Soft real-time i task possono oltrepassare le deadline senza per questo causare guasti o malfunzionamenti importanti

• I sistemi embedded molto spesso sono dei sistemi Hard real-time

Principali requisiti

• Un sistema embedded è progettato per eseguire una sola o comunque poche specifiche applicazioni:

– Le applicazioni da svolgere sono note a priori, prima che il processo di progettazione inizi – Spesso è opportuno garantire al sistema la

flessibilità necessaria per i futuri aggiornamenti o per un eventuale riutilizzo del componente;

normalmente si raggiunge questo scopo rendendo il sistema riprogrammabile

Principali requisiti

• La tendenza è quella di ridurre sempre di più le dimensioni ed il peso

• Di notevole rilevanza è l'immunità ai disturbi:

è necessario valutare come il sistema risponde alle fluttuazioni delle tensioni di alimentazione, alle interferenze

elettromagnetiche, ecc...

• Grande rilievo hanno ad esempio le emissioni elettromagnetiche emesse dal dispositivo stesso

Struttura

• I sistemi embedded sono costituiti intorno ad una struttura a microprocessore

Struttura

• Attorno al microprocessore vi sono:

1. memorie

2. dispositivi logici programmabili 3. stadi di conversione

4. Interfaccia utente e strumenti di diagnosi

5. alimentazione e raffreddamento

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1. Memorie

• Spesso ci si riferisce al software scritto per alcuni sistemi embedded con la parola firmware

• Il firmware si trova memorizzato in supporti di memoria detta a stato solido, come ad esempio la memoria Flash

• Queste sono memorie su circuito integrato scrivibili e cancellabili più volte

2. Dispositivi logici programmabili

• I PLD (Programmale Logic Devices) vengono programmati per applicazioni specifiche (ASIC, Application Specific Integrated Circuit)

• Negli ultimi anni stanno prendendo piede nel mercato dell'elettronica le logiche

programmabili di tipo FPGA (Field

Programmale Gate Array) costituite da celle disposte in una struttura a matrice

3. Stadi di conversione

• L’interazione del sistema col mondo esterno, di per sé analogico, rende indispensabile per un S.E. la capacità di raccogliere, campionare e trasmettere segnali

• I S.E. includono dispositivi quali:

– Sensori – Attuatori

– Convertitori A/D e D/A

4. Interfaccia utente e strumenti di diagnosi

• L’interazione con l’utente avviene con mezzi spesso semplificati:

– Display di dimensione ridotta – Dispositivi di input limitati

– Dispositivi di I/O specializzati rispetto alle competenze o al modo di operare dell’utente

• Si possono sommare eventuali strumenti di diagnosi che possono essere previsti per individuare in modo veloce situazioni di allarme, guasti, errori di sistema, ecc.

5. Alimentazione e raffreddamento

• Il consumo di potenza influisce direttamente sul costo complessivo e sulla complessità dell’hardware in particolar modo per quanto riguarda alimentatori, batterie, sistemi di raffreddamento

• È necessario ridurre le potenze in gioco:

– da un lato si cerca di aumentare l'autonomia dei dispositivi elettronici portatili

– dall'altro si vuole ridimensionare i sistemi di raffreddamento ("cooling")

Moduli Embedded

• Possiamo definire modulo embedded

un sistema di elaborazione che,

opportunamente completato con

dell'elettronica di interfacciamento, ed

eventualmente abbinato ad altri moduli,

può essere integrato in un dispositivo

andando a costituire un sistema

embedded

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Moduli Embedded

• Le possibili applicazioni di questi moduli sono le più svariate, per cui a seconda dei casi si avrà una struttura hardware adeguata

• Tuttavia alcuni elementi base si trovano sempre a bordo di questi moduli, poiché ne costituiscono il nucleo:

– Microprocessore – Memoria RAM – Memoria ROM

Microprocessore

• È il circuito integrato fondamentale del modulo, ed in esso troviamo, oltre all'unità centrale di calcolo, anche una serie di interfacce integrate destinate a rendere accessibili alla CPU tutte le periferiche di sistema

Memoria RAM e ROM

• Memoria RAM: è utilizzata come memoria di sistema, ovvero la memoria in cui il programma risiede durante la sua esecuzione assieme ai dati su cui opera

• Memoria ROM: destinata

all'immagazzinamento non volatile di dati; solitamente il firmware del modulo si trova su questo supporto

Software

• Vi sono due principali soluzioni software:

– Boot Loader + Sistema Operativo: il Boot Loader giace in ROM ed ha lo scopo di inizializzare tutto l'hardware di sistema, verificarne il corretto funzionamento e successivamente caricare il sistema operativo in memoria RAM ed avviarne l'esecuzione

– Applicazione standalone: nel caso di alcuni sistemi embedded con un numero molto ridotto di periferiche si preferisce scrivere un'applicazione che gestisce autonomamente tutte le risorse di sistema

Porting

• Un ruolo fondamentale è rivestito dall'eventuale accoppiata sistema operativo-boot loader, per i quali è necessario un adattamento affinché possano funzionare correttamente sul sistema embedded progettato

• Tale operazione è denominata porting, e prevede tra le altre cose la scrittura dei drivers di periferica

Esempio S.E.: PPChamelaon

• PPChameleon è in modulo embedded pronto all'uso, basato sul processore IBM PowerPC 405EP e distribuito da Dave s.r.l.

• Il suo nome riflette la capacità di cambiare “pelle” in

modo da adempiere alle varietà di richieste

provenienti da esigenze industriali e di

telecomunicazioni sia su filo, sia wireless

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Caratteristiche PPChameleon

• PPChameleon è fornito di tutte le caratteristiche principali necessarie per creare un sistema personalizzato basato sul processore IBM PowerPC 405EP

• Per esempio è attrezzato con:

– una memoria flash NOR (adatta per la memorizzazione del software di boot)

– una memoria SDRAM utile per l’esecuzione dei programmi

– una logica di reset tale da provvedere

un’appropriata sequenza di accensione e controllo sulla potenza

Caratteristiche PPChameleon

• CPU: PowerPC 405EP

• Speed: 133, 266 or 333 MHz

• Flash NOR (ROM): 4 Mbytes

• RAM: 32, 64 or 128 Mbytes

• EEPROM : 16Kbit

• Flash NAND: 32 [16 or 64] Mbytes

• Reset: External and CPU supervisor with Master Reset input

• Power supply: 3.3V and 1.8V supply

• Power consumption: 800mA [typ] / 1240 mA [worst case]

• Weight: 20 g

• Dimensions: 67.5 x 50.8 mm2 [2.7 x 2.0 inches]

• Edge connector: JEDEC Standard No. 21-C, module 4.20.6

Schema a blocchi PPChameleon

• Tutti i segnali passano attraverso un connettore DDR-SO DIMM (200 pin), così l’utente può facilmente integrare il modulo nel proprio sistema di destinazione

PPChameleon Evaluation Board

• La casa costruttrice dispone anche di una PPChameleon Evaluation Board

• Essa permette di testare il modulo CPU PPChameleon ed eventualmente di aggiungere schede di espansione

• Inoltre le fornisce:

– alimentazione ATX – memoria SRAM – memoria NAND – interfaccia JTAG – 3 slot PCI

– connettore bus di espansione – due connettori ethernet RJ45

– comunicazione seriale RS485 e full RS232

Applicazioni di PPChameleon

• Grazie alla sua ampia struttura

d’interfaccia, PPChameleon può essere usato in una varietà di applicazioni ad alta comunicazione: