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La definizione dell'architettura di un sistema embedded è uno degli aspetti più critici di tutta la progettazione. Un errore di valutazione in questa fase, infatti, può avere gravi effetti sull'esito del progetto, in termini di qualità e di costi. In generale si può scomporre lo sviluppo nelle seguenti fasi:
• Definizione... Vedi di più

Esame di Sistemi embedded docente Prof. L. Pomante

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Printed Circuit Board

• Risultato finale della saldatura

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Approccio alla progettazione

– La progettazione di un sistema su PCB comporta le tipiche

problematiche di progettazione dei sistemi complessi ed

eterogenei

• Siccome una board può integrare diversi componenti dedicati e uno

o più microprocessori, è indispensabile organizzare il piano di

sviluppo, in modo che vari gruppi possano lavorare in parallelo fino

alla fase finale d'integrazione e verifica a livello di sistema

– Il primo passo consiste in un corretto partizionamento delle funzionalità

non solo rispetto al dominio di pertinenza (hardware o software) ma

anche rispetto ai singoli dispositivi

» Definire con precisione i segnali d'ingresso e uscita dei singoli componenti e

l'assegnazione di tali segnali logici ai pin fisici dei singoli chip (pin-out)

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Printed Circuit Board

• Approccio alla progettazione

– I criteri che guidano il partizionamento sono diversi e non

necessariamente di carattere strettamente funzionale

• Numero di segnali necessari a connettere due diversi chip

– All'aumentare del numero di pin si alza il costo di un dispositivo e al

tempo stesso cresce la complessità della board

• Caratteristiche di banda dei segnali in gioco

– Con frequenze molto elevate è preferibile, ove possibile, non portare i

segnali sulla board ma mantenere le sezioni che devono comunicare su

un singolo chip

• Ritardi dei segnali che viaggiano sulla board

– Data la dimensione e la lunghezza delle piste sulla board rispetto alle

connessioni interne ai singoli chip, si ha a che fare con costanti di

tempo, molto più elevate

– Fissati partizionamento e pin-out, i team di progetto e il gruppo di

sviluppo della board possono procedere in parallelo

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Approccio alla progettazione

– Come già detto, il problema del testing della board è molto critico

• Boundary scan testing

– Metodologia che prevede la realizzazione di una catena, costituita da

opportune celle basate su flip-flop e multiplexer, che interessa tutti i pin

di tutti o di una parte dei dispositivi montati su una board

» In condizioni normali, i registri interessati dalla scan chain sono connessi

agli ingressi e/o uscite effettive del sistema

» In modalità test, tali registri implementano un registro a scorrimento, detto

scan chain, che permette di portare il valore logico desiderato su pin del

sistema o, di leggere il valore logico su un pin e portarlo all'esterno

– La stessa tecnica, applicata a livello di blocco logico integrato viene

utilizzata per consentire il testing dei sistemi su singolo chip

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Printed Circuit Board

• Approccio alla progettazione

– Boundary scan testing a livello di board

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2010/2011 System-on-Chip

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System-on-Chip

• Nell'accezione più generale, con il termine System-on-

Chip si indica un sistema completo realizzato integrando

tutte le sue parti su un singolo chip di silicio

– Un SoC raccoglie tutte le funzioni principali di un dato sistema, in

modo da limitare il numero di componenti esterni necessari

• Alcune porzioni del sistema non potranno però essere

integrate a causa delle loro caratteristiche elettriche e/o

meccaniche

– Un SoC, per essere utilizzabile, deve quindi essere montato su

una board che sarà presumibilmente molto semplice

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2010/2011 System-on-Chip

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System-on-Chip

• Le ragioni per approcciare la progettazione di un sistema

secondo il paradigma SoC sono diverse e partono da

considerazioni di natura differente

– Costo unitario

– Prestazioni

– Assorbimento energetico

– Ingressi/uscite

– Sicurezza

• Proprietà intellettuale

• Dati sensibili

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2010/2011 System-on-Chip

• Il concetto di SoC assume una grande varietà di

sfumature, principalmente legate all’architettura del

sistema stesso

– Uno o più microprocessori anche eterogenei

– Diversi tipi di memorie

– Blocchi digitali dedicati e specifici dell'applicazione

– Core digitali standard

• Encoder/decoder, filtri, FFT

– Blocchi di temporizzazione

• Timer, watchdog, oscillatori, phase locked loop

– Blocchi di alimentazione

– Interfacce

• ADC, DAC, interfacce seriali e parallele standard, interfacce di rete

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System-on-Chip

• Approccio alla progettazione

– Come per la progettazione di sistemi su board, anche in questo

caso il primo passo consiste nel partizionamento del sistema

• Dal momento che ogni funzionalità sarà realizzata utilizzando la

stessa tecnologia, i criteri che guidano il partizionamento sono

prevalentemente di natura funzionale/prestazionale

– La connettività è un problema meno critico rispetto ai sistemi su PCB

• Una volta definito il partizionamento in termini di funzionalità

hardware e software, resta da decidere come allocare le varie

funzionalità sulle diverse risorse di calcolo

Sistemi Embedded 37

2010/2011 System-on-Chip

• Approccio alla progettazione

– In base all'allocazione scelta si passa quindi alla definizione

della gerarchia di memoria e delle politiche di accesso

• Soluzione centralizzata vs. Soluzione distribuita

– A guidare la definizione dell'architettura di memoria sono

prevalentemente considerazioni di prestazioni e di località

• In generale, una maggiore località migliora le prestazioni dei

sottosistemi ma comporta una maggiore complessità di

comunicazione, sincronizzazione e gestione della coerenza dei dati

• Un sistema più centralizzato risolve i problemi di coerenza e

semplifica i meccanismi di comunicazione ma si ha spesso un

peggioramento delle prestazioni dovuto a conflitti di accesso

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System-on-Chip

• Approccio alla progettazione

– Strettamente legata alla struttura delle memorie e al

partizionamento delle funzionalità è la definizione

dell'infrastruttura di comunicazione

• La scelta tradizionale (gerarchia di bus) sta perdendo popolarità a

favore di un'architettura NoC, in cui una piccola rete, completa di

meccanismi d'indirizzamento e routing, smista delle informazioni

– Questa architettura, pur richiedendo risorse hardware abbastanza

complesse, risolve diversi problemi, tra cui il principale è sicuramente la

sincronizzazione di sottosistemi con clock differenti

» L'architettura NoC, inoltre, ben si presta alla scalabilità dei sistemi

» Una topologia differente e basata sull'uso di più switch è l'architettura mesh

Sistemi Embedded 39

2010/2011 System-on-Chip

• Approccio alla progettazione

– Struttura a bus gerarchici

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System-on-Chip

• Approccio alla progettazione

– NoC Centralizzato

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2010/2011 System-on-Chip

• Approccio alla progettazione

– NoC Meshed

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System-on-Chip

• Design for testability

– Architetture basate su singolo chip: problema della verifica

• Con i componenti discreti si possono testare i singoli componenti

prima dell'integrazione e poi procedere al test di sistema

– Una simile strategia non può essere adottata per i SoC poiché non è

pensabile fabbricare i moduli separati unicamente allo scopo di testarli

– Benché i sistemi di prototipazione offrano una possibile via

d'uscita, il problema viene affrontato in fase di progettazione

• Metodologia di progettazione mirata alla semplificazione del testing

che prevede di introdurre una serie di moduli aggiuntivi, unicamente

dedicati a fornire un supporto alla successiva fase di test

Sistemi Embedded 43

2010/2011 System-on-Chip

• Design for testability

– Boundary, partial e full scan (concetto già visto per i PCB)

• Oltre al boundary scan, si hanno strutture dette partial o full scan, a

seconda che le catene coinvolgano tutti o parte dei i registri del chip

– Il full scan richiede molte risorse ed è complesso da gestire

– Il partial scan se ben organizzato, garantisce un ottimo supporto

• Per poter effettuare operazioni di testing complesse è necessario

poter configurare e usare la catena di scan in diversi modi

– TAP controller (Test Access Port controller): interpreta un semplice

protocollo costituito da alcuni comandi di configurazione

» La struttura del TAP controller, il protocollo di comunicazione e i comandi di

configurazione sono definiti dallo standard: IEEE 1149.1 JTAG (Joint Test

Action Group)

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System-on-Chip

• Design for testability

– Boundary, partial e full scan

• Architettura JTAG

– TAP controller e registri di scan

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2010/2011 System-on-Chip

• Design for testability

– BIST

• I test realizzabili mediante scan si rivelano spesso insufficienti o

inefficienti nei sistemi di elevata complessità

– Il limite sta nel fatto che l’applicazione di tali tecniche è svolta a una

frequenza più bassa di quella operativa del sistema e deve essere

controllata dall'esterno

• A supporto di queste tecniche è stata sviluppata una famiglia di

strategie di verifica interna e automatica detta Built-In Self-Test

– Architettura integrata in cui un generatore di vettori di test (TPG)

produce come uscite sequenze di vettori di test che vengono inviati alla

UUT (Unit Under Test) sotto il controllo di una unità di gestione, il BIST

controller

» Le uscite prodotte dalla UUT vengono poi analizzate da una struttura

hardware dedicata, detta ORA (Output Response Analyzer) o TRE (Test

Response Evaluator)

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System-on-Chip

• Design for testability

– BIST

• Architettura generale

– TPG

» Test esaustivo

» Test statistico

» Test segmentato

– TRE (ORA)

» Signature based

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2010/2011 Sistemi embedded distribuiti

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Sistemi embedded distribuiti

• Sistemi in cui l'elaborazione e la memorizzazione dei

dati non sono centralizzate su un singolo apparato ma

suddivise tra sistemi opportunamente connessi

– Un sistema effettivamente distribuito è costituito da un numero

non esiguo di sottosistemi e dove la mole di dati memorizzati e

la capacità di calcolo sono distribuite equamente tra le parti

• Distributed vs. Networked

• Quando la rete d'interconnessione e di comunicazione

ha una struttura non banale, l'approccio al progetto

tradizionale non è più sufficiente e deve essere integrato

con tecniche specifiche

– Una volta affrontato il problema nel suo insieme è poi possibile

seguire le metodologie viste per lo sviluppo di PCB o di SoC

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2010/2011 Sistemi embedded distribuiti

• Due classi principali in base alla tipologia di connessione

e di comunicazione

– Sistemi wired

• Infrastruttura di comunicazione fissa e nota

– Sistemi wireless

• Infrastruttura di comunicazione più flessibile e più complessa

– Applicazioni distribuite cablate: domotica e automotive

– Grande interesse stanno riscuotendo sistemi noti come Sensor

Networks, basati su comunicazione cablata o wireless

• Questi ultimi, detti Wireless Sensors Networks, trovano applicazioni

sempre nuove in settori che vanno dalla telemedicina, alla

protezione ambientale, al monitoraggio dei beni culturali, ecc…

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Sistemi embedded distribuiti

• Ambiti applicativi

– Domotica

• L'automazione degli ambienti domestici è un ambito in cui i sistemi

distribuiti trovano una naturale applicazione per via dell'elevato

numero di apparati che possono essere controllati

– Da semplici interruttori e prese elettriche, a dispositivi di allarme

posizionati sui serramenti, a una grande varietà di elettrodomestici, fino

a interi sistemi d'intrattenimento audio/video

» Un approccio alla progettazione per la domotica deve confrontarsi con la

necessità di interfacciare dispositivi con livelli molto diversi d'intelligenza

• Diverse soluzioni, anche disponibili commercialmente, si basano

sull'uso di un sistema centrale di controllo che racchiude la maggior

parte della logica di controllo e un insieme di nodi molto semplici per

il rilevamento o il controllo di aspetti specifici

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2010/2011 Sistemi embedded distribuiti

• Ambiti applicativi

– Automotive

• Automazione e del controllo di apparati che si trovano su un

generico mezzo di trasporto

• L'approccio tradizionale consiste nell'uso di una unità centrale che

pilota un insieme di apparati di attuazione

– Tali apparati sono connessi al sistema centrale mediante cavi dedicati

• A spingere verso una soluzione distribuita sono diversi fattori,

spesso con una ricaduta economica non trascurabile

– Sicurezza: i moltissimi cavi utilizzati dalla soluzione centralizzata sono

una pericolosa fonte di malfunzionamento oltre ad avere un costo e un

peso rilevanti

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Sistemi embedded distribuiti

• Ambiti applicativi

– Automotive

• Architettura centralizzata e distribuita

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2010/2011 Sistemi embedded distribuiti

• Wireless Sensor Networks

– Una rete wireless di sensori è una rete che consiste di dispositivi

autonomi, i nodi sensore, distribuiti nello spazio e dotati di

diversi sensori, che cooperano al fine di fornire una funzione

complessiva di monitoraggio dell'ambiente circostante

– Benché il nome ponga l'accento sugli aspetti sensoristici, ogni

nodo integra, oltre ai sensori veri e propri, diversi componenti tra

cui un microprocessore, una piccola quantità di memoria, un

transceiver, un'antenna e una sorgente di energia e, a volte,

anche attuatori

• La dimensione e la potenza di calcolo di un singolo nodo possono

variare significativamente

– Si spazia da nodi complessi e potenti, delle dimensioni di un computer

portatile, fino a nodi estremamente semplici e piccoli

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Sistemi embedded distribuiti

• Wireless Sensor Networks

– Esempi di nodi

• Lista

Sistemi Embedded 55

2010/2011 Sistemi embedded distribuiti

• Wireless Sensor Networks

– A prescindere dalla specifica realizzazione e dai singoli

componenti utilizzati per i nodi, le WSN possono presentare

alcune caratteristiche peculiari e distintive

• Capacità limitata di offrire, raccogliere e accumulare energia

• Esposizione a condizioni ambientali potenzialmente critiche

• Eterogeneità dei nodi

• Mobilità dei nodi

• Guasti e possibile rottura definitiva dei singoli nodi

• Malfunzionamenti degli apparati di comunicazione

• Topologia variabile dell'infrastruttura di rete

• Capacità di funzionare per tempi lunghi senza manutenzione

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Sistemi embedded distribuiti

• Wireless Sensor Networks

– Architettura di sistema

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2010/2011 Sistemi embedded distribuiti

• Wireless Sensor Networks

– Approccio alla progettazione

• Modello del sistema

– Nodi fisici vs. Componenti funzionali

– Computazione locale vs. Comunicazione

• Architettura hardware dei nodi

– Microprocessore/Microcontrollore

» IBM 8051, Atmel ATmega 128L, XScale PXA271, Philips CoolFlux,

Cambridge Consultant 16-bit XAP2b e Texas Instruments MSP430

– Chipset per la comunicazione e la corrispondente antenna

» ChipCom CC1000 e CC2420

– Bus di comunicazione locale

» SPI, I2C o proprietari

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AUTORE

Atreyu

PUBBLICATO

+1 anno fa


DESCRIZIONE DISPENSA

La definizione dell'architettura di un sistema embedded è uno degli aspetti più critici di tutta la progettazione. Un errore di valutazione in questa fase, infatti, può avere gravi effetti sull'esito del progetto, in termini di qualità e di costi. In generale si può scomporre lo sviluppo nelle seguenti fasi:
• Definizione delle specifiche di sistema
• Definizione dell'architettura del sistema (HW o HW/SW)
Partizionamento in hardware, software e comunicazione
Implementazione delle sezioni hardware, software e di comunicazione
• Produzione.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria delle telecomunicazioni
SSD:
Università: L'Aquila - Univaq
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Sistemi embedded e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università L'Aquila - Univaq o del prof Pomante Luigi.

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