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Architettura e progettazione Appunti scolastici Premium

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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Architettura e progettazione

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2010/2011 Architettura e progettazione

• 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

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Architettura e progettazione

• Problema

– Più si procede nello sviluppo, maggiore è lo sforzo necessario

alla riprogettazione

• Sfortunatamente l'eterogeneità dei sistemi embedded e

la varietà dei vincoli rendono difficile definire criteri di

massima per la scelta di una “buona” architettura

– Non esistono assodate metodologie generali pensate a questo

scopo e spesso l'unica possibilità è quella di ricorrere alle

indicazioni di progettisti con alle spalle una grande esperienza

• Criteri empirici e di valutazioni qualitative che possono servire a

indirizzare la decisione in una certa direzione

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2010/2011 Architettura e progettazione

• Prima di entrare nel merito di alcune delle più comuni

soluzioni architetturali (HW), è utile descriverne molto

sinteticamente le caratteristiche principali, in modo da

fornire una panoramica generale dello spettro di

alternative disponibili

– Circuiti stampati

– System-on-chip

– Sistemi (embedded) distribuiti

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Architettura e progettazione

• Circuiti stampati (Printed Circuit Board)

– Un circuito stampato o PCB è una soluzione architetturale

basata sull'assemblaggio di componenti, eventualmente

progettati specificamente per l'applicazione in questione, su di

una basetta di materiale plastico che realizza tutte le

interconnessioni necessarie

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2010/2011 Architettura e progettazione

• System-on-chip

– Si tratta di un'architettura basata su un singolo chip in tecnologia

integrata che ospita l'intero sistema

• In pratica, piccole porzioni del sistema si trovano al di fuori del chip

(connettori, antenne, slot di alloggiamento di memorie flash, ecc…)

montate su un semplice PCB

– La differenza con un PCB sta nell'approccio alla progettazione

che, in questo caso, può sfruttare efficacemente tutti i benefici

offerti dalle tecnologie ad altissima scala d'integrazione

• A seconda della struttura interna si parla di

– SoC

– MPSoC

– MCM

– NoC

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Architettura e progettazione

• Sistemi embedded distribuiti (o networked)

– Sono sistemi che realizzano una funzionalità complessa

avvalendosi di più sottosistemi distinti fortemente interagenti tra

loro mediante reti di comunicazione wired e/o wireless

• Un esempio di notevole interesse è costituito dalle WSN

– Sistemi costituiti da insiemi di nodi, ognuno dotato di sensori, di una

limitata capacità di calcolo e interfacce wireless per la comunicazione

• Altri esempi si incontrano in automotive dove diversi sottosistemi,

tipicamente wired, controllano le diverse funzioni di un autoveicolo

• Similmente, in domotica si incontrano sistemi, sia cablati sia

wireless, che realizzano funzioni che vanno dall'intrattenimento e

dalla sicurezza domestica, alla teleassistenza di persone anziane

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2010/2011 Architettura e progettazione

• In ogni caso…

– Un supporto ormai essenziale allo sviluppo di un sistema

embedded di una certa complessità è offerto dalle board di

prototipazione

• Tali sistemi, basati su FPGA, DSP o entrambi, integrano diversi

dispositivi e periferiche e permettono di sviluppare in tempi

relativamente rapidi intere applicazioni

• Grazie al fatto che i problemi d'integrazione e interfacciamento sono

stati risolti a monte dai produttori, tali board consentono al

progettista di concentrare gli sforzi sull'applicazione specifica

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Printed Circuit Board

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2010/2011 Printed Circuit Board

• I sistemi basati su PCB utilizzano e integrano

componenti disponibili sul mercato o realizzati

appositamente per l’applicazione

– I componenti disponibili sul mercato sono chiamati COTS

• Questo stesso acronimo viene utilizzato per riferirsi all'approccio di

progettazione che ne fa largo uso e ai sistemi che ne risultano

• Salvo rarissimi casi, qualsiasi sistema embedded nella

sua forma finale si presenta come un PCB

– Si parla di sistemi basati su PCB solo quando la funzionalità

complessiva è realizzata mediante l'uso di molti componenti che

svolgono funzionalità elementari

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Printed Circuit Board

• Componenti

– Nell'affrontare la progettazione basata su PCB il primo problema

a cui far fronte consiste nell'individuare e nello scegliere i COTS

• A prescindere dalla natura specifica del sistema, le tipologie di

componenti più comunemente utilizzate sono le seguenti

– Componenti passivi

» Connettori, socket, dip-switch, pulsanti, LED, resistori, condensatori e

induttori

– Sistemi di alimentazione

» Ogni sistema deve essere alimentato mediante una opportuna rete di

distribuzione e controllo delle alimentazioni

– Convertitori e filtri

» Su PCB che si interfacciano al mondo esterno mediante segnali analogici, si

trovano filtri, convertitori ADC e DAC, amplificatori, oscillatori e in alcuni

casi, stadi di potenza

– …

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Componenti

– Componenti elettro-ottici

» Componenti che fungono da interfaccia tra segnali di natura

elettromagnetica e segnali di natura ottica come i disaccoppiatori, i

fotodiodi, i rivelatori infrarossi

– Componenti a radiofrequenza

» Antenne e stadi di amplificazione, modulazione e demodulazione

– Display

» Display LED a 7-segmenti, display LCD alfanumerici, LCD grafici

monocromatici e a colori, display al plasma e touch-screen

– Sensori

» Componenti in grado di rilevare e misurare una specifica grandezza fisica e

codificare questa informazione mediante una grandezza elettrica

– Componenti digitali

» Nella maggior parte dei sistemi embedded, l'elaborazione dei dati avviene

principalmente nel dominio digitale, sia hardware sia software

» La varietà di questi componenti è amplissima e spazia dai circuiti integrati

dedicati, alle logiche programmabili, ai microprocessori e microcontrollori e

altri ancora

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Printed Circuit Board

• Componenti

– Scelto un componente, spesso si può di scegliere il package, il

contenitore che lo protegge e rende accessibili i contatti elettrici

• Caratteristiche distintive del package

– Tecnica di montaggio

» Montaggio passante (Through-Hole) e superficiale (Surface Mounted)

– Posizionamento dei pin

» In relazione al posizionamento dei pin, si distinguono quattro tipologie

In-Line: SIP, DIP, PDIP; Small-Outline: SOJ, SOP, TSOP

Quad Surface Mount (CC, QFP); Grid Array (PGA, BGA)

– Materiale del package

» La maggior parte dei package è realizzata in materiale plastico oppure in

materiale ceramico

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Componenti

– A seconda della tecnica di montaggio, del posizionamento e del

numero dei pin e del materiale utilizzato, si ha poi una vasta

gamma di package con caratteristiche molto variabili

• Parametri d'interesse influenzati da tali scelte

– Efficienza

» Misura il rapporto tra l'area del die e l'area del package

– Pin-count

» Numero di pin (8-2000)

– Pitch

» Spaziatura tra i pin (2.5-0.6 mm)

– Resistenza termica

» Capacità di dissipare calore generato dalla dissipazione di potenza causata

dall'elettronica del die verso l'esterno del package (°C/W)

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Printed Circuit Board

• Supporto

– Il supporto per i componenti costituisce la printed circuit board

vera e propria ed è costituito da tre differenti materiali

• Conduttore

• Isolante

• Materiale adesivo (isolante)

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Supporto

– Conduttore

• Il conduttore utilizzato per eccellenza è il rame

• Con questo materiale si fabbricano le piste delle interconnessioni, i

piani di alimentazione e massa e tutte le zone di contatto sulle quali

sono saldati i piedini dei componenti

• Nelle board multistrato si utilizzano in genere 4-8 strati per

alimentazione e massa e altri 6-10 strati per le interconnessioni

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Printed Circuit Board

• Supporto

– Isolante

• Il materiale isolante ha il duplice scopo di isolare elettricamente le

piste delle interconnessioni le une dalle altre e di fornire un supporto

meccanico per il montaggio dei componenti

• Il materiale di gran lunga più utilizzato è una particolare fibra di

vetro (Fiberglass Epoxy Resin) indicata con le sigle FR-2 e FR-4

– In casi molto particolari si ricorre a materiali diversi quali, per esempio,

il Kevlar oppure il Kapton, utilizzato per realizzare supporti flessibili

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Supporto

– Adesivo

• I vari strati di dielettrico sui quali sono state tracciate le linee di

conduttore vengono uniti mediante materiale adesivo, tipicamente

vetro-resina pre-impregnata con resine adesive epossidiche

– Tali materiali, noti con il nome generico di pre-preg, a temperatura

ambiente si presentano come fogli solidi e non adesivi; in condizioni di

pressione e temperatura adeguate, le resine diminuiscono di viscosità

divenendo adesive e mantenendo le proprietà isolanti

– Riportando la board a temperatura ambiente e in condizioni di

pressione normale, la resine epossidiche solidificano nuovamente e

assumono le proprietà chimiche, elettriche e meccaniche richieste al

prodotto finito

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Printed Circuit Board

• Tranne che nei casi più semplici, una board è costituita

da più strati di materiale isolante, sulle cui facce sono

fabbricate le tracce di materiale conduttore, separate da

strati di pre-preg

• Il processo di fabbricazione dei PCB, piuttosto

complesso e delicato, prevede una sequenza di fasi

riassunte brevemente nel seguito

– Il punto di partenza di tale processo è costituito da file (Gerber,

Excellon, ecc…) che sono il risultato del flusso di progettazione

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Fasi del processo di fabbricazione di un PCB

– Preparazione dei supporti dielettrici

– Fabbricazione delle tracce conduttive

• Si usa una resina fotosensibile (photoresist) che, illuminata

selettivamente, diviene resistente a opportuni acidi. Con questi le

zone non protette vengono rimosse creando così le piste

– Assemblaggio degli strati

• Gli strati fabbricati mediante processo fotolitografico vengono

impilati alternati a fogli di pre-preg e inseriti in una pressa riscaldata

– Foratura (via)

– Fabbricazione degli strati esterni

– Finitura

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Printed Circuit Board

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Risultato finale della fabbricazione

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Printed Circuit Board

• Terminata la fabbricazione della board è necessario

procedere al testing elettrico (bare-board testing) per

verificare se i punti di contatto siano connessi o isolati

– Il modo più semplice per effettuare tale test consiste nel

misurare la resistenza tra coppie di punti

• Tester letto di chiodi (bed-of-nails)

• Tester flying-probe

• Fotografia a raggi X

– Image recognition

• Il board-testing è un processo lento, costoso e delicato

– Spesso si usano tecniche di progetto che integrano nel sistema

una sezione (non funzionale) di supporto al debugging e testing

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2010/2011 Printed Circuit Board

• Montaggio dei componenti

– Per board di piccole dimensioni e per volumi limitati (es.

prototipi), il montaggio (posizionamento e saldatura) viene

effettuato manualmente da personale specializzato

– Quando la complessità della board, i volumi e soprattutto la

tipologia di componenti utilizzati rendono il montaggio manuale

non praticabile, è necessario ricorrere ad apposite macchine

• Speso, chi sviluppa un sistema su PCB si limita alla progettazione,

commissionando all'esterno la fabbricazione e il montaggio

– Il problema principale del montaggio manuale riguarda la precisione

richiesta nel posizionamento dei componenti e nella saldatura

» Per package di tipo SIP o DIP la spaziatura dei pin consente di realizzare la

saldatura manualmente, mentre per QFP, PGA o BGA ciò non è possibile

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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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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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