Prof. Ferrari Claudio. In una stazione di lavaggio chimico lo stato del liquido utilizzato è monitorato mediante tre sensori che ne rilevano il livello

Prof. Ferrari Claudio

In una stazione di lavaggio chimico lo stato del liquido utilizzato è monitorato mediante tre sensori che ne rilevano il livello (L), la pressione (P) e la temperatura (T).

Ciascun sensore presenta in uscita un segnale a livello alto quando la grandezza fisica che rileva sorpassa una soglia prefissata.

Si vuole progettare una rete in grado di produrre un segnale a livello alto (Y) quando si verifica una qualsiasi delle seguenti condizioni anomale:

• temperatura oltre la soglia con livello sotto la soglia;

• pressione oltre la soglia con livello sotto la soglia;

• pressione, temperatura e livello contemporaneamente oltre la soglia.

Truth TableL P T Y 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1


TPTLPLY

U2A

74LS08

1

23

U2B

74LS08

4

56

P

U3A

74LS32

1

23

T

Y

L

U1A

74LS04

1 2

U2C

74LS08

9

108

U3B

74LS32

4

56

1 1 U1 74LS042 1 U2 74LS083 1 U3 74LS32


Nei primi anni ’70 fecero la comparsa sul mercato dei dispositivi elettronici digitali che permettevano la realizzazione di funzioni combinatorie e/o sequenziali nello stesso circuito integrato.


Svantaggi:apprendimento di un linguaggio di progettazionenecessità di disporre di potenti elaboratori elettronicicosti (inizialmente) più elevati rispetto a soluzioni tradizionali

Vantaggi: riprogrammabilità e non volatilitàriduzione dell'area occupata sullo stampatopiù affidabilità rispetto alle logiche tradizionaliridotto time-to-marketpossibilità di rimpiazzare le antiquate logiche tradizionali TTL/CMOSottimizzazione nella gestione dei magazzini componenti

FPD/PLD (Field Programmable Device/Programmable Logic Device): qualsiasi circuito integrato configurabile dall’utente per implementare hardware digitale


PLA (Programmable Logic Array): il più semplice PLD formato da matrici di porte AND e OR le cui connessioni sono programmabili, al fine di ottenere funzioni logiche rappresentabili come somma di prodotti

PAL (Programmable Array Logic): dispositivi con matrice AND programmabile e matrice OR fissa

SPLD (Simple PLD): qualsiasi semplice PLD con relative variazioni (ad esempio aggiunta di flip-flop)

Alcune definizioni . . .


FPGA (Field Programmable Gate Array): FPD con struttura molto versatile caratterizzati da un elevato livello di integrazione

Ancora definizioni . . .

CPLD (Complex PLD): tanti SPLD interconnessi mediante una matrice

Il mercato dei produttori di PLD (2008)


34%

30%

12%

12%

7% 2% 1% 1%1% Xilinx

Altera

Actel

Lattice

Agere

Quicklogic

Cypress

Philips

Altri

<= PLA (Programmable Logic Array)

PAL (Programmable Array Logic) =>


Architetture SPLD


PAL16L8 PAL16R8


Un CPLD è un dispositivo contenente più blocchi di tipo SPLD


Cos’è un CPLD

riuniti in un singolo chip

Caratteristiche CPLD

Principali produttori: Altera, Xilinx

Un CPLD può arrivare a contenere qualche decina di SPLD

Applicazioni tipiche CPLD:

• quando è richiesta alta velocità (ritardi inferiori a 10 nsec) e predicibilità

• quando il progetto si presta bene ad una implementazione “somma-di-prodotti”

• controllori: grafici, LAN, UART, per CACHE

Come regola generale i CPLD si utilizzano nelle applicazioni in cui è richiesto un uso esteso di porte AND/OR e non occorrono numerosi flip-flop (presenti in minima quantità)


Diagramma a blocchi del dispositivo Xilinx XC9500



La programmazione dei PLD


Programmazione di tipo HDL (Hardware Description Language)

• ABEL• AHDL• VHDL (IEEE 1076-2008)• Verilog (IEEE 1364-2001) - SystemVerilog 1800-2005

Applicativo grafico schematico

Programmazione strutturata

• SystemC

Programmazione visuale• LabVIEW• Matlab• Simulink

VHDL: vantaggi

Potenza e flessibilità

VHDL permette di descrivere circuiti complessi con relativa semplicità; consente inoltre di descrivere gli stimoli utilizzati nella simulazione del progetto


Portabilità Il VHDL è un linguaggio standard e quindi consente di esportare il codice da un sintetizzatore (e/o un simulatore) all’altro

Progettazione indipendente dal dispositivo La portabilità consente di valutare le prestazioni di un progetto su componenti diversi.

VHDL: svantaggi

Differenti qualità di sintesi

L’efficacia della sintesi può variare a seconda delle impostazioni fissate per il processo di sintetizzazione


Difficoltà di controllo dell’implementazione

L’utilizzo di costrutti astratti (clausole if, case, when..) non consente di controllare l’implementazione di un progetto a livello di gate

Possibile inefficienza delle implementazioniEssendo il risultato dell’implementazione dipendente dalla strategia scelta, occorre conoscere le peculiarità delle tante strategie di norma disponibili


Entity, architecture e design


TPTLPLY

Descrizione strutturale

Descrizione dataflow


TPTLPLY

Descrizione comportamentale


TPTLPLY


Descrizione strutturale Descrizione dataflow Descrizione comportamentale

il VHDL consente di utilizzare nella definizione dell’architettura una qualsiasi combinazione dei tre stili

e a ciascuna descrizione corrisponderà un’implementazione hardware che opererà parallelamente (o “concorrentemente”)

alle altre

Design entry

Behavioral

simulation

Synthesis

Implementation

Post-fit

simulation

Download

Design

library

Design

constraints


Flusso di progetto per PLD


Due fasi fondamentali . . .

Sintesi: procedimento software che converte la descrizione comportamentale in una descrizione strutturale, in cui vengono utilizzate esclusivamente porte logiche elementari


Implementazione: procedimento software che converte la descrizione strutturale in una descrizione fisica valida per il dispositivo scelto, generandone il relativo file di programmazione.

N PPMAP 1 1*N PPMAP 11 11*N PPMAP 12 12*N PPMAP 13 13*N PPMAP 14 14*N PPMAP 18 18*N PPMAP 19 19*N PPMAP 2 2*N PPMAP 20 20*N PPMAP 22 22*. . . .L0000000 00000011 00000011 00000011 00000011 00000011*L0000040 00000011 00000011 00000011 00000011 000000*L0000078 000000 000000 000000 000000 000000*L0000108 00000011 00000011 00000011 00000011 00000011*L0000148 10000011 10000011 00000011 00000011 000000*L0000186 000000 000000 000000 000000 000000*L0000216 00000011 00000011 00000011 00000011 00000011*L0000256 00000011 00000011 00000011 00000011 000000*L0000294 000000 000000 000000 000000 000000*. . . .


Simulazione “post-fit”

VHDL permette di descrivere test-bench, ovvero sequenze di ingresso che servono per testare la funzionalità del dispositivo sotto esame

Simulazione

per poi passare a verificare la corrispondenza delle uscite alle specifiche assegnate, per mezzo di tools grafici


Download / debug

Il JTAG (Joint Test Action Group) è un protocollo di tipo industriale sviluppato per accedere in modalità seriale a segnali e punti di test di un circuito elettronico durante le procedure di built-in test (o debugging) e programmazione.

Principalmente permette di:

• eseguire il test delle connessioni tra uno o più dispositivi JTAG e tutto ciò che ad essi è collegato;

• programmare/riconfigurare in-circuit;• effettuare il debugging del programma (o dell’architettura) trasferito sul

chip conformemente alle specifiche fornite, in base a un modello o a vettori di test.


Attualmente sempre più circuiti integrati contengono un modulo di supervisione e di controllo remoto accessibile tramite l’interfaccia JTAG



Un FPGA è un componente integrato al cui interno è replicato fino a migliaia di volte un circuito digitale denominato CLB (Configurable Logic Block), nel quale sono svolte funzioni logiche di base

Cos’è un FPGA


CLB a grana grossa Xilinx

CLB a grana fine

Actel


La sigla PSoC (Programmable System On a Chip) identifica un componente, prodotto di Cypress, che integra un microprocessore e vari moduli sia analogici sia digitali configurabili indipendentemente (così come le relative interconnessioni), al fine di sostituire con un singolo chip più blocchi funzionali.

Cos’è un PSoC

La piattaforma mette a disposizione un vasto insieme di IP (proprietà intellettuali) testate sotto forma di blocchi analogici, digitali e di interfaccia precostruiti . . .


nonchè tre tipologie di processori



IP analogiche disponibili


Filters2 pole low-pass2 pole band-passModulatorsPeak detectors

AmplifiersProgrammable gain Instrumentation InvertingComparatorsHysteresisZero-crossing

ADC Delta-Sigma 12 to 20 bitSAR ADC (12 bits)Interlocking DACTrans Impedance AmplifierDigital Filter Block (DFB)

ADCsDelta-Sigma 6 to 14 bit Incremental 6 to 14 bit

DACs6, 8, and 9 bit6 and 8 bit multiplying

CapSense touch sensingV-to-I converter

ed inoltre, nei PSoc 3 e 5

IP digitali disponibili


Pseudo-Random Source (PRS)

Timers/Counters8, 16, and 24 bit

Pulse-Width Modulators (PWM)8, 16, and 24 bit8 and 16 bit dead band generators

Cyclic Redundancy Check (CRC)

Communications interfacesI2C master, slave, and multi-masterSPI master and slaveTx, Rx, and full-duplex UARTFull-speed USB 2.0

Primitives like AND, OR, XOR, LUT, etc.Quadrature encoder for motor controlCommunications Interfaces: CAN, I2S

ed inoltre, nei PSoc 3 e 5

RTOS Keil® RTX51Tiny™ Micrium® μc/OS-II™ Segger® embOS

e solamente nei PSoc 3 e 5

Communications interfaceWireless radio control

LIN busOptical cable conversion

Dual Tone Multi-Frequency (DTMF) dialerUSB 2.0

OtherMagnetic cord read/write

Mechanical buttons or other inputsLCD display/drive control

LED drive

Environmental sensingPressureHumidityCurrentAirflow

AccelerationTilt

Pyroelectric Infrared (PIR)Light

VoltageTemperature

InductiveGas

Liquid level

Fan/Motor ControlAC motorDC motor

FanFuel pump

Instrument gauges

Touch SensingCapSense capacitive sensing (buttons, sliders)

TouchscreensTrackpads

Proximity sensing

Power ControlBattery chargingVoltage & current

System powerAC power metering

Lighting

un PSoC mette a disposizione risorse per l’interfacciamento diretto a:


Inoltre . . .


PSoC CREATOR™ – Software per PSoC 3 e PSoC 5

Step 1: scelta e configurazione hardware dei dispositivi on-chip da implementare


PSoC CREATOR™ – Software per PSoC 3 e PSoC 5

Step 2: scrittura dell’applicativo in linguaggio C utilizzando istruzioni e compilatori standard

PSoC DESIGNER™ – Software per PSoC 1 – Chip level



PSoC DESIGNER™ – Software per PSoC 1 – System level = PSoC EXPRESS™


PSoC EXPRESS™: elementi fondamentali per la progettazione

PSoC Express mette a disposizione un catalogo di dispositivi, detti drivers, utilizzabili per acquisire/generare segnali. Un driver è associato ad un dispositivo hardware, quale ad esempio un sensore di temperatura.

input output

input/output

interface

Table lookup: funzione che permette di assegnare all’uscita un valore per ciascuna combinazione possibile sugli ingressi

State machine: modello comportamentale costituito da stati, transizioni e azioni

Literal code: funzione che consente di scrivere codice in linguaggio C


PSoC EXPRESS™: elementi fondamentali per la progettazione

Gli output drivers sono pilotati mediante transfer functions, che li mettono in relazione con gli input drivers

Status encoder: funzione che genera l’uscita corrispondente alla combinazione di uno o più ingressi

Setpoint region: funzione che suddivide il range del segnale di ingresso in n zonePriority encoder:

funzione che genera l’uscita corrispondente all’ingresso prioritario

Loop delay: funzione che permette di confrontare il valore corrente con quello precedente


Durante la simulazione, a ciascun elemento viene associato un “widget” che permette di manipolare gli input e di verificare conseguentemente che il progetto funzioni come desiderato

PSoC EXPRESS™: strumenti per la simulazione



Truth TableL P T Y 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1


La simulazione

L’implementazione

STARTER KITS : FirstTouch sistemi per valutare i PSoC in applicazioni quali:

• capacitive sense, • light sense, • wireless, • mixed-signal


Sistemi di sviluppo

EVALUATION AND DEVELOPMENT KITSKit che permettono di testare rapidamente i progetti sviluppati; ciascun kit comprende un programmatore MiniProg


FirstTouch


Evaluation and development kit


Documents

Prof. Ferrari Claudio. In una stazione di lavaggio chimico lo stato del liquido utilizzato è monitorato mediante tre sensori che ne rilevano il livello