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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
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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
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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.
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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
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FPD/PLD (Field Programmable Device/Programmable Logic Device): qualsiasi circuito integrato configurabile dall’utente per implementare hardware digitale
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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 . . .
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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
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Il mercato dei produttori di PLD (2008)
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34%
30%
12%
12%
7% 2% 1% 1%1% Xilinx
Altera
Actel
Lattice
Agere
Quicklogic
Cypress
Philips
Altri
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<= PLA (Programmable Logic Array)
PAL (Programmable Array Logic) =>
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Architetture SPLD
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PAL16L8 PAL16R8
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Un CPLD è un dispositivo contenente più blocchi di tipo SPLD
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Cos’è un CPLD
riuniti in un singolo chip
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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)
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Diagramma a blocchi del dispositivo Xilinx XC9500
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La programmazione dei PLD
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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
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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
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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.
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VHDL: svantaggi
Differenti qualità di sintesi
L’efficacia della sintesi può variare a seconda delle impostazioni fissate per il processo di sintetizzazione
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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
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Entity, architecture e design
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Descrizione strutturale
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Descrizione dataflow
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Descrizione comportamentale
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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
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Design entry
Behavioral
simulation
Synthesis
Implementation
Post-fit
simulation
Download
Design
library
Design
constraints
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Flusso di progetto per PLD
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Due fasi fondamentali . . .
Sintesi: procedimento software che converte la descrizione comportamentale in una descrizione strutturale, in cui vengono utilizzate esclusivamente porte logiche elementari
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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*. . . .
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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
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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.
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Attualmente sempre più circuiti integrati contengono un modulo di supervisione e di controllo remoto accessibile tramite l’interfaccia JTAG
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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
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CLB a grana grossa Xilinx
CLB a grana fine
Actel
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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 . . .
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nonchè tre tipologie di processori
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IP analogiche disponibili
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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
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IP digitali disponibili
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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
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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:
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Inoltre . . .
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PSoC CREATOR™ – Software per PSoC 3 e PSoC 5
Step 1: scelta e configurazione hardware dei dispositivi on-chip da implementare
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PSoC CREATOR™ – Software per PSoC 3 e PSoC 5
Step 2: scrittura dell’applicativo in linguaggio C utilizzando istruzioni e compilatori standard
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PSoC DESIGNER™ – Software per PSoC 1 – Chip level
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PSoC DESIGNER™ – Software per PSoC 1 – System level = PSoC EXPRESS™
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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
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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
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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
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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
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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
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La simulazione
L’implementazione
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STARTER KITS : FirstTouch sistemi per valutare i PSoC in applicazioni quali:
• capacitive sense, • light sense, • wireless, • mixed-signal
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Sistemi di sviluppo
EVALUATION AND DEVELOPMENT KITSKit che permettono di testare rapidamente i progetti sviluppati; ciascun kit comprende un programmatore MiniProg
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FirstTouch
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Evaluation and development kit
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