progettare una scheda linux un caso reale

Ing. Daniele Basile

Progettare una scheda Linux,un caso reale.

Conferenza Better EmbeddedFirenze, 8-9 luglio 2013

1venerd 12 luglio 2013

Daniele Basile [email protected]

Premessa

Identificazione dei punti critici per la progettazione

Uno sguardo alle offerte del mercato per quanto riguarda le prestazioni dei componenti e le varie tipologie di montaggio

Problemi con l'integrit dei segnali

Uno sguardo sul problema dell'alimentazione

Layout del circuito stampato

Breve panoramica sui tool di sviluppo e di simulazione

Cosa debbuggare se va tutto male

Dove trovare il software e documentazione


Identificazione dei punti critici

Analisi delle criticit



Perch progettare una scheda con Linux?

Applicazioni?

Non si trova nulla di pronto Personalizzazione a vari livelli Prestazioni e consumi migliori Realizzazione di prodotti pi complessi Disponibilit di soluzioni software gi pronte No Royalty Costi pi bassi in produzione ...

Consumer Industriale Medicale Applicazioni particolari ...




Quale la vita del mio prodotto? Va mantenuta nel tempo E un oggetto consumer (smartphone, pda, ecc..)

Come lo realizzo? Architettura del prodotto Prestazioni del sistema Tecnologie da utilizzare

Come lo faccio funzionare? Tipo di boot Modalit di programmazione Applicativo software




Quali sono i principali problemi tecnici? CPU con frequenze di clock molto alte USB Ethernet Alimentazione ...

Quanto costa? Componenti utilizzati Display o no Tipo di memorie ...

.. e il software? Supporto del kernel di Linux Driver del costruttore Librerie disponibili per l'architettura Ambiente di sviluppo e compilatore Supporto tecnico Licenze del software ...


E le certificazioni? CE Normative particolati e/o specifiche

(es. medicale, industriale, ecc..)


Cosa offre il mercato

Costruttori e architetture Prestazioni Tipologie di montaggio



Principali architetture per l'embedded:

ARM (Cortex-A8 - A15, ARM9 - 11)

MIPS

Coldfire

PowerPC (PPC)

Geode AMD

Atom Intel

altre ...

Architetture con MMU dove pu girare un sistemaoperativo completo




Produttori di silicio:

Texas: OMAP, DaVinci, Sitara, KeyStone

Freescale: iMX, Vybrid, ColdFire

Atmel: SAMA, SAM9

NXP: LPC Command

ST: SPEAr

Broadcom

altri ...




Caratteristiche principali: 200MHz a 1,5GHz da 1 a 4 core SDRAM, DDR, DDR1, DDR2, DDR3 accelerazioni grafiche 2D e 3D periferiche (USB, ETH, Camera, MIPI, CAN, ecc..) ...

e le memorie.. RAM : DDR @200-300MHz, 200400 [MT/s], V=2,5-2,6V DDR2 @ 200-533MHz, 400-1066 [MT/s], V=1,8V DDR3 @ 400-1066MHZ, 800-2133 [MT/s], V=1,5V

Flash: NAND, NOR, AND




Packaging e modalit di montaggio:


Ball Grid Array (BGA), e varianti (FBGA, CABGA, ecc..) Quad Flat Package (QFP, QFN, LQFP, ecc..) Thin small-outline packages (TSOP, ecc..)



Packaging e modalit di montaggio:

Esempi: BeagleBoard RaspberryPi

Package on Package (PoP) moduli pronti board pi piccole e meno problemi con il routing


[1] http://www.ti.com/lit/an/spraav1b/spraav1b.pdf

PCB

CPU

Memoria


Un caso reale

Problemi con SI Lalimentazione Sbroglio e layout Simulazione Debug Software EMI e prove di tipo Documentazione



Dove iniziare?

Scelta del processore, in base alle esigenze di progetto, costo e reperibilit sul mercato

Stima di massima delle prestazioni del sistema e della capacit di memoria (volatile e non)

Definizione dell'architettura della vostra applicazione

Ok, con idee chiare si parte..

Evaluation board

Prove preliminari, sia SW che HW Scelta preliminare dei componenti Considerazioni sullo sbroglio

Un caso reale

[2] http://designsomething.org/leopardboard/default.aspx/

Texas DaVinci TMS320DM368: 432-MHz ARM926EJ-S LPDDR-336, DDR2-680



Primi passi..

Ci sono problemi di integrit dei segnali?

Quanto consuma la mia scheda, e l'alimentatore?

Quanti strati mi servono e di quali piani ho bisogno nella mia scheda?

Come faccio a sapere se funzioner, prima di realizzare il prototipo?

E se non funziona nulla come faccio?

Come faccio a mettere i programmi nella mia scheda?

Un caso reale



Cosa sono?

Descrivono la qualit con cui i segnali si propagano lunghi i fili

La velocit con cui variano i segnali determina quali leggi si utilizzano per descrivere i fenomeni elettrici


Rise TimeTr 10-90

t

v(t)

Nei circuiti elettronici digitali il tempo di salita dei segnali influisce molto sul SI

Il contenuto armonico dei fronti dei segnali determina se il circuito a parametri concentrati o distribuiti



Cosa sono?


Se il rise time di un segnale, paragonabile al tempo che ci mette il segnale stesso a percorre lintera linea, allora il circuito pu essere considerato linea di trasmissione

t0t1t2t3

L1

L2


Un esempio:Ritardo di propagazione nel mezzo:

Dove:

Lunghezza del fronte di salita:

Dove:

Rise time 1ns => L= 2,3cmRise time 100ps => L= 0,23cm

Tr = Rise Time [ps]Tp = Delay Time [ps/cm]

Tp = 33,4 [ps/cm] con r = 1Aria:Tp = 70,7 [ps/cm] con r = 4,5PCB FR-4:


Esempio DDR2-800: clock fino a 533Mhz Rise Time ~0,8ns 0,3ns

Per lunghezze pi piccole si parla di circuiti a parametri concentrati



Quali sono le parti con problemi di SI?

Hanno molte linee per comandi, indirizzamento e dati, se i segnali non arrivano sincronizzati il dato corrotto Piste vicine si possono influenzarsi (Cross-talk) ...

RAM

Sono linee differenziali, e devono avere una impedenza specifica per evitare riflessioni

Eth, USB

BUSVeloci

Sia seriali che paralleli




La RAM qualche problema in pi..

Problemi con l'integrit dei segnali (RAM)

Per avere grosse capacit di RAM bisogna connettere pi banchi insieme

Il numero dei banchi dipende anche dal bus dati della CPU (x8bit, x16bit, x32bit), o quanti banchi pu gestire

Il bus delle RAM veloci (es. DDR2), sono linee di trasmissione, e quindi necessitano di essere terminate (ODT, resistenze esterne)




La RAM qualche problema in pi..

Problemi con la distribuzione del clock, tra pi banchi (Distribuzione a T, Fly-by, Tree, ecc..)

Distribuzione a T Distribuzione Fly-By



Data Lines: (DQ0:7, 1 DataMask DM0,1 Data strobe DQS0)Address e command lines: (A0:12, BA0:2 CS, CAS, WE, RAS, CE)Clock lines (CLK, CLK#)

Il bus parallelo impone vincoli temporali:

La lunghezza delle piste di ogni gruppo di segnali non devono differire di pi di 2,5mm (100mils)

Il clock delle DDR un segnale differenziale, dove la lunghezza tra le due piste accoppiane non deve superare i 0,5mm (20mils)

Non necessario che le piste dei segnali di clock DQS, siano simili tra tutti gli altri clock

Problemi con l'integrit dei segnali (RAM)DDR2 Address/Cmd/Clk

Data



Capacit di bypass e test point.

Le capacit di bypass, devono essere messe pi vicino possibile ai piedini di alimentazione.

Package piccoli (es. 0402) hanno minore induttanza parassita.

L'alimentazione della RAM deve essere opportunamente disaccoppiata

L'aggiunta di alcuni test point su alcune linee, pu essere utile nelle fasi di debug




Terminazioni serie.

Pu essere utile inserire resistenze serie da pochi ohm lungo le linee per migliorare la qualit del segnale e ridurre le EMI

Le dimensioni massime e minime di queste resistenze a volte vengono specificate negli Application Note del costruttore del silicio.

Si possono utilizzare anche array di resistenze, per diminuire lo spazio sullo stampato e facilitare lo sbroglio, anche se sono pi soggette a cross-talk




Di quante tensioni ho bisogno?

In generale le CPU hanno bisogno di una o pi alimentazioni (core, bus ram, USB, RTC, GPIO, flash, ecc..)

Ogni tipo di RAM ha una sua tensione di alimentazione (DDR2, DDR3, SDRAM, ecc..)

Altri tipi di dispositivi, come sensori CMOS, bus LVDS, ecc..

Esempio il TMS320DM368: +1,35V per il core, RTC +1,8V per bus RAM, RTC +3,3V per USB, GPIO e FLASH bus

L'alimentazione



Quanto consuma la mia scheda?

I consumi indicativi della CPU, sono indicati sul datasheet (dipendono anche dalla frequenza del clock)

Per le RAM il calcolo complesso, perch dipende dal tipo di utilizzo e dalle resistenze di terminazione, per una stima esistono fogli di calcolo (es. micron[3]), o ci si basa sulle schede di sviluppo

[3] http://www.micron.com/~/media/Documents/Products/Power%20Calculator/ddr2_power_calc_web.xls http://www.micron.com/products/support/power-calc

USB se di tipo Host o OTG

Altri dispositivi ..

Ethernet

Memorie (Flash, SD, ecc..)

L'alimentazione



Dimensionamento e considerazioni.

Protezione in ingresso (filtri, diodo, tvs)

Lineare o di switching

Range tensione in ingresso

Dispositivo con batteria (ed eventuale caricatore)

Sovra-dimensionare lalimentatore per aumentare il margini e migliorare lefficenza

Batteria per RTC, o batteria tampone per shutdown in sicurezza

Spesso le CPU hanno bisogno di precise sequenze di attivazione

Piani di massa e di alimentazione!

Problemi termici

Per debug e stime energetiche, utile aggiungere dei ponticelli a monte di ogni sorgente di tensione e di zona del circuito

L'alimentazione



Soluzioni sul mercato. Alimentatore multi-tensione on-chip (sia switching che lineare)

Alte capacit di corrente

Possibilit di programmare una sequenza di avvio

Sistemi integrati con gestione della batteria (per vari tipi di batteria)

Buona efficienza

Facilit nella progettazione

Dimensione contenuteEsempio il TPS65251[4]: 3 DC/DC Switch Converters 3 A (Buck 1), 2 A (Buck 2 and 3) Vin da 4V fino a +18V

[4] http://www.ti.com/product/tps65251

Gestione del reset

Pochi componenti esterni

L'alimentazione



Considerazioni.

Esempio di uno stack di un PCB (6 strati):

Sbroglio e layout

GND Plane

GND Plane

Inner

Power

Top layer

Bottom layer

Con componenti BGA a molti pin, servono pi piani di routing Per migliorare SI, bisogna prevedere pi piani di massa, e di alimentazione Pu essere necessario utilizzare piani con spessore diverso del rame per

potere realizzare piste e clearance pi sottili (es. top, bot 17m, interni 35m) Verificare le capability del produttore del PCB (es. BGA passo 0,65mm, vias:

hole 0,2mm pad 0,35mm, wire 0,12mm)

preferibile che le linee della RAM siano su piani con stessa impedenza



Considerazioni. Esempio di uno sbroglio di una RAM:

TOP

BO

TTO

M

Sbroglio e layout

Per i segnali con vincoli temporali, le piste devono avere la stessa lunghezza entro i limiti della tolleranza (RAM, linee differenziali, ecc..)

Separare zone analogiche da quelle digitali

Disaccoppiare con filtri passivi le varie alimentazioni (es. filtri LC)

Ridurre il pi possibile limpedenza delle masse e dellalimentazione



Alcuni consigli.

T = spessore rame PCB [mm] D1 = Diametro via Pad [mm] D2 = Clearance nel piano di massa [mm] r = Costante elettrica relativa del PCBC = capacit parassita [pF]

Sbroglio e layout

I vias hanno una capacit e possono aggiungere ritardi, e questo dipende dalla loro geometria

Nel routing della RAM bisogna:

cercare di avere lo stesso numero di vias in ogni classe di segnale

una differenza di un 1 vias per i segnali single ended accettabile

i segnali differenziali devono avere lo

stesso numero di via per ogni lato della

linea accoppiata (CK e CK#; DQS

eDQSn#)

Diametro PAD

Diametro Clearance

Spessore del ram

e



Alcuni consigli.

Sbroglio e layout

I vias per i piani di massa meglio vicini al componente

preferibile non fare piste con angoli retti, perch varia la sezione e quindi anche limpedenza

preferibile uscire diagonalmente dai pad

preferibile evitare collegamenti a t.



Funzioner?

Simulazione

Si possono simulare gli effetti dei segnali, nelle parti di circuito dove ci sono problemi di SI (cross-talk, ringing, ecc..)

Le simulazioni si possono fare sia sullo sbroglio che schemi filati

Si possono provare possibili fix

I produttori di silicio mettono a disposizione i modelli degli IC per i programmi di simulazione

Simulazione di una scrittura dati di una DDR2



Simulazione



Software di simulazione.

Simulazione

HyperLynx, http://www.mentor.com/pcb/hyperlynx/ Cadence, http://www.cadence.com/ Altium design, http://www.altium.com/ SiSoft, http://www.sisoft.com/ Altri..



Se tutto va male..

Ci voglio strumenti performanti(DDR2 @533MHz -> Bw3a = 2,66GHz)

Debug

Problemi con il montaggio dei BGA (non parte neanche il boot hw)

Problemi con lalimentazione, tensioni non generate correttamente, o corrente non sufficiente

Non si riesce a leggere dal flash (configurazioni errate, possibile incompatibilit con la cpu o kernel)

Non si riesce ad avviare applicativi dalla RAM

Ci sono problemi di SI



Possibili problemi di SI:

Clock non pulito o fronti non sincronizzati tra pi rami

Loop di massa

Disturbi sulle linee di trasmissione

Cross-talk tra linee vicine

Ringing eccessivo

Linee non correttamente terminate

Linee con impedenza controllata fuori tolleranza

Debug

Rumore sullalimentazione

Misura di una scrittura dati di una DDR2



Ok, la nostra scheda funziona ma il software?

Software

Il produttore fornisce porting funzionanti del kernel di Linux (BSP)

Demo fornita con scheda di sviluppo (sorgenti e binari)

Librerie di terze parti

Community (Distribuzioni complete)

Software house che vendono servizi custom

Prima di pro

gettare ver

ificare che il

software su

pporti o

pu support

are il vostro

hardware!



Ok, ho il software ma come lo faccio girare sulla mia scheda?

[5] http://it.wikipedia.org/wiki/Trivial_File_Transfer_Protocol[6] http://it.wikipedia.org/wiki/Network_File_System[7] http://it.wikipedia.org/wiki/Secure_shell[8] http://it.wikipedia.org/wiki/Telnet

Software

Via rete (TFTP[5], NFS [6], ecc..) Console via rete (SSH [7], telnet [8], ecc..) Console seriali JTAG, e programmatori supportati dal produttore del silicio Flash, SD o dispositivi di memoria esterni USB



Problematiche con le EMI

EMI e Prove di tipo

I problemi delle EMI vanno affrontante durante la progettazione

Schede elettroniche con componenti performanti possono generare vari tipi di disturbo, sia condotti che irradiati (es. alimentatore, bus paralleli, loop di corrente, clock o segnali digitali con fronti molto ripidi)

Bisogna anche proteggere la scheda dai disturbi che provengono dallesterno (cavi che provengono dallesterno, irradiati da disturbatori vicini, altro..)

Disturbi non filtrati possono causare malfunzionamenti della scheda stessa (es. RAM, ecc..)



EMI e Prove di tipo

I problemi delle EMI vanno affrontante durante la progettazione

Sono difficili da debuggare Prove pre-compliance possono aiutare a risolvere problemi

di EMI in fase di protipaggio migliorando la sua qualit

Problematiche con le EMI

Connessione di condensatori di filtro (classe X o Y) in parallelo allalimentazione e allo shield

Utilizzo di common mode choke, per filtrare disturbi in ingresso che in uscita

Schermi metallici sulle parti pi delicate, in caso di assenza di shield Utilizzo di ferriti per bloccare disturbi ad altra frequenza altro..

Esempi di accorgimenti per EMI



Dove cerco..

Documentazione

Application note del produttore

Datasheet (occhi agli errata!)

Letteratura

Community (Distribuzioni complete)

JDEC (http://www.jedec.org/)

ONFI (http://www.onfi.org/)

High-speed Digital Design,

Howard Johnson, Martin Graham.


Fine.

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web

[email protected]

www.develer.com

twitter@_asterix


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