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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.
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Truth Table
LPT
Y
000
0
001
1
010
1
011
1
100
0
101
0
110
0
111
1
Y  L  P  L T  P T
U1A
L
1
2
U2A
74LS04
1
3
P
2
U3A
74LS08
T
1
3
2
U2B
4
74LS32
6
5
74LS08
U3B
4
U2C
6
9
5
8
10
74LS32
74LS08
1
2
3
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1
1
1
U1
U2
U3
74LS04
74LS08
74LS32
Y
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.
Vantaggi:
riprogrammabilità e non volatilità
riduzione dell'area occupata sullo stampato
più affidabilità rispetto alle logiche tradizionali
ridotto time-to-market
possibilità di rimpiazzare le antiquate logiche tradizionali TTL/CMOS
ottimizzazione nella gestione dei magazzini componenti
Svantaggi:
apprendimento di un linguaggio di progettazione
necessità di disporre di potenti elaboratori elettronici
costi (inizialmente) più elevati rispetto a soluzioni tradizionali
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Alcune definizioni . . .
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)
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Ancora definizioni . . .
CPLD (Complex PLD): tanti SPLD interconnessi mediante una
matrice
FPGA (Field Programmable Gate Array): FPD con struttura molto
versatile caratterizzati da un elevato livello di integrazione
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Il mercato dei produttori di PLD
7%
(2008)
Xilinx
2% 1%
1%1%
Altera
34%
12%
Actel
Lattice
Agere
Quicklogic
12%
Cypress
Philips
30%
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Altri
Architetture SPLD
<= PLA (Programmable Logic Array)
PAL (Programmable Array Logic) =>
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PAL16L8
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PAL16R8
Cos’è un CPLD
Un CPLD è un dispositivo contenente più blocchi di tipo SPLD
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-diprodotti”
• 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
Applicativo grafico schematico
Programmazione di tipo HDL (Hardware Description Language)
•
•
•
•
ABEL
AHDL
VHDL (IEEE 1076-2008)
Verilog (IEEE 1364-2001) - SystemVerilog 1800-2005
Programmazione strutturata
•
SystemC
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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.
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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
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 implementazioni
Essendo 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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Y  L  P  L T  P T
Descrizione strutturale
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Y  L  P  L T  P T
Descrizione dataflow
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Y  L  P  L T  P T
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
Design
constraints
Synthesis
Behavioral
Design
simulation
library
Implementation
Post-fit
simulation
Download
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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
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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
VHDL permette di descrivere testbench, ovvero sequenze di
ingresso che servono per testare la
funzionalità del dispositivo sotto
esame
per poi passare a verificare la
corrispondenza delle uscite alle
specifiche assegnate, per mezzo di
tools grafici
Simulazione “post-fit”
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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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Cos’è un FPGA
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
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CLB a grana
grossa Xilinx
CLB a grana
fine Actel
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Cos’è un PSoC
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.
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
ADCs
Delta-Sigma 6 to 14 bit
Incremental 6 to 14 bit
DACs
6, 8, and 9 bit
6 and 8 bit multiplying
Filters
2 pole low-pass
2 pole band-pass
Modulators
Peak detectors
CapSense touch sensing
V-to-I converter
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Amplifiers
Programmable gain
Instrumentation
Inverting
Comparators
Hysteresis
Zero-crossing
ed inoltre, nei PSoc 3 e 5
ADC Delta-Sigma 12 to 20 bit
SAR ADC (12 bits)
Interlocking DAC
Trans Impedance Amplifier
Digital Filter Block (DFB)
IP digitali disponibili
Timers/Counters
8, 16, and 24 bit
Pulse-Width Modulators (PWM)
8, 16, and 24 bit
8 and 16 bit dead band generators
Pseudo-Random Source (PRS)
Cyclic Redundancy Check (CRC)
Communications interfaces
I2C master, slave, and multi-master
SPI master and slave
Tx, Rx, and full-duplex UART
Full-speed USB 2.0
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ed inoltre, nei PSoc 3 e 5
Primitives like AND, OR, XOR, LUT, etc.
Quadrature encoder for motor control
Communications Interfaces: CAN, I2S
e solamente nei PSoc 3 e 5
RTOS
Keil® RTX51Tiny™
Micrium® μc/OS-II™
Segger® embOS
Inoltre . . .
un PSoC mette a disposizione risorse per l’interfacciamento diretto a:
Communications
Environmental
Fan/Motor
Power
Touch
Control
Sensing
Control
sensing
interface
Other
CapSense
Wireless
capacitive
Battery
Pressure
AC
radio
motor
charging
sensing
control
(buttons, sliders)
Magnetic
cord
read/write
Voltage
Touchscreens
DC
Humidity
LINmotor
&bus
current
Mechanical
buttons
or other inputs
Optical
System
cable
Current
Trackpads
Fan
power
conversion
LCD
display/drive
control
Dual Tone Multi-Frequency
ACProximity
power
Fuel
Airflow
pump
metering
sensing
(DTMF) dialer
LED
drive
Instrument
Acceleration
USB
Lighting
2.0
gauges
Tilt
Pyroelectric Infrared (PIR)
Light
Voltage
Temperature
Inductive
Gas
Liquid level
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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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PSoC EXPRESS™: elementi fondamentali per la progettazione
Gli output drivers sono pilotati mediante transfer functions, che li
mettono in relazione con gli input drivers
Literal code: funzione
Loop
delay:
che
consente
funzione
di
che
Status
scrivere
codice
permette
in encoder:
di
funzione
che genera
linguaggio C
confrontare
il
l’uscita
valorecorrispondente
corrente con
Setpoint
region:
Table lookup:
funzione
che di
allaquello
combinazione
precedente
funzione
che suddivide
State
machine:
modello
permette
assegnare
uno odipiù ingressi
il rangeall’uscita
del segnale
comportamentale
costituito
un divalore
per
ingresso
in
n
zone
da stati,
transizioni
e azioni
ciascuna
combinazione
Priority
encoder:
sugli ingressi
funzione possibile
che genera
l’uscita corrispondente
all’ingresso prioritario
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PSoC EXPRESS™: strumenti per la simulazione
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
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Truth Table
LPT
Y
000
0
001
1
010
1
011
1
100
0
101
0
110
0
111
1
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La simulazione
L’implementazione
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Sistemi di sviluppo
STARTER KITS : FirstTouch
sistemi per valutare i PSoC in applicazioni quali:
• capacitive sense,
• light sense,
• wireless,
• mixed-signal
EVALUATION AND DEVELOPMENT KITS
Kit 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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