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MicrocontrolloriMicrocontrolloriP. FogliaP. Foglia

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overviewoverview

• Da Microcontrollers.com:– “I processori per PC costituiscono meno

dell’1% del mercato mondiale deimicroprocessori”.

– “I processori per applicazioni embedded (microcontrollori) costituiscono circa il99% del mercato”

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Cosa sonoCosa sono• Il microcontrollore è un dispositivo che raggruppa su un

unico chip un processore ed un insieme di dispositivi– CPU – Memoria RAM – Memoria Eprom o EEPROM od OTP – Porte I/O – Timers e contatori – Uart o porte di comunicazione seriale speciali ("Bus SPI","Bus

I2C") – Convertitori A/D

• ha prestazioni più basse rispetto ai microprocessori generalpurpose

• In generale non necessita di RAM ulteriore oltre quella integrata, per cui sono disponibili numerosi PIN di I/O

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a cosa servonoa cosa servono• Poichè presentano

– Converitori A/D e D/A– PWM– Timer/contatori– RTC– PIN di ingresso/uscita– Dispositivi di I/O (inter. seriali, etc)

• Sono adatti alla realizzazione di applicazioni di controllo, acquisizione/elaborazione dei segnali, ossia alle applicazioni del corso

• Tali applicazioni richiedevano design ad-hoc di componenti ed hardware dedicato

• Oggi è possibile realizzare tale applicazioni ricorrendo ad un unico tipo di microcontrollore, cambiando solo gli aspetti software– In una BMW sono presenti più di 70 microcontrollori 68HC11

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Vantaggi delle periferiche su Vantaggi delle periferiche su singolo chipsingolo chip

• Sono richiesti meno dispositivi “discreti” per la realizzazione di un sistema

• Il sistema riesce ad avere dimensioni ridotte

• Si abbassano i costi– I dispositivi ed il core costano qualche EURO

• Si abbassa il consumo di potenza– Device on chip hanno consumo minore di device esterne

• Si abbassa la sensibilità ad interferenze EM

• Sono disponibili più pin per l’I/O utente (per acquisizione ad esempio)

• Il sistema nel complesso è più affidabile– Sono interconnessi meno componenti

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•sistema intelligente in grado di eseguire elaborazione complesse e di comunicare con altri disposivi.

•riconvertibilità del progetto (riprogrammando il dispositivo);

•protezione contro le copiature (la maggiore parte del single-chip offre la possibiltà di proteggere da lettura il programma contenuto nella ROM) ;

•Risparmio energetico (le versioni CMOS supportano il modo di funzionamento stand-by : è possibile bloccare, via software, l'attività della CPU e quindi ottenere correnti di alimentazione molto basse);

Altri vantaggiAltri vantaggi

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Caratteristiche Caratteristiche architetturaliarchitetturali richieste ad un richieste ad un microcontrolloremicrocontrollore

•• Osservazioni: queste caratteristiche si traducono in:Osservazioni: queste caratteristiche si traducono in:•• Ridotta dimensione del codiceRidotta dimensione del codice•• Ridotta dimensione della schedaRidotta dimensione della scheda

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Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni• Prodotti per l’informazione personale:

– Telefoni cellulari, pager, orologi, registratori, calcolatrici

• Componenti Laptop :– mouse, tastiere, modem, fax, schede sonore, caricatori di batterie

• Applicazioni Home – serrature per porte, sistemi di allarme, termostati, condizionatori,

telecomandi, VCR, frigoriferi, exercise equipment, lavatrici, forni a micro-onde

• giochi; automotive

• Settore industriale:– Controllo di assi (posizione, velocità)– Regolatori ON-OFF– Regolatori PID

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Caratterizzazione Caratterizzazione dei dei

microcontrollorimicrocontrolloriP. FogliaP. Foglia

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Caratteristiche del Caratteristiche del processoprocessocostruttivocostruttivo

• Sono generalmente realizzati con un processoHCMOS statico, che consente al clock di esserevariato da DC fino alla massima velocità senzacontroindicazioni– Ciò non è vero per i microprocessori general purpose,

per cui un clock minimo è richiesto

• Ciò consente di modulare il consumo di potenzaalle esigenze di prestazioni dell’applicazione– La potenza dinamica è legata al clock del sistema

– Da Mel Tsai

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Caratteristiche generaliCaratteristiche generali• Si distinguono per

– Set di istruzioni/architettura• CISC/RISC• Van Neumann vs hardware

– Numero e tipo di dispositivi di I/O• Solitamente vengono forniti core da produttori di CPU, e

produttori di dispositivi arricchiscono il core con dispositivi proprietari di elaborazione dei segnali

– Frequenza di clock– Numero di bit

• 4/8/16/32– Potenza di elaborazione/power comsuption

• Condizionata dalle grandezze precedenti

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Caratteristiche:Caratteristiche:VanVan NeumannNeumann vsvs HarvardHarvard

• Van Neumann– Veniva adottata in microcontrollori di fascia bassa– I suoi svantaggi sono evidenti

• Harvard– Separazione dei bus per i dati e gli indirizzi– Vantaggiosa perché si può accedere contemporaneamente a

codice e dati o a più dati, diminuendo i tempi di esecuzione

– Viene implementata in due modi• Spazi di indirizzamento e bus effettivamente separati• In architetture superscalari la separazione è solo a livello L1

– Cache L1 dati e codice separati– Due bus distinti per il fecth dei dati e del codice (avvengono in due

passi distinti della pipeline ed è bene che non siano sincronizzati)– A livello L2, e poi verso la memoria, gli spazi si uniscono

» La cache “filtra bene”

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Esempi per alcuni Esempi per alcuni microcontrollorimicrocontrollori

• ARM7: Van neumann con spazio di indirizzi unico

• ARM9: Harvard con spazio di indirizzi unico– Si unifica a livello L2

• 8051 e derivati: Harvard con spazio di indirizzi separato

• ST10: Van Newmann

• ST40: Harvard con spazio di indirizzi unico

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conseguenzeconseguenze• Per il linker o per il programmatore

assembler– La presenza di spazi separati deve essere nota

– L’allocazione in genera rispetta aree lente/veloci

– Attenzione alla “sovrapposizione” di aree

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Caratteristiche: CISC Caratteristiche: CISC vsvs RISCRISC• CISC

– Vantaggi• Codice compatto

– Istruzioni a lunghezza variabile• Tempo di esecuzione deterministico

– Svantaggi• Clock non elevati• Istruzioni “lente” (tempo di esecuzione > 1 ciclo)

– Es: 8051: 12Mhz di clock, 1 MIPS di prestazioni

• RISC– E’ l’architettura dei l’architettura nei microcontrollori a “medie-alte

prestazioni”– Vantaggi

• Clock elevati• Tempo di esecuzione di una istruzione basso (1 ciclo, a regime di più)

– Svantaggi• Codice di elevate dimensioni

– L’architettura TUMB per gli ARM della VLSI• Tempi di esecuzione difficilmente predicibili

– Branch prediction, esecuzione speculativa ed out of order– Memorie cache– Rendono difficilmente precidibile i tempi di esecuzione

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osservazioniosservazioni• L’impredicibilità del tempo di esecuzione è spesso legata a:

– Architettura pipelined– Branch prediction ed esecuzione speculativa– Presenza di cache– Architettura superscalare

• Tali caratteristiche si trovano essenzialmente nei processori ad architettura RISC

• …ma vengono adottate anche da alcune architetture CISC

• Quando un core viene adottato per MCU, viene semplificato eliminando parzialmente o totalmente tali caratteristiche

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Esempio Esempio PowerPower--PCPC vsvsMotorolaMotorola 6800068000

• L’architettura Power PC è alla base di famiglie di microcontrollori Freescale– Ad esempio i microcontrollori MPC561

• Per applicazioni industriali viene venduto anche il Motorola 68000 nelle varie versioni– La versione 68060 è la più evoluta

• Processore CISC• Proprietà superscalari

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LL’’architettura architettura PowerPCPowerPC• È una architettura di riferimento

–Set di istruzioni RISC–32-64 bit–Cache L1-unificata o splitted

–L’implementazione è lasciata ai costruttori

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Caratteristiche Caratteristiche MotorolaMotorola6806068060

Implementazione superscalare del 68000 che è CISCImplementazione superscalare del 68000 che è CISC

Doppia cacheDoppia cacheMMU su alcuneMMU su alcune

Architettura 32 bitArchitettura 32 bit

FpuFpu solo in alcune solo in alcune versioniversioni

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Architettura 68060Architettura 68060

3 unità di esecuzione: 2 intere 3 unità di esecuzione: 2 intere –– 1 1 fpfp

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notenote• Il 68000 era a 16 bit

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LL’’implementazione Power PC implementazione Power PC per i MCU: lper i MCU: l’’architettura RCPUarchitettura RCPU

• È l’architettura della CPU per i microcontrollori MPC561

• Caratteristiche– Implementazione single-issue dell’architettura power-

PC (RISC)– Include una I-Cache da 4 Kbyte

• Si rinuncia alla doppia cache e ad una architettura multiple-issue, che è permessa dal power-PC

– Viene semplificato• Il progetto• Il calcolo dei timing

– Ma possiede la branch prediction• Complica i calcoli del tempo di esecuzione di una istruzione

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LL’’effetto della pipelineeffetto della pipeline• In ogni caso, l’adozione della pipeline

complica il calcolo del tempo di esecuzione

• Soprattutto se sono presenti altre features–Vediamolo nel caso dell’RCPU

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Esempio: il calcolo del tempo Esempio: il calcolo del tempo di esecuzione nel RCPUdi esecuzione nel RCPU

• Un ciclo

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Esempio: lEsempio: l’’effetto della effetto della branchbranch predictionprediction

Stallo per aspettare il Stallo per aspettare il branchbranch

Esecuzione del Esecuzione del branchbranch

FecthFecth nuova istruzionenuova istruzione

La previsione è correttaLa previsione è corretta

L’istruzioneL’istruzioneVa inVa in

esecuzioneesecuzione

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E se la E se la predictionprediction non non èècorrettacorretta

• Occorre svuotare la pipeline e rieffettuare il fecth

• Tale tempo non è predicibile, ma deve essere stimato (un ciclo di clock in più)

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Nel 60060Nel 60060• Assunzioni nel timing per le cache

• Tempo per eseguire un branch

Costo senza predizioneCosto senza predizione Costo con predizione errataCosto con predizione errata

Per Per realreal--timetime, devo sempre considerare tale costo, devo sempre considerare tale costo

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conseguenzeconseguenze• Nell’adottare una filosofia pipelined, nei

microcontrollori si rinuncia spesso a quelle caratteristiche che rendono troppo variabile il comportamento del sistema– Oltretutto si abbassano i prezzi del dispositivo

• In alternativa, processori “spinti” sono “processori”

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Difatti:Difatti:• Con l’architettura RCPU si costruiscono

microcontrollori– Es: famiglie MPC561 e MPC564

• Con l’architettura 60060 no– Va bene per applicazioni di automazione, ma

non è un microcontrollore nel senso stretto

• L’architettura CPU32 è una semplificazione dell’architettura 60060– Con essa si costruiscono i microcontrollori della

famiglia MC68F375

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Prezzi power Prezzi power PCPC--basedbased

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Cosa contengonoCosa contengono

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MPC564 : 32 bit MPC564 : 32 bit PowerPCPowerPCMicrocontrollerMicrocontroller

• Precise exception model • Floating point• Extensive system development support• On-chip watchpoints and breakpoints• Background debug mode (BDM) • IEEE-ISTO 5001-1999 NEXUS Class 3 Debug Interface • True 5-V I/O • Two time processing units (TPU3) with eight Kbytes DPTRAM • 22-channel MIOS timer (MIOS14) • Two queued analog-to-digital converter modules (QADC64_A,

QADC64_B) providing a total of 32 analog channels• Three TouCAN modules (TOUCAN_A, TOUCAN_B, TOUCAN_C) • One queued serial module with

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Prezzi MC68060Prezzi MC68060

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Cosa contengono: sono solo Cosa contengono: sono solo CPUCPU

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LL’’architettura CPU32architettura CPU32• Derivata dalla famiglia 68000• Estesa a 32 bit• Implementazione CISC

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MC68F375 MC68F375 FeatureFeature• Esempio di microcontrollore basato sul core CPU32

• 32-bit 68000 family CPU with upward object code compatibility(CPU32)

• Virtual memory implementation• Improved exception handling for controller applications• External bus support• Parallel ports option on address and data bus in single chip modes

and par-tially expanded modes• Nine programmable chip select outputs

• System protection logic• System clock based on slow (~32 KHz) or Fast (~4 MHz) crystal

reference or external clock operation (2X) • Periodic interrupt timer, watchdog timer, clock monitor and bus

monitor

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dispositividispositivi

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prezziprezzi

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La MMULa MMU• Anche la MMU viene eliminata, specie

nei controllori low-end

• Esempio:–Arm 7 per versione embedded - no MMU–Arm 7 per versione application - con

MMU–E cosi per ARM 9

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conseguenzeconseguenze• Set di istruzioni/architettura

– Poche dal punto di vista dell’utilizzatore• Interessano le prestazioni complessive• Possono avere conseguenze sulla densità del codice prodotto

– Importante per la quantità di memoria necessaria a contenere il programma

• Numero e tipi di dispositivi di I/O• Condizionano l’ambiente in cui il microcontrollore può inserirsi• Ma è possibile aggiungere componenti estenti

• Clock• A parità di architettura, condiziona

– Prestazioni– Consumo

• Numero di bit• Condiziona tipicamente:

– La dimensione della memoria indirizzabile– Le prestazioni– Il consumo di potenza– La densità del codice prodotto