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PORTALE DELLA DIDATTICA

Electronics for embedded systems

01NWMOQ, 01NWMOV

A.A. 2018/19

Course Language

English

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Electronic Engineering - Torino
Master of science-level of the Bologna process in Computer Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 70
Esercitazioni in aula 15
Esercitazioni in laboratorio 15
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Passerone Claudio Professore Associato ING-INF/01 70 15 30 0 10
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-INF/01 10 B - Caratterizzanti Ingegneria elettronica
2018/19
Insegnamento obbligatorio per l'orientamento di Sistemi Embedded in comune tra la laurea magistrale in Ingegneria Elettronica e quella in Ingegneria informatica, collocato al primo periodo didattico del primo anno accademico. Il corso si propone di descrivere e sperimentare i principali blocchi digitali e analogici a bordo scheda e di individuarne le problematiche relative alla loro comunicazione. In particolare si descriveranno le principali strutture microarchitetturali per l'elaborazione, il controllo e la memorizzazione di dati e se ne realizzerà una descrizione pratica in laboratorio. Si analizzeranno e sperimenteranno in laboratorio i problemi legati alla comunicazione tra blocchi a bordo scheda (uso di interfacce per sistemi di comunicazione complessi, standard di comunicazione, etc.). Si descriveranno le problematiche e si sperimenterà l'uso di sistemi programmabili e embedded complessi su schede basate su microprocessori-microcontrollori, FPGA e periferiche di uso corrente.
Required course for the Embedded System curriculum, jointly held between Electronics Engineering and Computer Science master degree programs, in the first didactic period of the first academic year. The course aims to describe and test the major digital and analog blocks on a board and to identify key issues relating to their communication. In particular, it describes the main micro-architectural structures for the processing, control and storage of data and will make a practical description in the laboratory. Problems related to communication between blocks on the board (use of interfaces for complex communications systems, communication standards, etc…) are analysed and experimented in the laboratory. It outlines issues and will explore the use of different complex programmable and embedded systems on boards based on microprocessor or microcontrollers, FPGAs and current peripheral devices.
• Conoscenza dei vari tipi di stadi amplificatori e delle loro applicazioni; capacità di analisi e progetto dei relativi circuiti, con selezione dei componenti che valuti gli effetti delle varie scelte progettuali. • Conoscenza dei tipi di memorie esistenti: tipologia, metodo di accesso, modello fisico, interfacciamento, gerarchia; abilità nella scelta in base a costo/area/prestazioni. • Conoscenza dell'architettura di PLD/FPGA ad alte prestazioni: architettura interna, flusso di progetto, ottimizzazioni per consumo di potenza, area occupata, velocità. • Capacità di progettare le unità operative digitali, di descriverle in linguaggio HDL, di simularne il comportamento e implementale sul supporto necessario a seconda delle specifiche (sintesi su dispositivo programmabile, programmazione di alto livello su microprocessore, ...). • Conoscenza della struttura delle principali periferiche utilizzabili: I/O digitale, strategie di buffering, sistemi di temporizzazione, sistemi di comunicazione sincrona/asincrona; abilità nella scelta delle opportune metodologie di realizzazione e interfacciamento. • Capacità di definire i blocchi necessari in un sistema embedded a partire dalle specifiche e di definirne i vincoli progettuali dal punto di vista elettronico (microprocessore/microcontrollore, memorie, dispositivi programmabili, blocchi di potenza, sistemi di conversione, periferiche, bus) e loro interfacciamento. • Conoscenza dei problemi relativi alle interconnessioni: tecnologie, protocolli sincroni e asincroni, valutazione delle prestazioni. • Conoscenza dei vari tipi di convertitori A/D e D/A, delle loro caratteristiche e dei relativi circuiti; capacità di scelta di componenti analogici integrati e progetto delle parti necessarie per il loro utilizzo e interfacciamento. • Conoscenza delle caratteristiche dei vari tipi di regolatori di tensione, dissipativi e a commutazione, e dei criteri per la scelta dei componenti attivi e passivi; capacità di progetto di alimentatori e regolatori di bassa potenza.
• Knowledge of various types of amplifier stages and their applications; analysis and circuit design capabilities, with selection of components to evaluate the effects of various design choices. • Knowledge of existing memory types: type, access methods, physical model, interfaces, hierarchy; ability to choose based on cost / area / performance. • Knowledge of the architecture of high performance PLDs and FPGAs: internal architecture, design flow, optimizations for power consumption, size, speed. • Capacity to design digital operational units, to describe them in VHDL language, to simulate the behaviour and to implement them according to specifications (synthesis on programmable device, high-level programming on microprocessors, ...). • Knowledge of the structure of the main peripherals used: digital I/O, buffering strategies, timing systems, synchronous and asynchronous communication systems; ability to choose appropriate methodologies for implementation and interfacing. • Capacity to define the necessary blocks in an embedded system starting from a specification and to define the design constraints (microprocessor/microcontroller, memories, programmable devices, power systems, conversion systems, peripherals, bus) and their interfacing. • Knowledge of issues relating to interconnections: technologies, synchronous and asynchronous protocols, performance evaluation. • Knowledge of various types of A/D and D/A converters, their characteristics and associated circuits; ability to choose analog integrated components and design of the required circuits for their use and interfacing. • Knowledge of the characteristics of different types of voltage regulators, switching and dissipative, and criteria for selection of active and passive components; ability to design low power regulators.
Elettronica digitale di base, al livello corrispondente ai corsi di base di Elettronica Digitale ed Analogica nel corso di laurea triennale. In particolare devono essere noti i circuiti digitali combinatori e sequenziali e gli stadi analogici di base, le architetture di elaborazione complesse a livello di sistema, il linguaggio di descrizione dell’hardware VHDL, il modello di programmazione di microprocessori/DSP/microcontrollori.
Principles of digital electronics, corresponding to basics digital and analog courses in the bachelor degree program. In particular, combinational and sequential circuits and basics analog stages, complex processing architectures at the system level, the VHDL hardware description language, the programming model for microprocessors, DSPs and microcontrollers.
1) I sistemi embedded (0,5 CFU) a) definizione, classificazione ed esempi b) metriche di progetto (costi, performance, time to market) c) anatomia di un sistema embedded e inquadramento degli argomenti trattati nel corso 2) Richiami sull'uso dell’amplificatore operazionale con reazione (0,5 CFU) a) Amplificatori e filtri b) Comparatori 3) Memorie (1 CFU) a) ROM, OTPROM, EPROM, EEPROM, Flash b) RAM statiche e dinamiche c) Diagrammi temporali d) Composizione di memorie e interfacciamento con microprocessori e) Gerarchia di memoria e cache 4) Logiche programmabili (1,5 CFU) a) Dispositivi logici programmabili: PAL, PLA, CPLD b) Field Programmable Gate Array (FPGA) c) Tecnologie per FPGA d) Flusso di progetto e) Risorse disponibili su FPGA (memorie, moltiplicatori, PLL, clock, …) f) Scelta, uso e applicazione di IP 5) Input/Output (1,5 CFU) a) Richiami sui protocolli di comunicazione seriali e paralleli, ritardi, effetto dello skew b) Trasmissione sincrone con ricostruzione del clock c) Esempi di protocolli: UART, SPI, I2C, CAN, USB d) Problemi relativi alle interconnessioni e all'integrità del segnale 6) Periferiche del processore (2 CFU) a) Introduzione generale ai microprocessori embedded e alla loro periferia b) Struttura interna, decoder indirizzi, registri di programmazione c) Interfacciamento con microprocessore: polling, interrupt, DMA d) Bus di comunicazione: AMBA 7) Conversione A/D e D/A (1,5 CFU) a) Richiami sui sistemi di conversione A/D e D/A, campionamento, aliasing, quantizzazione, errori, ENOB b) Convertitori DA (classificazione, parametri, errori lineari e non lineari) c) Circuiti per convertitori DA d) Convertitori AD (classificazione, parametri statici e dinamici, errori lineari e non lineari) e) Circuiti per convertitori AD (Flash, SAR, pipeline, tracking, misti) f) Catena di condizionamento del segnale, dimensionamento filtro anti-aliasing g) Convertitori avanzati 8) Elettronica di potenza (1,5 CFU) a) Comando carichi ON/OFF e in linearità b) Richiami sullo schema di principio di un regolatore c) Regolatori lineari (drop-out, ripple, correnti massime) d) Regolatori a commutazione (Buck, Boost, Buck-Boost) e) Riferimenti di tensione
1) Embedded systems (0,5 CFU) a) Definition, classification and examples b) Design metrics (costs, performance, time to market) c) Anatomy of an embedded system and summary of course topics 2) Operational amplifier with feedback reminders (0,5 CFU) a) Amplifiers and filters b) Comparators 3) Memories (1 CFU) a) ROM, OTPROM, EPROM, EEPROM, Flash b) Static and dynamic RAMs c) Timing diagrams d) Memory composition and microprocessor interfacing e) Memory hierarchies and caches 4) Programmable logic (1,5 CFU) a) Programmable devices: PAL, PLA, CPLD b) Field Programmable Gate Array (FPGA) c) Technologies for FPGA d) Design flow e) FPGA resources (memories, multipliers, PLL, clock) f) IP selection, use and applications 5) Input/Output (1,5 CFU) a) Reminders on serial and parallel protocols, delays, skew b) Synchronous transmission and clock data recovery c) Examples: UART, SPI, I2C, CAN, USB d) Interconnection and signal integrity problems 6) Processor peripherals (2 CFU) a) General introduction to embedded processors and their peripherals b) Internal structure, address decoders, configuration registers c) Microprocessor interfacing: polling, interrupt, DMA d) Communication bus: AMBA 7) A/D and D/A conversion (1,5 CFU) a) Reminders on A/D and D/A conversion systems, sampling, aliasing, quantization, errors, ENOB b) D/A converters (classification, parameters, linear and non-linear errors) c) D/A converter circuits d) A/D converters (classification, static and dynamic parameters, linear and non-linear errors) e) A/D converter circuits (Flash, SAR, pipeline, staircase, tracking) f) Signal conditioning, anti-aliasing filter design g) Advanced converters (delta, sigma/delta) 8) Power electronics (1,5 CFU) a) Linear and PWM driving of loads b) Basic design principles of a voltage regulator c) Linear regulators (drop-out, ripple, currents) d) Switching regulators (Buck, Boost, Buck-Boost) e) Voltage references
Data la natura fortemente applicativa dell’insegnamento sono previsti almeno 5 laboratori su argomenti di elettronica analogica e digitale. Gli studenti affronteranno il progetto e la realizzazione di parti di un sistema embedded, fino ad ottenere un piccolo sistema a microprocessore completo su logica programmabile, con caratteristiche di interdisciplinarietà, integrando aspetti sia di elettronica, sia di informatica.
Given the strong emphasis on applications, there will be at least 5 laboratory sessions on analog and digital electronics. Students will design and implement parts of an embedded system, up to a small microprocessor based system on programmable logic, having interdisciplinary characteristics, from electronics to computer science.
C. Passerone, "Analog and Digital Electronics for Embedded Systems", CLUT, 2015 (testo di riferimento) F.Vahid, T. Givargis, "Embedded System Design: A Unified Hardware/Software Introduction", John Wiley and Sons Jan Rabaey, "Digital Integrated Circuits. A Design Perspective", Pearson Education, 2003 W. Dally, J. Poulton, " Digital Systems Engineering", Cambridge University Press. Saranno inoltre disponibili i lucidi usati a lezione e i temi d'esame svolti sul portale della didattica
C. Passerone, "Analog and Digital Electronics for Embedded Systems", CLUT, 2015 (reference text) F.Vahid, T. Givargis, "Embedded System Design: A Unified Hardware/Software Introduction", John Wiley and Sons Jan Rabaey, "Digital Integrated Circuits. A Design Perspective", Pearson Education, 2003 W. Dally, J. Poulton, " Digital Systems Engineering", Cambridge University Press. Course slides and solutions of past exams will be uploaded on the course web site.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa;
L'esame è costituito da una parte scritta della durata di 3 ore con domande teoriche ed esercizi numerici di analisi e/o di progetto, per un totale di 5 domande/esercizi, eventualmente integrabile con una parte orale facoltativa. Durante l’esame scritto non è possibile consultare testi e/o appunti. Le domande valutano la comprensione dei concetti teorici e la capacità di applicarli a concreti casi pratici. Le relazioni delle esercitazioni di laboratorio contribuiscono alla valutazione finale. Sarà inoltre valutata la possibilità di realizzare dei progetti in sostituzione dell'esame.
Exam: written test; optional oral exam;
Written exam (3 hours time) with theoretical questions and numerical exercises and/or design, with a total of 5 questions/exercises, possibly with an optional oral discussion. With the written exam only it is possible to get 30/30 with honors. The optional oral exam can increase or decrease the final grade. During the written exam it is not possible to use books, notes or other material. Questions and exercises evaluate the theoretical knowledge and the capacity to apply it to practical cases. Reports for the laboratory sessions contribute to the final evaluation (up to 2 points). Individual projects can be considered in place of the written exam.


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