Politecnico di Torino
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Anno Accademico 2013/14
01NWMOQ, 01NWMOV
Electronics for embedded systems
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica (Electronic Engineering) - Torino
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica (Computer Engineering) - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Anni incarico
Passerone Claudio ORARIO RICEVIMENTO AC ING-INF/01 74.5 10.5 15 8
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-INF/01
ING-INF/01
4
6
F - Altre (art. 10, comma 1, lettera f)
D - A scelta dello studente
AbilitÓ informatiche e telematiche
A scelta dello studente
Presentazione
Il corso e' erogato in lingua Inglese.

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 realizzerÓ 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, integritÓ del segnale su PCB).
Si descriveranno le problematiche e si sperimenterÓ l'uso di sistemi progammabili e embedded complessi su schede basate su microprocessori-microcontrollori, FPGA e periferiche di uso corrente.
Risultati di apprendimento attesi
- Conoscenza dei vari tipi di stadi amplificatori e delle loro applicazioni; capacitÓ di analisi e progetto dei relativi circuiti, con selezione dei componenti che valuti gli effetti delle varie scelte progettuali.
- Conoscenza dei vari tipi di convertitori A/D e D/A, delle loro caratteristiche e dei relativi circuiti; capacitÓ 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; capacitÓ di progetto di alimentatori e regolatori di bassa potenza.
- Conoscenza dei tipi di memorie esistenti: tipologia, metodo di accesso, modello fisico, interfacciamento, gerarchia; abilita' 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, velocitÓ
- Capacita' di progettare le unita' 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; abilita' nella scelta delle opportune metodologie di realizzazione e interfacciamento.
- Capacita' 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 interffacciamento
- Conoscenza dei problemi relativi alle interconnessione a livello fisico: tecnologie, linee di trasmissione, diafonia, cenni di compatibilitÓ elettromagnetica
Prerequisiti / Conoscenze pregresse
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.
Programma
1) I sistemi embedded (0,5 CFU)
a) definizione, classificazione ed esempi
b) metriche di progetto (costs, 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) 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

4) Elettronica di potenza (1,5 CFU)
a) Richiami sullo schema di principio di un regolatore
b) Regolatori lineari (drop-out, ripple, correnti massime)
c) Comando carichi ON/OFF
d) Regolatori a commutazione (Buck, Boost, Buck-Boost)
e) Riferimenti di tensione (bandgap)

5) 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

6) Logiche programmabili (1,5 CFU)
a) Richiami su PAL, PLA, CPLD
b) 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

7) 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, CAN, USB
d) Pilotaggio di carichi digitali e analogici
e) Problemi relativi alle interconnessioni e all'integrita' del segnale

8) 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
Organizzazione dell'insegnamento
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 interdisciplinarieta', integrando aspetti sia di elettronica, sia di informatica.
Testi richiesti o raccomandati: letture, dispense, altro materiale didattico
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
Criteri, regole e procedure per l'esame
L'esame e' costituito da una parte scritta con esercizi numerici di analisi e/o di progetto, eventualmente integrabile con una parte orale. Sara' valutata la possibilita' di realizzare dei progetti in sostituzione dell'esame.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2013/14
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