Tesina di Ricerca in “Sistemi a Microprocessore” PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE eseguita da Marco Lamolinara - mat.0000244339 C.L.S. Ing.Elettronica – percorso f. dell’Automazione

QULI SONO LE DIFFICOLTA’ DI REALIZZAZIONE ? COS’ E’ UN PROTOTIPO? Si intende con prototipo la prima implementazione del sistema (embedded) che si desidera realizzare PERCHE’ COMVIENE REALIZZARLO ? Il prototipo consente la valutazione della qualità e l’affidabilità del progetto Sul prototipo è possibile eseguire correzioni e debug Sul prototipo si possono valutare costi, tempi di ciclo, risposta del mercato QULI SONO LE DIFFICOLTA’ DI REALIZZAZIONE ? Realizzare un prototipo completamente funzionante può essere - COSTOSO - LUNGO in termini di tempo - MOLTO DIFFICILE

… PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA Per questo vengono introdotte delle tecniche per realizzare rapidamente prototipi funzionanti, le così dette tecniche di … … PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA

ARGOMENTI TRATTATI IN QUESTA TESINA: PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE STANDARD PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE PROCESSI DI PRODUZIONE RAPIDA DEI PROTOTIPI IN AMBITO DI PROGETTO IN AMBITO INDUSTRIALE

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE STANDARD Si fa uso di schede il cui HW è già definito La realizzazione del prototipo dipende esclusivamente dalla realizzazione del SW PCI 6527 DAQ PAD SCHEMA DI PROTOTIPIOZZAZIONE

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE STANDARD Il software di prototipizzazione visionato è l’ UNISIM: VANTAGGI Costituito secondo lo standard IEC61131-3 Approccio object-oriented Linguaggi utilizzabili: Sequential Funtional Chart e Ladder Diagram Manipola file in formato XML Consente validazione con HIL (Hardware in the Loop), FT (Fault Tolerance) Consente rapido debug a tutti i livelli del progetto Consente simulazione rapida Consente visualizzazione segnali e stato durante i test Non esiste la compilazione  modifiche ‘in corsa’ Concesso in licenza GPL

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE STANDARD Il software di prototipizzazione visionato è l’ UNISIM: SVANTAGGI Velocità limitata di campionamento Consigliato solo per sistemi soft real-time Timers dipendenti dal clock del sistema HOST

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE La prototipizzazione interessa sia lo sviluppo del HW che del SW Processo più lento e più complesso… E’ consigliato adoperare la tecnica di progetto comunemente definita come co-design. Progettazione concorrente di HW\SW Verifica Formale Simulazione Emulazione FLUSSO DI CO-DESIGN

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Esempi trattati: Prototipizzazione rapida basata su moduli di FPGA Prototipizzazione rapida basata su moduli misti DSP ed FPGA Prototipizzazione rapida basata su moduli misti microprocessori ed FPGA Prototipizzazione rapida tramite strumento virtuale Prototipizzazione rapida basata su schede prototipali

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli di FPGA  HDK-0501 Soluzione che comprime al minimo l’HW necessario PROPRIETA’ Dotata di interfaccia Ethernet Dotata di FPGA Xilinx, modello XC2E200E-6PQ208C [5000 flip-flop + 5000 gate logici generali] Alimentazione a a 5V – 700mA Dotato di SW di programmazione interattivo COSTO ~ 500$

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli di FPGA  HDK-0501 Soluzione che comprime al minimo l’HW necessario ALTRE INFORMAZIONI Richiede ISE della Xilinx, vs 6.1 Richiede PC HOST dotato di processore Pentium a 500MHz Richiede SO Windows SOFTWARE DI SUPPORTO Supporta macchina a stati Permette operazioni real-time Compilatore VHDL molto semplice

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli misti DSP ed FPGA  Ptolemy+SMT363 Conviene dividere il processo di prototipizzazione in HW e SW, attribuendo a due strumenti diversi la procedura di design SW  Ptolemy HW  SMT363-XC2

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli misti DSP ed FPGA  Ptolemy+SMT363 Freeware sviluppato dalla Berkley Univ. Consente sia la programmazione in VHDL del HW standard… …che la compilazione in C e C++ del SW. SW  Ptolemy CARATTERISTICHE Programmazione actor-oriented Strumento di altissimo livello per il co-design prototipale Consente una partizione ottimale con studio dello spazio di soluzione Supporta Linux e Windows

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli misti DSP ed FPGA  Ptolemy+SMT363 Piattaforma HW programmabile composta da: Processore ARM7 DSP TMS3206713 a 225MHz Modulo FPGA Xilinx VirtexII modello XC2V1000 TIM global connector (compatibile standard TIM) 16MB SDRAM (su ARM7) + 16MB SDRAM (su DSP) + 8MB Flash Linea Erthernet HW  SMT363-XC2 COSTO ~ 2000$

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli misti microprocessori ed FPGA  Progetto FAST (Flexible Architecture for Simulation & Test) Progetto della Standford Univ. in grado di minimizzare notevolmente i tempi di prototipizzazione SCHEMA ARCHITETTURALE IMPLEMENTAZIONE

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli misti microprocessori ed FPGA  Progetto FAST (Flexible Architecture for Simulation & Test) La piattaforma HW programmabile contiene: 8 mod XCV1000 (2 per tile) 4 MIPS R3000 (1 per tile) 4 MIPS 3010 (1 per tile) – modulo FPGA 8 mod XC2V6000 (costituenti HUB) 16 blocchi SRAM L1 (4 per tile) – tot 64MB 16 blocchi SRAM L2 (unico complesso) – tot 64MB Blocco Flash (dimensione variabile) Periferiche IO Consente velocità max ~ 200MHz Elaborazioni multi-thread e multi-processore Datapath ottimizzati a 32bit IMPLEMENTAZIONE

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su moduli misti microprocessori ed FPGA  Progetto FAST (Flexible Architecture for Simulation & Test) E’ stati sviluppato un SW per la programmazione del sistema FAST Questo comprende: Compilatore VHDL (FASTVAL) Tool per debug e simulazione Gestore interfacce I\O (circa 6500 pin) Benchmark suite contenente 10 funzioni per il test delle prestazioni Tool di design TPL (Thread Parallel Level) IMPLEMENTAZIONE

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida tramite strumento virtuale  CoMET 6 Simulatore completamente virtuale sviluppato dalla VaST Meno preciso delle soluzioni con HW base, ma molto più economico CARATTERISTICHE Consente elaborazione di sistemi multy-core Conforme allo standard OSCI IEEE 1666 Dispone di tool per il calcolo del consumo di potenza Dotato del framework Eclipse (supportato da IBM, Intel, Nokia e WindRiver) Dispone di compilatore HDL per design di HW Dotato di interfaccia grafica per la simulazione e debug VPE (permette visione con sistema a blocchi, descrizione gerarchica e diagramma ad albero) Supportato da Windows e Linux

PROTOTIPIZZAZIONE RAPIDA DI SCHEDE DEDICATE Prototipizzazione rapida basata su schede prototipali  Moduli Parallax Supporti digitali con classica struttura ‘a mille fori’ per assemblaggio temporaneo delle componenti BasicStamp #27905 BasicStamp #27120 Autoparlante 500-8kHz Rete RC per DO Potenz.Magn. per AI Connettori a 6 Vac\ 9Vcc Supporto per PIC Morsetti per batterie 9V Basetta I\O Porta Seriale SCHEDA ‘MILLE FORI’ CLASSICA

PROCESSI DI PRODUZIONE RAPIDA DEI PROTOTIPI Insieme di tecniche volte alla realizzazione rapida e (possibilmente) a costi contenuti dei prototipi su schede stampate ProtoLaser 100 ProtoMat S62

PROCESSI DI PRODUZIONE RAPIDA DEI PROTOTIPI Insieme di tecniche volte alla realizzazione rapida e (possibilmente) a costi contenuti dei prototipi su schede stampate ProtoMat S62 ProtoLaser 100 Collegamento a PC via USB SW di supporto fornito 10 punte di scrittura Compatibilità con gerber PRECISIONE: 0.4 mm COSTO: 18000$ Consigliato per schede RF Diametro laser 25 µm In grado di perforare ceramiche metallizzate, PTFE, FR3, FR4… Compatibiltà con gerber, HPLG, DXF … PRECISIONE: 25 µm COSTO: ??? (ancora non definito)

CONCLUSIONI Esistono tecniche di prototipizzazione rapida per ogni tipo di soluzione embedded desiderata La scelta del sistema prototipale dipende sempre dai manager che presiedono le decisioni di produzione Le tecniche di prototipizzazione sono fortemente dipendenti dalle specifiche di progetto