1. Elettronica ovunque (sistemi di tipo "embedded")

Gli "oggetti" con cui abbiamo a che fare tutti i giorni sono sempre più dotati di "intelligenza", nel senso che riescono a "comprendere" dei segnali che giungono dall´esterno (inviati di proposito attraverso una tastiera nella forma di comandi, oppure generati da appositi dispositivi, come i sensori, senza bisogno di intervento umano) e a reagire di conseguenza secondo procedure anche molto complesse. Questa "proprietà" relativamente nuova di molti prodotti di uso comune è dovuta alla presenza di sistemi elettronici, spesso nascosti ed invisibili all´utilizzatore, che ne gestiscono il funzionamento cercando di ottimizzarlo per rispondere al meglio alle necessitá dell´ applicazione per cui sono stati progettati.

Quando, uscendo dal garage, si attiva l´ apertura del cancello premendo il pulsante di un telecomando, un piccolo microprocessore si incarica di gestire le operazioni necessarie per inviare via radio un codice di riconoscimento al dispositivo che attiva l´apertura fisica del cancello. Se in auto si aziona una luce di direzione, un altro piccolo micro-controllore aziona la lampadina giusta, controllando che funzioni, regolando le condizioni di illuminazione, segnalando eventuali guasti… E se, arrivati sul posto di lavoro, si aziona il pulsante dell´ascensore, un altro micro-controllore gestisce l'azionamento dell´ impianto, rendendo compatibile la richiesta di salita con quelle di altri utilizzatori oltre che con una serie di controlli necessari per la sicurezza delle persone. Quando si telefona con il cellulare, un (potente) micro-processore gestisce la formidabile serie di dispositivi elettronici necessaria per il collegamento radio con la stazione base. Cos์ quando si preleva mediante bancomat del denaro (per questo detto anche di tipo "elettronico" - electronic money, in breve e-money), si aziona la lavatrice di casa, si rilevano parametri di inquinamento ambientale, si fotocopiano documenti, si utilizza il telecomando della televisione, ci si diverte con un giocattolo che parla o si muove,…

   
  • Insieme complessi di componenti di diversa natura che operano su segnali elettronici.
    • Tensioni o correnti che cambiano nel tempo.
  • Acquisiscono, elaborano e trasmettono informazioni (ICT).
  • Operano in regime di bassa potenza (a volte controllandone una molto più grande).

In buona sostanza, ogni oggetto che svolga una funzione appena complessa include al suo interno un "sistema" elettronico, di tipo digitale con al più qualche parte "analogica", che gestisce le operazioni cercando di soddisfare le richieste dell´utilizzatore, ma anche spesso controllando che tutto funzioni a dovere e, comunque, cercando di gestire le risorse a disposizione in modo ottimale, con basso consumo di potenza, prestazioni adeguate, in modo non invasivo,…

Nella maggior parte dei casi di interesse in questo contesto, la presenza dell´ elettronica é "nascosta" dentro gli oggetti in modo che l´utilizzatore non si accorge nemmeno della sua presenza, perché non ha a che fare con tastiere, video, mouse, stampanti, ...(o almeno non con tutti questi elementi contemporaneamente). Dal punto di vista fisico questi "sistemi elettronici" sono normalmente realizzati nella forma di "schede stampate", spesso di piccola dimensione, in modo da risultare "poco intrusive", spesso in modo da essere completamente contenute all´interno del prodotto di cui fanno parte. Per questo i sistemi elettronici in questione vengono denominati di tipo "embedded" (cioé "inseriti" all´interno). Questa tendenza dell´elettronica a diventare parte degli oggetti della vita di tutti i giorni e "trasparente" per l´utilizzatore (in modo da non costringerlo ad eseguire operazioni diverse da quelle che farebbe normalmente, e in ogni caso non difficili) si sta espandendo molto rapidamente. Ciò a causa dell´evoluzione delle Tecnologie delle Comunicazioni e dell´Informazione (ICT), che rendono possibili soluzioni impensabili (per costo, prestazioni, funzionalitá...) soltanto fino a poco tempo fa, nonchè dalla crescente richiesta del pubblico di oggetti e servizi sempre migliori, ovvero in grado di soddisfare le esigenze principali, con sicurezza, in modo non invasivo, senza danni all´ambiente... nonchè più facili da usare (possibilmente senza l´uso di dispositivi complessi per il comando e la visualizzazione). Da qui, il mercato in forte espansione dei sistemi (elettronici) embedded, che fanno parte del campo più vasto dei sistemi digitali, ma presentano caratteristiche particolari e molto diverse da caso a caso Perchè molto legati all´applicazione per cui sono stati progettati), che costituiscono un interessante argomento di studio, oltre che un promettente campo di lavoro professionale.

Per approfondire: presentazione (formato ppt) 'Elettronica Ovunque'; alcuni esempi: 'RFID', 'Sistema GPS' .

2. Generalitá e specializzazione

    Parametro di giudizio dei sistemi elettronici:
  • Funzionalità.
  • Costo.
  • Consumo.
  • Ingombro.
  • Facilità d´ uso.
  • Affidabilità.

Per sistemi (elettronici) a micro-processore (quindi di tipo digitale) si pensa spesso ai PC o ai laptop (calcolatori "portabili") oppure, più raramente, perchè cala il numero di persone che hanno a che farci, a "calcolatori" più potenti (anche ormai comunque "da tavolo") come workstation server, quando non addirittura ai grossi calcolatori comunemente denominati "mainframe", che costituiscono il cuore di grandi centri di calcolo.

Tuttavia "calcolatori" di questo tipo rappresentano soltanto degli esempi di "sistemi digitali", molto significativi ma non quelli a maggior diffusione.

Per una prima classificazione, gli esempi citati in precedenza sono accomunati dalla caratteristica di essere "generali", ovvero di poter svolgere una molteplicità di funzioni diverse (calcolare, gestire testi, audio, video, connettersi in rete,…) con lo stesso sistema di elaborazione, al più aggiungendogli qualche dispositivo "periferico" (stampanti, casse acustiche, video, webcam,…) che, proprio in quanto di tipo generale, esso é in grado di gestire.

I sistemi di questo tipo sono dunque molto "flessibili" e in fase di uso vengono "configurati" per svolgere una qualunque tra le tante funzioni che possono svolgere per via software, ovvero mediante il "programma" che li "specializza" per svolgere al meglio il compito a cui sono chiamati. In questa operazione, se ben progettato, il programma (codice) deve sfruttare al meglio le possibilitá offerte dall´hardware, ignorando ciò che é superfluo per la specifica applicazione di interesse.

In quanto precede é implicito il concetto di "ottimizzazione parziale delle risorse", nel senso che quando un sistema generale é impiegato per svolgere una funzione specifica, molte delle "risorse" (in ultima analisi hardware aggiuntivo) di cui dispone per poterne affrontare moltissime altre di diverso tipo non vengono di fatto utilizzate. Per l´applicazione di interesse le risorse non utilizzate rappresentano soltanto un "peso", che si traduce in maggior ingombro, consumo e costi più alti, oltre che in minori prestazioni rispetto a quanto si potrebbe ottenere mediante un "sistema" progettato "ad hoc" per il problema da risolvere.

Naturalmente, lo "spreco" di risorse a cui si é accennato rappresenta il prezzo da pagare per rendere il sistema "flessibile" in modo da poter affrontare problemi molto diversi con lo stesso hardware, cosa in molti casi assolutamente vantaggiosa (con il laptop, ad esempio, si possono fare dei calcoli, ma anche ascoltare musica, elaborare foto, collegarsi in rete, elaborare dei testi,….). Tuttavia esiste una grandissima varietá di applicazioni in cui tutta la "flessibilitá" offerta da un sistema di tipo generale (come quelli menzionati in precedenza) é inutile, perchè si svolgono comunque sempre alcune (poche) funzioni. In questi casi, la "generalitá" del sistema non soltanto non é necessaria, ma diventa un limite, per i motivi brevemente menzionati in precedenza.

Casi di questo genere sono innumerevoli e spaziano in tutti i campi delle attivitá umane ed industriali e da qui nasce un largo settore di interesse nel campo delle moderne Tecnologie delle Comunicazioni e dell´Informazione (ICT), che é quello dei "sistemi di tipo embedded" (cioé "nascosti" od "integrati" all´interno di prodotti diversi, spesso non immediatamente collegabili con i microprocessori), detti anche "per applicazioni specifiche" (AS- Application Specific).

A titolo di esempio, consideriamo il caso in cui si debba (sempre e soltanto) rilevare alcuni parametri di tipo "ambientale" o di controllo di un processo industriale (temperatura ed umiditá), confrontare i valori con quelli contenuti in una "tabella" predefinita e, in base ai risultati, agire su "attuatori" in grado di cambiare/ correggere i valori dei parametri in questione. Poichè il tipo di elaborazione da effettuare é molto semplice rispetto a quelli che potrebbero eseguire un processore generale (Pentium, Power PC, Alfa,…), é evidente che l´uso di questo tipo di elaboratore sarebbe ingiustificato, perch้ un "processore" più semplice e specializzato consentirebbe di raggiungere un miglior compromesso costi/ prestazioni.

Peraltro, nella applicazione dell´esempio precedente, parametri come costo, possibilità di reagire in "tempo reale" (ovvero la velocitá di esecuzione), capacitá di operare correttamente anche in "ambienti ostili" (come quello industriale, dell´autoveicolo,…), consumo, ingombro,… sarebbero probabilmente fondamentali e porrebbero obiettivi non compatibili con l´utilizzo di processori troppo "impegnativi".

La soluzione che prevede l´utilizzo di un "processore specializzato", richiede peró che questo esista sul mercato, oppure che si sia in grado di realizzarlo "in proprio". Quest´ultimo caso é particolarmente rilevante quanto si abbia a che fare con una applicazione cos์ specializzata (perció rara) da non risultare sufficientemente interessante per i costruttori di dispositivi di tipo "commerciale" (o standard), cioé acquistabili "a catalogo" (questi dispositivi sono detti anche di tipo "commodity"). Inoltre, la progettazione e realizzazione di un dispositivo "ad hoc" pone problemi di costi di sviluppo, che possono costituire un ostacolo insuperabile al perseguimento di questo tipo di soluzione.

Per questi motivi, tra i casi dei processori generali e "ad hoc" (o "dedicati") esiste quindi una vasta serie di casi intermedi. Per esempio, la funzione di elaborazione (veloce) dei segnali (signal processing) oppure quella del controllo di pochi segnali (per applicazioni civili o industriali) rappresentano casi in cui ha senso sviluppare dispositivi "abbastanza specializzati" (rispettivamente DSP – Digital Signal Processors e Micro-controllori) ma anche "sufficientemente generali" da essere di interesse per grandi costruttori ai fini della realizzazione di dispositivi da rendere disponibili "a catalogo". Quanto precede lascia intuire l´esistenza di un interssante problema di carattere tipicamente ingegneristico circa il compromesso migliore tra generalitá e specializzazione del sistema, che non ha una soluzione "generale", perchè varia a seconda dell´applicazione e delle condizioni al contorno (capacitá progettuali disponibili, tempi a disposizione per immettere un prodotto sul mercato Time-to-Market vincoli "fisici" come consumo, ingombro,... prestazioni, affidabilitá,...) e deve, perció, essere studiato caso per caso.

3. Applicazioni e mercati

Come noto, il mercato di PC, Laptop, server, workstation e mainframe é molto grande sia in termini di quantitá di prodotti (a scalare dal maggiore al minore dai milioni alle decine di migliaia di esemplari) che di ritorno economico (questi sistemi sono in generale molto costosi rispetto a quelli di tipo embedded di interesse qui).

Tuttavia le applicazioni "specifiche" che richiedono soluzioni "dedicate" sono talmente numerose da formare un mercato molto più grande, anche se di tipo necessariamente eterogeneo, molto frammentato e non dominato da pochi grandi produttori come quello dei sistemi di tipo generale. Da questo punto di vista, infatti, gli avanzamenti della tecnologia rendono possibili soluzioni (relativamente) a basso costo che, a loro volta, aprono mercati nuovi e sempre più grandi. Perció oggi sistemi embedded sono presenti in moltissime applicazioni che incontriamo nella vita di tutti i giorni, dai telefoni cellulari agli ascensori, dall´automobile agli elettrodomestici, dai sistemi di allarme all´illuminazione,…

Inoltre, in questo grande campo si incontrano sia casi a grande contenuto industriale e professionale (telefoni cellulari, automobile,…), inevitabilmente appannaggio di grandi costruttori spesso a livello multinazionale, che altri di tipo molto diverso (giocattoli, gadgets, applicazioni a carattere locale,…) che danno luogo ad una attivitá più "distribuita" ed adatta ad industrie di piccola/ media dimensione, perció di interesse molto più vasto per quanto riguarda le attivitá di progettazione, produzione e commercializzazione.

Per questo motivo, i sistemi di tipo embedded rappresentano un importante argomento all´interno del campo dei moderni sistemi ICT.

Dal punto di vista delle applicazioni, la lista che segue contiene un elenco largamente incompleto di casi di interesse, per convenienza raggruppati in "campi applicativi" particolarmente importanti (accanto ad una miriade di esempi di dimensioni più ridotte):

  • la casa (domotica): elettrodomestici in rete, sistemi di sicurezza, intrattenimento, illuminazione, musica,…;
  • l´automobile (automotive); controllo di motore e trasmissione, confort, intrattenimento, illuminazione, sicurezza,…;
  • controlli industriali;
  • periferiche di calcolatore (webcam, stampanti, dispositivi biometrici, drivers,…);
  • telecomunicazioni, terminali video ed audio;
  • dispositivi elettromedicali e per il controllo della salute (realizzati anche in forma portabile o, addirittura, "impiantabile");
  • gadgets, giocattoli, piccoli elettrodomestici;
  • ..
  • Le applicazioni dei sistemi di tipo embedded si stanno estendendo molto rapidamente, tanto che oggi é sempre più facile trovare questo tipo di sistemi associati anche ad oggetti moto comuni e di valore relativamente modesto come lampadine, portachiavi, telecomandi,…

    Per approfondire: presentazione (formato ppt) 'Domotica pt.1' ,'Domotica pt.2' , 'Domotica pt.3 (pdf)', 'Wearable Computers' .

    Distinzione tra elettronica Analogica e Digitale

     Analogica
    L´ informazione sta nel come varia nel tempo una tensione o una corrente.
     Digitale
    L´ informazione sta (a grandi lineee) nella presenza o meno di segnale.
       
     Il singolo dettaglio nella forma d´ onda è significativo => una piccola modifica della forma del segnale porta ad una informazione diversa.  Alla presenza/assenza di segnale (V o I) viene associato un valore logico.
    I due livelli di segnale associati ai due stati logici (0/1) sono ben distinti => piccole modifiche della forma d´ onda non portano ad una informazione diversa.

    Effetto del rumore sui segnali analogici e digitali.

     In ogni circuito elettronico è presente un rumore, dovuto alla natura fisica dei componenti elettronici, che si sovrappone al segnale utile.  
       
    Un rumore, anche di piccola entità, altera profondamente il contenuto informativo Un rumore (anche di entità significativa) sovrapposto al segnale altera il contenuto informativo

     

     

    Ambito di applicazione dell´ elettronica analogica

    Sistemi elettronici digitali
    Hardware Software

    Evoluzione dei circuiti digitali

    I primi circuiti digitali operavano con 0÷12 V => elevata immunità ai disturbi poi a 0÷5 V,in seguito a 0÷3.3 V ed attualmente a 0÷1.8 V ed anche a 0÷1.2 V


    Perchè

    la riduzione del consumo di potenza è fondamentale per tutte le applicazioni.
    Il consumo di potenza in un circuito CMOS è a proporzionale a V² ps(quadrato della tensione di alimentazione)
    =>la riduzione della tensione è necessaria per ridurre il consumo di potenza
    => la riduzione della tensione di alimentazione riduce la separazione tra i livelli alti e bassi => si riduce l´immunità ai disturbi

    Perchè l´ elettronica delle alte frequenze è ancora analogica?

    Aumentando la frequenza del segnale deve aumentare la frequenza di campionamento (teorema di Shannon)

    =>Circuiti di conversione A/D più veloci => più difficili da realizzare => più costosi

    Inoltre, ad ogni valore del segnale anologico campionato si devono associare diversi bit (al crescere del numero di bit, cresce l´accuratezza) Con l´evoluzione dei circuiti digitali aumenta sempre più la frequenza dei segnali al disotto della quale è conveniente convertire il segnale in forma digitale, trasmetterlo ed elaborarlo in tale forma.

    L´ elettronica digitale ed analogica non sono necessariamente disgiunte

    Oltre ai convertitori A/D e D/A esistono sempre più applicazioni in cui, all´interno dello stesso circuito, sono presenti sia parti digitali che analogiche

    ES: circuiti smart power (potenza intelligente). La parte logica di controllo è di tipo digitale, mentre quella di potenza è di tipo analogico

    Schema a blocchi di un sistema elettronico

    Visione top-down di un sistema elettronico

    Schede complesse

    Esempio di visione top-down di un sistema generatore programmabile di forme d´ onda

    Il sistema contiene sempre alcuni blocchi fondamentali: logica di controllo/elaborazione, memoria. Può contenere stadi di conversione A/D e D/A a seconda del tipo di segnale di ingresso/uscita

    Ruolo delle connessioni

    Nota:oltre ai singoli blocchi fondamentali le connessioni tra i singoli blocchi.

    Una memoria può essere vista come un macro-sistema costituito da sotto-blocchi opportunamente connessi

    Ulteriore espansione nella visione top-down

    Il progettista di SCHEDE (visione tradizionale) ha come mattoni fondamentali i circuiti integrati già pronti. Deve connetterli e capirne la loro interazione
    Il progettista di CIRCUITI INTEGRATI (visione tradizionale) ha come mattoni fondamentali i singoli componenti e deve connetterli per realizzare funzioni complesse

    Problemi dei sistemi digitali:consumo-velocità

    Alimentazione

    Ogni sistema elettronico deve essere alimentato (corrente-tensione). Generalmente viene alimentato con una tensione continua di qualche V
    => c´è bisogno, all´interno o all´esterno del sistema, di una BATTERIA o di un blocco TRASFORMATORE-RADDRIZZATORE


    Per approfondire: presentazioni (formato ppt) 'Alimentazione schede pt.1' , 'Alimentazione schede pt.2' .

    Consumo di potenza

    La riduzione del consumo di potenza è uno dei principali requisiti dei sistemi attuali, sia per un problema di $ che di impatto ambientale

    Dissipazione di calore

    Nei circuiti passa corrente => aumento della temperatura nel circuito => problemi di affidabilit à e calo delle prestazioni => necessità di smaltire il calore. La soluzione consiste nel ridurre il livello di corrente => (a parità di resistenza) ridurre V

    Velocità di risposta (=> frequenza operativa)

    Il carico dei transistori è di tipo capacitivo. Per aumentare la risposta del circuito (velocità nel passaggio 0 —>1 oppure 1 —>0) si deve ridurre il tempo di carica-scarica delle capacità

    Dualismo inevitabile
    Se si deve andare più veloce, si deve essere disposti a consumare di più e a spendere di più Se si vuole consumare meno si deve essere disposti ad andare più piano

    Interconnessioni

    Concettualmente la comunicazione é molto semplice: se il μP forza un dato, la memoria lo riceve e viceversa

    Es: il m P manda un 1 logico e la memoria lo legge

    Dal punto di vista elettrico, però, il μP potrebbe essere alimentato a 1.8 V (1 logico <=> 1.8 V) mentre la memoria potrebbe essere alimentata a 3.3 V (1 logico <=> 3.3. V) .
    Per la memoria una tensione di 1.8 V è molto prossima al limite di discriminazione tra livello logico basso e alto => possibilità di errore logico

    Se la distanza tra due blocchi aumenta =>la capacità della connessione aumenta => la velocità della comunicazione diminuisce.

    E´ importante che 2 blocchi che si trasferiscono in continuazione dati devono essere vicini se la velocità di trasferimento dati è critica.

    => problema di architettura di sistema (ai diversi livelli: sistema, scheda elettronica, circuito integrato). E´ fondamentale disporre i sotto-blocchi elementari del sistema in modo opportuno per aumentarne le prestazioni

    Dimensioni di un sistema elettronico

    Un sistema elettronico deve essere piccolo
    1) per ovvi motivi: riduzione dello spazio occupato, del peso,…. => $
    2) per migliorarne le prestazioni

    Se si diminuisce l´area occupata aumentano i problemi legati alla temperatura (J = I/A ­ ) e la dissipazione del calore diventa più problematica.

    I vantaggi in termini di prestazioni sono molto di più a parità di I

    Se si diminuiscono le dimensioni di un circuito =>si riducono le capacità => si velocizza il circuito
    A paritá di funzione logica e tecnologia, una realizzazione più piccola é più veloce