Componenti dei sistemi hardware embedded: processore, memoria (RAM/ROM), dispositivi di I/O, unità di conversione analogico/digitale (A/D, D/A), moduli di comunicazione, moduli di alimentazione. Questo articolo fornisce un’introduzione dettagliata all’unità principale dei sistemi hardware embedded: il processore.
Tipi di processori embedded
Micro Controllo Unità (MCU)
I microcontrollori embedded, noti anche come microcontrollori su singolo chip, integrano l’intero sistema informatico su un singolo chip. In genere hanno un core di microprocessore e integrano vari componenti e periferiche funzionali necessari all’interno del chip, come ROM, EPROM, RAM, bus, logica del bus, timer, contatori, watchdog, porte di I/O, porte seriali, uscite a modulazione di larghezza di impulso, convertitori A/D, convertitori D/A, Flash RAM, EEPROM e altro.
Gli MCU sono comunemente utilizzati in sistemi di controllo, come il controllo del volo nei droni, il controllo del telaio negli aspirapolvere robotici e l’ABS nelle automobili, principalmente per l’esecuzione di attività.
I DSP sono chip progettati per l’elaborazione del segnale digitale, noti per la loro elevata velocità, flessibilità e basso consumo energetico. Impiegano un’architettura Harvard migliorata, che separa l’archiviazione di programmi e dati, e spesso includono moltiplicatori hardware. Nell’era digitale, i DSP svolgono un ruolo fondamentale nella comunicazione, nell’informatica e nei prodotti di elettronica di consumo.
I processori DSP sono specificamente progettati per attività di elaborazione del segnale digitale in tempo reale e gli algoritmi DSP vengono sempre più incorporati nel dominio embedded, passando dall’implementazione di funzioni DSP utilizzando istruzioni regolari nei microcontrollori generali all’utilizzo di processori DSP embedded.
Unità di microprocessore (MPU)
L’MPU integra sia l’unità aritmetica che il controller su un singolo chip. L’unità aritmetica esegue principalmente operazioni aritmetiche e logiche, mentre il controller controlla l’esecuzione del programma, comprese il controllo delle istruzioni, il controllo dei tempi e il controllo delle operazioni. Recupera le istruzioni dalla memoria principale, determina la posizione della successiva istruzione in memoria, decodifica le istruzioni, genera segnali di controllo e gestisce il flusso di dati tra la CPU, la memoria principale e i dispositivi di input/output.
I microprocessori embedded impiegano microprocessori generici migliorati. A causa del loro tipico utilizzo in ambienti difficili, i microprocessori embedded hanno requisiti più elevati per la temperatura di esercizio, la compatibilità elettromagnetica e l’affidabilità rispetto ai microprocessori generici standard.
SoC può essere inteso come un chip che combina un core di microprocessore generico con vari blocchi IP (proprietà intellettuale) e periferiche, incapsulando diversi moduli per creare un chip a livello di sistema. SoC può includere RAM/ROM integrata, insieme alle potenti capacità di un MPU, formando un circuito integrato dedicato su misura per scopi specifici.
Processori embedded ARM
I processori ARM sono stati progettati dalla società britannica Acorn Limited e sono noti per la loro architettura RISC (Reduced Instruction Set Computer) a basso consumo e conveniente. I processori ARM sono intrinsecamente progettati a 32 bit ma includono anche un set di istruzioni a 16 bit, offrendo in genere una riduzione delle dimensioni del codice fino al 35% rispetto al codice a 32 bit equivalente, mantenendo tutti i vantaggi di un sistema a 32 bit.
I processori ARM sono classificati in cinque classi: processori ARM classici, processori embedded ARM Cortex, processori embedded ARM Cortex in tempo reale, processori applicativi ARM Cortex e processori esperti ARM.
Processori ARM Cortex
Serie Cortex-A (A=Applicazione), progettata per applicazioni di fascia alta con frequenze di clock elevate, prestazioni eccellenti e un consumo energetico ragionevole. I modelli da A5 ad A15 sono a 32 bit, mentre A53 ad A57 sono versioni a 64 bit. Questi sono noti come processori applicativi ARM Cortex.
Serie Cortex-R (R=Tempo Reale), progettata per applicazioni di controllo in tempo reale con tempi di risposta rapidi, prestazioni ragionevoli e basso consumo energetico. Questi sono noti come processori embedded real-time ARM Cortex.
Serie Cortex-M (M=Microcontrollore), destinata ad applicazioni di microcontrollori con elevata efficacia dei costi, basso costo e consumo energetico minimo. Questi sono noti come processori embedded ARM Cortex.
In generale, le serie -R e -M sono indicate come processori Cortex embedded. I processori specializzati per applicazioni con smart card, che enfatizzano sicurezza e affidabilità, sono chiamati Security Expert Processors o Expert Processors (SecurCore). Questi includono tre serie: SC000 basato su ARM7TDMI, SC100 basato su Cortex-M0 e SC300 basato su Cortex-M3.
