LABORATORIO DI SISTEMI ELETTRONICI INTEGRATI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2017/2018
- Docente
- CRISTIAN ZAMBELLI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
Obiettivi formativi
- Il corso fornisce gli elementi necessari per la prototipazione e la progettazione di sistemi elettronici integrati utilizzando dispositivi riconfigurabili (FPGA) comunemente utilizzati sia in ambienti embedded (incluso il mobile computing) che in piattaforme di calcolo. Il corso provvede, mediante attività di laboratorio assistite dal docente, le competenze per realizzare sistemi elettronici che spaziano nello spettro dell'elettronica digitale, elettronica analogica, e dei mixed-signal systems.
L'obiettivo principale del corso è di fornire agli studenti le conoscenze necessarie per la progettazione di sistemi elettronici integrati con componenti eterogenei considerando i vincoli che contribuiscono alle prestazioni, al consumo di potenza, e alla funzionalità degli stessi.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
• elementi di base di una FPGA
• conoscenza di un linguaggio di descrizione dell'hardware (VHDL) orientato alla simulazione e alla realizzazione di un sistema elettronico
• uso di un ambiente di sviluppo integrato (IDE Vivado Xilinx) per sistemi FPGA
• conoscenze relative ai vincoli di occupazione d'area, di memoria, e di consumo di potenza di un sistema elettronico realizzato su FPGA
• conoscenze di base dei protocolli di comunicazione SPI e I2C per periferiche esterne come memorie off-chip, human interface devices, convertitori ADC, DAC, accelerometri, e displays
• conoscenze di base per la realizzazione di un sistema elettronico analogico (filtri, VCO, e PLL) su board di prototipazione
• interfacciamento di un sistema elettronico analogico con un sistema elettronico digitale per costruire e processare un segnale usando il paradigma mixed-signal
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
• realizzare un sistema elettronico integrato usando una FPGA
• identificare i vincoli di progetto che determinano il dimensionamento di un sistema elettronico
• valutare il protocollo di comunicazione o la periferica più adatta per una determinata applicazione
• utilizzare sistemi di prototipazione sia analogici che digitali da usare in ambienti embedded o high performance computing Prerequisiti
- Per seguire il corso è necessario avere compreso i concetti dei corsi di:
- Elettronica dei sistemi digitali
- Circuiti analogici per l'elaborazione dei segnali
- Architettura dei sistemi digitali
- Progettazione dei sistemi elettronici
Nel corso sono comunque previsti dei richiami a tali corsi per facilitare la comprensione di alcuni argomenti specifici del corso. Per sostenere l'esame non è necessario avere superato gli esami associati. Essendo questo un corso di laboratorio è prevista una conoscenza minima dei concetti di base della strumentazione di laboratorio (alimentatore da banco, generatore di forme d'onda arbitrario e oscilloscopio). Contenuti del corso
- Essendo il corso un laboratorio didattico per gli studenti, si prevedono 3 lezioni (7.5 ore) introduttive sull'argomento dei sistemi elettronici integrati e 18 sessioni di laboratorio (45 ore) nelle quali verranno affrontati diversi argomenti. Le rimanenti 7.5 ore possono essere usate per fornire assistenza agli studenti nella realizzazione delle esercitazioni di laboratorio più complesse. I principali argomenti del corso sono:
- Introduzione ai sistemi elettronici integrati: concetto di sistema elettronico analogico, digitale e mixed-signal, possibili scenari di integrazione, vincoli di progetto (consumo di potenza, occupazione d'area, costi) flusso di progettazione, sistemi di prototipazione e boards di sviluppo
- Le logiche programmabili (FPGA): macro-struttura a blocchi, realizzazione integrata di una FPGA, programmare una FPGA mediante un linguaggio di descrizione dell'hardware (VHDL), sintesi e implementazione di un design, la board Digilent Basys3
- L'ambiente IDE Xilinx Vivado: come realizzare un primo progetto in VHDL di un sistema elettronico integrato, differenza fra simulazione (test bench) e implementazione, comunicazione con la board Digilent Basys3 e con le sue periferiche (LED, switches e push button)
- Costruzione gerarchica di un sistema elettronico integrato: esempio di un sommatore hardware, concetto di entità e modulo in VHDL, riuso delle risorse, esempio di un modulatore PWM
- Gestione degli I/O della board Digilent Basys3: multiplazione degli I/O con altre periferiche, pilotaggio e acquisizione di segnali mediante ADC integrati in FPGA, comunicazione con le human interface device (HID) tramite porta USB
- Protocolli di comunicazione nei sistemi elettronici: esempio e realizzazione di un semplice protocollo di comunicazione Point-to-Point tra FPGA, il protocollo UART, il protocollo SPI (realizzazione e simulazione di un SPI controller), il protocollo I2C (realizzazione e simulazione di un I2C controller)
- La periferica 3-axis accelerometer Analog Devices ADXL345: schema circuitale, reference manual, interfacciamento con la board Digilent Basys3, processing dei segnali provenienti dall'accelerometro
- La periferica Organic LED Graphic Display: schema circuitale, reference manual, interfacciamento con la board Digilent Basys3
- La periferica Serial PCM, 128 Mbit: reference manual, comunicazione con la memoria e interfacciamento con la board Digilent Basys3
- Processore RISC istanziato su FPGA tramite picoBlaze: introduzione al computing su FPGA, compilatore per RISC, gestione degli interrupts, implementazione e verifica del funzionamento
- La board di prototipazione analogica TI ASLKPRO: struttura e schematici, realizzazione di circuiti basati su amplificatori operazionali in configurazione invertente e non-invertente
- Utilizzare il DAC integrato sulla board TI ASLKPRO: pilotare il DAC tramite FPGA, esempi di interfacciamento fra boards di prototipazione analogiche e digitali
- PLL e VCO: realizzazione su board TI ASLKPRO
- Progetto di un generatore di forme d'onda programmabile: utilizzando quanto appreso nel corso si farà il design di un sistema elettronico integrato che utilizzerà entrambe le boards di prototipazione e tutti i concetti appresi nelle sessioni precedenti di laboratorio, partendo dal design del sistema alla sua implementazione finale Metodi didattici
- 3 Lezioni in aula
18 Esercitazioni di laboratorio su postazioni attrezzate con boards di sviluppo su FPGA (Digilent Basys3) e analog system training kit (TI ASLKPRO) Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame consiste nella presentazione di un progetto di un sistema elettronico integrato che preveda l'utilizzo di entrambe le boards di sviluppo usate durante il corso ed eventualmente anche delle periferiche utilizzate durante il corso. Il progetto può essere in comune fra diversi studenti. La valutazione avverrà comunque singolarmente per comprendere il contributo individuale di ogni studente alla realizzazione del progetto. Non esistono vincoli temporali relativi alla presentazione dello stesso, dato che l'esame può essere sostenuto in qualsiasi momento previo appuntamento con il docente.
Il superamento dell'esame è prova di aver acquisito le conoscenze e le abilità specificate negli obiettivi formativi dell'insegnamento.
L'esame può essere sostenuto anche in lingua inglese qualora lo studente lo richieda. Testi di riferimento
- Materiale didattico fornito dal docente e manuali di riferimento delle boards di prototipazione Digilent Basys3 e TI ASLKPRO.
Inoltre verranno resi disponibili tutti i datasheets delle periferiche e dei componenti utilizzati nelle esercitazioni di laboratorio
