Progetto e realizzazione su FPGA di un sistema di acquisizione e sincronizzazione dati

20 2 SISTEMI ELETTRONICI DIGITALI SINCRONI CON PIPELINE 2.1 La sincronizzazione In informatica, la sincronizzazione è la problematica dell'ordinamento temporale di operazioni. Se tutte le operazioni sono eseguite in serie, il problema della sincronizzazione non sussiste. Tutta- via, spesso, per sfruttare meglio il sistema e quindi accelerare le elaborazioni, si ricorre al paralleli- smo, che consiste nell'iniziare più flussi di esecuzione contemporanei (multithreading). Fintanto che le operazioni eseguite in parallelo usano parti distinte del sistema, non ci sono problemi, ma, quando due componenti hardware o software operano in parallelo sulla stessa parte del sistema, si può avere un conflitto. Il codice che può essere eseguito solo da un processo alla volta (perché contiene dati condivisi, ac- cesso a risorse, ecc.) si chiama sezione critica. Ora occorre introdurre una metodologia di progettazione di un sistema digitale sincrono. Alla base di tutto sta l'individuazione di un insieme di stati, in ciascuno dei quali si esplica una ben determi- nata azione(controllo, calcolo, decodifica ecc..); gli stati vengono via via assunti dal sistema per realizzare una operatività e vengono ripercorsi ciclicamente. Infatti, perché una macchina sia utile e necessario che essa operi ciclicamente, cioè che possa ripetere il proprio ciclo tante volte, quan- te sono richieste per realizzare l'operatività desiderata. Per tutto questo un sistema sequenziale sincrono può essere definito una macchina a stati sincrona. Intendendo realizzare un sistema digitale, dapprima se ne pianifica l'architettura complessiva, poi si passa alla progettazione delle macchine a stati che lo compongono, e infine si sviluppano le uni- tà di elaborazione dei dati. Il progetto delle macchine a stati è probabilmente il compito più creati- vo a cui è chiamato il progettista digitale. 2.2 Struttura generica di un sistema sincrono In genere un sistema sequenziale è complesso, quindi non è possibile trattarlo come un'unica uni- tà. Nella stragrande maggioranza dei casi però i sistemi digitali possono essere suddivisi in più parti o sottosistemi, gerarchicamente organizzati e che sono singolarmente trattabili in maniera sempli- ce. Se un sistema elabora numeri o segnali vocali digitalizzati o dati da un impianto tecnologico, una certa sua parte, che sarà indicata come unità dati, svolgerà i compiti di memorizzare, distribui- re, combinare o generalmente di elaborare dati. Un'altra parte del sistema, che sarà indicata come unità di controllo, si occuperà di far funzionare l'unità dati, di verificare eventuali condizioni opera- tive e di decidere che cosa fare secondo le circostanze. In genere, solo l'unità di controllo funziona da macchina a stati e come tale deve essere progettata. In fig. 2.1 è dato lo schema a blocchi gene- rale di un sistema, in cui sono indicate l'unità di controllo (CONTROL UNIT) e l'unità dati (DATA UNIT) insieme con le unità di INPUT e di OUTPUT.