Progetto e realizzazione tramite FPGA di un encoder/decoder basato sull’algoritmo di Huffman

La maggior parte dei sistemi di elaborazione non è costituita da personal computer, piuttosto da dispositivi in stretta relazione con l’ambiente in cui operano, in genere con compiti e funzioni prefissate. Per questi motivi non richiedono di caricare programmi specifici per poter funzionare, né di interfacce tradizionali come tastiere e monitor ([CB09]). Si parla quindi di sistemi invisibili, pervasivi e facenti ormai parte della quotidianità.

Questi sistemi sono detti embedded (o dedicati) e dominano il mercato, seppur non in maniera così evidente rispetto ai sistemi general purpose, come i personal computers. Si pensi ad esempio ad alcuni apparati che contengono sistemi elettronici dotati di almeno un microprocessore, quali cellulari, lavatrici, lavapiatti, carte di credito, etc.: tali sistemi fanno parte della quotidianità di chiunque e questo non fa che confermare la precedente affermazione.

Una definizione informale di sistema embedded è la seguente ([Emb]) Un sistema embedded è un sistema di elaborazione arbitrariamente complesso contenuto entro un generico apparato o impianto, e da esso normalmente non separabile senza perdita di funzionalità; tale sistema di elaborazione risulta usualmente inaccessibile in modo diretto, ed è dedicato esclusivamente al controllo dell’apparato o del sistema che lo ospita. Il dispositivo, indifferentemente pre-programmato o (parzialmente) riprogrammabile, è per costruzione specificamente dedicato ad un ristretto numero di funzioni di misura e controllo.

Per realizzare un sistema embedded, si possono adottare diverse architetture, a diversi livelli di specializzazioni, a costi, prestazioni e complessità differenti. Una prima soluzione prevede l’uso di un personal computer, ma questo nasce principalmente per essere versatile, in grado cioè di adattarsi a molteplici applicazione per mezzo di opportuni software che sono in grado di utilizzare l’harware a disposizione per realizzare un compito specifico.

Ovviamente l’architettura hardware di supporto contiene in genere risorse sovrabbondanti rispetto alle singole e specifiche applicazioni, dal momento che versatilità e ottimizzazione sono obiettivi contrastanti. Seppur efficaci in molti contesti applicativi, i sistemi general purpose sono cablati e quindi non è possibile nessuna modifica se non agendo dall’esterno, risultando di difficile utilizzo quando costi e consumi diventano un limite nel dato contesto applicativo.

Un sistema dedicato ad un’applicazione o ad una classe molto specifica di applicazioni può invece essere fortemente ottimizzato, venendo meno il requisito di garantire la versatilità. In questo caso, sulla base di una conoscenza approfondita dell’applicazione, si può dimensionare in modo corretto ed ottimale la capacità di calcolo scegliendo opportunamente il microprocessore ed eventualmente utilizzando componenti hardware aggiuntivi per ridurre la potenza di elaborazione richiesta al processore stesso. Vi sono diversi ambiti in cui è preferibile l’utilizzo di un sistema embedded piuttosto che di un sistema general purpose (vedi [CB09]):

Peso e dimensioni - l’ingombro fisico del sistema diviene determinante, soprattutto per i dispositivi che non prevedono una collocazione fissa.

Costo: è un fattore determinante soprattutto per le produzioni in grandi volumi, tipiche dell’elettronica di consumo.

Consumo energetico - sempre più sistemi stanno diventando portabili, pertanto un basso livello di consumo energetico consente di avere batterie meno costose, più piccole e leggere e/o di ottenere durate del sistema che ne rendano pratico l’uso.

Dimensione del codice - nella maggior parte dei casi, i sistemi embedded sono completi, ovvero il loro software risiede in un supporto di memoria permanente integrato nello stesso chip o sulla stessa board del microprocessore. Questo vincolo si riflette, soprattutto per motivi di costo e ingombro, sulla dimensione del codice che deve quindi essere il più possibile contenuta.

Prestazioni - dipendono dall’applicazione e in generale devono soddisfare due tipi di vincoli: il tempo di reazione a un evento e il tempo di gestione dell’evento stesso eseguendo il codice ad esso associato. Questi vincoli si tradurranno in soluzioni architetturali mirate a soddisfare tali requisiti mantenendo un costo limitato.

Tempo reale - un sistema (o una parte di esso) è soggetta a vincoli real time se alcune delle operazioni svolte devono essere iniziate o completate entro un tempo fissato ben preciso.

Affidabilità - in molti casi è necessario garantire il rispetto di rigide norme di certificazione che prevedono un’accurata analisi dei potenziali guasti, anche in termini di probabilità che il sistema si guasti.

Safety - Indica una misura della possibilità che a fronte di un guasto il sistema non provochi conseguenze gravi alle cose o alle persone con cui interagisce.

Sicurezza - Da non confondere con la safety è la sicurezza o security, ovvero la capacità di un sistema di proteggere le informazioni e di verificarne l’autenticità.

Time-to-market e flessibilità - Le metodologie e le tecnologie scelte per il progetto devono essere scelte in modo da consentire di arrivare al prodotto entro tempi stringenti, in modo da cogliere il massimo delle opportunità di mercato. Questo significa, per esempio, ricorrere ad un approccio alla progettazione che consenta di modificare il progetto in corso d’opera, visto che le fasi iniziali della progettazione avvengono quasi in parallelo alla stesura delle specifiche.