Principi di progetto di sistemi embedded

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I processori embedded sono presenti nella maggior parte degli oggetti che vengono 
utilizzati quotidianamente, anche in quelli in cui mai ci si aspetterebbe di trovare un 
microprocessore. Attraverso i microprocessori infatti si possono implementare algoritmi 
sofisticati in grado di automatizzare e rendere molto più efficace la risoluzione di un 
determinato problema, oltre che di poter aggiungere un’interfaccia utente in grado di 
facilitare l’interazione tra il sistema e l’utente finale. 
Un esempio diffuso di sistema embedded sono le centraline elettroniche installate a 
bordo degli autoveicoli per il controllo del motore e dell'ABS. Altri esempi di sistemi 
embedded molto diffusi sono apparecchi POS, telefoni cellulari, centralini telefonici, 
apparati di reti informatiche come router o firewall, altri apparecchi elettronici come 
stampanti, fotocamere digitali, palmari, fotocopiatrici, console e videogiochi, hard disk, 
sistemi di automazione casalinghi come termostati, elettrodomestici come forni a 
microonde, lavatrici o TV, apparecchi medici come ecografi o risonanza magnetica, ecc. 
Ovviamente i sistemi embedded sono molto utilizzati anche in altri ambiti meno 
commerciali e più specifici come quello industriale (PLC per l’automazione 
industriale), quello aeronautico (sistemi di simulazione di volo o sistemi integrati di 
guida di missili), oltre che in controlli di processi fisici, chimici, termodinamici, ecc. 
Lo scopo della trattazione sarà quindi di fornire una panoramica sui sistemi embedded, 
partendo da una breve introduzione sulla storia e la diffusione di questi sistemi per 
arrivare alla descrizione del loro processo di progettazione. Il primo passo consiste 
nell’analisi dell’architettura hardware di un sistema embedded ed in particolare dei 
processori più diffusi che lo equipaggiano: ARM e SHARC. Successivamente verranno 
analizzati anche gli altri componenti di un sistema come le memorie e i dispositivi di 
I/O; anche in questo caso partendo con una descrizione generica della loro architettura 
per arrivare all’implementazione nei sistemi embedded. Il passo successivo consiste 
nello studio del processo di sviluppo del software: dalla scrittura del codice in 
linguaggio ad alto livello alla traduzione in linguaggio macchina, ponendo particolare 
attenzione alle tecniche di ottimizzazione che consentono di ottimizzare il software per 
l’esecuzione sui sistemi embedded. In conclusione verranno trattati gli acceleratori 
hardware come strumento per incrementare le prestazioni di un sistema, mantenendo 
relativamente contenuti i costi.  
 
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I SISTEMI EMBEDDED 
 
 
 
1.1 Storia
Il primo sistema embedded moderno fu l'Apollo Guidance Computer, sviluppato da 
Charles Stark Draper presso l’Instrumentation Laboratory del MIT a Boston. Su ogni 
volo sulla luna ne venivano imbarcati due su cui venivano eseguiti i programmi per i 
sistemi di guida inerziale del modulo di comando e del modulo LEM. 
Al momento della concezione, l'Apollo Guidance Computer era considerato uno dei più 
rischiosi oggetti all'interno del progetto Apollo. L'utilizzo di nuovi circuiti integrati per 
ridurne le dimensioni e il peso, aumentò considerevolmente il fattore di rischio. 
Il primo sistema embedded prodotto in massa fu il sistema di guida computerizzato 
Autonetics D-17 che si occupava della guida del missile Minuteman (1961). Questo 
sistema utilizzava circuiti logici realizzati con transistor e un hard disk come memoria. 
Quando nel 1966 venne prodotto il Minuteman II, il D-17 fu rimpiazzato da un nuovo 
computer che utilizzava dei circuiti integrati. 
La principale caratteristica di questo sistema era la possibilità di modificare 
successivamente l'algoritmo di guida per rendere il missile più preciso. Il computer 
inoltre eseguiva la diagnostica del missile consentendo un risparmio sul peso di cavi e 
connettori. 
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In seguito, proprio grazie all’utilizzo dei circuiti integrati, i sistemi embedded hanno 
subito una notevole diffusione grazie alla riduzione dei costi e alla crescita delle 
capacità di calcolo e delle funzionalità.  
Il primo microprocessore a singolo chip progettato per essere messo in commercio è 
stato l'Intel 4004, che venne montato su calcolatrici ed altri sistemi embedded di piccole 
dimensioni. Esso richiedeva chip di memoria esterni ed ulteriore logica di supporto. 
Verso la fine degli anni settanta, i microprocessori a 8 bit erano ormai molto diffusi, ma 
necessitavano sempre di memoria esterna e logica di decodifica. In ogni caso, i prezzi 
erano in caduta libera e sempre più applicazioni cominciarono ad adottare questo 
approccio, piuttosto che metodologie di progetto di circuiti con logica personalizzata. 
Nel settore delle automobili ad esempio, l’utilizzo dei microprocessori prese il via 
subito dopo l’uscita delle CPU a singolo chip. Il motivo scatenante fu una decisa 
impennata del costo della benzina nei primi anni settanta. I progettisti e gli ingegneri 
capirono che la possibilità di ottenere un motore con consumi inferiori si aveva solo 
attraverso l’utilizzo di complessi algoritmi di controllo, implementabili quindi solo 
attraverso i microprocessori. Si instaurò allora un trend, che continua tuttora, per cui i 
sistemi elettronici iniziarono a sostituire diverse parti meccaniche in quanto 
assicuravano notevoli vantaggi rispetto ad esse. 
Verso la metà degli anni ottanta, un maggiore grado di integrazione e in particolar modo 
la diffusione della tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration), permise il 
montaggio di altre componenti, in precedenza collegate esternamente, sullo stesso chip 
del processore. Questi sistemi integrati vennero chiamati microcontrollori ed ebbero 
subito una rapida diffusione. Con un così basso costo per componente infatti, 
risultavano molto più efficienti ed economici rispetto ai circuiti logici dedicati.  
Dalla fine degli anni ottanta, i sistemi embedded rappresentano la regola piuttosto che 
l'eccezione per gran parte dei dispositivi elettronici, tendenza che continua ancora oggi. 
 
1.2 Caratteristiche 
Come detto un sistema embedded può implementare algoritmi molto sofisticati, la cui 
complessità dipende dalle funzionalità richieste e dalle operazioni che verranno eseguite 
dal microprocessore. 
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Nell’implementare le funzionalità richieste un sistema deve anche rispettare alcuni 
vincoli importanti, come ad esempio operare in tempo reale o contenere il più possibile i 
consumi. Può accadere anche che un sistema debba essere molto veloce nell'esecuzione 
di alcune funzioni, ma possa tollerare velocità inferiori per altre attività (multirate). 
Molti sistemi embedded poi devono implementare un’interfaccia utente che includa 
diversi menu e una notevole quantità di opzioni (ad esempio uno sportello bancomat). 
I sistemi embedded devono perciò fornire funzionalità molto sofisticate rispettando però 
alcuni vincoli fondamentali (performance, consumi, dimensioni, ecc.). 
Fortunatamente, la maggior parte dei sistemi embedded necessita di performance che 
possono essere soddisfatte con una combinazione di hardware dedicato ed una quantità 
limitata di software ad alte prestazioni. Per avere un'idea, basti pensare ad un decoder 
per una televisione satellitare. Nonostante un sistema come questo debba elaborare 
megabit di dati al secondo, la maggior parte del lavoro è svolta da hardware dedicato 
che separa, regola e decodifica il flusso digitale multicanale in un'uscita video. Alla 
CPU embedded spetta determinare i percorsi dei dati nel sistema, gestire gli interrupt, 
generare e disegnare la grafica, e così via. Spesso quindi, la maggior parte dell'hardware 
di un sistema embedded deve sottostare a dei requisiti di prestazioni molto meno severi 
di quelli che, invece, deve rispettare l'hardware primario del sistema. Questo permette 
all'architettura di un sistema embedded di essere intenzionalmente semplificata rispetto 
a quella di un computer generico che deve eseguire le stesse operazioni, usando ad 
esempio una CPU più economica, ma dedicata. 
Nel caso di sistemi che devono essere commercializzati su larga scala, ridurre i costi 
diventa una priorità. Sistemi di questo genere sono dotati di una CPU altamente 
integrata, un chip dedicato a tutte le altre funzioni ed un singolo banco di memoria.  
Ogni componente viene selezionato e progettato per ridurre il più possibile i costi.  
Per progettare sistemi embedded che non devono gestire una grossa mole di dati, 
possono essere utilizzati anche i personal computer, riducendo il numero di programmi 
installati, ed utilizzando un sistema operativo specifico.  
I sistemi embedded spesso non hanno sistema operativo, oppure ne hanno uno 
embedded specializzato, solitamente un RTOS (Real-Time Operating System).  
Alcuni sistemi embedded devono poter restare attivi continuativamente per anni senza 
errori, devono pertanto essere progettati e collaudati con molta attenzione. 
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Inoltre, alcuni sistemi potrebbero non essere fisicamente accessibili (come le trivelle dei 
pozzi di petrolio, oppure i componenti lanciati nello spazio) e spesso in applicazioni 
real-time non è possibile arrestare il sistema per effettuare dei controlli; il sistema deve 
quindi essere capace di eseguire una auto-verifica interna e resettarsi autonomamente in 
caso di perdita o corruzione dei dati. Questa funzionalità è molto spesso ottenuta con 
l'inserimento di un componente elettronico chiamato watchdog, che riavvia il computer 
a intervalli regolari; il software, periodicamente, provvede a resettare il timer interno del 
componente. 
Ci sono diversi tipi principali di verifiche, divise in base alla funzione o componente 
controllata:  
• Verifica Calcolatore (CPU e memoria): si effettua una volta all'accensione. Nei 
sistemi critici si effettua anche periodicamente o continuativamente. 
• Verifica Periferiche: simula gli ingressi e misura gli output corrispondenti. 
• Verifica Alimentazione: controlla il tipo di ingresso (batterie o rete) e ne 
verifica l’effettiva capacità di alimentazione. 
• Verifica Comunicazione: verifica la ricezione di semplici messaggi da parte 
delle unità connesse. 
• Verifica Cablaggi: verifica lo stato dei vari collegamenti. 
• Verifica Attrezzaggio: permette di regolare un sistema quando viene installato. 
• Verifica Consumi: misura le risorse utilizzate dal sistema e avvisa quando sono 
insufficienti. 
• Verifica Operativa: viene effettuata lavorando effettivamente sul sistema 
mentre è in funzione. 
• Verifica di Sicurezza: eseguita periodicamente secondo un intervallo di 
sicurezza, assicura che il sistema sia ancora affidabile. 
 
1.3 Progetto 
I componenti usati più frequentemente sono i microprocessori o i microcontrollori. 
Perché proprio i microprocessori? Esistono infatti molti altri metodi per creare sistemi 
digitali come ad esempio l’utilizzo di logica personalizzata, o di FPGA (Field-
Programmable Gate Arrays). 
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La scelta ricade sui microprocessori innanzitutto perché permettono di sviluppare 
facilmente famiglie di prodotti in grado di offrire caratteristiche diversificate e, in 
secondo luogo, perché garantiscono la possibilità di estendere facilmente il sistema per 
soddisfare nuove richieste. Inoltre, sebbene potrebbe non sembrare così, attraverso un 
processore con un set istruzioni preimpostato l’implementazione di un’applicazione 
risulta più veloce piuttosto che con gli altri metodi. Si potrebbe pensare infatti che le 
fasi di fetching, di decoding e di esecuzione delle istruzioni comportino un notevole 
dispendio di risorse ma vi sono due fattori che rendono la progettazione attraverso 
microprocessori maggiormente efficiente. Il primo consiste nel fatto che spesso questo 
dispendio viene nascosto con un intelligente utilizzo del parallelismo dentro la CPU. Il 
secondo è che le grandi case produttrici investono molto nello sviluppo per 
incrementare le prestazioni dei microprocessori e lo sviluppo di nuovi esemplari sempre 
più potenti. Così anche se la logica risparmia il dispendio di risorse e tempo dovuto a 
fetch ed esecuzione delle istruzioni, di fatto, spesso dà luogo a sistemi più lenti. 
Inoltre un microprocessore può essere utilizzato da diversi algoritmi solo cambiando il 
programma che questo esegue, mentre per implementare diversi algoritmi attraverso la 
logica bisognerebbe creare diversi blocchi personalizzati.  
 
1.3.1 Processo di Progettazione 
Come detto in precedenza il progetto di un sistema embedded deve assicurare un giusto 
compromesso tra l’implementazione delle funzionalità richieste e il rispetto di alcuni 
vincoli, in modo da far risultare il sistema il più efficiente possibile. 
Il processo di progettazione si può definire attraverso alcuni passi fondamentali: 
1. Definizione dei requisiti: sono una descrizione informale di ciò che il committente 
vuole e possono essere funzionali o non funzionali. 
• Requisiti funzionali: descrivono le funzionalità del sistema, cioè i servizi che 
deve fornire, come dovrebbe reagire a particolari input e il comportamento in 
particolari situazioni; sono esplicitabili attraverso funzioni matematiche. 
• Requisiti non funzionali: vincoli sui servizi o sulle funzioni offerte dal 
sistema, solitamente si applicano al sistema completo e sono più critici da 
definire e da implementare di quelli funzionali.  
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Esempi tipici di requisiti non funzionali sono performance, costi, dimensioni 
e consumi di un sistema. 
Il primo step si conclude con la convalida dei requisiti. Una buon modo per raffinare 
il sistema, o almeno l’interfaccia utente, è la costruzione di un mock-up, 
un’anteprima di come sarà il prodotto che permette al cliente di avere un’idea sul 
soddisfacimento dei requisiti richiesti. 
2. Specifiche: definiscono come il sistema si comporta, indipendentemente da come 
viene costruito. Devono essere più precise dei requisiti e costituiscono in pratica un 
contratto tra cliente e sviluppatore; devono quindi riflettere scrupolosamente ciò che 
il committente vuole, non devono perciò presentare nessun tipo di ambiguità. Le 
specifiche vengono spesso descritte in linguaggio UML. 
3. Architettura: descrive come il sistema deve implementare le specifiche e le 
funzionalità richieste; viene descritta attraverso schemi a blocchi che mostrano le 
operazioni più importanti e il flusso di dati attraverso le varie parti del sistema, 
evidenziando quali operazioni devono essere svolte sequenzialmente e quali invece 
possono agire in parallelo. 
Solo dopo aver definito un’architettura iniziale si può affinare lo schema a blocchi. 
L’architettura deve essere concepita per rispettare sia i requisiti funzionali che quelli 
non funzionali, bisogna quindi conoscere come hardware e software impiegano le 
risorse, le loro velocità, i loro consumi, ecc. 
4. Componenti: la descrizione dell’architettura definisce quali componenti verranno 
utilizzati (sia parti hardware che moduli software) nel sistema. Bisogna fare 
un’analisi dettagliata dei singoli componenti; alcuni saranno già stati creati, altri 
andranno creati al momento. 
5. System Integration: una volta che si hanno a disposizione tutti i componenti si 
passa alla loro integrazione nel sistema finale, fase che comporta ulteriori 
aggiustamenti per far sì che tutto interagisca in modo adeguato. Gli errori infatti 
sono quasi tutti scoperti in fase di integrazione. È dunque la fase più critica in 
quanto può nascondere parecchi problemi che possono anche comportare il ritorno a 
fasi precedenti per la loro risoluzione. 
 
Questi passi costituiscono la modellizzazione top-down del processo di progettazione.