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Studio di fattibilità di una centralina di controllo riconfigurabile su FPGA
di Pietro Sarro, Giuseppe Scappatura

Copyright © 2008 P. Sarro, G. Scappatura


I sistemi embedded rivestono una porzione sempre più cospicua della progettazione elettronica attuale; essi costituiscono l'espressione della crescente applicazione dell'elettronica in oggetti di uso comune e in applicazioni industriali. Il più delle volte, questo tipo di sistemi sono pensati e creati per agire in modo "invisibile" agli occhi di chi ne beneficia, da cui deriva l'aggettivo <<embedded>> (incapsulato).
    Un moderno sistema embedded si basa su elettronica di tipo digitale, che si interfaccia con il mondo fisico mediante circuiteria analogica. Insieme, queste due costituiscono ciò che viene designato hardware del sistema. Con l'accresciuta complessità di questi sistemi, sempre più spesso viene inclusa anche una porzione di codice operativo, che ne costituisce la sezione software (o firmware).
    La tipica caratteristica di un sistema embedded è quella di essere creato per svolgere un insieme di compiti specifici, con determinate prestazioni e un certo livello di affidabilità. Non è raro, comunque, nella moderna offerta di questo tipo di prodotti, trovare piattaforme che permettano una configurazione delle funzioni implementate a bordo.
Di solito, quando si pensa alla configurabilità, ci si riferisce ad una personalizzazione di funzioni software; tuttavia con i continui miglioramenti che l'industria elettronica propone nel campo di dispositivi come le FPGA, si può puntare ad un ulteriore grado di personalizzazione che includa anche le funzionalità hardware.
    Questa tesi si colloca nell'ambito di un più ampio e complesso lavoro di riprogettazione di una centralina di controllo di tipo PC104 denominata EKU e giunta, al momento della stesura di questo documento, alla sua versione 2.1. Si tratta essenzialmente di un sistema embedded basato su FPGA e DSP, indirizzato alla realizzazione di controlli digitali con un occhio di riguardo alla riconfigurabilità e a problemi di Tempo Reale.
    Tale piattaforma di controllo va gerarchicamente a collocarsi tra il macchinario da controllare (PLANT) e l'interfaccia utente che ne permette l'utilizzo (HMI), e costituisce il trait d'union dei due sistemi. Abbiamo, sulla stessa scheda, una macchina di calcolo spiccatamente sequenziale e scritta su silicio, quale il DSP, e un dispositivo che è -per sua stessa natura- propenso alla realizzazione di hardware parallelo e riprogrammabile come l'FPGA; tale accostamento è il punto d'arrivo di una ricerca di compromesso (trade-off) tra prestazioni e flessibilità d'applicazione.
Nell'ambito di una simile ricerca, nasce il desiderio di muoversi verso una soluzione sempre più riprogrammabile e personalizzabile dall'utente finale; ciò è ottenibile dando sempre maggior centralità a un dispositivo come l'FPGA. Tale strategia è avvalorata dal continuo miglioramento in termini di prestazioni e di razionalizzazione dei consumi che i costruttori di FPGA apportano ad ogni nuova generazione dei loro prodotti. Che il gap tra implementazione ASIC e riprogrammabile si stia assottigliando è un fatto, e ciò lascia intravedere che il prossimo stadio evolutivo delle schede di controllo come la EKU, possa essere una soluzione in cui il classico DSP "hard" venga completamente soppiantato da una sua versione "soft" scritta su FPGA.
    Ciò che muove la nostra progettazione è la ricerca di maggior configurabilità nella nuova scheda di controllo; oltre a questo, siamo interessati a migliorare in modo mirato alcune performance. La chiave per ottenere tutto ciò è un hardware fatto su misura, ed è per questo che il grande attore della nuova EKU è l'FPGA.
    Tra le diverse opportunità delineatesi per perseguire l'obiettivo, è stata presa la decisione di portare avanti lo studio di fattibilità di una soluzione basata, appunto, su FPGA, con l'aggiunta del soft-processor NIOS II.
Si è resa necessaria una breve analisi sulle esigenze addotte dal nuovo processore e l'osservazione delle possibilità offerte dal mercato; in considerazione di questo, si è reso opportuno un upgrade dei componenti più importanti nell'architettura generale della scheda.
    Per proseguire nella nostra progettazione abbiamo compiuto un ulteriore passo di avvicinamento alla realizzazione in hardware dell'oggetto in esame. Ciò ci ha portato alla prototipazione del sistema studiato; i prototipi ottenuti sono serviti anche alla verifica, tramite misure, delle stime effettuate in precedenza. I risultati di queste rilevazioni hanno dimostrato che esiste la possibilità di implementare controlli a performance elevate su una scheda basata su FPGA e NIOS II.
La prototipazione ha incluso, oltre alla valutazione mirata delle performance, anche la vera e propria costruzione di tutti gli elementi necessari al funzionamento di parti della EKU.
Tra questi, citiamo quelli da noi portati in essere nel corso del lavoro di tesi:
  • il riadattamento del codice sorgente, relativo ad una parte del sistema operativo, in modo da renderlo eseguibile su NIOS II;
  • la sezione di acquisizione Analogico/Digitale;
  • la sezione di conversione Digitale/Analogico;
Oltre a verificare la fattibilità di queste realizzazioni, abbiamo potuto saggiare le difficoltà che possono presentarsi lungo il percorso tra il progetto su carta ed il prototipo funzionante.
    In conclusione del nostro lavoro di tesi, si può affermare che la configurazione di scheda di controllo che abbiamo sperimentato, con l'FPGA che riveste il ruolo principale accollandosi anche i compiti dell'attuale DSP, è ben promettente per un aggiornamento del sistema di controllo EKU 2.1. Infatti le prestazioni risultano soddisfacenti nei campi a cui eravamo più interessati ed esiste un effettivo miglioramento delle possibilità di personalizzazione dell'hardware.
    Gli sviluppi futuri del nostro lavoro dovrebbero avere come primo obiettivo il completamento e l'unione dei prototipi già sviluppati, continuando a raccogliere dati sulle loro prestazioni, ed il prosieguo del lavoro di prototipazione, andando a realizzare tutte le rimanenti funzioni della EKU 2.1.
Ultimate queste, si potranno esplorare nuove funzionalità, resesi disponibili grazie alla grande configurabilità di questa architettura, come ad esempio la possibilità di realizzare un calcolatore di tipo multicore, includendo più NIOS II sulla stessa FPGA. Dovessero tutte queste prove e verifiche soddisfare le esigenze di una scheda di controllo degna di rimpiazzare proficuamente la EKU 2.1, si potrebbe passare alla progettazione del layout vero e proprio dell'intera scheda, quindi alla sua produzione.

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