Corso di ingegneria embedded

Lezione 1 • Cos'è un sistema embedded

Definisce i sistemi embedded contrapponendoli ai computer generici. Ancora il capitolo stabilendo i vincoli di progettazione che guidano tutti gli argomenti successivi.

Lezione 2 • Selezione tra microcontrollore e microprocessore

Confronta i compromessi tra MCU e MPU in termini di costo, potenza e integrazione. Fornisce agli studenti gli strumenti per giustificare le scelte di piattaforma nelle revisioni di progetto.

Lezione 3 • Panoramica dell'architettura dei sistemi embedded

Mappa i principali blocchi hardware presenti nei target embedded. Fornisce un modello mentale strutturale utilizzato durante tutto il corso.

Lezione 4 • Fondamenti della toolchain di sviluppo

Introduce gli strumenti compilatore, linker, debugger e programmatore utilizzati quotidianamente. Collega la conoscenza degli strumenti al lavoro pratico produttivo nei capitoli successivi.

Lezione 1 • I/O mappato in memoria e accesso ai registri

Spiega come i registri delle periferiche appaiono nello spazio di indirizzamento. Fornisce il modello di accesso utilizzato in ogni successivo esercizio sui driver.

Lezione 2 • Timer e generazione PWM

Insegna le modalità del contatore del timer, le unità di cattura e confronto e l'uscita PWM. I timer sono alla base del controllo motori, della generazione di segnali e della misurazione dei tempi.

Lezione 3 • Configurazione e controllo GPIO

Tratta la direzione dei pin, la corrente di uscita, i resistori di pull e le funzioni alternative. Il GPIO è il punto di ingresso per ogni interazione fisica con l'hardware.

Lezione 4 • Interfacce analogiche: ADC e DAC

Configura i convertitori digitale-analogico e analogico-digitale per l'acquisizione del segnale. L'interfacciamento analogico è essenziale per le applicazioni embedded basate su sensori.

Lezione 1 • Architettura del controllore di interrupt

Spiega il controllore di interrupt vettorizzato annidato e il layout della tabella dei vettori. Questa base è necessaria prima di poter scrivere qualsiasi ISR in sicurezza.

Lezione 2 • Pattern di comunicazione guidati da interrupt

Implementa buffer circolari e macchine a stati all'interno delle ISR per dati seriali. Dimostra pattern di qualità di produzione utilizzati nel firmware commerciale.

Lezione 3 • Debug dei problemi legati agli interrupt

Identifica e risolve inversione di priorità, interrupt persi e overflow dello stack. Le competenze di debug colmano il divario tra teoria e comportamento affidabile dell'hardware.

Lezione 4 • Sorgenti di interrupt esterne e periferiche

Configura linee esterne sensibili al fronte e interrupt generati dalle periferiche. Collega la teoria degli interrupt agli eventi reali di sensori e comunicazione.

Lezione 1 • Pattern di progettazione del firmware

Applica i pattern observer, command e strategy adattati per target con risorse limitate. I pattern riducono l'accoppiamento e migliorano la manutenibilità a lungo termine.

Lezione 2 • Pattern scheduler e super-loop

Confronta super-loop cooperativo, schedulatore a divisione di tempo e guidato da eventi. La scelta dello schedulatore giusto determina la reattività e la complessità del sistema.

Lezione 3 • Architettura firmware a strati

Introduce i livelli di astrazione hardware, driver e applicazione. La stratificazione isola le dipendenze hardware e consente il test unitario della logica di business.

Lezione 4 • Progettazione di macchine a stati finiti

Modella il comportamento del sistema come stati, eventi e transizioni utilizzando pattern FSM. Le FSM sono lo strumento principale per gestire il flusso di controllo complesso nel firmware.

Lezione 1 • Comunicazione tra task

Utilizza code, mailbox e buffer di flusso per passare dati tra i task in modo sicuro. Pattern di comunicazione corretti eliminano la corruzione dei dati nel firmware concorrente.

Lezione 2 • Analisi della memoria e dei tempi RTOS

Misura l'uso della CPU dei task, i livelli massimi dello stack e la frammentazione dell'heap. L'analisi a runtime convalida che i budget di temporizzazione e memoria siano rispettati.

Lezione 3 • Concetti RTOS e interni del kernel

Spiega algoritmi di scheduling, cambio di contesto e interrupt di tick. Comprendere gli interni del kernel previene l'uso improprio delle API RTOS.

Lezione 4 • Primitive di sincronizzazione

Applica mutex, semafori e gruppi di eventi per coordinare l'esecuzione dei task. Una corretta sincronizzazione previene corse critiche e deadlock.

Lezione 1 • Fondamenti e implementazione del bus CAN

Copre la struttura del frame CAN, l'arbitrato e il contenimento degli errori. CAN è il protocollo dominante nei sistemi embedded automotive e industriali.

Lezione 2 • Tecniche di debug dello stack di protocollo

Utilizza analizzatori di protocollo e decodificatori software per isolare i guasti di comunicazione. Un debug sistematico riduce il tempo di integrazione su sistemi multi-nodo.

Lezione 3 • Modbus e protocolli seriali industriali

Implementa Modbus RTU e ASCII su UART per reti di sensori e attuatori. I protocolli industriali sono conoscenze richieste per ruoli nell'automazione di fabbrica.

Lezione 4 • Fondamenti dei dispositivi USB

Spiega l'enumerazione USB, i descrittori e la classe CDC per porte seriali virtuali. La conoscenza dei dispositivi USB consente lo sviluppo di prodotti embedded connessi al PC.

Lezione 1 • Analisi e convalida del budget di potenza

Costruisce un budget di potenza a livello di sistema e lo convalida rispetto ai dati misurati. La convalida del budget conferma che gli obiettivi di progetto siano raggiunti prima del rilascio del prodotto.

Lezione 2 • Clock gating e controllo della potenza delle periferiche

Disabilita i clock delle periferiche inutilizzate e i domini di potenza a runtime. Il clock gating elimina la potenza inattiva delle periferiche senza influenzare la funzionalità attiva.

Lezione 3 • Ciclo di lavoro di sensori e radio

Pianifica il campionamento dei sensori e le trasmissioni radio per ridurre al minimo il tempo attivo. Il ciclo di lavoro prolunga la durata della batteria di ordini di grandezza nei nodi IoT.

Lezione 4 • Fondamenti del consumo di potenza

Quantifica la potenza dinamica, statica e di dispersione nei circuiti MCU e periferici. Una modellazione accurata della potenza è il prerequisito per qualsiasi sforzo di ottimizzazione.

Lezione 1 • Test hardware-in-the-loop

Esegue il firmware su hardware reale stimolando gli ingressi in modo programmatico. Il test HIL convalida la temporizzazione e il comportamento delle periferiche che i simulatori non possono replicare.

Lezione 2 • Iniezione di guasti e test di robustezza

Introduce deliberatamente glitch di potenza, dati corrotti ed errori di bus per testare il ripristino. I test di robustezza rivelano le modalità di guasto prima dell'implementazione sul campo.

Lezione 3 • Analisi statica e qualità del codice

Esegue analizzatori statici e applica standard di codifica per eliminare comportamenti indefiniti. Gli strumenti di qualità del codice completano i test dinamici per firmware critici per la sicurezza.

Lezione 4 • Affidabilità e analisi delle modalità di guasto

Applica l'FMEA per identificare e mitigare sistematicamente le modalità di guasto del firmware. L'analisi di affidabilità è richiesta per i prodotti soggetti a certificazione di sicurezza.