Università di Trieste 4 Maggio 2006

1. Università di Trieste 4 Maggio 2006 “ Progettazione e realizzazione di moduli a microprocessore ad alte prestazioni ” - Progettare per Produrre : dalla teoria alla pratica -

2. Agenda • Parte I • presentazione della società • sistemi embedded e moduli embedded • Parte II • Concept Product (specifiche di progetto) • Progetto (schema elettrico/meccanico, PCB Mastering) • Prototipazione e Debug • Certificazione (pre-EMC, EMC) • Parte III • Progetto del modulo FLEXY su FPGA • Signal Integrity • Distribuzione dei clock • Sistema di alimentazione e reti di bypass • Placement e disposizione dei segnali 2

3. Chi siamo • DAVE S.R.L. • via Forniz 2 , 33080 Porcia • tel. +39.0434.921215 • fax +39.0434.1994030 • e-mail: info@dave-tech.it • web: www.dave-tech.it • fondata nel 1998 3

4. Servizi e Prodotti • Moduli CPU (SOM “System On Module”) • Sistemi embedded completi • Servizi di Progettazione • Porting (Linux, uCLinux, eCos, Windows CE) • Drivers • Applicazioni 4

5. Sistema Embedded: definizioni • molte definizioni in letteratura; non c'e' una definizione universalmente riconosciuta • Sistema Embedded è un sistema specializzato, incorporato in un dispositivo fisico in modo tale che possa controllarne le funzioni tramite un apposito programma software dedicato • un Sistema Embedded è tipicamente dotato delle risorse hardware minime indispensabili per espletare le funzioni per cui è preposto 5

6. Sistema Embedded: la struttura 6

7. Sistema Embedded: i tipi “General Purpose” (Pentiums II/III/IV, PowerPC, SPARC, Athlon ecc.) • software general purpose (da applicazioni da ufficio a simulazioni di sistemi biologici) • s.o. “pesanti” (Unix, Linux, Windows NT ecc.) • applicazioni: Personal Computer, workstation, servers,... • Assorbimento di corrente(potenza) notevole / necessità di ventole Processori embedded: ARM, x86 (AMD520, Geode), Hitachi SH-3/4, MIPS, PowerPC • singolo programma • s.o. estremamente ridotto, spesso real-time • supporto funzionalita' DSP • applicazioni: telefonia cellulare, elettronica di consumo, controllo industriale ecc. Microcontrollori • il costo ridotto e' l'obiettivo fondamentale • parallelismo ridotto (tipicamente 8 bit) • volumi di produzione enormi • applicazioni: automobili, termostati, telecomandi ecc. 7

8. Cosa “intendiamo” per sistema embedded • differenze rispetto ad un sistema PC classico: • frequenze di lavoro (potenza di calcolo) tipicamente di molto inferiori • tagli di memoria notevolmente inferiori • dispositivi di I/O spesso molto piu' primitivi o addirittura assenti • molte architetture non x86 profondamente incompatibili tra loro (ARM, PowerPC, MIPS, SH-4 ecc.) • diversa endianness • diverso set di istruzioni • diversa organizzazione della memoria 8

9. Dualità tra SOM e PC104 • PC104 è standard (SOM no) • PC104 include i connettori (SOM no) • Su PC104 le espansioni sono a standard • Con i SOM controllo i consumi • SOM è predisposto per il plug su host • Consumo ! • Costi 9

10. Moduli Embedded: perchè • Forniscono una soluzione hardware-software completa per la parte high-tech di un sistema embedded • Permettono di concentrarsi sulle altre problematiche realizzative del dispositivo in cui verranno integrati 10

11. Moduli Embedded: la struttura 11

12. Moduli Embedded: CPU / tipologie • Entry/Small Networking: • ARM7TDMI [famiglia B2] • Industry Standard: • ARM920T [Zefeer] • Portable: • ARM920T [Parsy] + Xscale [Rocket] • Intensive Computation: • PowerPC [PPChameleon + Flexy] 12

13. B2:Entry/Small Networking [ARM7TDMI] 13

14. PPChameleon: Intensive Computation [PowerPC] 14

15. Industry Standard:ARM920T [Zefeer] 15

16. Portable : ARM920T [Parsy] 16

17. La gamma(periferiche) 17

18. Agenda • Parte I • presentazione della società • sistemi embedded e moduli embedded • Parte II • Concept Product (specifiche di progetto) • Progetto (schema elettrico/meccanico, PCB Mastering) • Prototipazione e Debug • Certificazione (pre-EMC, EMC) • Parte III • Progetto del modulo FLEXY su FPGA • Signal Integrity • Distribuzione dei clock • Sistema di alimentazione e reti di bypass • Placement e disposizione dei segnali 18

19. Processo realizzativo • Concept Product (specifiche di progetto) • Progetto (schema elettrico/meccanico, PCB Mastering) • Prototipazione e Debug • Certificazione (pre-EMC, EMC) 19

20. Concept Product Scelte dei componenti fondamentali: • Microprocessore (Architettura, famiglia , casa) • Memorie FLASH e SDRAM • External Controller (USB, ETH) • Power Supply Unit Specifiche di progetto: • Potenza di calcolo CPU • Risorse di memoria volatile/non volatile • Periferiche integrate (Porte RS-232,USB, ETH, CAN, LCD controller ecc.) • Periferiche AUX on board (RTC, EEPROM, ID dev.) • Range di Temp. (C / I) • Format meccanico (min/max) • Power Supply • Volumi annui di produzione 20

21. Da schema elettrico a PCB Schema elettrico + Spec. Mecc. comp + Indicazioni di sbroglio Routing Place Signal integrity PCB Designer HW Engineer 21

22. Schema elettrico • Electric CAD • Componenti di libreria proprietaria omologati • Inserimento componenti ausiliari a scopo debug primo prototipo, misure generiche, test • Predisposizione soluzioni per EMC • Indicazioni per PCB Routing: Piste critiche, piani GND/VCC e isole GND/VCC 22

23. Hot nets : Nets critiche • Clock: alim. uP, uP-RAM, ext. Chip (ETH, USB, LCD ecc.) • Alimentazione uP [10-50 Mhz] • uP-RAM (SCLK) [50-200 Mhz] • Ext chip (ETH CON , USB CON, LCD, ecc) [10-40Mhz] • Res di term. Serie (Rts) 22-68ohm con alternativa 0 ohm obbligatoria (EMC) • Segnali di controllo memorie e chip (Unidirezionali) • Rtfacoltativa • BUS Unidirezionali : • ADDRESS BUS (20-30 traces) • RGB BUS (10-24 traces) • BUS Bidirezionali: DATA BUS (32 traces) • No Rt per BUS se BUS < 100 Mhz , necessarie e di vario tipo se > 400Mhz (DDR) • Eventuali piste analogiche • Piste di guardia • Bus differenziali: RS485, CAN; ETH, LVDS, DVI (impdenza controllata) 23

24. PCB Routing Rules e Indicazioni • Clock, segnali di controllo del bus • Piste piu' corte possibili • Percorsi lineari • Unico layers (NO VIAS) • Resistenze di terminazione [Rt] vicine alla sorgente (22-68ohm) • BUS Unidirezionali : Equalizzazione lunghezza piste • BUS Bidirezionali: Equalizzazione lunghezza piste [No Rt] • Nets analogiche : piste di guardia , layers dedicato ecc. • Bus differenziali: impedenza controllata, • Lunghezza minima, percorsi lineari, no incroci, no vias • Indicazioni di portata di corrente max delle piste (VCC ecc.) 24

25. Piani di GND/VCC e indicazioni di Routing • Isole di massa diverse da GND ma aventi uguale riferimento unite in un solo punto (es AGND unita in un solo punto con GND) • Isole di massa devono stare solamente vicine ai segnali/componenti di propria competenza (AGND limitata alla parte analogica del chip / evitare correnti di ritorno in altre isole di massa) • Inserimento di filtri  (pi-greco) come disacoppiamento tra due masse • Capacita' di bypass dei vari chip piu' vicino possibile ai chip/connettori (piu' piccola la capacita + deve stare vicina ) 25

26. Flessibilita' di Routing • Connettori con pinout non fissato (Swap) • GPIO signals (Swap) • Logiche CPLD, FPGA: swap di pin (si ha un routing piu’ lineare, tempi minori di sbroglio) • Priorita’ di sbroglio piu’ bassa per i segnali non veloci. 26

27. Caratteristiche principali di un PCB • Dimensioni (AREA mm2) [$  ] • Spessore [0.8mm-2.0mm] • Numero di layers (2-24) [Ns. Moduli : 4-10 ] [ $ , x2] • Fori(via ) passanti o fori ciechi ($[passante] < $[ciechi] ) • Num di Via ( 500-1500) [$  ] • Dimensioni Vias (300um, 200um, 125um) [se < 100um [ $  ], ES; BGA passo 0.8mm • Larghezza piste (6 mils) [$  ] • Isolamenti Piste (6 mils ) [$  ] • Impedenza controllata [$  ] • Dielettrico ( FR4 ) • Finitura, dalla meno pregiata in ordine crescente: SnPb (PCB doppiafaccia), HAL, Sn Chimico (BGA), Oro chimico (BGA), Flash gold ecc. [$  ] • Contatti in Oro [$  ] 27

28. Case Study A: DZQ 1 BGA-352-1.3mm 2 BGA-64-1.0mm Conn:70x2x0.6mm Num comp:200 Num Pin: 1500 Layers:8 Num Vias:1000 Tracce: 6 mils Isolamenti: 6mils Spessore: 1.2mm T real. = 80 h 28

29. DZQ: bottom layout 29

30. DZQ: Top layer 30

31. DZQ: Power Plane 31

32. DZQ: Ground Plane 32

33. DZQ: drill layout 33

34. Case Study B 34

35. Case Study B: Bottom layout 35

36. Case Study B: Grounds Plane Num comp:700 Num Pin: 3050 Layers:6 Num Vias:1563 Tracce: 6 mils Isolamenti: 6mils Spessore: 1.8mm T real. = 150 h 1 mils = 25,4um 36

37. Case Study B : Top Layer 37

38. Case Study B : Top layer BLUE: Data Bus GREEN:RGB Signal VIOLET: FPGA program signal 38

39. Case Study B : Ground Plane (I2) 39

40. Case Study B : Inner 4 40

41. Case Study B : Inner3 41

42. Case Study B : Power Plane (I5) 42

43. Case Study B : Bottom layer 43

44. PCB Prototiping • Aziende manufatturiere di CS specializzate nella prototipazione • Numero di pezzi minimo: 3-5 • Tempi di fornitura : • 3 gg (2 layers) • 5-6 gg (4 < layers < 10) • Costi: • Attrezzatura digitale: dai 350 euro (4 strati no BGA) - 700 euro (8 layers BGA) • Materiali + lavoro: dipendono fortemente dalle caratteristiche del CS • (indicativamente da 350 euro ( 8pz, 2 layers) a 700 euro (8pz, 8 layers) • Es: DZQ: 8 layers, diel FR4, spessore 1.2mm, dim (50x68mm), 8pz a 69euro/cad -> tot= 552 euro 44

45. PCB Assembling • Assemblaggio SMT/Wave Soldering (max 5pz) • Manuale : solo per schede semplici (anche 6 layers -no BGA,no FINE-PITCH) • Vantaggi: basso costo, velocita (no attrezzatura, no fornitori), • Svantaggi: difficolta’ di saldatura (perdite di tempo durante il debug), bassa qualita’ di saldatura (cortocircuiti, etc) • Macchina: presso un terzista, realizzazione attrezzatura (obbligatorio per i componenti BGA) • Vantaggi: qualita’ di saldatura, primo assaggio del processo produttivo della scheda • Svantaggi: costo elevato, attrezzatura da buttare, tempi lunghi (2-3 weeks) • Note: E’ difficile trovare terzisti attrezzati per prototipazioni complesse (BGA) e allo stesso tempo veloci (5-10g) 45

46. Debugging • Predisposizioni su PCB che aiutano la fase di debugging: • Test point segnali critici, clock e segnali di controllo • Test point sulle varie VCC e GND • Fori di fissaggio • Bus Dati su connettore ausiliario (collegamento e ETH controller etc) interfacciamneto generico a francobollo di debug • Resistenze zero-ohm tra stadi di alimentazione e carichi (Setting tensioni 3V3, 1V8, 2V5, etc, misure di assorbimento) • Connettori dedicati per analizzatore di stati logici • Eventuali logiche programmabili per riservarsi la possibilita’ di modificare al volo il routing dei segnali senza risbrogliare o aggiungere filetti. 46

47. EMC • I nostri moduli non sono dei prodotti finiti, ma sono componenti di un sistema piu’ ampio: non abbiamo l’obbligo di apporre la marcatura CE. • Tuttavia i prodotti vengono certificati CE per garantire al cliente di non avere problemi derivanti dal modulo durante le prove EMC. • Le prove della direttiva 89/336 : • Emissioni e Immunita’ irradiata (CEI EN55022) • Emissioni e disturbi condotti su porte di alimentaz. e di comunicaz. (CEI EN55024) • Sorgenti di disturbo tipiche: Clock uP-SRAM, Ethernet, Clock BUS RGB • Le strategie adottate come soluzioni a problemi EMC(oltre a Rt): • Resistenze di terminazione serie (valore opportuno) • Ferriti di filtro con caratteristiche tipiche 600ohm/100Mhz, 300mA sulle alimentazioni • Ferriti sui flat – cable che vanno ai display LCD. 47

48. EMC 48

49. EMC 49

50. Agenda • Parte I • presentazione della società • sistemi embedded e moduli embedded • Parte II • Concept Product (specifiche di progetto) • Progetto (schema elettrico/meccanico, PCB Mastering) • Prototipazione e Debug • Certificazione (pre-EMC, EMC) • Parte III • Progetto del modulo FLEXY su FPGA • Signal Integrity • Distribuzione dei clock • Sistema di alimentazione e reti di bypass • Placement e disposizione dei segnali 50