Conférence n°2 :

Notions en Firmware

& conception électronique

Disclaimer

• Les contenus de cette conférence sont parfois/souvent volontairement imprécis et/ou déformés et/ou erronés et/ou hors contexte
• C’est (la plupart du temps) volontaire et (parfois) de l’incompétence
• Vous avez fait des études d’électricité, de physique ou de la théorie des cordes ?

Vous savez calculer la phase et le gain d’une feedback loop de 4ème ordre ?

Génial pour vous, mais on va pas aller jusque là :)

Sommaire

• Électronique Numérique
• Architecture SoC
• Firmware
• Conception Assistée par Ordinateur (CAO)
• Introduction aux logiciels de CAO
• Pratiques de CAO
• La mise en place d’un projet
• Organisation
• Techniques

Électronique Numérique

• Les Microcontroleurs
• Un block diagram
• Les CPU
• Le bus mémoire
• Les périphériques
• Reset & Clock
• Les interruptions

Les Microcontroleurs

• Miniaturisation
• Diminuer le nombre de composants
• Intégrer un maximum d’éléments dans un même package

Les CPU : Central Processing Unit

• Des instructions manipulent des data dans des registres
• Architecture Harvard / Von Neumann
• Cadencé par une clock

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• Accède à un bus mémoire
• Largeur des données (8/16/32/64 bits)

Reset & Clock

• Reset
• remettre le composant dans un état connu à partir duquel on peut l’initialiser
• Reset != Power cycle (on/off)
• Clock
• cadencement du chip
• réalisation d’opérations synchrones
• CPU et périphériques

Le bus mémoire

• Le bus décode les adresses et fait transiter les data entre les différents éléments du SoC
• Les registres des périphériques sont mappés sur le bus mémoire
• Espace mémoire global
• Adresse de base + offset
• Sans MMU tout est simple

Les périphériques

• Le CPU manipule les registres des périphériques pour interagir avec le « monde extérieur » (ou pas)
• Générateur de clock
• GPIOs
• Timers / Real Time Clock (RTC)
• Communications (UART / I²C / USB / Ethernet /… )
• Générateur / Mesure de fréquence
• ADC / DAC : analogique / numérique
• Display (VGA / HDMI /…)
• DMA
• Debug

Les interruptions

• Un périphérique peut interrompre le CPU
• Le CPU « branch » automatiquement vers une routine de traitement (interrupt service routine) puis reprend son cours normal
• Les interruptions peuvent être priorisées et « nestées »

Un block diagram

Conception électronique : Schémas

• Conventions et organisation
• Interconnexions
• Sheet Symbols et ports
• Annotation
• Les librairies
• Le Design Rule Check
• La Bill of Materials

Interconnexions

Net Bus

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Power Objects

Sheet symbols et Ports

• Design hiérarchique !

Annotation

• Chaque composant à un désignateur
• Rxxx pour les résistances
• Cxxx pour les condensateurs
• Uxxx pour les composants actifs
• …
• L’annotation assigne un numéro « xxx » à chaque composant contenant un « ? » dans son désignateur
• Exemple : C? va devenir C23 (si les 22 premiers sont déjà utilisés)
• Chaque composant a donc un désignateur unique dans un design hiérarchique désignateur physique vs logique

Les librairies

• Les composants sont modélisés et regroupés dans des librairies, on pourra ensuite les instancier
• La modélisation comprend :
• La création des pins
• Le bloc visuel
• Le désignateur par défaut
• Les footprints
• Les paramètres
• Les parties

L’Electrical Rule Check (ERC)

• Vérifier la cohérence des schémas
• Sur les logiciels on parle de « compilation » des schémas
• Le logiciel va passer toute une batterie de règles sur les schémas pour trouver des erreurs
• Les règles sont éditables
• Certains signalements d’erreurs sont volontaires,
• On peut les ignorer individuellement

La Bill of Materials (BOM)

• L’inventaire des composants (BOM) contient les paramètres essentiels pour approvisionner les composants

Conception électronique : Circuit Imprimé

• « Dessiner » le circuit de la PCB
• Librairies de footprints
• Design Rules
• Règles de design
• Design Rule Check (DRC)
• Opérations de routage
• Routage complexe
• Haute densité
• Puissance
• High speed et signaux différentiels
• Dossier de fabrication

Le circuit imprimé (PCB)

• PCB = empilage de couches de cuivre et d’isolant (stackup)

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• Interconnexion des couches = via
• Interconnexion de puissance = pour
• Interconnexion des composants = track
• Support de composant = footprint

Les librairies de footprints

• Modéliser et regrouper les footprints pour les

associer aux composants

• La modélisation comprend :
• Pins
• Sérigraphie
• Mécanique
• (Mire placement)
• Modèle 3D
• SMT vs THM

Règles de Design

• Règles en fonction des contraintes de fabrication
• Distances
• Nets non routés
• Largeur de piste
• Format des vias
• Freins thermiques
• Masques de fabrication (solder / paste)
• Perçages
• Contraintes mécaniques
• …

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Design Rule Check (DRC)

• Vérifier que le routage correspond aux règles
• Online DRC
• vérification pendant le routage

Opérations de routage

• Design PCB
• Créer la forme mécanique du PCB

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• Placement
• Regrouper les composants
• Placer les désignateurs
• Les placer sur le PCB

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• Routage
• Tirer les pistes
• Une couleur par layer

Routage complexe 1/3

• Fanout des composants denses

Routage complexe 2/3

• Polygon pours
• Minimiser la résistance (puissance)
• Créer un blindage (bruit)

Routage complexe 3/3

• Signaux high speed
• Paires différentielles
• Contrôler l’impédance
• Égaliser les longueurs

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• Return path
• Plan de masse

Dossier de fabrication

• PCB
• Le stackup
• Les « gerbers » = les couches du PCB
• Perçage / fraisage
• Plan mécanique
• Câblage
• BOM
• Pick & Place
• Plan d’assemblage

Une bonne organisation du projet

• Mon_Projet
• Delivery : les dossiers complets livrables
• Diagtool : vos éventuels outils de test
• Docs : block diagrams, readme, CdC
• Électronique : votre CAO
• Delivery : vos livrables temporaires
• Docs : les datasheets
• Firmware
• Docs : docs fonctionnelles des puces, protocoles, …
• mon_projet.c

Soudure / Réparation

• Fer à souder
• Choisir la bonne panne
• Chauffer le pad ET la pin du composant
• Attention aux fumées !
• Fer à air chaud
• Souffle de l’air chaud sur une zone plus large
• Dessoudage possible
• Tresse à dessouder
• Le flux : abaisse le point de fusion de l’étain
• Attention x2 aux fumées !
• Brucelles, éclairage, aspirateur à fumée, la pompe, …
• Câblage : dénuder / étamer

Mesure et tests

• Multimètre
• Voltmètre (en parallèle)
• Ampèremètre (en série)
• Ohmmètre (en parallèle) / testeur de continuité
• Oscilloscope et Analyseur logique
• Mesure la tension dans le temps
• Possible d’utiliser des triggers
• Front montant / descendant / complexe…
• Alimentation de laboratoire
• Limitation en tension
• Limitation en courant
• Plaques de prototypage

À la semaine prochaine !