Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di fornire le conoscenze di base sui processi di fabbricazione e sul funzionamento dei dispositivi elettronici elementari, nonché sull’analisi dei circuiti analogici e digitali.

Contenuti

Prerequisiti/Propedeuticità consigliate

Prerequisito per la comprensione degli argomenti svolti è l'aver appreso le nozioni principali di teoria dei circuiti elettrici lineari svolti nel corso di Elettrotecnica. In particolare lo studente dovrebbe essere in grado di analizzare il comportamento di un circuito lineare sia in condizioni stazionarie che transitorie. Si consiglia quindi di seguire il corso solo dopo aver superato l'esame di Elettrotecnica.

Programma

- Topologia dei sistemi elettronici e dei calcolatori. Principali trend tecnologici e architetturali. I principi quantitativi della progettazione dei calcolatori. Basi delle gerarchie delle memorie.

- Warehouse scale computers e datacenters. Architetture non von Neumann.

- Proprietà dei circuiti digitali: costo, capacità di ingresso, fan-out, ritardo di propagazione, consumo di potenza, prodotto ritardo consumo, margine di immunità ai disturbi.

- Descrizione del funzionamento del transistore n-MOS. Regioni di funzionamento ed equazioni costitutive. Descrizione del funzionamento del transistore p-MOS. Regioni di funzionamento ed equazioni costitutive. Descrizione del funzionamento dell'invertitore n-MOS con carico resistivo. Caratteristica statica e consumo di potenza. Descrizione del funzionamento dell'invertitore p-MOS con carico resistivo. Caratteristica statica e consumo di potenza.

- Descrizione del funzionamento dell'invertitore CMOS. Regioni di funzionamento dei transistor, calcolo delle correnti e della caratteristica statica ingresso-uscita. Analisi del consumo di potenza. Analisi del comportamento in transitorio dell'invertitore CMOS. Calcolo della durata del transitorio di salita e di discesa. Componenti parassiti del transistore nMOS e pMOS: calcolo della capacità di ingressi dell'invertitore CMOS.

- Accenni alla teoria dei segnali: segnale analogico, segnale digitale e segnale binario. Proprietà di un codice binario: sistema di numerazione, lunghezza di un numero binario. Conversione da decimale a binario. Conversione da binario a decimale. Operazioni sui numeri binari: addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione e complemento a due.

- Descrizione del funzionamento dei convertitori Analogico/Digitale e Digitale/Analogico.

- Automi a stati finiti e reti combinatorie e tabelle di verità. Reti combinatorie elementari: NOT, AND, OR, XOR, EQUIV. Realizzazione CMOS dei gate logici NAND e NOR e loro proprietà.

- Gate Fully CMOS: caratteristiche generali delle reti di Pull-Up e Pull-Down. Topologia dei gate, analisi e sintesi delle funzioni logiche. Equivalenza dei transistori MOS connessi in serie ed in parallelo. Tempi di commutazione e dimensionamento dei MOSFETs nei gate Fully CMOS.

- Introduzione all'algebra di commutazione: variabili logiche ed espressioni logiche. Sintesi di funzioni logiche basata sulle espressioni canoniche SP e PS. Reti di costo minimo. Schemi a ritardo e complessità minimi. Rappresentazioni di funzioni su mappe. Mappe di Karnaugh: regole di adiacenza e raggruppamenti. Copertura ed espressioni normali. Analisi di una rete mediante mappe di Karnaugh. Espressioni minime SP e PS mediante raggruppamenti.

- Reti con NAND e con NOR. Analisi di reti formate solo da NAND. Sintesi di reti combinatorie a NAND.

- Modello delle reti logiche programmabili. Circuito decoder, multiplexer e demultiplexer.

- L'unità di elaborazione ALU. Addizione binaria: circuiti sommatori. Realizzazione di un Full-Adder. Full-adder realizzato mediante half-adder o multiplexer. Descrizione del funzionamento di un circuito sommatore a propagazione del riporto. Sommatore parallelo e sommatore a selezione del riporto. Circuito sottrattore. Funzionamento di un moltiplicatore: moltiplicatore seriale a propagazione del riporto e moltiplicatore parallelo. Circuito comparatore.

- Circuiti combinatori e circuiti sequenziali. Sistemi digitali sincroni e asincroni. Realizzazione stati del Latch di tipo D. Realizzazione del latch D con porte logiche NOR e in retroazione con NOT. Connessione a pass-transistor per il trasferimento del segnale. Problemi di trasferimento delle tensioni alte con transistor nMOS e delle tensioni basse con transistor pMOS. Latch D realizzato con circuito bistabile a 2 NOT e pass-transistor. Circuiti a campionamento su un fronte del clock.

- Realizzazione master-slave del Flip-flop D. Realizzazione statica con circuito bistabile e dinamica a due fasi.

- Introduzione alle memorie. Classificazione delle memorie: memorie volatili e non volatili. Struttura a matrice con decodificatori di riga e colonna. Descrizione del funzionamento della cella SRAM a 6 transistor. Lettura e scrittura di una cella SRAM. Descrizione del funzionamento del sense amplifier di memorie SRAM. Stuttura della cella DRAM. Lettura e scrittura di una cella DRAM. Il fenomeno della ridistribuzione di carica. Il sense amplifier in memorie DRAM. Differenze tra memorie SRAM e DRAM.

- Introduzione alle memorie non volatili. ROM, PROM e memorie Flash. Architettura NOR e NAND della matrice. Funzionamento della memoria Flash, iniezione di elettroni nel floating gate. Endurance e Data retention della memoria.

Testi/Bibliografia

David Money Harris, Sarah L. Harris - Sistemi digitali e architettura dei calcolatori - ISBN: 9788808920737

Circuiti per la microelettronica - Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith - ISBN: 978-88-3319-054-9

P. Spirito, Elettronica Digitale, McGraw-Hill, 2006.

Fummi, Sami, Silvano, progettazione digitale, McGraw-Hill

Computer Architecture A Quantitative Approach 6th Edition
Authors: David Patterson
ISBN - eBook: 978-0-12-811906-8
ISBN - Paperback: 978-0-12-811905-1

Metodi didattici

Il corso è strutturato in lezioni frontali in aula in cui vengono presentati gli elementi fondamentali dell'Elettronica. In particolare ci si focalizzerà sui circuiti base dell'Elettronica Digitale e loro ruolo all'interno di sistemi elettronici odierni. Alla presentazione teorica di ogni tema trattato fanno seguito diverse lezioni dedicate alla risoluzione di esercizi e problemi specifici che sottolineano la natura applicata della disciplina e mirano a far acquisire il metodo per l'analisi e la progettazione di semplici circuiti digitali.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso un esame finale che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese. La prova d'esame è scritta e della durata di 2 ore (2 prove scritte in ogni sessione d'esame). La prova orale è facoltativa ed avviene nei giorni successivi alla prova scritta. Per essere ammessi alla prova scritta è necessario aver completato tutti i moduli didattici sul sito di e-learning.

La prova scritta consiste di norma in un mix di esercizi e domande di teoria, sia a risposta aperta e sia multipla, con l'obiettivo di verificare l'acquisizione delle conoscenze previste secondo quanto dettagliato nel programma del corso. La prova è composta da uno o più esercizi/domande per modulo didattico e serve a verificare la capacità di analizzare circuiti realizzati con transistor MOS, i principali blocchi circuitali che costituiscono la ALU, il funzionamento delle memorie a semiconduttore, le tipologie di calcolatori e le loro caratteristiche in termini di performance, costo e consumi. Il superamento dell’esame sarà garantito agli studenti che dimostreranno padronanza e capacità operativa in relazione ai concetti chiave illustrati nell’insegnamento.

Per sostenere la prova d'esame è necessaria l'iscrizione tramite bacheca elettronica, nel rispetto inderogabile delle scadenze previste. Coloro che non riuscissero ad iscriversi entro la data prevista, sono tenuti a comunicare tempestivamente (e comunque prima della chiusura ufficiale delle liste di iscrizione) il problema alla segreteria didattica. Sarà facoltà del docente ammetterli a sostenere la prova.

La verbalizzazione della valutazione conseguita avviene durante uno qualsiasi degli appelli orali fissati dal docente durante l'anno accademico. E' possibile prendere visione del compito e chiedere chiarimenti in occasione della data di verbalizzazione immediatamente successiva all'appello in cui si è sostenuto l'esame. La possibilità di utilizzare orari alternativi di ricevimento per prendere visione del compito è riservata a casi eccezionali, con una valida motivazione.

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico: il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico
tramite internet. Tale materiale dovrebbe essere stampato e portato alla lezione.
Per ottenere il materiale didattico: http://campus.unibo.it/ 

Portale per l'elearning: https://elearning-cds.unibo.it

Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Andrea Bartolini