08701 - ELETTRONICA DIGITALE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente: - conosce gli elementi e le strutture di base dell'elettronica digitale a livello di dispositivo, circuitale, di porte e famiglie logiche - possiede le conoscenze per effettuare valutazioni critiche e scelte di progetto sulle principali architetture digitali di calcolo, elaborazione, comunicazione, memorizzazione dati - possiede competenze di base nella progettazione di sistemi digitali assistita da calcolatore e nei linguaggi di descrizione dell'hardware - è in grado di progettare semplici sistemi digitali basati su logiche programmabili e dispositivi a microcontrollore

Contenuti

INTRODUZIONE: Introduzione ai circuiti e sistemi digitali.Caratteristiche, prestazioni e fattori di merito delle famiglie logiche e dei circuiti digitali.

LOGICHE DIGITALI(*): Principi di funzionamento e caratteristiche elettriche di diodi a giunzione e transistori MOSFET. Logiche MOS statiche: CMOS, pseudo-nMOS, logiche a pass transistors. Logiche CMOS dinamiche: logiche domino CMOS, np-CMOS. Analisi di caratteristiche statiche e di commutazione di logiche digitali. Consumo di potenza nei circuiti digitali.

CIRCUITI LOGICI SEQUENZIALI (*). Principio di bistabilità e concetto di stato del circuito. Latch a multiplexer, realizzazione CMOS e nMOS. Registri master-slave ed edge-triggered. Tempi di setup, hold e propagazione di un registro: definizione e interpretazione. Registri dinamici e C2MOS

MEMORIE A SEMICONDUTTORE (*): Struttura e organizzazione. Circuiti di decodifica. RAM statiche, cella elementare e funzionamento. Sense amplifier. RAM dinamiche, cella elementare e funzionamento. Il transistore floating-gate. Dispositivi di memorizzazione basati su floating gate: EPROM, E2PROM e FLASH.

ARCHITETTURE DI CALCOLO ED ELABORAZIONE: Architettura dei Field-Programmable Gate Arrays. Considerazioni su granularità, area e prestazioni. Struttura di blocchi logici, switch e interconnessioni. Architetture dei principali dispositivi Altera. Microprocessori, classificazioni, architetture ed esempi. Microntrollori. Il microcontrollore Microchip PIC. DSP: caratteristiche e confronto con microprocessori general-purpose. Esercitazioni in laboratorio: progetto di  sistemi a microcontrollore elementari.

PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE: Protocolli di hand-shake e porte parallele. Comunicazioni tramite porte seriali UART. Protocollo SPI. Protocollo I2C. Protocollo 1-wire. Protocollo USB. Cenni al protocollo JTAG.

VHDL: Storia e scopo del linguaggio. VHDL come strumento di progetto. Flusso di progettazione per dispositivi FPGA. Entity e architecture. Statement concorrenti. Descrizioni strutturali e componenti. Operatori in VHDL. Processi e costrutti sequenziali associati. Logiche sequenziali e registri. Regole di descrizione per VHDL sintetizzabile. Descrizione di macchine a stati finiti. Esempi di progetto e casi di studio. Esercitazioni di laboratorio: progetto di sistemi digitali tramite schede di sviluppo.

( NOTA(*): Il programma degli insegnamenti mutuati da 6 CFU non comprende gli argomenti relativi alle LOGICHE DIGITALI, CIRCUITI LOGICI SEQUENZIALI, MEMORIE A SEMICONDUTTORE)

Testi/Bibliografia

D. Esseni, "Fondamenti di Circuiti Digitali Integrati", SGEditoriali Padova, ISBN 88-89884-01-0

J. Rabaey, A.Chandrakasan, B.Nikolic: “Digital Integrated Circuits: A design perspective”/“Circuti integrati digitali: l'ottica del progettista”, 2nd /3rd Edition, Prentice Hall 2003

D. Perry, "VHDL. Programming by examples", McGraw-Hill Professional; 4th edition, 2002

J. Rose, A. El-Gamal, A. Sangiovanni-Vincentelli, "Architecture of Field-Programmable Gate Arrays", Proc. IEEE, vol. 81, n. 7, July 1993, pp.1013-1029

Dispense del corso disponibili online

Metodi didattici

Oltre alla normale attività didattica, potranno essere previsti durante il corso alcuni seminari tenuti da esperti del settore, di estrazione universitaria e aziendale. Nell'attività didattica un congruo numero di ore sarà inoltre dedicato a lezioni ed esercitazioni pratiche da svolgersi presso i laboratori di informatica ed elettronica della facoltà al fine di apprendere l'uso dei linguaggi di descrizione hardware e degli strumenti di progettazione digitale assistita da calcolatore. Saranno previste esercitazioni a carattere pratico-progettuale su sistemi a microcontrollore/FPGA utilizzando hardware disponibile presso i laboratori.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame sarà composto da due prove di accertamento che possono essere sostenute in modo indipendente l'una dall'altra, sia nel medesimo appello che in appelli diversi. La prima prova ha carattere orale e dovrà accertare la conoscenza teorica e critica da parte dello studente dei contenuti presentati in aula a lezione: consiste nella discussione di tre quesiti sulle relative parti di programma del corso. La seconda prova è a carattere pratico e verrà svolta presso il laboratorio informatico con l'ausilio del calcolatore: consiste nella progettazione, simulazione e sintesi di una rete digitale utilizzando il linguaggio di descrizione hardware VHDL e gli strumenti di sviluppo presentati nel corso. Le specifiche del problema da risolvere saranno illustrate nel testo consegnato durante la prova.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, PC, lavagna luminosa. Dispense on-line. Laboratorio informatico per lo svolgimento di esercitazioni inerenti la progettazione assistita da calcolatore di sistemi digitali.  Laboratorio di elettronica per la realizzazione e programmazione di sistemi digitali a microcontrollore/FPGA. Schede di sviluppo per FPGA e microcontrollori utilizzate durante le esercitazioni.

Link ad altre eventuali informazioni

http://www-micro.deis.unibo.it/cgi-bin/dida?~romani/www/Dida03

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Aldo Romani

Consulta il sito web di Federico Thei