10907 - ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente: - conosce gli elementi e le strutture di base dell'elettronica digitale; - 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

ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI

Componenti elettronici di base

Resistenze: prima e seconda legge di Ohm. Reti di resistenze: leggi di Kirchhoff e calcolo delle tensioni ai nodi. Partitore di tensione. Dissipazione di potenza ed effetto Joule. Condensatore: relazione costitutiva. Carica-scarica RC e potenza dissipata. Modello ON/OFF dei Transistor nMOS e pMOS. Carica e scarica di un condensatore tramite inverter CMOS: concetti di potenza statica e dinamica. Consumo di potenza nei circuiti digitali. Diodi a giunzione e diodi Led: polarizzazione e funzionamento. Esempi di layout dei principali componenti elettronici e cenni alla tecnologia di progettazione.

 Circuiti combinatori

Realizzazione CMOS di semplici porte logiche (NAND, NOR, …) e funzioni logiche combinatorie. Sintesi di funzioni logiche combinatorie tramite porte logiche con minimizzazione tramite mappe di Karnaugh. Esempi e applicazioni. Esempi di layout delle principali porte logiche (NAND, NOR) e cenni alla tecnologia di progettazione per standard cells.

Circuiti sequenziali

Concetto di stato di un sistema. FF-SR e D-Latch. Flip-Flop di tipo D, T e JK. Registri. Forme d'onda per la scrittura su registro: tempi di set-up, hold e di propagazione. Sintesi di Macchine a Stati Finiti (FSM) asincorne. Sintesi di Macchine a Stati Finiti sincrone. Esempi e applicazioni.

Memorie a Semiconduttore

Caratteristiche generali delle principali memorie a semiconduttore. Richiami sulle caratteristiche principali di: RAM statiche, RAM dinamiche, FLASH di tipo NOR e NAND. Esempio di forme d'onda per l'interfacciamento con una memoria a semiconduttore.

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. Microcontrollori: caratteristiche e tipologie. Il microcontrollore Microchip PIC: esempi di programmazione con applicazioni pratiche in aula (frequenzimetro, semaforo, parcheggio e altre macchine a stati finiti)*. Cenni ai DSP: caratteristiche e confronto con microprocessori general-purpose.

 Protocolli di comunicazione

Protocolli di hand-shake e porte parallele. Comunicazione tramite porte seriali UART. Protocollo I2C. Protocollo SPI. Protocollo 1-Wire. Protocollo USB. Cenni al protocollo JTAG. Applicazione in aula*: esempio di comunicazione PIC con integrati dotati di interfaccia seriale I2C e/o SPI.

 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 progetti e casi di studio elaborati in aula*.

* = Per le applicazioni pratiche in aula, non essendo possibile effettuare lezioni nei laboratori, si utilizzeranno i Development kit relativi al PIC e alle FPGA Altera.

Testi/Bibliografia

Il corso rappresenta un'introduzione di base all'elettronica dei sistemi digitali e alle relative tecniche di progettazione, e non esiste un unico libro di testo che copra tutti gli argomenti del corso. Ai fini dell'esame sono più che sufficienti le dispense del corso pubblicate nel sito del docente:

https://sites.google.com/site/robertoversari/home/esd-2014-2015

Le varie lezioni sono protette da password che può essere richiesta utilizzando la propria mail istituzionale al seguente indirizzo email: aprogettoiti@gmail.com.

Per approfondimenti ed integrazioni possono essere consultati i seguenti testi:

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

Come materiale di riferimento per la preparazione del corso sono disponibili on line anche le dispense dell'anno accademico 2013-14:

https://sites.google.com/site/robertoversari/home/elettronica-dei-sistemi-digitali-2013-14

dove possono essere consultate tutte le soluzioni delle prove d'esame dell'anno accademico 2013-14..

Le dispense sono protette dalla stessa password.

Link ad altri materiali didattici:

Dispense del corso analogo di Ingegneria Elettronica a cura del Prof. Aldo Romani:

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

Metodi didattici

Oltre alla normale attività didattica, suddivisa in lezioni teoriche ed esercitazioni pratiche di utilizzo dei CAD di simulazione e progettazione elettronica (LTspice, MPLAB, Quartus), potranno essere previsti durante il corso alcuni seminari tenuti da esperti del settore, di estrazione universitaria e aziendale. I laboratori saranno forniti solo con i SW per la simulazione, ma non sono previste lezioni in laboratorio. Gli studenti potranno accedere autonomamente ai laboratori per effettuare simulazioni con i SW disponibili.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Unica prova d'esame scritta della durata di 3 ore composta da: 4 esercizi da 30 minuti l'uno più 3 domande teoriche per ulteriori 30 minuti.

Il voto è valido per 3 mesi a partire dalla data dell'appello d'esame.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, PC, lavagna luminosa. Dispense on-line. Laboratorio informatico con i software per la simulazione delle esercitazioni inerenti la progettazione assistita da calcolatore di sistemi digitali a microcontrollore/FPGA.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Roberto Versari