SISTEMI ELETTRONICI DIGITALI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- PIERO OLIVO
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- Il corso rappresenta il primo insegnamento di Elettronica digitale ed esamina gli elementi di base di un sistema elettronico digitale. Il corso è propedeutico ai corsi che trattano sistemi digitali.
L'obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio dei sistemi digitali complessi.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
• elementi di base di un sistema elettronico digitale
• le basi delle porte logiche e della loro realizzazione a livello circuitale
• l’evoluzione dei circuiti digitali
• le rappresentazioni dei numeri e i circuiti combinatori per effettuare operazioni matematiche elementari
• gli elementi di base dei circuiti sequenziali, sincroni e asincroni
• gli elementi di base sui convertitori A/D e D/A e sui circuiti di memoria.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
• analizzare il comportamento di semplici circuiti logici, sia combinatori che sequenziali
• individuare le tecniche più appropriate per l’analisi di circuiti combinatori e sequenziali
• valutare il convertitore A/D o D/A o la memoria più adatti per una determinata applicazione. Prerequisiti
- Il corso non prevede requisiti specifici.
Durante il corso verranno trattate alcune applicazioni della teoria dei circuiti che vengono approfondite, dal punto di vista teorico, nel corso di “Circuiti elettrici: fondamenti e laboratorio” che si tiene nello stesso periodo didattico:
• leggi di Ohm e di Kirchhoff e loro applicazione pratica; metodi per trattare i circuiti elettrici in regime continuo e transitorio. Contenuti del corso
- 1. Introduzione
Cos’è un sistema elettronico– Esempio di sistema elettronico digitale- Introduzione ai numeri binari- Differenza tra elettronica analogica e digitale– Evoluzione e struttura dei sistemi di calcolo
2. Introduzione ai circuiti logici
Rappresentazione dello stato di un circuito mediante numeri binari– Funzioni logiche elementari: NOT, AND, OR– Tabella della verità- Gate logici elementari– Circuiti logici– Analisi di un circuito logico– Algebra di Boole– Teoremi a una e più variabili– Sintesi di una funzione logica–Gate NAND e NOR– Sintesi con gate NAND e NOR- Gate logici XOR, XNOR
3. Realizzazione fisica delle porte logiche
Modello switch del transistore– Richiami importanti: leggi di Ohm e di Kirchhoff– Partitore resistivo– Concetto di rete di pull-up e di pull-down– Consumo di potenza– I semiconduttori– Caratteristica statica di un invertitore– Il transistore nMOS– L’invertitore nMOS e i suoi limiti– Potenza dinamica– Importanza delle interconnessioni e delle capacità parassite– Transitorio di commutazione– Un altro richiamo: i transitori RC– Il transistore pMOS– L’invertitore CMOS– Gate logici CMOS– Realizzazione di NAND e NOR– Circuiti Fully CMOS– Fan out di un gate logico– Pass transistor– Buffer e Buffer tri-state
4. I principali componenti combinatori
Multiplexer e loro applicazioni– Decoders– Demultiplexer e Encorders
5. Evoluzione dei circuiti digitali dai chip standard alle FPGA
Standard chip– Dispositivi logici programmabili– Macrocelle– Programmazione off-chip o in-system– Field Programmable Gate Array- Circuiti Custom, Standard Cells, Gate arrays- Confronto tra logiche programmabili e custom chip
6. Rappresentazione dei numeri e circuiti aritmetici
Rappresentazione ottale e esadecimale– Addizione di numeri interi positivi– L’addizionatore Ripple Carry– Numeri con segno– Rappresentazione “complemento a 1” e “complemento a 2”– Sottrazione di numeri con segno– Circuito sommatore/sottrattore– Overflow– Considerazioni sulle prestazioni– Addizionatori veloci: l’addizionatore Carry-Lookahead– Moltiplicazione– Array multiplier per numeri positivi– Shifter- Rappresentazione di numeri reali: virgola fissa e virgola mobile- Codifica ASCII– Concetto di bit di parità
7. Elementi di base dei circuiti sequenziali: flip-flop, registri, contatori
Terminologia- Latch S-R– Gated latch S-R– D latch– Effetti dei ritardi di propagazione– Flip-flop Master-Slave– Flip-flop edge triggered– Parametri di temporizzazione– Flip-flop J-K– Registri– Shift register– Contatori– Contatori sincroni– Esempi di applicazione dei circuiti di base
8. Circuiti sequenziali sincroni e asincroni
Differenza tra circuiti sincroni e asincroni– Macchine di Moore e di Mealy- Passi di progetto di un circuito sincrono- Diagramma degli stati– Assegnazione degli stati– Diagrammi temporali– Esempio di macchine di Moore e di Mealy: addizionatore seriale– Esempi di macchine a stati finiti– Analisi di un circuito sincrono
9. Conversione digitale-analogica e analogico-digitale
Teoria della conversione– Caratteristiche generali dei convertitori– Convertitori D/A (con resistori di peso binario, con rete a scala R-2R). Convertitori A/D (a successive approssimazioni, parallelo)– Circuito accessori: filtro antialiasing e circuito di Sample&Hold
10. Memorie a semiconduttore
Caratteristiche memorie- Organizzazione memorie- Decoder- Memorie ad accesso casuale– Memorie SRAM e DRAM - Evoluzione e classificazione delle memorie non volatili evoluzione e classificazione- Memorie Flash NOR e NAND Metodi didattici
- Nell’a.a. 22-23 il corso sarà tenuto in presenza solamente in presenza.
Durante le lezioni verrà utilizzata una piattaforma di quiz interattivi per verificare il grado di comprensione della classe sui concetti fondamentali trattati durante la lezione o nella lezione precedente.
Ogni argomento teorico del corso è accompagnato da domande sulla teoria e da esercizi che gli studenti svolgeranno autonomamente. Le domande e gli esercizi sono selezionati all’interno del data base delle domande utilizzate per l’esame e sono quindi del tutto rappresentativi delle domande che costituiscono l’esame finale.
La correzione delle domande verrà svolta in aula.
Dal momento che il programma non è cambiato rispetto all’a.a. 21-22, si suggerisce agli studenti che non possono seguire le lezioni in presenza di scaricare le lezioni già registrate per l’a.a. 21-22 e che saranno rese disponibili sul sito di Google Classroom con codice jgdlcvd. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.
A partire dal 1° appello di fine corso (dicembre ’22), l’esame è costituito da una prova a quiz, lasciando allo studente comunque la possibilità di sostenere un esame orale integrativo.
La prova a quiz verte su tutti gli argomenti trattati nel corso. La prova ha lo scopo di valutare lo studio della materia e la comprensione degli argomenti di base. La prova è costituita da 33 domande (quiz a risposta multipla, con un’unica risposta corretta, sia su aspetti di teoria che su semplici esercizi). La risposta corretta assegna 1 punto, la risposta sbagliata assegna -0.5 punti, la mancata risposta 0 punti. Per superare la prova è necessario acquisire almeno 18 punti su 33. Il tempo previsto per la prova è di 66 minuti. Non è consentito consultare testi o utilizzare PC, smart phone, calcolatrici,. Il superamento della prova è testimonianza dell’aver acquisto sufficienti conoscenze degli elementi di base dell’algebra di Boole, della teoria della conversione analogico-digitale, delle porte logiche, dei circuiti combinatori e sequenziali, dei convertitori e degli elementi di memoria.
Lo studente che abbia comunque raggiunto la sufficienza ma che non fosse soddisfatto del punteggio ottenuto può sostenere una prova orale, nella quale non sarà valutata tanto l'abilità nel "ripetere" qualche argomento trattato a lezione, quanto la capacità di collegare e confrontare aspetti diversi trattati durante il corso. La prova ha anche l’obiettivo di esercitare lo studente nella presentazione orale delle proprie conoscenze e competenze, con un effetto formativo nell’ambito delle Soft Skills.
La valutazione della prova orale può portare a un aumento, ma anche ad una diminuzione, del voto conseguito nella prova scritta.
Qualora l’esame non venga superato, non è possibile sostenere un altro esame prima di 15 giorni.
Le indicazioni operative per le due prove sono riportate su Classroom. Testi di riferimento
- M. Morris Mano - Charles Kime - Tom Martin – Reti logiche – 5° edizione – Pearson (solo su argomenti relativi a algebra booelana, circuiti combinatori e sequenziali)
