SISTEMI ELETTRONICI DIGITALI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2018/2019
- Docente
- PIERO OLIVO
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo 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.
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 la sintesi di circuiti combinatori e sequenziali
• valutare il convertitore A/D o D/A o la memoria più adatti per una determinata applicazione. Prerequisiti
- E’ importante, seppure non necessario, avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze fornite dal corso di “Circuiti elettrici: fondamenti e laboratorio”
• conoscenze della teoria dei circuiti: legge 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
- Il corso è organizzato nel seguente modo:
• lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso (60 ore) Modalità di verifica dell'apprendimento
- L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.
L’esame è diviso in 2 parti che hanno luogo nello stesso giorno.
• Una prova a quiz (quiz a risposta multipla o soluzioni di esercizi numerici) 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 e ha carattere di selezione (lo studente che non mostri una sufficiente conoscenza degli argomenti non è ammesso alla prova successiva). Per superare la prova è necessario acquisire almeno 8 punti su 20. Il tempo previsto per la prova è di 1 ora. 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 di un sistema elettronico, delle porte logiche, dei circuiti combinatori e sequenziali, dei convertitori e degli elementi di memoria.
• 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. Il punteggio massimo attribuito alla prova orale è di 13 punti. 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.
Il voto finale è dato dalla somma dei 2 punteggi.
Per superare l’esame è necessario acquisire un punteggio minimo di 18 su 33.
Il superamento dell’esame è prova dell’aver acquisto la capacità di applicare le conoscenze relative all’analisi del comportamento di semplici circuiti logici, della capacità di individuare le tecniche di sintesi più appropriate, di valutare i convertitori e le memorie più adatte per una determinata applicazione.
Qualora una delle 2 prove risulti insufficiente o qualora il punteggio totale sia inferiore a 18 è necessario ripetere tutte e 2 le prove. Testi di riferimento
- M. Morris Mano - Charles Kime - Tom Martin – Reti logiche – 5° edizione – Pearson
Appunti forniti dal docente.
