ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2019/2020
- Docente
- PIERO OLIVO
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- Il corso approfondisce i concetti di base già trattati in un primo corso di Elettronica Digitale e analizza in dettaglio i blocchi fondamentali presenti nei sistemi digitali integrati. Come esempio di un sistema elettronico verranno trattate nel dettaglio le tematiche relative ad un sistema complesso di estrema attualità: i dischi a stato solido (SSD) e i loro componenti base, le memorie NAND flash.
Le principali conoscenze acquisite riguarderanno le tecniche di progetto e analisi dei circuiti e sistemi digitali integrati con attenzione ai dispositivi a basso consumo di energia e alle memorie a stato solido. In particolare:
•funzionamento e dimensionamento dei blocchi combinatori, statici e dinamici;
•funzionamento e dimensionamento di circuiti sequenziali, statici e dinamici;
•temporizzazione dei circuiti elettronici: distribuzione del segnale di sincronismo e deviazioni rispetto alle attese;
•funzionamento dei principali blocchi matematici: sommatori, moltiplicatori, traslatori;
•collaudo dei circuiti integrati digitali;
•memorie non volatili Flash: funzionamento delle memorie NOR, NAND, NAND multilivello;
•dischi a stato solido: architettura e problematiche di progetto.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) riguarderanno l’analisi e la progettazione di sistemi digitali utilizzando componenti dedicati. In particolare:
•identificare i circuiti combinatori e sequenziali più idonei per il progetto di uno specifico sistema elettronico;
•identificare i blocchi matematici più idonei per il progetto di uno specifico sistema elettronico;
•comprendere i problemi di temporizzazione che possono evidenziarsi durante il progetto di un sistema elettronico;
•individuare la procedura di collaudo più idonea per un sistema elettronico;
•individuare i vincoli di progetto di un sistema di autocollaudo in un circuito integrato digitale;
•analizzare la relazione prestazione/affidabilità di una memoria non volatile e individuare il componente più idoneo per il sistema di progettare;
•individuare le specifiche di progetto di un disco a stato solido.
Le conoscenze e le competenze acquisite saranno utilizzate nei corsi di “Architettura dei sistemi digitali”, di “Progettazione dei sistemi elettronici” e di “Laboratorio di sistemi elettronici integrati”. Prerequisiti
- Per seguire il corso è necessario avere piena conoscenza delle basi di Elettronica Digitale.
Dal momento che il corso tratta i fondamenti dell'elettronica digitale integrata su chip, per seguire il corso non è necessario aver seguito l'insegnamento di “Dispositivi elettronici”. Contenuti del corso
- Il corso prevede 60 ore (58 ore di didattica in aula e un seminario di 2 ore tenuto da progettista industriale.) Trattando argomenti di base, propedeutici per altri corsi, non sono previste esercitazioni di laboratorio.
Circuiti logici combinatori (6 ore)
Logiche statiche CMOS - Velocità e consumo delle logiche statiche - Concetto di segnale critico - Switching activity e statistica dei segnali - Correlazione tra i segnali - Logiche a rapporto - Logiche a pass transistor e transfer gate - Logiche dinamiche - Velocità e consumo delle logiche dinamiche - Perdite di carica - Connessione di gate dinamici - Logiche Domino - Andamenti futuri
Circuiti logici sequenziali (6 ore)
Metrica nei circuiti sequenziali - Elementi di memoria statica e dinamica - Latch e registri statici - Problematiche nei circuiti statici - Latch e registri dinamici - Problematiche nei circuiti dinamici - Altri circuiti sequenziali - Pipeline - Considerazioni generali sul clock
Temporizzazione e sincronismo (6 ore)
Generalità sistemi sincroni, mesocroni, asincroni, autotemporizzati - Skew e Jitter: effetto su prestazioni e funzionalità; origine di skew e jitter - Tecniche di distribuzione del clock - Sincronizzazione basata sul latch - Logiche autotemporizzate - Circuiti di "fine operazione" - Segnali di controllo - PLL
Data path (6 ore)
Schema generale di un microprocessore - Blocchi aritmetici - Sommatori - Problematiche nei diversi tipi di sommatore - Calcolo del ritardo in un sommatore - Moltiplicatori - Vari tipi di moltiplicatori - Calcolo del ritardo in un moltiplicatore - Traslatori - Relazioni consumo/velocità nei data path - Tecniche di progetto per la riduzione del consumo di potenza - Compromessi di progetto
Memorie non volatili (14 ore)
Architettura delle memorie - Circuiti di decodifica - Celle nonvolatili - Memorie FLASH NOR e NAND - Differenze tra memorie Flash NOR/NAND – Architettura delle NOR Flash -Programmazione, Cancellazione e lettura nelle NOR. Architetture delle NAND FLASH: interleaved e ABL. Circuiti di lettura - Algoritmi di programmazione e di cancellazione. NAND multilivello - Codifica dei dati - Programmazione two-rounds e full-sequence – Lettura – cache reading. Compattazione delle distribuzioni – Sistemi basati su NAND: architettura – Memory controller – Flash Translation Layer: Wear leveling, Bad Block Management, Garbage collection
Solid State Drive (14 ore)
Funzionamento di base e architettura. Confronto tra SSD e HDD – SSD controller – Organizzazione memorie NAND – Host Interface: STA, SAS, PCIe – DRAM buffers – Tecniche di caching – Modellazione SSD – Tecniche di adaptive NAND processing – Hybrid storage: SSD per applicazioni enterprise – Architetture SSD con memorie universali.
Collaudo dei circuiti integrati (6 ore)
definizioni, Economia del collaudo – Simulazione di guasti: modello di guasto, stuck-at, guasti parametrici – Generazione automatica dei vettori di collaudo – Design for Testability: economia del DFT – Scan design – Built-In-Self-Test: costi e benefici del BIST; generazione casuale e pseudo casuale; Signature analysis, BILBO – Boundary Scan (IEEE 1149.1 JTAG). Collaudo delle NAND flash: flusso di test, Test accelerati – Problematiche specifiche.
Il progetto di un sistema elettronico digitale (2 ore)
Seminario tenuto da un progettista industriale sulle problematiche da affrontare in un progetto di un sistema elettronico digitale. Metodi didattici
- Il corso è organizzato nel seguente modo:
• lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso (58 ore)
• 1 seminario tenuto da un progettista industriale (2 hours) Modalità di verifica dell'apprendimento
- Esame orale.
L’esame ha l’obiettivo di valutare la capacità dello studente nel collegare tra loro gli effetti che scelte specifiche a livello di circuito possono produrre a livello di sistema e nell’individuare le scelte ottimale sulla base delle specifiche di progetto.
L’esame verte su tutte le tematiche del corso.
Allo studente verranno assegnati 3 argomenti e lo studente, prima di esporli, avrà il modo di organizzare la risposta (in genere da 30’ a 60’, a seconda delle necessità dello studente).
Vista la complessità di molti schemi circuitali, allo studente non è richiesto di saperli ridisegnare a memoria. Lo studente può utilizzare gli schemi visti a lezione e sui quali ha studiato. L’obiettivo dello studio, infatti, non è ricordare a memoria schemi circuitali che, probabilmente, fra pochi anni non saranno più utilizzati, ma avere compreso le motivazioni teoriche, applicative ed economiche che hanno portato alla definizione di quelle specifiche soluzioni circuitali.
La preparazione dello studente non verrà valutata, pertanto, sulla capacità di ricordare, a memoria, schemi o formule, ma nella capacità di spiegare le motivazioni che portano a specifiche scelte circuitali e nell’individuarne potenziali limiti.
Il superamento dell'esame è prova di aver acquisito le conoscenze e le abilità specificate negli obiettivi formativi dell'insegnamento. Testi di riferimento
- Appunti forniti dal docente disponibile sul sito del corso
Argomenti specifici possono essere approfonditi sui seguenti testi:
J.M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic; Digital Integrated Circuits; Prentice Hall, 2nd edition, 2003
R. Micheloni, L. Crippa, A. Marelli; Inside NAND Flash Memories; Springler-Verlag, 2010
R. Micheloni, A. Marelli, K. Eshghi; Inside Solid-State Drives (SSDs); Springler-Verlag, 2012
