Insegnamento ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI

Nome del corso di laurea	Ingegneria informatica ed elettronica
Codice insegnamento	70366829
Curriculum	Ingegneria elettronica
Docente responsabile	Andrea Scorzoni
Docenti	Andrea Scorzoni
Ore	81 Ore - Andrea Scorzoni
CFU	9
Regolamento	Coorte 2015
Erogato	Erogato nel 2017/18
Erogato altro regolamento
Attività	Caratterizzante
Ambito	Ingegneria elettronica
Settore	ING-INF/01
Anno	3
Periodo	Primo Semestre
Tipo insegnamento	Obbligatorio (Required)
Tipo attività	Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento	Italiano
Contenuti	Reti Logiche: sistemi numerici, codici, algebra di Boole, analisi e sintesi di reti combinatorie, funzioni aritmetiche, analisi e sintesi di reti sequenziali. Elettronica digitale con approfondimento sui circuiti CMOS. Introduzione all'uso del microcontrollore e alle interfacce seriali.
Testi di riferimento	TESTI CONSIGLIATI: - M.Morris Mano, C.R. Kime, Reti Logiche (4a ed.), Pearson-Prentice Hall.- Angelo Geraci, Principi di elettronica dei sistemi digitali, McGraw-Hill, http://www.ilovebooks.it/principi-elettronica-p-1652.html- Dispense a cura del docente (con password). - slides: http://www.writphotec.com/mano4/ (N.B. non includono revisioni del docente) TESTI INTEGRATIVI: - M.Morris Mano, C.R. Kime, Reti Logiche (2a ed.), Pearson-Prentice Hall.- Zappa, Elettronica Digitale, Esculapio, 2014. - J.F. Wakerly, Digital design: principles and practices, Prentice-Hall International Editions. - R. Laschi, Reti Logiche, Progetto Leonardo (Bologna). - M. Olivieri, Elementi di progettazione dei sistemi VLSI, Vol.1, EdiSES Napoli. - P. Spirito, Elettronica Digitale 3/ed, Mc Graw-Hill Italia. - F. Fummi, M.G.Sami, C. Silvano, Progettazione digitale 2° ed., Mc Graw Hill Italia. - R. C. Jaeger, Elettronica Digitale (ex Microelettronica), Mc Graw-Hill. - B.W. Kernighan, D.M. Ritchie, Il linguaggio C (2a ed.), Pearson-Prentice Hall. - D.A. Hodges, H.G. Jackson, Analysis and design of digital integrated circuits, McGraw-Hill International Editions. APPROFONDIMENTI: - J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nicolic, Circuiti integrati digitali - L'ottica del progettista, 2a ed., Pearson-Prentice Hall. - B Riccò, F. Fantini, P. Brambilla, Introduzione ai circuiti integrati digitali, Zanichelli-Telettra. - E. Taub, D. Schilling, Elettronica integrata digitale, Gruppo Editoriale Jackson. - P. Cappelletti, C. Golla, P. Olivo, E. Zanoni, Flash Memories, Kluver Academic Publishers.
Obiettivi formativi	Conoscenze metodologiche: conoscenza di base di semplici circuiti elettronici digitali, del microcontrollore e di alcuni circuiti logici programmabili; comprensione dei principali dati presenti nei cataloghi di dispositivi elettronici digitali integrati; conoscenza di elementi del linguaggio C applicato ai microcontrollori.Capacità professionali: capacità di progettazione di semplici circuiti e sistemi digitali sia a livello logico che a livello elettrico; capacità di utilizzo di strumenti di progettazione di sistemi digitali; capacità di orientarsi nella scelta dei circuiti logici da impiegare in un sistema digitale; abilità nella risoluzione di problemi di interfacciamento fra circuiti logici; uso degli strumenti cognitivi di base acquisiti in questo insegnamento per l'aggiornamento continuo delle proprie conoscenze nel campo dei circuiti digitali.
Prerequisiti	L’ unica propedeuticità prevista per questo insegnamento è “Fondamenti di informatica”. Poiché “Elettronica dei Sistemi Digitali” (ESD) è il secondo insegnamento di elettronica in ordine temporale, risulta assolutamente necessaria la conoscenza di tutti gli argomenti del programma di “Elettronica Applicata” (EA), anche se formalmente allo studente non è richiesto di aver passato con successo l’esame di detto insegnamento. L’assenza di una propedeuticità ufficiale è stata decisa dal Consiglio di Corso di Studi per favorire quegli studenti che preferiscono preparare contemporaneamente gli esami di EA e ESD e che hanno a disposizione un appello di ESD subito prima di quello di EA. Inoltre sono anche richieste conoscenze di base di Teoria dei Circuiti.
Metodi didattici	L’insegnamento è organizzato come segue:- lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti dell’insegnamento;- esercizi in aula;- esercitazioni presso il Laboratorio di Informatica sulla programmazione di un microcontrollore in linguaggio C. In ogni esercitazione gli studenti vengono distribuiti su 32 postazioni di lavoro. Gli studenti seguiranno 3 esercitazioni guidate di circa 2,5 ore ciascuna, precedute da una lezione di presentazione in aula. Al termine delle esercitazioni guidate gli studenti avranno libero accesso al laboratorio per ulteriori esercitazioni individuali.
Altre informazioni	Nessuna nota aggiuntiva.
Modalità di verifica dell'apprendimento	L’esame prevede una prova scritta di ammissione e una prova orale.- La prova scritta è costituita da:* n. 10 domande a risposta multipla sulle Unità Didattiche n. 2 e n. 3, tempo a disposizione: 40 minuti. (punteggio: +1 = risposta corretta, 0 = nessuna risposta, -0.5 = risposta errata). Il punteggio parziale risulta quindi compreso fra -5/10 e 10/10. La correzione delle domande avviene immediatamente dopo la prova. Soglia minima per proseguire l'esame: 5/10.* n. 3 esercizi sul programma dell'Unità Didattica n.1 (fondamenti di Reti Logiche), punteggio massimo 30/30, tempo a disposizione 90 minuti. Il primo esercizio, composto da 5 parti, riguarda i sistemi di numerazione binario, ottale, esadecimale, il complemento a 2 e le fondamenta dell’algebra booleana e dei dei circuiti logici. Il secondo esercizio richiede di progettare il circuito logico di selezione/accensione (decodifica) di un sistema di memoria. Il terzo esercizio propone il progetto di una semplice macchina a stati finiti di tipo sincrono.- L’esame orale è principalmente composto da domande aperte e normalmente ha una durata di 40 minuti. La prova inizia dalla discussione dei risultati dei tre esercizi di reti logiche e delle 10 domande a risposta multipla. Lo scopo è di stabilire il grado di conoscenza e le abilità dello studente a capire le basi teoriche della materia e di permettere allo studente di chiarire i ragionamenti che lo hanno portato ai risultati della prova scritta. Inoltre la prova orale permette al professore di valutare le abilità di comunicazione dello studente, la sua capacità di intrattenere un colloquio e la sua autonomia nell’organizzazione di una conversazione scientifica.Il punteggio complessivo è calcolato come media fra i punteggi delle prove scritte (con un punteggio massimo di 30) e quella della prova orale (anch’essa valutata in trentesimi). Normalmente la prova orale si svolge il giorno successivo alla prova scritta e in ogni caso entro una settimana dalla prova scritta. Nel caso lo studente abbia la necessità di sostenere altri esami nello stesso periodo di tempo è necessario accordarsi con il professore per stabilire una data dedicata alla prova orale. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso	Unità didattica n.1: Reti Logiche e Memorie (circa 45 ore)- Introduzione ai sistemi elettronici digitali: rappresentazione dell’informazione, principi di funzionamento e campi di applicazione. Modelli per lo studio dei sistemi digitali: le reti logiche.- Richiami su rappresentazione posizionale dei numeri (sistema numerico decimale e binario). Sistemi numerici ottale ed esadecimale. Conversione tra sistemi numerici. Operazioni aritmetiche su numeri interi. Codici binari e alfanumerici. Esercizi di verifica del profitto sui sistemi numerici.- Postulati e teoremi dell’algebra di commutazione. Classificazione delle reti logiche. Insiemi funzionalmente completi di reti logiche elementari. Criteri di costo. Semplificazioni a due livelli con l’uso di mappe di Karnaugh, minimizzazione del costo tramite manipolazione algebrica di espressioni (circuiti multi-livello). OR esclusivo e parità. Metodologia classica di progetto di reti logiche combinatori. Progettazione gerarchica. Convertitori di codice. Decoder, encoder, multiplexer. Limiti della metodologia classica di progetto di reti combinatorie: metodologia di progetto con componenti standard MSI e LSI: sintesi con decoder e OR e tramite multiplexer. Funzioni Aritmetiche. Richiami su rappresentazioni in complemento a 1 e in complemento a 2. Sommatori e sottrattori binari. Overflow. Cenni sui un linguaggio di descrizione hardware (VHDL). Esercizi di verifica del profitto su reti logiche combinatorie.- Circuiti Sequenziali. Latch SR e D, flip-flop master-slave SR e JK, flip flop edge triggered D, JK e T. Classificazione secondo Mealy e Moore. Cenni sulle reti sequenziali asincrone e problema delle delle alee statiche. Metodologia di progetto di reti sequenziali sincrone. diagramma degli stati e tabella di flusso, codifica degli stati e tabella delle transizioni, mappa delle variabili di stato e di uscita, espressioni, schema logico. Reti sincrone con ingressi sincroni e asincroni. Moduli elementari di elaborazione sequenziale: registri e contatori. Cenni sull'interfaccia SPI. Esercizi di verifica del profitto sulle reti sequenziali sincrone.- Memorie a semiconduttore. Architettura, Classificazione (RAM, ROM, EPROM, E2PROM, Flash), ROM e loro architettura. Esempi di circuiti a logica programmabile: PLA. Sintesi di circuiti combinatori tramite PLA. Metodologie di indirizzamento (decodifica degli indirizzi). Esercizi di verifica del profitto sulla decodifica degli indirizzi delle memorie.Unità didattica n.2: Elettronica digitale (circa 21 ore)- Circuiti per l’elaborazione di segnali digitali: principi operativi e cifre di merito. Caratterizzazione statica: livelli logici e livelli elettrici, caratteristiche d’ingresso (e diodi di protezione) e di uscita, funzione di trasferimento, margini di rumore. Caratterizzazione dinamica: ritardo di propagazione. Consumo statico e dinamico. Prodotto ritardo-consumo.- Il transistore MOS: richiami, principi di funzionamento in regime stazionario. Equazioni approssimate della corrente. Analisi delle principali non-idealità: modulazione della lunghezza di canale, effetto body. Comportamento in regime dinamico: capacità associate al transistore MOS.- L’invertitore nMOS e CMOS. Logiche CMOS statiche, logiche a porte di trasmissione (pass-transistor, transmission gate). Famiglie logiche CMOS. Cenni sulle famiglie logiche bipolari, sugli stadi di ingresso e di uscita TTL. Interfacciamento fra diverse famiglie.- Bus, open collector, open drain e tri-state.- Esempi di celle di memorie a semiconduttore volatili e non volatili: RAM, ROM (FLASH).Unità didattica n.3: Introduzione all’uso del microcontrollore (circa 15 ore).- Introduzione all’architettura e alle funzionalità di un microcontrollore dotato di core ARM7: I/O, interrupt, bus. Esercitazioni guidate di laboratorio basate sul linguaggio C. Verranno utilizzati software gratuiti e schede di sviluppo basate su ARM7.