1

Aspiranti ingegneri dell’informazione

RETI LOGICHE insegnaa descrivere eda progettare…..

Roberto LaschiAndrea LodiStefano Mattoccia Marco Prandini

complessità

tempotecnologia

controllo

elettrica elettronica

tutte leattività

…le macchine digitali

calcolo

manuale meccanica

misura

Macchine digitaliMacchine per la rappresentazione,

l’elaborazione e la comunicazione di informazioni

Sistemi artificiali che impiegano grandezze fisichecon un numero finito di valori

1: Macchine digitali

Programma e Prove d’esame

2: Codifica binaria dell’infor.

3: Modelli

5: Reti combinatorie

6: Reti asincrone

7: Reti sincroneSaperfare

Sapere

4: Reti logicheOrale

Prova intermedia

OraleProva scritta

2

Regolamento prove d’esame

Date prove d’esame• Prova intermedia: SABATO 22/5• Prove scritte: 24/6 9/7 sett., dic., gen., mar.

L’esame prevede due prove:1. Prova scritta (2 esercizi)

• Punti complessivamente disponibili: 22• Superamento: punteggio di ciascun esercizio > 4

2. Prova orale• Punti disponibili: 11• Superamento: punteggio > 4

Voto esame: somma dei punteggi delle due prove (purchéentrambe superate)

È possibile sostituire la prova orale con:• Prova intermedia • Esercizio da sostenere durante la prova scritta di Luglio

OrarioVARIAZIONE ORA “Q”

L’ora “Q” condivisa con il corso di Fisica è stata spostata allunedì, quindi:• il venerdì ci sono sempre 3 ore di Reti Logiche (14-17)• il lunedì, a settimane alterne, ci sono

• 3 ore di Reti Logiche seguite da 2 di Fisica • 2 ore di Reti Logiche seguite da 3 di Fisica

LABORATORIO

Il corso prevede una esercitazione della durata di 3 ore, la cui frequenza vale 1 punto sul voto finale.

http://lia.deis.unibo.it/Courses/RetiLog0304

1.1 - Descrizione e progettazione1.2 – Segnali ed interruttori

Capitolo 1

Macchine digitali

1.1 Descrizione eprogettazione

3

Struttura & Comportamento

COMPORTAMENTO: “vista” della macchina focalizzata sulle risposte fornite a seguito di ogni possibile sollecitazione esterna

STRUTTURA: “vista” della macchina focalizzata sui componenti e sulle modalità con cui interagiscono

Boom

Crash!

Descrizionedella

STRUTTURA

Descrizionedel

COMPORTAMENTO

Sintesi

Analisi

Analisi & Sintesiastrazione

cosa fa

come èfatta

Livelli di astrazionee di progettazione

• Ogni livello di questa gerarchia individua strutture formate da componenti “astratti”la cui struttura è definita nel livello sottostante

• Scendendo dall’alto verso il basso aumenta il numero di componentie diminuisce la complessità dell’azione svolta da ciascuno

Livelli di descrizione

• La descrizione del comportamento può essere più e più volte decompostain comportamenti più semplici dasvolgere nello spazio e/o nel tempo

4

Progettazione top-down e bottom-up

Livello nComponenti “primitivi” per il livello n

Comportamentodel sistema

Struttura formata da sottosistemi

Livello 0 Fenomeni fisici e chimici all’interno di materiali

Livello n-1Componenti “primitivi” per il livello n-1

Comportamentidei vari sottosistemi

Strutture formate da parti più semplici

Componenti “primitivi” per il livello 1Livello 1

Schemi circuitali

Andamenti di tensioni e di correnti elettriche

Progettazione a livelli

Prodotto dilivello i

Livello diprogetto i

Componenti “primitivi” per il livello i

Comportamentidei vari sottosistemi

Strutture formate da parti più semplici

Prodotto dilivello i+1

Struttura formata da parti sottostanti

Comportamentodel nuovo sistema

Componenti “primitivi” per il livello i+1

Livello diprogetto i+1

Il progetto, o sintesi, su un livello

Descrizione del

comportamento

Elenco dei componenti disponibili, del loro

comportamento e delle modalità con cui farli

interagire

Metodologie per l’ottimizzazione

del costo e delle prestazioni

Descrizionedella

strutturaCAD Schemi a blocchi

5

Il modello del “blocco” o “scatola nera”

Pingresso deidati

uscita deirisultati

P ↔ relazione ingresso/uscita o di causa/effetto•trasformazione•temporizzazione

Alfabetod’ingresso

Alfabetod’uscita

Regole “elementari” di composizioneu=M2(M1(i))

Deve operare prima il blocco asinistra, poi quello a destra.

I due blocchi operanocontemporaneamente.

u1=M1(i)u2 =M2(i) {

u=M1(i, s)s=M2(u) u=M1(i, M2(u))È necessario che l’anello completi un calcolo prima di avviarne uno nuovo.

c) in retroazione

b) in parallelo

a) in serie

M1 M2i u

M1i u

s M2

M1

M2

iu2

u1

Funzionecomposta

Sistema difunzioni

Funzionericorsiva

Classificazione di alto livello

• Macchine special purposeparametri

• Macchine general purposeprincipio del programma memorizzato

Babbage (1833)Turing e von Neumann (1941)

Il livello architettonico

6

Hardware e Software

Calcolatore general purpose

software hardware

caricamento fetch fetch fetchexecute executet

i.s.

Il Controllo ed il Percorso dei dati

controllo

comandi

dato risultatopercorso dei dati

richiesta notifica

statoSemplicitàFlessibilità

somma,cancella, copia,..

sto facendo,ho finito, errore,..

start,stop, ..

Elaborazionecentrale

UscitaIngresso

Central Processing Unit e Input/Output

protocollodi

uscita

operandioperazioni

risultati

protocollodi

ingressodato risultato

richiesta notifica

controllocontrollocontrollo Semplicità

Flessibilità

I/O, bus, interfacce e dispositivi

CPUI/O

Interfaccia N. 0

Interfaccia N. 1

Interfaccia N. k

bus

Tastiera

Interfaccia N. i

Monitor

Hard disk

Modem

7

L’interfacciadella tastiera

Unità di ingresso

BufferScansione

premuto/non premutoSelettore

Generatoredi

“nomi”

XY

Z

Da 10 a 30 interrogazioni al secondo Selezione

Generatoredi coordinate

Interfaccia Video

Monitor

Buffer

0,0: nero

0,1: giallo

N,M: blu

Selettore

immagine,posizione

Da 50 a 72quadri

al secondo

Input, Central Processing Unit, Output

CPU

Input

controllo

protocollodi

ingresso

Output

controllo

protocollodi

uscita

richiesta notifica

dato risultato

memoriadati

esecutore

interprete

memoriaistruzioni

Processore

BUS

Memoriaprincipale

Unità di ingresso/

uscita

Architettura di un calcolatore elettronico

8

9

I livelli fisico e logico

Fenomeni e segnali

Fenomenofisico

Fenomenofisicograndezza

“causa”grandezza“causa”

grandezza“effetto”

grandezza“effetto”

segnaletensione

segnaleposizione

segnaletensione

segnaleresistenza

Il livello logico

Funzioni,variabili,

espressioni

Livello logico

Livello fisico

Livello architettonico

Processore,memoria, I/O

Ram,Registro,Contatore

Alu,Decoder

Multiplexer

Affidabilità,velocitàingombro,consumo,

costo

Adattabilità,velocitàcapacità,sicurezza,

espressivitàDescrizione formale

composizione,decomposizione

contatti,segnali ecircuiti

RETI LOGICHE

1. Modalità di rappresentazione2. Modalità di elaborazione3. Descrizione matematica4. Procedimenti

1.2 Segnali e interruttori

10

Segnali analogici e digitali

AUTOMOBILE

Segnali esterni ed interni

Cilindri

AlberomotoreCarburatore

piede

Pedaleacceleratore

ruote

Differenziale

Il trasporto dell’informazione

SEGNALE - Grandezza fisica variabile nel tempo il cui andamento o forma d’ondarappresenta l’informazione

che la parte sorgente vuole inviare alla parte destinazione.SEGNALI ANALOGICI: ogni variazione della grandezza fisicamodifica l’informazione trasportata. SEGNALI DIGITALI: solo a certe variazioni corrisponde unamodifica di “significato”.

sorgente

destinazione

segnale

Forme d’onda

• Il segnale analogico

• Il disturbo

• Il segnale digitale

• Il segnale binarioL

H

y(t) ≡ informazione

11

Velocità e RobustezzaIPOTESI: si dispone di una tensione elettrica che varia nell’intervallo0 10 volt e di cui si è in grado di generare/misurare il valore con la precisione del centesimo di volt.

SOLUZIONISegnale analogico: occorre un istante di tempo, ma un “rumore” di ampiezza pari al centesimo di volt modifica il dato.

Segnale digitale: una volta suddiviso l’intervallo in 10 fasce da un voltoccorrono tre istanti di tempo; l’insensibilità al rumore è pari a 0,5 volt.

Segnale binario: con due fasce da 5 volt la comunicazione richiededieci intervalli, ma la insensibilità al rumore diventa di 2,5 volt.

PROBLEMA: comunicare il valore di un numero intero < 1000.

Segnali binari: esempi

contatto:aperto/chiuso

lampadina:accesa/spenta

corrente elettrica:presente/assente

tensione elettrica:High/Low

levetta:alta/bassa

cristallo liquido:trasparente/opaco

Convertitorie trasduttori

segnali analogicimicrofonotermostatoaltimetro

I/O analogico

ConvertitoreA/D

segnali binaritastieramousefloppy

Elaborazionedi

segnalibinari

segnali binarilampadinamonitorfloppy

ConvertitoreD/A

segnali analogicialtoparlanteplotterdinamo

12

B

L

L

Conversione diretta da A a D

B

B

L

L

B

L

L

B

B

B

B

B

B

L

B

L

L

B

Luce/BuioLuce/BuioLuce/Buio

Conversione D/A: un esempio

C4 C3 C2 C1 DA converterc c c c VU = 4.R.I0a c c c VU = 3.R.I0a a c c VU = 2.R.I0a a a c VU = R.I0a a a a VU = 0

Generatore di corrente:

↓I0

↓I0 ↓I0 ↓I0 ↓I0

C1 C2 C3 C4

↑ VUc = chiuso, a = aperto

Ingressi e uscite di una macchina digitale

TrasduttoreSegnale

analogico AttuatoreSegnale

analogicoConvertitore

A/DConvertitore

D/A

Segnalebinario

Segnalebinario

Macchinadigitale Interruttori

13

Azionamento manuale

Apparati elettriciTelegrafo

Azionamento elettromagnetico

il relè

Φ1 forza d’attrazione della molla

A B

C D

molla

materialeferromagnetico

bobina

A B

C D

gen. dicorrente

Φ2 = k i2 forza d’attrazione al traferro

i

“not”“buffer”

Azionamento elettronico

Causa Effettovalore “alto” corrente SIvalore “basso” corrente NO

Correnteelettrica

Correnteelettrica

Correnteelettrica

Tensioneelettrica

il transistorebipolare unipolare

interruttore!

14

H

L

tempo

Forma d’ondadella tensioneo della correntein ingresso

Forme d’onda della causa e dell’effetto

tempo

Forma d’ondadella correntein uscita

H

L

Tecnologia e prestazioni

ManualeMeccanicoElettricoElettronico

evoluzione

Azionamento

Transistore unipolarearea: 10-9 mm2

velocità: 1010 com./secconsumo: 10-4 wattcosto: 10-3 lire

integrazione!

Descrizioneastratta

220 volt

Interruttore Lampada

ANALISI• la causa è la posizione dell’interruttore • l’effetto è l’emissione o meno di luce

Interruttore Lampada alto spentabasso accesa

“buffer”

Struttura Comportamento

Livello fisco

I L

il gate “buffer”astrazione 00

11Li

15

Interruttore Lampada alto accesabasso spenta

ANALISI• la causa è la posizione dell’interruttore • l’effetto è l’emissione o meno di luce

il gate “not”

I L

220 volt

interruttore I

lampada L

astrazione

“not”

1001Li

Le due modalità di elaborazionedi un segnale binario

011

100L = f2(i)L = f1(i)i

il gate “not”

I LI L

il gate “buffer”

Il “not” elettronico

Vi Vu

0 + E+ E 0

+ E

Vi

Vu

0 voltoppure+E volt

+E voltoppure0 volt

I L

1001Li

Disposizione in serie e in parallelo

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Contatti in serie

I1 I2

A B

I1 I2 ABaperto aperto apertoaperto chiuso apertochiuso aperto apertochiuso chiuso chiuso

Il gate “and”

“and” L’interruttore “complessivo” è chiuso se sonochiusi e I1 e I2

I1 I2 ABaperto aperto apertoaperto chiuso chiusochiuso aperto chiusochiuso chiuso chiuso

Contatti in parallelo

I1

I2

A B

Il gate “or”

“or” L’interruttore “complessivo” è chiuso se èchiuso o I1 o I2

And e Or a più di due ingressi

Contatti in serie

x1 x2 x3

z

Contatti in parallelo

x1

x2

x3

z

N. B. - Il numero dei segnali di ingresso diun gate è detto fan-in.

x1x2 zx3

x1x2 zx3

V1 V2 Vu

L L HL H LH L LH H L

Il gate “nor”

+ E

V1

V2

Vu

N.B. Gli interruttoriin parallelo possono essere più di due.

x1

x2

z

17

V1 V2 Vu

L L HL H HH L HH H L

Il gate “nand”

+ E

V1

V2

VuN.B. Gli interruttoriin serie possono essere più di due.

x1

x2

z

D1 D2 Lalto alto spentabasso alto accesaalto basso accesabasso basso spenta

“ex-or”

220 volt

deviatore D1

lampada L

deviatore D2

Il gate “ex-or”

L’interruttore “complessivo” è chiuso se sonoalti o D1 o D2, ma non entrambi

Retroazione

I pulsanti di Marcia e Arresto di un motore

interruttore i

pulsante M

pulsante A

Relè

Alimentaz.in

correntecontinua

NS

Motore elettrico

18

Alim. interruttore i

pulsante M

NS

Marcia !

pulsante ACorrente I

.. Ho inteso !

Alim. interruttore i

pulsante M

pulsante ANS

… e me lo ricordo !

Alim.

interruttore i

pulsante M

pulsante ANS

Arrestati !

Alim.

interruttore i

pulsante M

pulsante ANS

19

Arrestati !

Alim.

interruttore i

pulsante M

pulsante ANS

Ho capito !

Alim.

interruttore i

pulsante M

pulsante ANS

premuto premuto chiuso SI

premuto premuto aperto SI

premuto rilasciato chiuso SI

premuto rilasciato aperto SI

rilasciato rilasciato chiuso SI

rilasciato rilasciato aperto NO

Pulsante M Pulsante A Interruttore i Corrente I

rilasciato premuto aperto NO

rilasciato premuto chiuso NO

Relè ad “autoritenuta”:tabulazione degli esperimenti

Situazione

stabile

stabile

instabile

stabile

instabile

inutile

inutile

stabile

M

A

A

Alim.i

I

I M

∆ti(t +∆t) = I(t)

astrazione

Contatti disposti in serie/parallelo ed una retroazione con ritardo ∆t tra la corrente di comando del relè e la posizione del contatto i

i

20

Due “nor” in retroazione

V1

V2

+ E

V1

V2

V3 Vu

+ E

V3

Vu

V2=V3=LVu=V1=?o H o L

L

L

H

L

L

L

Il comportamento dei due NOR in retroazione

V2

V3

Vu

H

L

H

L

H

L

Bit e configurazionibinarie

Variabili binarie

I Interruttore I0 alto 11 basso 0

C Contatto C0 aperto 11 chiuso 0

L Lampada L0 accesa 11 spenta 0

logica negativa logica positiva

Segnali binari: {Presente, Assente} {High, Low}{Aperto, Chiuso} {Luce, Buio} ecc.

Bit (binary digit) - Variabile x tale che:x ∈ B{0,1}

logica positiva e negativa

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Configurazioni binarie

a

b

c

0

0

0t

1 0 0x

t1 t2 t3

• n bit hanno 2n configurazioni binarie diverse.• Una configurazione di n bit può rappresentare i valori di n segnali binari ad un certo istante.

• Una configurazione di n bit può rappresentarei valori di un segnale binario in n istanti.

Es:a b c0 0 01 0 00 1 00 0 11 1 01 0 10 1 11 1 1

Configurazione binaria - Stringa di lunghezza n di simboli 0 e 1. b1 b2 b3 bn

n bit

Diagrammi ad occhio

Andamento di 3 segnali:010 101 000 … …

Relazione di causa/effetto di un blocco con 3 ingressi e 2 uscite:

010 101 000 … …

ingresso

11 00 01 10 01 ……….

uscita

Data sheet

Tecnologia elettronica: chip e contenitori

StandardDIP

PCCPLCC

CERQUAD……SECC

Anno Sigla interruttori/chip1968 SSI 30

1970 MSI 3001972 LSI 3.000

1975 VLSI 30.0001992-5 UVLSI 3.000.000

22

Tecnologia elettronica: collegamenti

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

SN74

98

SN74

98

+5 volt

massa

Tecnologia elettronica: piastre e connettori

StandardSCSIPCMCIA……..