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Aspiranti ingegneri dell’informazione

RETI LOGICHE insegnaa descrivere eda progettare…..

Luigi Di StefanoRoberto LaschiAndrea LodiMarco Prandini

complessità

tempotecnologia

controllo

elettrica elettronica

tutte leattività

…le macchine digitali

calcolo

manuale meccanica

misura

Macchine digitali - Sistemi artificiali che impiegano

il “fine”

per rappresentare ed elaborare informazioni

il “mezzo”

grandezze fisiche con un numero finito di valori

Programma e Prove d’esame

1: Macchine digitali

2: Bit

3: Modelli di comportamento

5: Reti combinatorie

6: Reti asincrone

7: Reti sincroneSaperfare

Sapere

4: Gate, funzioni, espressioni

OraleProva intermedia

OraleProva scritta

2

Regolamento prove d’esame

Date prove d’esame• Prova intermedia: 24/5• Prove scritte: 26/6 17/7

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

• Punti disponibili: 22• Superamento: punteggio > 6

2. Prova orale• Punti disponibili: 11• Superamento: punteggio > 3

Voto esame: somma dei punteggi delle due prove.

È possibile sostituire la prova orale con:• Prova intermedia• Prova costituita da un esercizio da sostenere durante la prova

scritta di Luglio

1.1 - Descrizione e progettazione1.2 – Unità funzionali1.3 – Reti di interruttori

Capitolo 1

Macchine digitali

1.1 Descrizione eprogettazione

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

3

Descrizionedella

STRUTTURA

Descrizionedel

COMPORTAMENTO

Sintesi

Analisi

Analisi & Sintesiastrazione

cosa fa

come èfatta

• 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

Il modello del “blocco” o “scatola nera”

Pingresso deidati

uscita deirisultati

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

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

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

Hardware e Software

Calcolatore general purpose

software hardware

caricamento fetch fetch fetchexecute executet

5

La macchina “programmabile”

Software

Hardware

Software Applicativo

Linguaggio di Programmazione

Software di base

Processore, Memoria, I/O, Bus

Reti logiche

Famiglie e Librerie di Circuiti

Circuiti elettronici

Livello architettonico

Livello logico

Livellofisico

Registri, Contatori, Selettori, Alu, ecc.

Instruction Set

Interruttori elettronici

Il livello logico

contatti,segnali ecircuiti

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

1.2 Unità funzionali

Il Controllo ed il Percorso dei dati

controllo

comandi

dato risultatopercorso dei dati

richiesta notifica

stato

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Elaborazionecentrale

UscitaIngresso

Central Processing Unit e Input/Output

protocollodi

uscita

operandioperazioni

risultati

protocollodi

ingressodato risultato

richiesta notifica

controllocontrollocontrollo

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

7

Processore

BUS

Memoriaprincipale

Unità di ingresso/

uscita

Architettura di un calcolatore elettronico 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

Tecnologia elettronica: piastre e connettori

StandardSCSIPCMCIA……..

8

1.3 Reti di interruttori

9

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

AUTOMOBILE

Segnali esterni ed interni

Cilindri

AlberomotoreCarburatore

piede

Pedaleacceleratore

ruote

Differenziale

Forme d’onda

• Il segnale analogico

• Il disturbo

• Il segnale digitale

• Il segnale binarioL

H

y(t) ≡ informazione

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.

10

Segnali binari: esempi

contatto:aperto/chiuso

lampadina:accesa/spenta

corrente elettrica:presente/assente

tensione elettrica:High/Low

levetta:alta/bassa

cristallo liquido:trasparente/opaco

macchina analogica

Segnali e macchine per l’elaborazione dell’informazione

A) analogici

B) digitali

Segnali 1) di ingresso 2) interni 3) di uscita

macchina digitale

segnali analogicimicrofonotermostatoaltimetro

Macchine digitali

ConvertitoreA/D

segnali binaritastieramousefloppy

Elaborazionedi

segnalibinari

segnali binarilampadinamonitorfloppy

ConvertitoreD/A

segnali analogicialtoparlanteplotterdinamo

Trasduttori, Convertitori, Attuatori

ConvertitoreA/DTrasduttore

ConvertitoreD/A Attuatore

Suggerimento: leggere l’approfondimentosui convertitori (dispense, pag.12)

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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

Livello fisico: circuiti, contatti e interruttoricortocircuito

generatore

Carico

circuito aperto

generatore

Carico

Carico

generatore

circuito elettrico

Comando che modificala posizione del contatto

Azionamento manuale

Apparati elettriciTelegrafo

220 volt

Interruttore Lampada

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

Interruttore Lampada alto spenta

basso accesa

“buffer”

Struttura Comportamento

Livello fisco

I L

il gate “buffer”astrazione

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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” Tabelle con simboli astratti

011

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

0: contatto alto o luce accesa1: contatto basso o luce spenta

il gate “not”

I LI L

il gate “buffer”

Contatti in serie

I1 I2

A B

I1 I2 ABaperto aperto apertoaperto chiuso apertochiuso aperto apertochiuso chiuso chiuso

Il gate “and”

“and”

I1 I2 ABaperto aperto apertoaperto chiuso chiusochiuso aperto chiusochiuso chiuso chiuso

Contatti in parallelo

I1

I2

A B

Il gate “or”

“or”

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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

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”

Azionamento elettromagnetico

il relè

Φ1 forza d’attrazione della molla

A B

C D

molla

materialeferromagnetico

bobina

A B

C D

gen. dicorrente

Φ2Φ2Φ2Φ2 = k i2 forza d’attrazione al traferro

i

14

I pulsanti di Marcia e Arresto di un motore

interruttore i

pulsante M

pulsante A

Relè

Alimentaz.in

correntecontinua

NS

Motore elettrico

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

15

Arrestati !

Alim.

interruttore i

pulsante M

pulsante ANS

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

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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

Azionamento elettronico

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

Correnteelettrica

Correnteelettrica

Correnteelettrica

Tensioneelettrica

il transistorebipolare unipolare

interruttore!

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

Il “not” elettronico

Vi Vu

0 + E+ E 0

+ E

Vi

Vu

0 voltoppure+E volt

+E voltoppure0 volt

I L

17

V1 V2 Vu

L L HL H LH L LH H L

Il gate “nor”

+ E

V1

V2

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

x1

x2

z

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

Tecnologia e prestazioni

ManualeElettricoElettronico

evoluzione

Azionamento

Transistore unipolarearea: 10-9 mm2

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

integrazione!

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

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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