Prof. Adelio Salsano - Dott. Stefano Bertazzoni – Ing. Salvatore Pontarelli III Ciclo Dal 2 Marzo...

Prof. Adelio Salsano - Dott. Stefano Bertazzoni – Ing. Salvatore PontarelliIII Ciclo

Dal 2 Marzo 2009 al 24 Aprile 2009

Lezioni Lunedì ore 11.30 – 13.15, Aula 3 Nuovi edifici

Mercoledì ore 14 – 15.45 Aula 9 NEGiovedì ore 11.30 – 13.15, Aula 3 NE

Ricevimento studenti: lunedì e giovedì ore 15-17

Organizzazione• Quattro settimane per richiami di elettronica digitale, circuiti programmabili,

architettura e caratteristiche hardware e software dei sistemi a microprocessore.• Verifica intermedia • Tre settimane di lezioni ed esercitazioni relative a sistemi a microcontrollore, basate

su un microcontrollore commerciale.• Verifiche finali

Possibilità di modifica in relazione ai prerequisiti degli studenti

Sistemi Elettronici Programmabili (SELPR)

Sistemi elettronici programmabili 1-2

Introduzione: dal continuo al discretoRichiami di elettronica digitale: Sistemi numerici e algoritmi di conversioneFunzioni logiche e aritmetiche Circuiti combinatori e sequenzialiPLD e FPGA: Architetture; celle elementari e strutture complesseMicrocalcolatori e microprocessori: ArchitettureCaratteristiche hardware dei microprocessori: Lunghezza di parola; Velocità; RegistriMemorie permanenti e di lavoroSequenza di esecuzione di una istruzioneCaratteristiche software dei microprocessori: Codici operativi; Modi indirizzamentoProgetto di un microprocessoreSistemi elettronici digitali: definizioni; architetture di interconnessioneLe perifericheLa gestione dello scambio dei datiLa comunicazione tra sistemi digitali: Trasmissione seriale; Trasmissione parallela; Riconoscimento e correzione degli erroriLinguaggi e strumenti di programmazionePresentazione di un microcontrollore commerciale:• Architettura• Set di istruzione• Tecniche di programmazione• Sviluppo di un progettoIn funzione della disponibilità di posti di lavoro, sono previste esercitazioni pratiche sui sistemi presentati

MATERIALE DIDATTICOTrasparenze e dispense del corso www.uniroma2.it/didattica (selpr1) e www.elet.uniroma2.it (approfondimenti)Carl Hamacher, Z. Vranesic, S. Zaky: “Introduzione all’architettura dei Calcolatori” , MacGraw- HillH.A. Farhat: “Digital Design and Computer Organization”, CRC Press

Programma


Dal Continuo al Discreto

• I fenomeni naturali sono intrinsecamente continui - temperatura, velocità, ecc.

• La misura di una grandezza è intrinsecamente discreta numero • La precisione può essere spinta quanto si vuole• Strumenti analogici e digitali conversione A/D e D/A• Simboli e numeri. Codici binari.• Simboli rappresentano oggetti come lettere dell’alfabeto, o qualità e

possono – non sempre - essere messi in ordine funzioni logiche• I numeri possono essere ordinati, sommati, moltiplicati, ecc.

concetto indipendente dalla rappresentazione• I sistemi numerici: decimale, binario. Valore posizionale• Le cifre sono i simboli usati in un sistema in una certa base 0-9 per

la base 10, 0-1 per la base 2, 0-7 per la base 8.


• Equivalente decimale di un numero in base B

D = Pi Bi

• Equivalente binario di un numero decimale Divisioni successive per 2 I resti sono i bit successivi a partire da B0

• Algoritmi simili per numeri frazionari (<1) successive moltiplicazioni per passaggio da decimale a binario

• Half adder e full adder di numeri binari

Cin B A SUM Cout

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0 Half adder

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

Full Adder

Adder


Numeri negativi Complemento a 2Serve per fare le sottrazioni sommando il complemento a due del sottraendoIl bit più significativo dà il segno: 1 corrisponde a numero negativoPassaggio da un numero al suo complemento a 2 Complementare tutti i bit e sommare 1

0000 0 0001 1 …..011171111-1 1110-2 …..1001-7 1000-8ESEMPI 4 bit da –8 a +7 Si prendono i quattro bit meno

significativi e si trascura il riporto+1 = 0001-1 = 1111 10000

+5 = 0101 -2 = 1110 10011


Codici (1)

Codici Stabiliscono una corrispondenza biunivoca tra simboli/numeri e rappresentazione in termini di bit.

Lunghezza di un codice Numero di bit usato per rappresentare un simbolo/numero Con N bit possono essere rappresentati al massimo 2N “oggetti” diversi Codici ridondanti per facilitare il riconoscimento di errori, l’esecuzione di operazioni, ecc.

Codici pesati e non pesati per numeri binario, BCD a 4 o 5 bit, eccesso 3.

Codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange) 7 bit per lettere e numeri i numeri hanno come primi bit 011, seguiti dai 4 bit BCD tutte le tastiere.

Bar code.


Codici (2)

Codifica e decodifica: dal simbolo/ numero ai bit e viceversa Funzioni logiche Display 7 segmenti.

Funzioni logiche relazioni tra variabili che possono essere “vere” o “false” – “1” o “0” Esempio: lampada accesa (“1”) se l’interruttore è acceso (“1) e c’è la corrente (“1”).

Byte: 8 bit - Digit: 4 bit - Parola o word: numero di bit corrispondente al parallelismo del sistema di elaborazione.

Le funzioni logiche sono espresse ed elaborate con le regole dell’algebra booleana.


L’algebra booleana si basa su alcune funzioni elementari, OR, o somma logica, AND, o moltiplicazione logica e NOT, o negazione logica.

F= A+B F vero se A o B vero o se sono veri sia A che B

F=A.B F vero solo se sia che B sono veri.

F=A/ F vero se A falso, F falso se A vero.

“Vero”, “true”, corrisponde a “1” e “falso”, “false”, corrisponde a “0”.

OR AND NOT

A B F A B F A F

0 0 0 0 0 0 0 1

0 1 1 0 1 0 1 0

1 0 1 1 0 0

1 1 1 1 1 1

Algebra Booleana e Porte Elementari

Tabelle della verità


Altre funzioni elementari sono:

• NOR OR negato• NAND AND negatoFunzioni più complesse sono rappresentabili con tabelle della verità e con

opportune interconnessioni di funzioni elementari

CIRCUITI LOGICI Data una espressione booleana, è possibile realizzare un circuito logico

corrispondente e viceversa. I circuiti logici lavorano tra due tensioni corrispondenti rispettivamente a “1” e a “0”. Sono in genere la tensione minima e la massima del circuito – terra e alimentazione e si dice che lavora in logica positiva se a “1” corrisponde la tensione più alta e a “0” la tensione più bassa.

Per realizzare un circuito logico Funzione logica, p.e. tabella della verità

Semplificazione con leggi algebra Implementazione


Il negato di una somma è uguale al prodotto dei negati

Il negato di un prodotto è uguale alla somma dei negati

Leggi varie per semplificare le espressioni booleane

Possibile utilizzare solo NOR o solo NAND per realizzare la generica funzione booleana

SIMBOLI DELLE FUNZIONI ELEMENTARI

AND OR INV NAND NOR

De Morgan


Tabelle di Look-up (LUT)

Una funzione logica può essere realizzata con un circuito logico – or, and, nor,,,,- o

In alternativa, può essere realizzata utilizzando memorie elettroniche (RAM, ROM, EEPROM, FLASH…) partendo direttamente dalla tabella della verità.

Una funzione logica ad n variabili fa corrispondere ad ognuna delle 2n combinazioni degli ingressi un valore per l’uscita: può essere implementata con una memoria 2n x1, con gli indirizzi corrispondenti alle combinazioni degli ingressi.

Questa soluzione è utilizzata per esempio nei FPGA


Componenti Usati nei Circuiti Logici

I circuiti logici che considereremo nel corso sono realizzati con transistori MOS che possono essere schematizzati come interruttori aperti o chiusi, con resistenze, effettive o equivalenti, e capacità.

I simboli relativi sono i seguenti

NMOS PMOS R C


Circuiti Logici ElementariI circuiti logici si basano sulla realizzazione di inverter, o, meglio, di blocchi circuitali che, in funzione degli ingressi, colleghino l’uscita all’alimentazione (pull-up, o PUN, Pull Up Network) o a terra (pull-down, o PDN, Pull Down Network). Possono essere usate diverse tecnologie: la più usata attualmente è la CMOS.

L’inverter di base esegue la funzione “negazione”, cioè

INOUT

PUN

PDN

IN OUT

IN OUT

VDD

GND


Altri Circuiti Logici Elementari

B

A

VDD

OUT

B

GND

NAND

OUT

GND

B

VDD

A

A

NOR


Funzioni Complesse

)( CDBAY Da cui

)( CDBAY

B

A B

C D

A

C

D GND

VDD

Y

Funzioni più complesse si realizzano considerando prima il PDN; cioè realizzando la funzione che dà l’uscita bassa: il PUN è quindi realizzato come duale del PDN.ESEMPIO:


Transmission Gate

Vc

Vout

Vin

Vc

FAN IN e FAN OUT: Fan in è il numero di porte di ingresso ammesse per la tecnologia considerata, mentre il fan out è il numero di ingressi che l’uscita di una porta logica può pilotare rispettando i limiti di capacità e di ritardo ammessi

Coppia NMOS/PMOS che conduce sia il valore alto che il valore basso in modo ottimale


CIRCUITI DINAMICI

• Informazione memorizzata in capacità

• Numero MOS metà dei CMOS+2

• I due MOS collegati ad un clock per precarica e valutazione

• L’informazione si perde se la frequenza del clock è troppo bassa

OUT

VDD

PDN

Cl

t


Circuiti Combinatori e Sequenziali

• I circuiti esaminati finora sono detti “combinatori”: l’uscita dipende solo dagli ingressi attuali

• I circuiti nei quali l’uscita dipende dagli ingressi attuali e dagli ingressi precedenti sono detti “sequenziali” -esempio tipico è il flip flop RS che memorizza un bit in logica statica

R S Qn+1

0 0 QN

0 1 1

1 0 0

1 1 NV

Q

R

S

QR Q

S

Q


Il Clock

Sistemi complessi richiedono un segnale di clock per sincronizzare le operazioni dei diversi componenti e circuiti La memorizzazione avviene in elementi sensibili al livello – latches - o al fronte –flip flop.

Flip Flop con funzionalità diverse (RS, D, JK) sincronizzati

LATCH RS SENSIBILE AL LIVELLO

R

S

Q

CK

Q

R Q

S

CK

Q


Latch D DATA

S Q

R

CK

D D Q

CK

Q Q

FLIP FLOP D Master –Slave Commuta sul fronte negativo

Q

D Q

D Q

CK

D Q

MS

CK

Q Q Q

Flip-Flop


R

S

Q

Q

J

CK

K

FLIP FLOP JK

J K Qn+1

0 0 QN

0 1 1

1 0 0

1 1 QN/

D Q

MS

D Q

MS

D Q

MS

D Q

MS

CK

QQ Q Q

Registro a scorrimento

Flip-Flop


Memorie

Un sistema di calcolo necessita di memorie per i programmi e per i dati

MEMORIA CENTRALE e MEMORIA DI MASSA

La memoria centrale serve per i dati da elaborare e deve avere velocità elevata Accesso casuale, cioè il tempo di accesso non dipende dall’indirizzo Tecnologia microelettronica (RAM e ROM)

La memoria di massa serve per i programmi e per dati che normalmente non vengono usati immediatamente nelle elaborazioni Tempi di accesso elevati (ms) e tecnologia elettromeccanica (hard disk)

Memorie RAM R/W: lettura e scrittura con tempi comparabili Memorie ROM, Read Only Memories FLASH, EEPROM:

conservano le informazioni anche senza l’alimentazione o memorie permanenti scritte una volta per tutte o memorie per le quali la procedura di scrittura richiede tempi molto elevati e ha una complessità maggiore della lettura lettura in tempi come le RAM


Architettura di una Ram B i t L i n e

C E L L A

W o r d L i n e

L 2 N - 11

A 0

.

.

.A M - 1

0

1

K

2 M - 1

.

.

.

.

.DEC

RIGA

A M

A M + 1

A M + N - 1

0 … .

D E C C O L O N N A

S E N S E A M P L I F I E R

…

I / O D A T A


Dispositivi Logici Programmabili (PLD) OR di AND

ROM

PAL

PLA FUSE

OUT

.

.

. 0 A22

A1 A0


A B C

OUT

FUSE

CAB

A B C D

B C D Convenzione:

PAL Numero limitato di AND di ingresso con connessioni programmabili. · Connessioni fisse verso l’OR di uscita


PLA (Programmable Logic Array )

FPGA Field Programmable Logic Array

Sono i componenti più moderni: consentono fino a 4 livelli di logica combinatoria e inoltre contengono registri Possibilità di realizzare sistemi anche sequenziali, modificabili via software

ABCD

Si programmano le interconnessioni degli AND e degli OR


Microprocessori e Microcalcolatori (1)

Un microcalcolatore è un sistema elettronico programmabile sincrono basato su circuiti integrati ad elevata integrazione collegati attraverso opportune interfacce ad organi di I/O e normalmente rivolti ad un singolo utilizzatore.

Un microprocessore ( o ALU, Arithmetic and Logic Unit) è un circuito integrato ad elevata integrazione in grado di eseguire operazioni logiche, aritmetiche e di controllo su dati generati dal microprocessore stesso o fornito dall’esterno.

La struttura di un microcalcolatore è quella classica detta di Von Neumann

CONTROLLO

MEMORIA

ALU

OUTPUTINPUT


Microcalcolatori e Microprocessori (2)

• Il Microprocessore (o CPU, Central Processing Unit) in genere contiene una ALU (Arithmetic and Logic Unit), un’unità di controllo e i circuiti di interfaccia verso le periferiche.

• La Memoria può essere esterna al microprocessore.• I microprocessori si distinguono per lunghezza di parola, corrispondente

al numero di bit trattati in parallelo, oltre per le altre caratteristiche hardware e software, quali la velocità, le caratteristiche elettriche, l’architettura, il set di istruzioni, ecc.

• Lo scambio dei dati tra i diversi circuiti di un microcalcolatore e all’interno del microprocessore va da collegamenti punto-punto ai sistemi a bus.

• In genere si individua un dispositivo sorgente e uno o più dispositivi destinatari, con il dispositivo sorgente che generea il dato e un eventuale segnale di controllo e il dispositivo destinatario che riceve il dato e, quando necessario, conferma l’avvenuta ricezione.

Prof. Adelio Salsano - Dott. Stefano Bertazzoni – Ing. Salvatore Pontarelli III Ciclo Dal 2 Marzo...

Documents

Transcript of Prof. Adelio Salsano - Dott. Stefano Bertazzoni – Ing. Salvatore Pontarelli III Ciclo Dal 2 Marzo...