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Franco Meddi:
E-mail [email protected]
Studio Edificio “Marconi” 3-zo piano (M324)
Telefono 06 49914416
ELETTRONICA DIGITALE(DIGITAL ELECTRONICS)
A.A. 2019 - 2020
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Elettronica Digitale (Digital Electronics)A.A. 2019-2020
Laurea Magistrale
Lezioni:1-mo semestre
23 settembre 2019 – 17 gennaio 2020Aula 2 (NEF)
Lunedì 10 – 12Mercoledì 14 - 16
Aula 8 (NEF)Venerdì 12 – 13
Esami: Infostud+
date concordabili
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13
61
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Bozza calendario lezioniDigital Electronics
(Elettronica Digitale)
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PROGRAMMA di ELETTRONICA DIGITALE [1 di 3]:[6 CFU] A.A. 2019-2020
- Reti logiche combinatorie (RLC) a piu’ uscite:Minimizzazione simultanea delle funzioni logiche d’uscitacon Mappe di Karnaugh e algoritmo di Quine Mc Cluskey
Software: - ESPRESSO; - BOOLE-DEUSTO
- Timing di Reti Logiche: organizzate a blocchi logici perOperazioni logiche ed aritmetiche (unità ALU);Addizione con propagazione e con previsione di riporto;Architetture di RLC con “Registrazione” e con PIPELINE.
Software: - LOGIC WORKS;
- Codici numerici:Bit di parità per segnalare errori;Circuito di codifica di Hamming per correggere errori:caso di singolo errore singolo;
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[2 di 3]:- Reti logiche sequenziali (RLS) :Sintesi di macchine a stati finiti (FSM) secondo learchitetture di Moore e di Mealy; Diagrammi di stato.
- Tecnologie e limiti:Considerazioni generali e di principio su miniaturizzazione;Probe Station e camere pulite per la validazione dei wafer,Boundary Scan (JTAG) per il test e la configurazione dicircuiti integrati con elevato livello di integrazione;
- Affidabilita’:Cenni; Profilo della probabilità di guasto a “vasca da bagno”;Un esempio di aumento dell’affidabilita’ per unbanco di memoria mediante codifica di Hamming;
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[3 di 3]:
- CPLD ed FPGA:Progettazione mediante Software della ditta ALTERA(MAX+PLUS II) utilizzando schematico; Cenni di VHDL.
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ELETTRONICA DIGITALE - Bibliografia [1 di 2]:
- F. Meddi, Fotocopie lucidi del corso di
Cibernetica Applicata Dip. FisicaVol.2 - Minimizzazione delle RLC
Minimizzazione di un sistema di funzioni booleane
[pag. 187 – 212 dei lucidi, ovvero pag. 99 – 127 del file PDF];
Vol.3 - Circuiti combinatori fondamentali MSI + ALEE + Min. costo
Circuiti aritmetici
[pag. 288 – 313 dei lucidi, ovvero pag. 9 – 72 del file PDF];
Vol.4 - Codici Numerici
Problema della identificazione e della correzione degli errori
[pag. 504 – 520 dei lucidi, ovvero pag. 58 – 75 del file PDF];
Generatori di bit di parita’
[pag. 543 – 548 dei lucidi, ovvero pag. 103 – 117 del file PDF];
Correttori di parola
[pag. 549 – 550 dei lucidi, ovvero pag. 109 – 111 del file PDF];
Vol.5 – RLS e FSM
Generatori di forme d’onda
[pag. 644 – 647g dei lucidi, ovvero pag. 123 – 135 del file PDF];
Architettura pipeline
[pag. 663a – 663a dei lucidi, ovvero pag. 161 – 161 del file PDF];
Vol.6 - Tecnologie + Affidabilita’ + Memorie + BUS
Tecnologia di fabbricazione dei C.I.
[pag. 767 –782a dei lucidi, ovvero pag. 87 – 103 del file PDF];
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ELETTRONICA DIGITALE - Bibliografia [2 di 2]:
- Ronald J. Tocci, "Digital Systems, Principles and Applications",
Prentice-Hall Inc.
- John F. Wakerly, "Digital Design, Principles & Practices",
Prentice-Hall Inc.
- P. Horowitz e W. Hill, "The art of electronics",
Cambridge University Press.
- Capilano Computing, http://www.capilano.com
"LogicWorks 4", Addison-Wesley.
- Altera, MAX+PLUS II, http://www.altera.com
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S/W (“for student” reperibili in rete):
ESPRESSO
PSPICE
LOGIC WORKS
BOOLE DEUSTO
MAX+PLUS II [ALTERA]
QUARTUS II [ALTERA]
….
ELETTRONICA DIGITALE - A.A. 2019 - 2020 :
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Problema
Reale
“analogico”
Sistema Digitale:
Basato su una o piu’
reti logiche
Conversione A/N e N/A
Interfaccia di potenza
… attuatori …… sensori …
Sintesi: Problema diretto
Analisi: Problema inverso
Strategia di progettazione:
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Problema diretto: SINTESI
Capacita’ di schematizzare in maniera rigorosa secondo
l’algebra di BOOLE
un problema definito secondo il linguaggio corrente comune
e quindi capacita’di progettare.
Problema inverso: ANALISI
Capacita’ di comprendere, cioe’ di sapere leggere, uno
schematico gia’ sviluppato.
DOCUMENTAZIONE COMMERCIALE:
Capacita’ di orientarsi in un Data Book di una Ditta
(componente commerciale).
APPROCCIO MODERNO:
Metodologia di lavoro assistita da PC (S/W dedicato)
per simulare la risposta temporale:
attenzione ai limiti della simulazione…..
verifica finale: prototipo
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Il comportamento reale di una rete digitale e’ di tipo
analogico!
- Tempo finito di propagazione dei segnali logici attraverso
porte logiche reali ……e non solo …… anche attraverso
le interconnessioni (cavi, bus)
Alee (Hazard)
- Capacita’ di pilotaggio di uno stadio d’uscita di una porta
logica collegata con piu’ ingressi di altre porte logiche.
fan-out
fan-in
Parametri rilevanti per un segnale logico:
AMPIEZZA
fasce di valori per ‘1’ e ‘0’ “Immunita’ dai disturbi”
Tr, Tf, Tw, Tdelay
risentono di un “comportamento analogico”
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Livelli logici con la famiglia TTL
4.75V 5.25V
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Livelli logici con la famiglia TTL
(400mV)
(400mV)
(2.4)
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Vin
Vout
16
17
7
74LS14
Chip visto
dall’alto
Passo tra due pin adiacenti
2.54mm
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74LS14
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Livelli logici con la famiglia CMOS
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CMOS
TTL
TTL-LS: 15ns x 1.1mA x 5.0V = 82.5pJ
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Condizionamento statico a livello logico
di un ingresso non usato di una porta logica
OR
AND
‘1’ logico
‘0’ logico
Y = A OR ‘0’ = A Y = A AND ‘1’ = A
A
AY
Y
Perche’ c’e un
“pull-up”?
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Alcuni simboli base utilizzati in una rete logica:
Buffer-invertente Buffer-non-invertente
NAND AND
NOR OR
n1 m=1
XOR
n1 m=1
1 11 1
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YXF
YXYXF
YXF
YXXYF
))((
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27
1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0
0 0 0 0 1 1 1 1 0
0 0 0 0 1 0 1 1 0
Diagramma delle temporizzazioni di una rete logica
trascurando qualunque latenza di porta logica
A + B
(A + B)EN
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Simulatore logico: LOGIC WORKS
(A + B)En
DAND
Anche considerando
le latenze delle singole
porte logiche
non si hanno ALEE
in questa rete.
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Diagramma delle temporizzazioni
considerando la latenza delle porte logiche
…non si tratta di una funzione logica, bensì è una funzione analogica!
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Aumentando la complessita’
della rete logica
e’ utile una
descrizione gerarchica
tramite blocchi logici
….tipo “scatole cinesi”
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Diagramma delle temporizzazioni
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Diagramma delle temporizzazioni
tOUT dipende da:
-- architettura interna del circuito;
-- tecnologia dei dispositivi usati;
-- tensione di alimentazione;
-- temperatura d’esercizio.
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Diagramma delle temporizzazioni per i segnali del DATA BUS
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Diagramma delle temporizzazioni per operazioni con
indirizzamento in un sistema formato da piu’ moduli:
… per esempio nel “vecchio” standard CAMAC
1ms
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Diagramma a blocchi
0
1
0
1
0
1
MAX
MIN
X < Y
X > Y
X
Y
X
Y
Su questa linea
di controllo del MUX
c’è una NOT
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X Y (X > Y) max min MIN / MAX Z
0 0 0 Y X 0 Y=0
1 X=0
0 1 0 Y X 0 Y=1
1 X=0
1 0 1 X Y 0 X=1
1 Y=0
1 1 0 Y X 0 Y=1
1 X=1
Casodi
parole X , Yad
1 bit
0
1
0
1
0
1
MAX
MINX < Y
X > Y
X
Y
X
YZX
Y
MIN / MAX
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MUX 2:1
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Descrizione a blocchi di un sistema basato su mP
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Esempio di descrizione a blocchi
di un sistema reale basato su mP
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Descrizione a blocchi di un sistema per il trasferimento dati
“SOURCE DESTINATION”
“Parallelo” “Seriale” “Parallelo”
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……non importa in quale lingua ci si esprima…..
RLC RLS
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…. ci sono anche le interconnessioni sul PCB di cui tenere conto…..
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Circuito Combinatorio con problema di alea
La teoria dell’algebra di Boole
non tiene conto della variabile tempo!
F(xyzt)F(xyz=111)=YZ+XZ’=1+0=1
F(xyz=110)=YZ+XZ’=0+1=1
DNOT = DAND
e ... DOR = 0
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F(xyz) = (YZ + XZ’) = (YZ + XZ’) + XY
X
Y Z
X
Y Z
X
Y Z
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X Y Z Z’ YZ XZ’ (YZ+XZ’) XY (YZ+XZ’)+XY
0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0
0 1 0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 0 1 0 1 0 1
1 0 0 1 0 1 1 0 1
1 0 1 0 0 0 0 0 0
1 1 0 1 0 1 1 1 1
1 1 1 0 1 0 1 1 1
F(xyz) = (YZ + XZ’) = (YZ + XZ’) + XY
SONO UGUALI
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F(xyz) = (YZ + XZ’) = (YZ + XZ’) + XY
XY Z 0 1
00 0 0
01 0 1
11 1 1
10 1 0
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Circuito Combinatorio curato dal problema di alea
I due circuiti
F(xyz) = (YZ + XZ’)
F(xyz) = (YZ + XZ’) + XYsono equivalenti da un punto di vista logico
ma non lo sono da quello reale
tenendo conto delle latenze finite delle porte logiche
XY
XZ’
YZ
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DNOT
DAND
Esempio di simulazione utilizzando LOGIC WORK :
Latenza Ingresso – Uscita di singola Porta Logica
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