ELETTRONICA DIGITALE (II PARTE)

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Prof. Adelio SALSANO

Elettronica Digitale (II Parte) 10-11_1

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Elettronica Digitale (II Parte)

Prof. Adelio Salsano Dott. Stefano Bertazzoni – Ing. Salvatore Pontarelli

Periodo didattico

I semestre – II Emisemestre Dal 22 Novembre 2010 al 29 Gennaio 2011

Lezioni e esercitazioni Lunedì ore 11.30 – 13.15, Aula 18 (Ind)Mercoledì ore 11,30 – 13,15 Aula 4 NEGiovedì ore 16 -17,45, Aula 4 NE

Ricevimento studenti:Lunedì e giovedì ore 15-17

Materiale didatticoDispense e lucidi forniti dai docentiCarl Hamacher, Zvonko Vranesic Safwat Zaky “Introduzione all’architettura dei calcolatori”

Mac Graw-Hill

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Organizzazione del corso

Quattro settimane di lezioni ed esercitazioni per richiami sui circuiti digitali programmabili e per le architetture hardware e le caratteristiche software dei microprocessori e dei microcontrollori.

Verifica intermedia

Quattro settimane di lezioni ed esercitazioni relative alle metodologie e agli strumenti di progettazione dei sistemi a microprocessore e dei sistemi di comunicazione.

Verifiche finali e esami

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PROGRAMMA• Presentazione del corso e concetti generali• Dispositivi logici: PLA, PAL, FPGA, Gate Array, Standard cell• Architetture dei microprocessori e (micro)calcolatori• Unità del calcolatore:processore e memoria.• Registri dedicati e di uso generale• Collegamenti tra unità: bus• Livelli di astrazione• Linguaggio macchina o assembly language• Funzionamento del processore:fetch,decode, execute• Tipi di istruzione mecchina• Formalismo RTL• Classi di istruzioni• Modi di indirizzamento• Salti condizionati• Architetture di I/O• Istruzioni e registri di I/O• Lo stack e il suo funzionamento• Sistema di I/O: bus dati, indirizzo e controllo, istruzioni di I/O• Polling, Interrupt e DMA

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Programma (segue)

• Cenni sui problemi di sincronizzazione• Porte seriali e parallele • Sistema operativo• Presentazione del processore commerciale• Progetto del microcontrollore basato sul microprocessore

commerciale prescelto

Prerequisiti• Circuiti logici elementari (primo emisemestre) e loro sintesi• Teoremi fondamentali dell’algebra booleana• Elementi di memoria,• Circuiti sequenziali • Registri

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Segnali e InformazioneSegnali e Informazione

Tecnologie e architetture microelettroniche

Nozioni di base

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Segnale e Informazione

• Per elaborare informazioni, occorre rappresentarle (o codificarle) mediante una tecnica di rappresentazione.

• Per rappresentare le informazioni si usano segnali.• I segnali devono essere elaborati, nei modi

opportuni,tramite dispositivi di elaborazione.

• In un sistema digitale le informazioni sono rappresentate, elaborate e trasmesse mediante grandezze fisiche che assumono solo valori discreti.

• Ogni valore è associato a una cifra (digit) della rappresentazione.

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Segnale Binario

• Segnale binario: grandezza fisica che assume due valori distinti, indicati per convenzione con le cifre 0 e 1:

s 0, 1 (low, high - false, true)

• Grandezze fisiche usate per rappresentare l’informazione nel sistema digitale:elettrica (tensione o corrente)magnetica (intensità magnetica)ottica (potenza ottica)

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Segnale Binario (segue)

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Logic Devices• ASIC (Application Specific Integrated Circuit)

• Standard Cell

• Gate Array

PLD (Programmable Logic Devices)

• SPLD (Simple PLD)• PLA (Programmable Logic Array) • PAL (Programmable Array Logic)• GAL (Generic Array Logic)

• CPLD (Complex PLD)

• FPGA

Programmate durante la produzione nella Fab

Programmabili sul campo

Re/Programmabili nel circuito

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Strutture PLD

Programmable Logic Array (PLA)

Programmable Array Logic (PAL)

IN1IN2IN3INn

OUT1OUT2OUT3OUTm

IN1IN2IN3INn

OUT1

OUTm

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PLA: Simbologia

Z

Z

Z = A1CD1

a)

a)

A B C D ..

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Programmable Array Logic (PAL)

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Sistemi di Programmazione

Giunzione di tipo Fuse

Giunzione di tipo AntiFuse

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FPGA: Architettura

LE LE LE LE

LE LE LE LE

LE LE LE LE

LE LE LE LE

VRC

VRC

VRC

HRC

HRC

HRC

IO

IO

IO IO

IM IM IM

IM IM IM

IM IM IM

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FPGA: Logic Element (Block)

CLR

IN[3:0]

Q

QSET

CLR

D

CLK

S

LUT

OUT

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FPGA: LUT – Look Up Table (2 Ingressi)

IN[0] IN[1]

OUT

0 0

0 1

1 0

1 1

0

0

0

1

ADD[0] ADD[1] OUT

0

1

1

1

0

1

1

0

OUT

AND OR XOR

Memory Words1 Bit

Q

QSET

CLR

DCDI CDO

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

IN[1:0]

CLK

OUT

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FPGA: Programmazione

Q

QSET

CLR

DCDI CDO

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

IN[1:0]

CLK

OUT

CLK

CDI(AND)

CDI(OR)

CDI(XOR)

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FPGA: LUT

CDI

IN[3:0]

Q

QSET

CLR

D

CLK

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

D

Q

QSET

CLR

DCDO

OUT

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FPGA: Routing (VRC)

LE LE

IN0

IN1

IN2

IN3

OUT

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FPGA: Routing (IM)

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Q

QSET

CLR

DCDI

CLK

CDO

CDI LUT LUT LUT LUT CDO

FPGA: Programmazione nodi

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FPGA : motivi delle scelte

• Riprogrammabilità anche parziale• Funzionalità volatili e non volatili: SRAM,

FLASH, FUSE e MPGA• Tool molto efficienti (HDL)• Prototipi di test• Ecc.