SISTEMI ELETTRONICI
Anno accademico 2019/2020 - 2° anno- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A: Alfio Dario GRASSO
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B: Alfio Dario GRASSO
SSD: ING-INF/01 - Elettronica
Organizzazione didattica: 375 ore d'impegno totale, 246 di studio individuale, 84 di lezione frontale, 45 di esercitazione
Semestre: 1°
ENGLISH VERSION
Obiettivi formativi
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
Il corso ha l’obiettivo di introdurre lo studente del corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica nelle problematiche connesse alla progettazione e allo sviluppo di sistemi elettronici integrati e con microcontrollori e logiche programmabili. Il termine "sistema" viene inteso come insieme di componenti elettronici passivi e attivi, anche complessi, opportunamente interconnessi e residenti su una o più schede elettroniche. Il corso si propone anche di illustrare il flusso di progettazione che consente di passare dal livello transistore al sistema elettronico complesso.
Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di analizzare le specifiche di un sistema elettronico e di progettarne la sezione digitale.
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
Il corso ha l'obiettivo di fornire allo studente del corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica gli strumenti necessari alla progettazione al calcolatore e alla verifica sperimentale di circuiti analogici/digitali integrati e discreti. Viene, inoltre, affrontata la progettazione di sistemi elettronici basati su microcontrollori e FPGA.
Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di analizzare il funzionamento di un sistema elettronico e di progettarne la sezione digitale mediante l'uso di microcontrollori e FPGA.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
L'insegnamento prevede sia lezioni frontali, mediante l'uso di strumenti multimediali, sia esercitazioni numeriche e al simulatore (CAD), mirate a mettere in pratica, sviluppare e consolidare i contenuti teorici. Saranno inoltre organizzati dei seminari tenuti da ricercatori e progettisti provenienti da industrie operanti nel settore dell'elettronica.
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
Lezioni frontali
Esercitazioni individuali e in gruppo al calcolatore
Prove di laboratorio con redazione di report finale
Esempi progettuali mediante software CAD/CAE
Prerequisiti richiesti
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
Elementi di elettronica digitale.
Elementi di linguaggio C.
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
Elementi di linguaggio C
Frequenza lezioni
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
Fortemente consigliata in quanto vengono svolte e assegnate esercitazioni propedeutiche allo svolgimento dell'elaborato di corso.
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
E' necessario partecipare ad almeno l'80% delle attività di laboratorio per sostenere l'esame finale.
Contenuti del corso
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
1. Introduzione al corso
2. Richiami di logica Booleana
3. Macchine di stato
4. Sottosistemi e circuiti di elaborazione aritmetica
5. Flusso di progetto di un sistema integrato
6. Metriche di progetto per i sistemi VLSI
7. Elementi di progettazione di Printed Circuit Boards
8. Simulazione e sintesi con VHDL
9. Introduzione ai microcontrollori - SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
1. Il simulatore LTSpice: simulazioni nel dominio del tempo e della frequenza di circuiti a componenti discreti
2. L’ambiente CAE Cadence: progettazione, simulazione e layout di circuiti integrati
3. Caratterizzazione di circuiti elementari nel dominio del tempo e della frequenza tramite misure sperimentali
4. Programmazione in VHDL di FPGA mediante la scheda di sviluppo BASYS3
5. Il software CAD/CAE Eagle per la progettazione di PCB
6. Sviluppo di firmware per microcontrollori mediante la scheda di sviluppo MSP-EXP430G2
Testi di riferimento
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
1. M. Olivieri, Elementi di Progettazione dei sistemi VLSI (volume I e II), Edises, 2005
2. N. Weste, D. Harris, CMOS VLSI Design (3rd edition), Addison Wesley, 2004.
3. J. Rabaey, A. Chandrakasan, B.Nikolic, Digital Integrated Circuits (2nd edition), Prentice Hall, 2003.
4. Comer, Digital Logic & State Machine Design (3rd ed.), Oxford University Press, 1995.
5. H. Johnson, M. Graham, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Prentice Hall, 1993
6. J. Davies, MSP430 Microcontroller Basics, Elsevier, 2008.
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
1. K.C. Smith, "KC's Problems and Solutions for Microelectronic Circuits", fourth edition, Oxford University Press, 1998.
2. J. Davies, MSP430 Microcontroller Basics, Elsevier, 2008.
3. W. Kleitz, "Digital Electronics: A Practical Approach with VHDL (9th Edition)", Pearson, 2012.
Programmazione del corso
| SISTEMI ELETTRONICI MOD. A | |||
| Argomenti | Riferimenti testi | ||
|---|---|---|---|
| 1 | Introduzione al corso. Contenuti, modalità di svolgimento lezioni, modalità di svolgimento esami. Breve storia dell'elettronica. Schema a blocchi di un sistema elettronico. | Testo 2: cap. 1 Testo 3: cap. 1 | |
| 2 | Richiami di logica Booleana Postulati e teoremi. Minimizzazione delle funzioni a singola uscita. Mappe di Karnaugh, Minimizzazione delle funzioni a più variabili. | Testo 1: cap. I.2 Testo 3: cap. 5 | |
| 3 | Macchine di stato Modello di Mealy, modello di Moore. Contatori sincroni. Introduzione alla rappresentazione ASM. Progettazione dei blocchi IFL e criteri per la codifica degli stati. Progettazione di OFL, eliminazione dei glitch, stati ridondandi. | Testo 4: cap. 5, 6, 7 | |
| 4 | Sottosistemi e circuiti di elaborazione aritmetica Schema a blocchi di un processore: data path, control path, memoria, I/O. Rappresentazione numerica nei sistemi digitali. Sommatori: circuiti per la somma, implementazione del full adder, mirror adder. | Testo 1: cap. II.11 Testo 2: cap. 11 | |
| 5 | Manchester carry chain. Architetture di sommatori: ripple carry, carry bypass, carry select, carry lookahead, Kogge&Stone. Architetture di moltiplicatori: array, carry save, algoritmo di Booth. Shifters. | Testo 1: cap. II.11 Testo 2: cap. 11 | |
| 6 | Flusso di progetto: livelli di astrazione; strumenti progettuali Flusso di progettazione di un sistema VLSI: metodologie custom, semi-custom, standard-cell, programmable logic devices. Architetture PLA, PAL, CPLD e FPGA. Progettazione platform based. | Testo 1: cap. II.2 Testo 2: cap. 1, 14 Testo 4: cap. 8 | |
| 7 | Metriche di progetto per i sistemi VLSI Stima dei costi di un IC. Interconnessioni in un circuito integrato: stima del ritardo di propagazione. Crosstalk capacitivo. Rumore di alimentazione nei sistemi digitali. | Testo 1: cap. II.1 Testo 2: cap. 6, 7, 13 | |
| 8 | Robustezza dei sistemi VLSI: PVT variability, corner analysis, simulazoni Monte Carlo. Esercitazioni con il simulatore LTSpice. | Testo 1: cap. II.1 Testo 2: cap. 6, 7, 13 Testo 3: cap. 1, 4, 9 | |
| 9 | Elementi di progettazione di Printed Circuit Boards Materiali e tecnologia. Package dei componenti passivi e attivi. Classificazione dei componenti passivi: tecnologie PTH e SMD. Condensatori e induttori reali. Termistori PTC e NTC, varistori, TVS. | Testo 3: cap. 4 Testo 5: cap. 4, 5 | |
| 10 | Signal e power integrity nei PCB: condensatori di bypass, linee di trasmissione. Cenni sulla compatibilità elettromagnetica. Esercitazioni con il simulatore LTSpice. | Testo 3: cap. 4 Testo 5: cap. 4, 5 | |
| 11 | Simulazione e sintesi con VHDL Costrutti di base, definizione entity e architecture, configuration, package, testbench, modellazione ritardi e statements concorrenti, processi, costrutti di controllo. Descrizione di una macchina a stati in VHDL. | Testo 1: cap. II.3 | |
| 12 | Introduzione ai microcontrollori Architettura dei microcontrollori TI MSP430. Gestione dei registri di configurazione. Uso delle porte di I/O. La gestione degli interrupt. Uso della periferica USCI in modalità UART. | Testo 6: cap. 1, 2, 5, 8 | |
| 13 | Gestione dei timer e del watchdog. Configurazione e uso dell' ADC. | Testo 6: cap. 1, 2, 5, 8 | |
| SISTEMI ELETTRONICI MOD. B | |||
| Argomenti | Riferimenti testi | ||
| 1 | Il simulatore LTSpice: simulazioni nel dominio del tempo e della frequenza di circuiti a componenti discreti | materiale fornito dal docente | |
| 2 | Caratterizzazione di circuiti elementari nel dominio del tempo e della frequenza tramite misure sperimentali | 1, materiale fornito dal docente | |
| 3 | L’ambiente CAE Cadence: progettazione, simulazione e layout di circuiti integrati | materiale fornito dal docente | |
| 4 | Programmazione in VHDL di FPGA mediante la scheda di sviluppo BASYS3 | 3, materiale fornito dal docente | |
| 5 | Sviluppo di firmware per microcontrollori mediante la scheda di sviluppo MSP-EXP430G2 | 2, materiale fornito dal docente | |
| 6 | Il software CAD/CAE Eagle per la progettazione di PCB | materiale fornito dal docente | |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
Orale
Elaborato di fine corso
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
Elaborato di fine corso
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. A
- Implementazione di un contatore sincrono
- Mirror adder
- Ritardo di propagazione di una linea di metal
- Crosstalk capacitivo
- Dimensionamento della rete di bypass dell'alimentazione
- Protezione dei circuiti dalle sovratensioni e dalle sovracorrenti
- SISTEMI ELETTRONICI MOD. B
NA