ELECTRONIC SYSTEMSModulo MOD.A ELECTRONIC SYSTEMS
Anno accademico 2026/2027 - Docente: ALFIO DARIO GRASSORisultati di apprendimento attesi
L'insegnamento si propone di introdurre gli studenti della Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica alle problematiche relative alla progettazione e allo sviluppo dei sistemi elettronici. Con il termine "sistema" si intende un insieme di componenti elettronici passivi e attivi, anche complessi, opportunamente interconnessi e residenti su una o più circuiti stampati. L'insegnamento si propone inoltre di illustrare il flusso di progetto che consente di passare dal livello di transistor al sistema elettronico complesso.
Knowledge and understanding
L'insegnamento fornisce il quadro teorico e metodologico per la modellizzazione, la progettazione e la validazione di sistemi elettronici digitali complessi, intesi come insiemi di componenti attivi e passivi interconnessi su una o più PCB. Lo studente conoscerà: le principali architetture dei circuiti aritmetici (data path) e la metodologia di progetto del control path; le topologie circuitali impiegate per la codifica, il condizionamento, l'elaborazione e la memorizzazione dell'informazione in un sistema digitale; il flusso di progetto di un sistema elettronico attraverso i diversi livelli di astrazione (full-custom, semi-custom, standard-cell, PLD/FPGA, platform-based design) e le relative metriche di progetto VLSI (costo del die, resa); la tecnologia e il progetto fisico dei circuiti stampati multistrato, insieme al packaging e alla tecnologia dei componenti attivi e passivi; i criteri di scelta dei componenti attivi e passivi e della loro interconnessione (ritardo di propagazione, diafonia capacitiva, integrità di segnale e di alimentazione, compatibilità elettromagnetica); le problematiche relative alla distribuzione e alla gestione dell'energia di alimentazione all'interno del sistema (rete di distribuzione di alimentazione e massa, rumore di alimentazione, reti di bypass); gli strumenti CAD/EDA per la descrizione, la simulazione, la sintesi e la validazione di un sistema digitale e per il progetto fisico dei circuiti stampati.
Making judgements
A partire da specifiche tecniche, lo studente sarà in grado di progettare sistemi elettronici utilizzando diversi livelli di astrazione. Esercitazioni numeriche, simulazioni al calcolatore e lo sviluppo di elaborati progettuali contribuiranno ad affinare l'autonomia di giudizio.
Communication skills
Lo studente migliorerà la padronanza del linguaggio tecnico dei sistemi elettronici e sarà in grado di interagire con i colleghi di un gruppo di lavoro per discutere le soluzioni più adeguate a uno specifico problema di progetto. A tal fine, durante le attività di laboratorio, gli studenti saranno suddivisi in piccoli gruppi. Le relazioni e l'esame orale contribuiranno inoltre ad affinare il linguaggio tecnico e le capacità comunicative.
Learning skills
Gli studenti potranno ampliare le proprie conoscenze sui sistemi elettronici attraverso lo studio dei testi consigliati o di articoli scientifici pubblicati su riviste specializzate, nonché attraverso gli spunti offerti dai seminari organizzati nell'ambito dell'insegnamento.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.
Prerequisiti richiesti
Frequenza lezioni
Contenuti del corso
2. Boolean algebra and mapping methods (
3. Arithmetic processing circuits and subsystems (
4. State machine design (
5. Design flow of an electronic system (
6. Design metrics of VLSI systems (
7. Printed Circuit Boards: technology and design (
8. Simulation and synthesis with VHDL (
9. Introduction to microcontrollers (
Testi di riferimento
2. J. Rabaey, A. Chandrakasan, B.Nikolic, Digital Integrated Circuits (2nd ed.), Prentice Hall, 2003.
3. D.J. Comer, Digital Logic & State Machine Design (3rd ed.), Oxford University Press, 1995.
4. H. Johnson, M. Graham, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Prentice Hall, 1993
5. J. Davies, MSP430 Microcontroller Basics, Elsevier, 2008.
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | Course introduction. Evolution of electronic systems. General architecture of an electronic system | course notes |
| 2 | Boolean logic. Karnaugh maps. | Textbook 3: chap. 2 |
| 3 | Architecture of a processor: data path and control path. Numerical representation in digital electronic systems. Adders: full adder, mirror adder. | Textbook 1: chap. 11 Textbook 2: chap. 11 |
| 4 | Manchester carry chain. Ripple carry adder, carry bypass adder, carry select adder, carry lookahead adder, Kogge&Stone adder, Brent&Kung adder. Array multiplier, carry save multiplier, Booth multiplier. Shifters. | Textbook 2: chap. 11; course notes |
| 5 | State machine design. Mealy and Moore models. Synchronous counters. ASM representation. Input and output forming logic design. State coding. | Textbook 3: chap. 5, 6, 7 |
| 6 | Design flow of an electronic system: abstraction levels, design methodology and tools, custom-, semi-custom- and standard-cell-based design. Programmable logic devices: PLA, PAL, CPLD, FPGA. Platform-based design. | Textbook 2: chap. 8; course notes |
| 7 | Design metric of integrated electronics: die cost. Interconnection engineering: propagation delay model, capacitive crosstalk. Power supply noise: causes and countermeasures. Design of a bypass capacitive network. | Textbook 2: chap. 9; Textbook 1: chap. 6, 7, 13 |
| 8 | Robustness of an integrated electronic system: PVT variability, corner analysis, Monte Carlo simulations. | Textbook 1: chap. 7; course notes |
| 9 | Technology of Printed Circuit Boards. Package of active and passive devices. Technology of passive components: resistors, capacitors, thermistors, ferrite beads, varistors, TVS. | course notes; Textbook 4: chap. 4, 5 |
| 10 | Signal and power integrity of PCBs. Propagation delay of signals on PCB. Electromagnetic compatibility principles. | course notes; Textbook 4: chap. 4, 5 |
| 11 | Simulation and synthesis of digital electronic systems with VHDL. Entity, architecture, configuration, package, testbench. Delay models, concurrent statements, processes. State machine design with VHDL. | course notes;Textbook 1: Appendix A |
| 12 | Introduction to microcontrollers. TI MSP430 microcontrollers. Register-based configuration. Peripherals: I/O, UART, ADC. Interrupts. | Textbook 5: chap. 1, 2, 5, 8 |
| 13 | Timers and watchdog. | Textbook 5: chap. 1, 2, 5, 8 |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
- Implementation of a synchronous counter
- Mirror adder
- Carry lookahed adder
- Propagation delay model of an interconnection of an IC
- Supply noise
- Design of a supply bypass nwtwork
- Choice of number and position of layers of a PCB