ELECTRONIC SYSTEMS
Modulo MOD.A ELECTRONIC SYSTEMS

Anno accademico 2026/2027 - Docente: ALFIO DARIO GRASSO

Risultati 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.

Applying knowledge and understanding

Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di: 1. progettare il data path e il control path di un sistema elettronico digitale, anche mediante VHDL; 2. progettare un circuito stampato multistrato e la relativa rete di distribuzione di alimentazione e massa, utilizzando strumenti CAD per il progetto fisico; 3. progettare a livello di sistema un sistema elettronico complesso, anche mediante l'impiego di microcontrollori e FPGA, sviluppando moduli hardware e firmware dedicati; 4. verificare e validare un progetto mediante simulazione, analisi ai corner e simulazioni Monte Carlo, valutandone la robustezza rispetto alla variabilità PVT; 5. giustificare e valutare criticamente, a partire dalle specifiche tecniche, la scelta dei componenti e delle soluzioni tecnologiche adottate.

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

'insegnamento prevede 42 ore di lezioni frontali e 30 ore di esercitazioni numeriche assistite da strumenti CAD/CAE. Saranno inoltre organizzati seminari tenuti da ricercatori e progettisti di aziende operanti nel settore dell'elettronica.

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

Sono considerate indispensabili le conoscenze di base di elettronica digitale (logica CMOS combinatoria e sequenziale, parametri statici e dinamici delle porte logiche) e della teoria delle linee di trasmissione.

Frequenza lezioni

La frequenza non è obbligatoria, sebbene fortemente consigliata.

Contenuti del corso

1. Introduction (Lecture hours: 2, Lab/Exercises hours: 0)
2. Boolean algebra and mapping methods (Lecture hours: 3, Lab/Exercises hours: 2)
3. Arithmetic processing circuits and subsystems (Lecture hours: 6, Lab/Exercises hours: 3)
4. State machine design (Lecture hours: 3, Lab/Exercises hours: 5)
5. Design flow of an electronic system (Lecture hours: 5, Lab/Exercises hours: 1)
6. Design metrics of VLSI systems (Lecture hours: 4, Lab/Exercises hours: 2)
7. Printed Circuit Boards: technology and design (Lecture hours: 7, Lab/Exercises hours: 7)
8. Simulation and synthesis with VHDL (Lecture hours: 7, Lab/Exercises hours: 6)
9. Introduction to microcontrollers (Lecture hours: 5, Lab/Exercises hours: 4)


Contribution of the course to the Goals of the 2030 Agenda for Sustainable Development

Gli argomenti trattati nell'insegnamento e le conoscenze acquisite sono direttamente o indirettamente finalizzati allo sviluppo di soluzioni tecnologiche sostenibili, oltre a contribuire a un'istruzione di qualità, in accordo con gli Obiettivi 4, 7, 9 e 12 dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile.

Testi di riferimento

1. N. Weste, D. Harris, CMOS VLSI Design (4th ed.), Addison Wesley, 2004.
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

 ArgomentiRiferimenti testi
1Course introduction. Evolution of electronic systems. General architecture of an electronic systemcourse notes 
2Boolean logic. Karnaugh maps.Textbook 3: chap. 2 
3Architecture 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 
4Manchester 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
5State machine design. Mealy and Moore models. Synchronous counters. ASM representation. Input and output forming logic design. State coding.Textbook 3: chap. 5, 6, 7 
6Design 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
7Design 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
8Robustness of an integrated electronic system: PVT variability, corner analysis, Monte Carlo simulations.Textbook 1: chap.  7; course notes 
9Technology 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 
10Signal and power integrity of PCBs. Propagation delay of signals on PCB. Electromagnetic compatibility principles.course notes; Textbook 4: chap. 4, 5 
11Simulation 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
12Introduction to microcontrollers. TI MSP430 microcontrollers. Register-based configuration. Peripherals: I/O, UART, ADC. Interrupts.Textbook 5: chap. 1, 2, 5, 8 
13Timers and watchdog.Textbook 5: chap. 1, 2, 5, 8 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso l'esame finale, che consiste in una prova orale e nella valutazione di 4 elaborati pratici (homework) da consegnare durante lo svolgimento dell'insegnamento (60% del voto finale). Agli studenti che non potranno consegnare i 4 homework durante il corso verrà assegnato un progetto, che varrà il 60% del voto finale. La relazione del progetto dovrà essere inviata all'indirizzo e-mail del docente almeno una settimana prima dell'inizio della prima sessione d'esame. I criteri di valutazione degli homework/del progetto comprendono: profondità dell'analisi, correttezza e originalità delle soluzioni progettuali, capacità di giustificare e valutare criticamente le soluzioni tecnologiche adottate, chiarezza espositiva.


La prova orale consiste in tre domande su tre argomenti del corso. Nelle risposte lo studente dovrà dimostrare adeguata comprensione, padronanza degli argomenti trattati e chiarezza espositiva. La durata media della prova orale è di 40 minuti. La prova orale vale il 40% del voto finale.


Qualora le condizioni lo richiedano, la verifica dell'apprendimento potrà essere svolta anche per via telematica.


Per garantire pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale al fine di programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici e alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'integrazione Attiva e Partecipata – Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento (proff. Antonella Di Stefano e Arturo Pagano, https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

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