OBIETTIVI FORMATIVI

Scopo della prima parte dell’insegnamento è fornire agli studenti le basi della progettazione digitale (dall'algebra booleana alle reti sequenziali). La seconda parte introduce i sistemi a microprocessore e la loro programmazione in linguaggio macchina. Il laboratorio consente allo studente di applicare le conoscenze acquisite alla simulazione, progettazione e prototipizzazione di sistemi digitali. L'insegnamento si pone nella direzione di formare una figura professionale capace di progettare dispositivi hardware e software.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Scopo dell'insegnamento è fornire le basi per lo studio ed il progetto di sistemi elettronici digitali. Nella prima parte, dopo aver esaminato i fondamenti dell'algebra booleana e dell'aritmetica binaria, l'insegnamento introduce le metodologie di analisi e di progetto delle reti digitali combinatorie e sequenziali, utilizzando per queste ultime la tecnica delle Macchine a Stati Finiti, realizzate con l’aiuto dei diagrammi ASM.

Nella seconda parte, dopo avere definito gli elementi base della architettura di un microcomputer, l'insegnamento introduce allo sviluppo dei sistemi a microprocessore “embedded”, con particolare riguardo alla programmazione in linguaggio macchina, all'interfacciamento con dispositivi esterni, alle tecniche di interruzione e all'utilizzo del microcomputer come controllore di sistema.

Il laboratorio, integrato nei tempi e nei contenuti con le lezioni, consente allo studente di applicare le conoscenze acquisite alla simulazione, progettazione e prototipizzazione di sistemi digitali su schede “FPGA”. L'insegnamento si pone nella direzione di formare una figura professionale capace di progettare dispositivi hardware e software.

MODALITA' DIDATTICHE

L'insegnamento si articola in circa 120 ore in aula, nelle quali lezioni teoriche ed esercitazioni sono alternate a seconda delle necessità. Inoltre sono previste 20 sessioni di esercitazioni di laboratorio dedicate all’analisi, progettazione, simulazione e realizzazione di circuiti digitali. Le esercitazioni di laboratorio possono essere svolte in modo remoto, con il supporto del sito AulaWeb del corso.

Per tutta la durata dell'emergenza Coronavirus, le lezioni e le sessioni di laboratorio saranno tenute in modo remoto, tramite la piattaforma "Teams".

PROGRAMMA/CONTENUTO

Prima parte

Introduzione al corso, rappresentazione dell'informazione, funzioni booleane e reti logiche, teorema di espansione di Shannon, circuiti combinatori standard.

Minimizzazione di funzioni booleane, mappe di Karnaugh, cenno ai metodi algoritmici.

Aritmetica binaria, codici e operazioni, complementi, conversioni, principali architetture aritmetico-logiche, codici a rilevazione di errore, codici alfanumerici.

Introduzione alle reti sequenziali, temporizzazioni, Flip-Flop (FF SR, FF D Latch, FF JK, D e E PET), registri, contatori, analisi di reti sequenziali.

Introduzione alle Macchine a Stati Finiti (MSF) e ai diagrammi ASM (blocco di stato, blocco condizionale, uscite condizionate). Esempi ed esercizi di progetto di MSF, criteri per l'assegnazione degli stati, cenni alle MSF asincrone.

Dispositivi elettronici e componentistica, packaging, dispositivi programmabili (FPGA), panoramica dei dispositivi disponibili, esempi di progetto.

Seconda parte

Elementi fondamentali di un calcolatore numerico: Unità di Processo, Memoria, Unità di Ingresso/Uscita (architettura di Von Neumann). Sistemi a Bus: indirizzamento, trasferimento dati, segnali di controllo. Dispositivi di memoria a semiconduttore: memorie di lettura/scrittura statiche, memorie a sola lettura.

Architettura dei microprocessori: registri, unità di calcolo, sequenziatore. Programmi e istruzioni: fasi di fetch, decode, execute. Linguaggio macchina. Formato mnemonico delle istruzioni e linguaggio assembly. Esempio di esecuzione di una generica istruzione. Temporizzazioni. Distinzione tra processori CISC e RISC.

Introduzione alla programmazione assembly. Sintassi del linguaggio. Confronti con i linguaggi ad alto livello. Modi di indirizzamento. Insieme delle istruzioni e loro classificazione funzionale. Istruzioni di trasferimento dati. Istruzioni aritmetiche e logiche. Istruzioni di salto. La struttura a catasta, istruzioni di chiamata e ritorno, sottoprogrammi. Istruzioni di controllo e istruzioni "nascoste".

Progetto dell'hardware di un sistema a microprocessore. Generatore di Clock, circuiti di Reset, decodificatore degli indirizzi. Progetto di banchi di memoria. 

Dispositivi di Ingresso/Uscita. Tecniche base di interfacciamento parallelo e seriale. Handshake tra dispositivi. Introduzione ai dispositivi di ingresso/uscita programmabili. Tecniche di interruzione. Gestione del riconoscimento delle periferiche e delle priorita`. Il controllore delle interruzioni.

Il microcomputer come controllore di un sistema digitale. Introduzione ai sistemi "embedded". Introduzione ai microprocessori RISC.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

La prima parte dell'insegnamento è coperta dal libro "Introduzione al progetto di sistemi digitali", Springer, 2018

La seconda parte dell'insegnamento è coperta dal libro "Introduzione al progetto di sistemi a microprocessore", Springer, 2020