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Università di CagliariDipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica

Laboratorio di Elettronica (EOLAB)

Elettronica Digitale

Anno Accademico 2005/2006

Massimo Barbaro

27 Settembre 2005 ED - Intro Massimo Barbaro 2

Informazioni sul corso

Massimo BARBARO

Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed ElettronicaPadiglione B, secondo piano

Tel. 0706755770 – Email: [email protected]

Orario di ricevimento: giovedì 10-13 (o su appuntamento)


Programma dettagliato del Corso (1)

Introduzione ai sistemi digitaliSistemi digitali - Livelli di astrazione - Linguaggi di descrizione del hardware (HDL) - Strumenti di simulazione (Verilog, Spice) – Mappe di Karnaugh e sintesi di funzioni logiche

Linguaggio VerilogConcetto di modulo – Operatori – Descrizioni strutturali, dataflow ed algoritmiche – Net e register – Concetto di testbench

Inverter CMOSCaratteristica di trasferimento statica (VTC) – Margini di rumore – Fan-in e Fan-out – Layout - Caratteristiche dinamiche (tempo di propagazione) – Dissipazione di potenza –Simulazione spice e verilog


Programma dettagliato del Corso (2)

Logica CombinatoriaLogiche statiche (CMOS, pseudo-NMOS, pass-transistor) –Logiche dinamiche (concetto di base, domino, np-CMOS) –Tri-state - Simulazione e descrizione di blocchi combinatori in linguaggio Verilog – Simulazione Spice

Logica SequenzialeBistabilità - Latch e flip-flop – Simulazione e descrizione Verilog di blocchi sequenziali – Implementazione CMOS statica – Implementazione CMOS dinamica

Memorie a semiconduttoreClassificazione delle memorie – Architetture di memorie –ROM – RAM – RAM non volatili – Circuiti base (elemento di memoria, sense amplifier) – Descrizione Verilog


Struttura del CorsoOre di lezione: 50Libri di testo:Lucidi di lezione (sono sufficienti per preparare l’esame)“Circuiti Integrati Digitali 2e” – Jan M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nicolic – Ed. Pearon Education Italia (Prentice Hall) (in italiano)“Modeling, Synthesis and Rapid Prototyping with the Verilog HDL” –Michael D. Ciletti – Ed. Prentice Hall

Struttura dell’esame: scritto e oraleSono previste 2 prove scritte intermedie:

1a: 2a:

Sito del corso: http://www.diee.unica.it/eolab2/corsi.htmlMailing List: http://lists.unica.it/mailman/listinfo/esd1


Strumenti di studio

Simulatori:Spice: software per la simulazione dei circuiti a livello transistor

Un simulatore spice gratuito è disponibile in rete all’indirizzo www.winspice.com (spice3f4)Modelsim: software per la simulazione dei blocchi descritti in termini di linguaggio verilog (www.model.com)

E’ disponibile una versione demo ma è necessario registrarsi

CAD:Microwind: layout editor di circuiti integrati CMOS (http://intrage.insa-tlse.fr/~etienne/Microwind/)


Prerequisiti Culturali

Calcolatori Elettronici:Algebra di Boole, porte logiche, mappe di Karnaugh, minimizzazione di funzioni logiche, macchine a stati

Dispositivi Elettronici 1: Equazioni caratteristiche del transistor MOS, processo CMOS


Obiettivi

Comprendere il funzionamento base dei circuiti digitali in tecnologia CMOS ed il loro impatto sulle caratteristiche dei sistemi in cui sono impiegati.

Capire ed analizzare l’elemento base (inverter) fino a livello di transistor.

Essere in grado di descrivere e simulare semplici blocchi digitali utilizzando il linguaggio verilog (linguaggio di descrizione dell’hardware).

Essere in grado di progettare semplici porte logiche a livello transistor (simulazione spice).

Capire il legame fra l’elettronica (i circuiti, i blocchi combinatori e sequenziali) all’interno dei sistemi ed il funzionamento dei sistemi stessi.


Percorsi didattici

Il corso di ED è il punto di partenza per un percorsodidattico che comprende i corsi:

Sistemi Digitali e Processori (SDP, 10 crediti)Simulazione e verifica di circuiti digitali con HDL – Macchine a stati- Sintesi di sistemi digitali – Realizzazione di sistemi digitali –Laboratorio di sistemi digitali – Architetture e progetto diprocessori

Sistemi Embedded (SE, 6 crediti)Architetture di sistemi embedded – Interfaccia HW-SW per sistemiembedded – Cenni di microarchitetture avanzate (DSP, superscalare, VLIW) – Microarchitetture di processori reali (ARM) – Architetture integrate per il digital signal processing – Digital Signal Processor

Microelettronica (UE, 5 crediti)Circuiti integrati – Processo CMOS e tecniche di layout -Progettazione analogica – Circuiti per l’elaborazione del segnale(S&H, comparatori) – Circuiti a capacità commutate – ConvertitoriD/A e A/D – Cenni di place&route



Sistemi Digitali

Lucidi del Corso di Elettronica Digitale

Modulo 1


Sistemi digitali

I sistemi digitali occupano ormai in maniera pervasiva quasi ogni aspetto della realtà moderna

Sono alla base praticamente di ogni sistema di elaborazione, conservazione o trasferimentodell’informazione, qualunque sia la natura dell’informazione stessa

Sono così diffusi che spesso li utilizziamo senza neanche rendercene conto


Sistemi digitali

Utilizziamo un insieme di sistemi digitali complessi quando:

Telefoniamo

Guardiamo un DVD

Preleviamo soldi dal bancomat

Lavoriamo al PC

Fotografiamo

Programmiamo il condizionatore d’aria

Guidiamo


Vantaggi dei sistemi digitali

Nell’ambito di questo corso avremo modo di vedere perché i sistemi digitali si siano diffusi in modo così pervasivo.I loro principali vantaggi sono:

Programmabilità

Versatilità

Velocità

Precisione

Costo

Semplicità di progettazione


Sistemi Digitali

Un sistema digitale è un qualsiasi sistema elettronico in cui le informazioni vengono rappresentate in forma binaria, utilizzando cioè solo due simboli (0 e 1) e l’elaborazione si basa sull’algebra di Boole (o della commutazione)



Segnali Digitali

Campionamento e quantizzazione


Segnali digitali

I segnali digitali sonoDISCRETIZZATI NEL TEMPO

DISCRETIZZATI IN AMPIEZZA

Questo significa che un qualsiasi segnale, che sia esso un suono, un’immagine, una temperatura o qualsiasi altra cosa, è rappresentato da una sequenza di NUMERI:

Ogni numero rappresenta il valore del segnale in un particolare istante (istante di campionamento)

Ogni numero può assumere un insieme discreto e finito di valori possibili


Segnali digitali

Segnale

Campionamento

Quantizzazione t

t

t

Si considera il valore del segnale solo in determinati istanti di tempo chiamati istanti di campionamento

Si suddivide l’intervallo di variazione del segnale in un certo numero (finito) di livelli di quantizzazione e si discretizza il valore campionato, ossia si memorizza solo l’intervallo di appartenenza e non il valore esatto

Il segnale originale varia con continuità nel tempo e può assumere qualsiasi valore in ampiezza


QuantizzazioneQuantizzare significa discretizzare, passare cioè da un insieme continuo di valori ad un insieme discreto.Avendo, ad esempio, un segnale che può assumere valori fra 0 e 4, discretizzare su 4 livelli significa dividere l’intervallo 0-4 in 4 sottointervalli:

Intervallo 0-1Intervallo 1-2Intervallo 2-3Intervallo 3-4

A seconda dell’intervallo nel quale ricade il segnale, esso verrà rappresentato con un numero associato a quel particolare intervallo. Tutti i valori dello stesso intervallo vengono quindi rappresentati con lo stesso numero

0

1

2

3

4

2.76 2

0.5

3.3

0

3

Errore di quantizzazione


Campionamento e quantizzazioneE’ possibile dimostrare, matematicamente, che il processo di campionamento, che permette di trasformare un segnale continuo (come un suono) in una sequenza di numeri NON comporta perdita di informazione. E’ quindi sempre possibile, sotto opportune condizioni, ricostruire esattamente il segnale originaleIl processo di quantizzazione, invece, introduce un errore (errore di quantizzazione) che non può più essere recuperato (se rappresento sia 2.76 che 2.1 con il numero 2 non saprò mai quale era il numero originario). Se il numero di livelli di quantizzazione, però, è sufficientemente elevato, l’errore diventa molto piccolo e trascurabile. L’errore massimo è infatti pari all’ampiezza del singolo intervallo, che risulta molto piccola se si prende un gran numero di intervalli


Segnali digitaliUn’immagine fissa, ad esempio, è rappresentata da una matrice di numeri che rappresentano l’intensità luminosa

313028273230

385340657348

223689946951

225061535648

277436526831

355442584939

Un video è rappresentato da una sequenza di immagini fisse, quindi un insieme di immagini ognuna presa in un certo istante di campionamento

313028273230

385340657348

223689946951

225061535648

277436526831

355442584939

313028273230

385340657348

223689946951

225061535648

277452683148

355458493948

313028273230

385340657348

223689946951

225061535648

275268315648

355849395648


Segnali digitaliUn documento di testo è rappresentato da una sequenza di numeri, ognuno dei quali rappresenta una lettera e le eventuali sequenze di controllo (a capo, tabulazione, etc.) secondo un sistema di codifica detto ASCII

g103

n110

i105

l108

l108

a97

t116

s115

n110

I73



Rappresentazione dei numeri

Rappresentazione binaria dei segnali campionati e discretizzati


Sistemi digitali

Proprio il fatto che le informazioni sono rappresentate sempre come numeri ha dato il nome ha questo tipo di sistemi

DIGIT : Termine inglese per CIFRA

Non tutti i sistemi elettronici sono sistemi digitali, ad esempio

Musicassette

Televisione terrestre analogica



Come vengono rappresentati, a loro volta, i numeri?

Utilizzando la notazione posizionale

b3b2b1b0 N = b3r3+b2r2+b1r1+b0r0

Cifra (può assumere un valore compreso fra 0 e r-1)

Base (radix, in inglese)

In una rappresentazione decimale, ovviamente, r=10 e le cifre sono comprese fra 0 e 9


Rappresentazione binaria

In generale, in un sistema digitale la base utilizzata è 2 (numeri binari) in quanto si hanno a disposizione solo due cifre (0 e 1)

b3b2b1b0 D = b323+b222+b121+b020

Esempio:

10112 D = 1x23+0x22+1x21+1x20= 1110

Il pedice in basso a destra indica la base della notazione



Generalizzando rispetto al numero N di cifre utilizzate, la formula per ricavare l’equivalente decimale di un numero binario è:

10010110

Word (N bit)

Bit (bi)

∑−

=

=1

02

N

i

i

ibDb0 bit meno significativo (estrema destra)bN-1 è il bit più significativo (estrema sinistra)

b0bN-1



La rappresentazione fisica avviene per mezzo di grandezze elettriche.

A disposizione ci sono fondamentalmente 3 grandezze da utilizzare (tensione, corrente, carica).

Normalmente la scelta cade sulla tensione, che è più facile da maneggiare e misurare.

1 (vero)

0 (falso)

V (volt)

0

5

3.5

1.5



A ciascun simbolo, quindi, viene associato un intervallo di valori di tensione e non un singolo valore.I due intervalli sono separati da una banda proibita di valori di tensione che non dovrebbero MAI essere raggiunti.La presenza di disturbi (rumore) quindi non altera i dati a meno che l’intensità del rumore stesso non causi un salto da un intervallo all’altro.

V (volt)

0

5

3.5

1.5

∆V1

∆V2

Il dato cambia valore

Il dato non cambia valore



La rappresentazione binaria è quindi un’astrazione logica che consente di dimenticare i dettagli fisici (il segnale in realtà è una tensione quindi un segnale analogico) per concentrarsi sugli aspetti logici del sistema

L’esistenza di soli 2 simboli, inoltre, rende più semplice realizzare i circuiti perché il rumore influenza molto meno il comportamento dei dispositivi

Le operazione logiche seguono le regole dell’algebra di Boole (della commutazione)



Elaborazione di segnali digitali

Richiami sull’algebra di Boole


Algebra di Boole

L’algebra di Boole o della commutazione è lo strumento che si usa per l’elaborazione dell’informazione binaria.L’algebra di Boole si basa su 2 simboli (0/1) e i 3 operatori: somma (+), prodotto (•) e negazione (‘).Dal corso di Calcolatori Elettronici dovrebbero essere noti gli assiomi ed i teoremi su cui si basa l’algebra della commutazione. In questo corso si farà uso delle nozioni di base come strumento per arrivare alla sintesi di circuiti logici.


Algebra della commutazione

L’algebra della commutazione è definita su un insieme di due elementi (0 e 1), che sono gli elementi con cui abbiamo costruito la rappresentazione delle informazioni e che corrispondono al FALSO e VERO dell’algebra inizialmente sviluppata da Boole

Gli operatori sono 3, gli stessi di Boole:PRODOTTO LOGICO (AND, ·)

SOMMA LOGICA (OR, +)

NEGAZIONE (NOT, ‘)


Funzioni logiche

Una funzione logica è una relazione algebrica ingresso/uscita che lega un numero N di ingressi con l’uscita.

F(x1,x2,…,xN)

x1

x2

xN

F


Rappresentazione di funzioni logiche

Una qualsiasi funzione logica può essere rappresentata in svariati modi.

Tabella di verità: la tabella di verità ha tante righe quante sono le possibili combinazioni degli ingressi e per ogni riga viene indicato il valore della funzione Espressione logica: la funzione è rappresentata per mezzo di un’espressione algebrica contenente le variabili di ingresso e gli operatori logici di baseMappe di Karnaugh: rappresentazione grafica basata sulla visualizzazione delle combinazioni di ingressi per cui la funzione vale 1 (o 0), utilizzata per la minimizzazione della funzione stessaSchematico: rappresentazione grafica per mezzo di simboli


Principali funzioni logiche

Z=X’

Tabella di verità

Simbolo grafico

10

01

ZX

010

001

1

0

X

00

11

ZY

110

101

1

0

X

00

11

ZY

Z=X+Y Z=X•Y

Espressione algebrica

OR AND

NOT


Principali funzioni logiche

110

101

1

0

X

10

01

ZY

010

001

1

0

X

10

01

ZY

Z=(X+Y)’ Z=(X•Y)’

NOR NAND

010

001

1

0

X

10

11

ZY

110

101

1

0

X

00

01

ZY

Z= X•Y’ + X’•Y Z=X’•Y’+X•Y

XOR XNOR


Implementazione di funzioni logiche

E’ dimostrabile che qualsiasi funzione logica può essere implementata con i soli operatori di somma, prodotto e negazione e con solo 2 livelli di logica. Ossia con somme di prodotti o prodotti di somme.

Somma di prodotti Prodotto di somme

F’

CD’

AB’F

C’D

A’B

2° livello1° livello 2° livello1° livello


Insieme funzionalmente completi

L’insieme AND, OR, NOT è dunque funzionalmente completo perché avendo a disposizione solo tali operatori è possibile implementare ogni funzione logica

Anche il solo insieme AND, NOT è funzionalmente completo, grazie al teorema di DeMorgan che consente di trasformare una somma in un prodotto

Per dualità è completo anche il solo insieme OR, NOT


Insieme funzionalmente completi

Il solo operatore NAND (il simbolo della NAND è ↑) è un insieme funzionalmente completo, infatti:

Con una NAND si può implementare l’operatore NOT:

A’ = (AA)’ = A NAND A

Con la NAND si può implementare il prodottoAB = (AB)’’ = (A ↑ B)’ = (A ↑ B) ↑ (A ↑ B)

Con la NAND si può implementare la sommaA+B = (A+B)’’ = (A’B’)’ = (A ↑ A) ↑ (B ↑ B)

Analogamente si può mostrare che la sola NOR è un insieme funzionalmente completo


Implementazione con operatori NAND

F

C’D

A’B

F

C’D

A’B F

C’D

A’B

Per il teorema di DeMorgan è possibile trasformare la somma di prodotti in modo da avere solo operatori NAND

(X•Y)’=NAND(X,Y) (X’+Y’)=(X•Y)’=NAND(X,Y)


Implementazione con operatori NOR

F

C’D

A’B

F

C’D

A’B F

C’D

A’B

Analogamente è possibile realizzare il prodotto di somme con soli operatori NOR

(X+Y)’=NOR(X,Y) (X’ • Y’)=(X+Y)’=NOR(X,Y)



Realizzazione fisica di sistemi digitali

Evoluzione tecnologica dei sistemi di elaborazione digitali


Sistemi digitali

Il concetto stesso di elaborazione digitale ha avuto un drammatico impatto sull’evoluzione della società moderna portando allo sviluppo della tecnologia con maggiore tasso di crescita mai prodotta nella storia dell’umanità

Una rapida carrellata sulla storia della realizzazione di sistemi digitali e della tecnologia di realizzazione fisica dei dispositivi integrati consente di meglio comprendere gli aspetti peculiari della progettazione ed utilizzazione di sistemi di questo genere


Il primo calcolatoreLa prima macchina calcolatrice paragonabile ad un moderno elaboratore non è un dispositivo elettronico ma bensì meccanico, il “Difference Engine I” realizzato da Babbage nel 1832

Macchina in grado di compiere operazioni elementari in sequenza arbitraria

Sistema di numerazione decimale

Composto da più di 25000 componenti meccanici

Costo di 17470 sterline dell’epoca


Elettronica digitaleLa svolta, nella realizzazione di sistemi di calcolo automatici, avvenne con il passaggio all’elettronica che consentiva costi minori e minore complessità costruttivaInizialmente si trattava comunque di dispositivi basati su valvole (vacuum tubes), quindi ancora ingombranti e dispendiosi in termini di energiaI primi elaboratori ebbero uso militare (ENIAC, usato nella II Guerra Mondiale per il calcolo delle traiettorie balisistiche dell’artiglieria americana)

ENIAC - 194618000 valvoleDimensioni di una stanza


Il transistorData la complessità della tecnologia valvolare non era possibile aumentare la potenza di calcolo degli elaboratori a valvole (l’ENIAC aveva meno capacità di calcolo di quella contenuta in un telefonino GSM) La svolta avviene nel 1947 con l’invenzione del transistor (Bell Telephone Laboratories).

Il transistor implementa le stesse funzionalità di una valvola in forma integrata (a stato solido) quindi occupando meno spazio, utilizzando meno potenza e raggiungendo velocità enormemente superiori

1947 – Transistor a giunzione


Circuiti integratiLo sviluppo della tecnologia porta rapidamente alla capacità di integrare più transistor sullo stesso pezzo di materiale dando il via allo sviluppo dei circuiti integrati e l’esplosione delle capacità di elaborazione implementabili su un singolo pezzo di silicio (chip)

Il primo circuito integrato è realizzato da Jack Kilby nel 1958 (Texas Instruments)

Porta logica ECL a 3 ingressi


Il transistor MOS

L’ultima svolta di rilievo nella tecnologia elettronica è stata l’introduzione del transistor MOS, alla fine delgi anni ’60 (anche se l’idea di base risale al 1925, ma limiti tecnici di produzione impedirono la realizzazione)

Il transistor MOS, con la sua incredibile capacità di scalare (diminuire in dimensione) al migliorare della tecnologia ha permesso l’esplosione del mercato elettronico e la miniaturizzazione estrema dei circuiti integrati


Legge di Moore (1965)Nel 1965 Gordon Moore predisse che il numero di transistor contenuti in un circuito integrato sarebbe aumentato in modo esponenziale, ossia che sarebbe DUPLICATO ogni 18 mesi


Legge di Moore aggiornataPiù volte è stata annunciata l’impossibilità di mantenere il passo dettato da tale legge, eppure risulta valida ancora oggiLa legge di Moore è diventata quasi un pungolo per l’intera industria elettronica che si sente obbligata a rispettarla


Scaling

L’aumento del numero di transistor contenuti in un circuito integrato è legato principalmente alla miniaturizzazione del singolo transistor (scaling) che consente di ottenere:

Circuiti più compatti

Più veloci

Meno dispendiosi in termini di energia per commutazione (1->0 o 0->1)


Aumento della frequenza

Lo scaling ha permesso il continuo aumento della velocità dei processori


Limiti all’aumento dell’integrazioneUno dei maggiori limiti all’aumento dell’integrazione non è solotecnologico ma anche pratico: all’aumento dei componenti integrati aumenta la dissipazione di potenza sul chip


Aumento della potenzaL’aumento della potenza presto renderà impossibile diminuire la quantità di calore sviluppata dal singolo chipPuò essere solo parzialmente corretto a livello di progettazione


Riassumendo

I sistemi digitali costituiscono la grandissima maggioranza dei sistemi elettroniciI segnali digitali sono campionati e quantizzatiLa rappresentazione delle informazioni è binariaI simboli binari sono rappresentati elettricamente da intervalli di tensioniL’elaborazione delle informazioni si basa sull’algebra di BooleEsistono vari metodi per rappresentare una funzione logicaIl rapido sviluppo della tecnologia del silicio ha permesso una crescita vertiginosa delle capacità di elaborazione di un qualsiasi sistema digitale

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