RETI LOGICHE L-A Orario Informazioni, programma, materiale didattico Lunedì ore 14-16  17 (ora Q) [aula 5.7], Giovedì ore 9-12 [aula 6.2], Venerdì ore 9-11 [aula 6.1] Informazioni, programma, materiale didattico (slide, compiti a casa, testo e soluzione di prove d’esame) www.lia.deis.unibo.it/Courses/2007-08 Dispense R. Laschi, M. Prandini: “Reti Logiche”, Esculapio, 2007 Ricevimento Venerdì ore 11-13; Mercoledì ore 15-17, previo accordo telefonico (051 20) 93005 o via e-mail (eugenio.faldella@unibo.it)

Regolamento prove d’esame In ogni A.A. sono previsti 6 appelli d’esame: Giugno, Luglio, Settembre, Dicembre, Gennaio, Aprile L’esame consiste in due prove: prova scritta (2 esercizi) punti complessivamente disponibili: 20 superamento: punteggio di ciascun esercizio  4 prova orale punti disponibili: 10 superamento: punteggio  4 Voto esame: somma dei punteggi delle due prove Nella sola SESSIONE ESTIVA: la prova orale può essere sostituita dalla prova intermedia, se superata con almeno 4 punti (o, per chi ha superato la prova scritta di Giugno, con il primo esercizio della prova di Luglio) ogni compito a casa, svolto congiuntamente da due Studenti e consegnato in tempo, incrementa il voto finale fino a 0,5 punti

Date prove scritte d’esame sessione estiva prova intermedia: Sabato 24 Maggio, ore 9.00-13.00, aula 6.2 I prova scritta: Giovedì 26 Giugno, ore 14.30-18.30, aula 6.2 II prova scritta: Mercoledì 16 Luglio, ore 14.30-18.30, aula 6.2 iscrizione obbligatoria tramite Uniwex

Obiettivi del corso RETI LOGICHE insegna a descrivere e 1. Sistemi digitali Obiettivi del corso RETI LOGICHE insegna a descrivere e a progettare le MACCHINE DIGITALI Eugenio Faldella (ET) Roberto Laschi (I) Stefano Mattoccia (A) Marina Pettinari (ET) Aspiranti ingegneri dell’informazione

Macchine digitali Sistemi artificiali che impiegano grandezze fisiche 1. Sistemi digitali Macchine digitali Sistemi artificiali che impiegano grandezze fisiche contraddistinte da un insieme discreto di valori “significativi” (segnali digitali) per rappresentare, elaborare e comunicare informazioni il “mezzo” il “fine”

3000 anni di storia e 4 tecnologie 1. Sistemi digitali 3000 anni di storia e 4 tecnologie complessità tecnologia tempo elettronica tutte le attività controllo elettrica meccanica misura calcolo manuale

“Pervasive Digital Era” 1. Sistemi digitali “Pervasive Digital Era”

Livelli di descrizione 1. Sistemi digitali Livelli di descrizione La descrizione del comportamento di un sistema complesso, in ogni ambito ingegneristico, è inevitabilmente articolata su più livelli (approccio “divide et impera”). Ogni livello individua entità (sottosistemi, unità, moduli, …, componenti “primitivi”) opportunamente cooperanti, contraddistinte da ben predefiniti ruoli, funzionalità, interfacce e protocolli di interazione con le altre entità operanti nello stesso livello o nei livelli adiacenti della gerarchia. Esplorando i livelli della gerarchia dall’alto verso il basso, aumenta il numero di entità, ma diminuisce la complessità di ciascuna di esse, dal punto di vista sia comportamentale che strutturale.

1. Sistemi digitali I livelli di descrizione di una diffusissima macchina digitale: il calcolatore elettronico …

Calcolatori Elettronici L-A Elettronica Digitale L-A 1. Sistemi digitali Fondamenti di Informatica L-A Livello architetturale Livello logico Calcolatori Elettronici L-A Reti Logiche L-A Livello fisico Microelettronica L-A Elettronica Digitale L-A

Livello architetturale Adattabilità, velocità, Affidabilità, velocità, 1. Sistemi digitali Rete Logica: modello della macchina digitale che consente di astrarre dalla tecnologia di dettagliare l’immagine architetturale RAM, Registro, Contatore, ALU, Decoder, Multiplexer Funzioni, variabili, espressioni processore, memoria, I/O Livello architetturale segnali e circuiti Adattabilità, velocità, capacità, sicurezza, espressività Livello logico Descrizione formale, composizione, decomposizione Livello fisico Affidabilità, velocità, ingombro, consumo, costo Argomenti da affrontare per impiegare il modello: Modalità di rappresentazione, elaborazione e trasferimento dell’informazione Metodi per la definizione formale delle specifiche Metodologie di progetto

I due contesti progettuali oggetto di studio 1. Sistemi digitali I due contesti progettuali oggetto di studio astrazione cosa fa Descrizione del COMPORTAMENTO Sintesi Analisi univoco Macchina digitale esito come è fatta non univoco Descrizione della STRUTTURA

Progettazione top-down e bottom-up Livello n Componenti “primitivi” per il livello n Comportamento dell’intero sistema Struttura formata da sottosistemi Livello n-1 Componenti “primitivi” per il livello n-1 Comportamenti dei vari sottosistemi Strutture formate da parti più semplici Componenti “primitivi” per il livello 1 Livello 1 Schemi circuitali Andamenti di tensioni e di correnti elettriche Livello 0 Fenomeni fisici all’interno di materiali

Il progetto, o sintesi, su un livello 1. Sistemi digitali Il progetto, o sintesi, su un livello nuovo comportamento Elenco dei componenti disponibili, del loro comportamento e delle modalità con cui farli interagire nuovo componente Descrizione della struttura che presenta il nuovo comportamento CAD Metodologie per l’ottimizzazione del costo e delle prestazioni

Programma Saper fare Sapere Cap.1: Introduzione alle macchine digitali Cap.7: Metodologie per la sintesi e l’analisi di reti sequenziali sincrone Saper fare Cap.6: Metodologie per la sintesi e l’analisi di reti sequenziali asincrone Orale Prova intermedia Prova scritta Cap.5: Metodologie per la sintesi e l’analisi di reti combinatorie Cap.4: Componenti logici elementari e algebra di commutazione Cap.3: Modelli e metodi per la descrizione formale delle specifiche Sapere Cap.2: Rappresentazione, elaborazione, trasferimento dell’informazione

Macchine digitali: dal livello fisico al livello logico

La gestione dell’informazione a livello fisico 1. Sistemi digitali La gestione dell’informazione a livello fisico I circuiti elettronici che formano il livello fisico di una macchina digitale coordinano il loro funzionamento scambiandosi informazioni veicolate da “segnali”. sorgente destinazione segnali Segnale: grandezza fisica variabile nel tempo, il cui andamento o forma d’onda identifica l’informazione che la sorgente intende inviare alla destinazione. Segnale analogico: ogni variazione della grandezza fisica modifica l’informazione trasportata. Segnale digitale: solo a “significative” variazioni della grandezza fisica corrisponde una modifica dell’informazione trasportata.

Forma d’onda di un segnale 1. Sistemi digitali Forma d’onda di un segnale “rumore”  Il segnale analogico s(t)  informazione  Il segnale digitale L H  Il segnale binario

Segnali analogici vs. segnali digitali 1. Sistemi digitali Segnali analogici vs. segnali digitali IPOTESI: si dispone di una tensione elettrica V variabile nell’intervallo 0-10 volt, di cui si è in grado di generare (lato sorgente) e misurare (lato destinazione) il valore con la precisione del centesimo di volt. PROBLEMA: trasferire il valore N di un numero intero (0 ≤ N ≤ 999). SOLUZIONI Segnale analogico: posto V = N, la comunicazione richiede una sola unità di tempo, ma un “rumore” di entità pari a 0,01 volt altera il valore trasferito. Segnale digitale: suddiviso l’intervallo di variabilità del segnale V in 10 fasce da 1 volt, la comunicazione richiede tre unità di tempo, una per ciascuna cifra decimale; l’immunità al rumore è pari a 0,5 volt. Segnale binario: suddiviso l’intervallo di variabilità del segnale V in 2 fasce da 5 volt, la comunicazione richiede dieci unità di tempo; l’immunità al rumore è pari a 2,5 volt.

Segnali analogici vs. segnali binari PROBLEMA: evidenziare il livello del carburante in un’automobile SOLUZIONI: 1 segnale analogico, oppure, a parità di contenuto informativo, una molteplicità di segnali binari sensore (on/off) riserva 1 segnale  1/4 2/4 3/4 4/4 4 segnali 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 8/8 8 segnali ...  

Fenomeni fisici e segnali binari 1. Sistemi digitali Fenomeni fisici e segnali binari segnale tensione corrente circuito elettrico contatto mobile carico sorgente di alimentazione “causa” “effetto” fenomeno fisico

“Interruttori” elettronici 1. Sistemi digitali “Interruttori” elettronici il transistore bipolare unipolare corrente elettrica corrente elettrica tensione effetto corrente SI / NO causa valore “alto” / “basso” tempo tensione o corrente in ingresso H L tempo corrente in uscita H L

Tecnologia e prestazioni evoluzione Azionamento Manuale Meccanico Elettrico Elettronico Integrazione! Transistore unipolare area: 10-9 mm2 velocità: 1010 commutazioni/s consumo: 10-4 watt costo: 10-3 lire

I/O analogico segnali analogici microfono termostato altimetro Convertitore D/A segnali analogici altoparlante plotter dinamo Convertitore A/D Elaborazione di segnali binari segnali binari tastiera mouse floppy segnali binari lampadina monitor floppy

Variabile x tale che x  B:0,1 1. Sistemi digitali Variabili binarie Bit (binary digit) Variabile x tale che x  B:0,1 logica positiva o negativa Segnali binari: Presente, Assente Alta, Bassa Aperto, Chiuso Accesa, Spenta ecc. corrente x 1 presente assente tensione alta bassa x 1 contatto aperto chiuso x 1 lampada spenta accesa x 1 logica negativa logica positiva

Configurazioni binarie 1. Sistemi digitali Configurazioni binarie Configurazione binaria di n bit: stringa di n simboli  {0,1}. x1 x2 x3 xn n bit Le distinte configurazioni binarie di n bit sono 2n. n=3: x1 x2 x3 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 Una configurazione di n bit può rappresentare: i valori di n segnali binari in un certo istante; i valori di un segnale binario in n istanti. x1 t x2 x3 1 0 0 x t1 t2 t3 010 111 000 011 111 … x1x2x3 notazione alternativa: