Sistemi Elettronici Programmabili (SELPR) Prof. Adelio Salsano - Dott. Stefano Bertazzoni – Ing. Salvatore Pontarelli III Ciclo Dal 2 Marzo 2009 al 24 Aprile 2009 Lezioni Lunedì ore 11.30 – 13.15, Aula 3 Nuovi edifici Mercoledì ore 14 – 15.45 Aula 9 NE Giovedì ore 11.30 – 13.15, Aula 3 NE Ricevimento studenti: lunedì e giovedì ore 15-17 Organizzazione Quattro settimane per richiami di elettronica digitale, circuiti programmabili, architettura e caratteristiche hardware e software dei sistemi a microprocessore. Verifica intermedia Tre settimane di lezioni ed esercitazioni relative a sistemi a microcontrollore, basate su un microcontrollore commerciale. Verifiche finali Possibilità di modifica in relazione ai prerequisiti degli studenti

Sistemi elettronici programmabili Introduzione: dal continuo al discreto Richiami di elettronica digitale: Sistemi numerici e algoritmi di conversione Funzioni logiche e aritmetiche Circuiti combinatori e sequenziali PLD e FPGA: Architetture; celle elementari e strutture complesse Microcalcolatori e microprocessori: Architetture Caratteristiche hardware dei microprocessori: Lunghezza di parola; Velocità; Registri Memorie permanenti e di lavoro Sequenza di esecuzione di una istruzione Caratteristiche software dei microprocessori: Codici operativi; Modi indirizzamento Progetto di un microprocessore Sistemi elettronici digitali: definizioni; architetture di interconnessione Le periferiche La gestione dello scambio dei dati La comunicazione tra sistemi digitali: Trasmissione seriale; Trasmissione parallela; Riconoscimento e correzione degli errori Linguaggi e strumenti di programmazione Presentazione di un microcontrollore commerciale: Architettura Set di istruzione Tecniche di programmazione Sviluppo di un progetto In funzione della disponibilità di posti di lavoro, sono previste esercitazioni pratiche sui sistemi presentati MATERIALE DIDATTICO Trasparenze e dispense del corso www.uniroma2.it/didattica (selpr1) e www.elet.uniroma2.it (approfondimenti) Carl Hamacher, Z. Vranesic, S. Zaky: “Introduzione all’architettura dei Calcolatori” , MacGraw- Hill H.A. Farhat: “Digital Design and Computer Organization”, CRC Press Sistemi elettronici programmabili

Dal Continuo al Discreto I fenomeni naturali sono intrinsecamente continui - temperatura, velocità, ecc. La misura di una grandezza è intrinsecamente discreta  numero La precisione può essere spinta quanto si vuole Strumenti analogici e digitali  conversione A/D e D/A Simboli e numeri. Codici binari. Simboli rappresentano oggetti come lettere dell’alfabeto, o qualità e possono – non sempre - essere messi in ordine  funzioni logiche I numeri possono essere ordinati, sommati, moltiplicati, ecc.  concetto indipendente dalla rappresentazione I sistemi numerici: decimale, binario. Valore posizionale Le cifre sono i simboli usati in un sistema in una certa base  0-9 per la base 10, 0-1 per la base 2, 0-7 per la base 8. Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Adder Equivalente decimale di un numero in base B D =  Pi Bi Equivalente binario di un numero decimale Divisioni successive per 2 I resti sono i bit successivi a partire da B0 Algoritmi simili per numeri frazionari (<1) successive moltiplicazioni per passaggio da decimale a binario Half adder e full adder di numeri binari Cin B A SUM Cout   1 Half adder Full Adder Sistemi elettronici programmabili

Numeri negativi  Complemento a 2 Serve per fare le sottrazioni sommando il complemento a due del sottraendo Il bit più significativo dà il segno: 1 corrisponde a numero negativo Passaggio da un numero al suo complemento a 2 Complementare tutti i bit e sommare 1 0000  0 0001 1 …..01117 1111-1 1110-2 …..1001-7 1000-8 ESEMPI  4 bit da –8 a +7  Si prendono i quattro bit meno significativi e si trascura il riporto +1 = 0001 -1 = 1111 10000   +5 = 0101 -2 = 1110 10011 Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Codici (1)  Codici  Stabiliscono una corrispondenza biunivoca tra simboli/numeri e rappresentazione in termini di bit.  Lunghezza di un codice Numero di bit usato per rappresentare un simbolo/numero  Con N bit possono essere rappresentati al massimo 2N “oggetti” diversi Codici ridondanti per facilitare il riconoscimento di errori, l’esecuzione di operazioni, ecc.   Codici pesati e non pesati per numeri  binario, BCD a 4 o 5 bit, eccesso 3.   Codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange)  7 bit per lettere e numeri i numeri hanno come primi bit 011, seguiti dai 4 bit BCD  tutte le tastiere.  Bar code. Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Codici (2)   Codifica e decodifica: dal simbolo/ numero ai bit e viceversa Funzioni logiche  Display 7 segmenti.  Funzioni logiche relazioni tra variabili che possono essere “vere” o “false” – “1” o “0”  Esempio: lampada accesa (“1”) se l’interruttore è acceso (“1) e c’è la corrente (“1”).  Byte: 8 bit - Digit: 4 bit - Parola o word: numero di bit corrispondente al parallelismo del sistema di elaborazione.  Le funzioni logiche sono espresse ed elaborate con le regole dell’algebra booleana. Sistemi elettronici programmabili

Algebra Booleana e Porte Elementari   Algebra Booleana e Porte Elementari L’algebra booleana si basa su alcune funzioni elementari, OR, o somma logica, AND, o moltiplicazione logica e NOT, o negazione logica. ·        F= A+B  F vero se A o B vero o se sono veri sia A che B ·        F=A.B  F vero solo se sia che B sono veri. ·        F=A/  F vero se A falso, F falso se A vero. ·        “Vero”, “true”, corrisponde a “1” e “falso”, “false”, corrisponde a “0”. Tabelle della verità OR AND NOT A B F 1     Sistemi elettronici programmabili

Altre funzioni elementari sono: NOR OR negato NAND AND negato Funzioni più complesse sono rappresentabili con tabelle della verità e con opportune interconnessioni di funzioni elementari CIRCUITI LOGICI Data una espressione booleana, è possibile realizzare un circuito logico corrispondente e viceversa. I circuiti logici lavorano tra due tensioni corrispondenti rispettivamente a “1” e a “0”. Sono in genere la tensione minima e la massima del circuito – terra e alimentazione e si dice che lavora in logica positiva se a “1” corrisponde la tensione più alta e a “0” la tensione più bassa.   Per realizzare un circuito logico Funzione logica, p.e. tabella della verità  Semplificazione con leggi algebra Implementazione Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili De Morgan  Il negato di una somma è uguale al prodotto dei negati  Il negato di un prodotto è uguale alla somma dei negati   Leggi varie per semplificare le espressioni booleane  Possibile utilizzare solo NOR o solo NAND per realizzare la generica funzione booleana SIMBOLI DELLE FUNZIONI ELEMENTARI AND OR INV NAND NOR Sistemi elettronici programmabili

Tabelle di Look-up (LUT) Una funzione logica può essere realizzata con un circuito logico – or, and, nor,,,,- o In alternativa, può essere realizzata utilizzando memorie elettroniche (RAM, ROM, EEPROM, FLASH…) partendo direttamente dalla tabella della verità. Una funzione logica ad n variabili fa corrispondere ad ognuna delle 2n combinazioni degli ingressi un valore per l’uscita: può essere implementata con una memoria 2n x1, con gli indirizzi corrispondenti alle combinazioni degli ingressi. Questa soluzione è utilizzata per esempio nei FPGA Sistemi elettronici programmabili

Componenti Usati nei Circuiti Logici I circuiti logici che considereremo nel corso sono realizzati con transistori MOS che possono essere schematizzati come interruttori aperti o chiusi, con resistenze, effettive o equivalenti, e capacità. I simboli relativi sono i seguenti NMOS PMOS R C Sistemi elettronici programmabili

Circuiti Logici Elementari I circuiti logici si basano sulla realizzazione di inverter, o, meglio, di blocchi circuitali che, in funzione degli ingressi, colleghino l’uscita all’alimentazione (pull-up, o PUN, Pull Up Network) o a terra (pull-down, o PDN, Pull Down Network). Possono essere usate diverse tecnologie: la più usata attualmente è la CMOS.   L’inverter di base esegue la funzione “negazione”, cioè PUN PDN IN OUT VDD GND Sistemi elettronici programmabili

Altri Circuiti Logici Elementari B A VDD OUT GND NAND NOR Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Funzioni Complesse Funzioni più complesse si realizzano considerando prima il PDN; cioè realizzando la funzione che dà l’uscita bassa: il PUN è quindi realizzato come duale del PDN. ESEMPIO: Da cui B A C D GND VDD Y Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Transmission Gate Coppia NMOS/PMOS che conduce sia il valore alto che il valore basso in modo ottimale Vc Vout Vin FAN IN e FAN OUT: Fan in è il numero di porte di ingresso ammesse per la tecnologia considerata, mentre il fan out è il numero di ingressi che l’uscita di una porta logica può pilotare rispettando i limiti di capacità e di ritardo ammessi Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili CIRCUITI DINAMICI Informazione memorizzata in capacità Numero MOS metà dei CMOS+2 I due MOS collegati ad un clock per precarica e valutazione L’informazione si perde se la frequenza del clock è troppo bassa VDD PDN  Cl t OUT Sistemi elettronici programmabili

Circuiti Combinatori e Sequenziali I circuiti esaminati finora sono detti “combinatori”: l’uscita dipende solo dagli ingressi attuali I circuiti nei quali l’uscita dipende dagli ingressi attuali e dagli ingressi precedenti sono detti “sequenziali” -esempio tipico è il flip flop RS che memorizza un bit in logica statica R S Qn+1 QN 1 NV R S Q R Q Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Il Clock Sistemi complessi richiedono un segnale di clock per sincronizzare le operazioni dei diversi componenti e circuiti La memorizzazione avviene in elementi sensibili al livello – latches - o al fronte –flip flop. Flip Flop con funzionalità diverse (RS, D, JK) sincronizzati LATCH RS SENSIBILE AL LIVELLO R Q S CK R S Q CK Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Flip-Flop Latch D  DATA S Q R CK D Q FLIP FLOP D Master –Slave  Commuta sul fronte negativo D Q D Q CK MS Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili Flip-Flop FLIP FLOP JK R S Q J CK K J K Qn+1 QN 1 QN/ Registro a scorrimento D Q MS CK Sistemi elettronici programmabili

Memorie MEMORIA CENTRALE e MEMORIA DI MASSA Un sistema di calcolo necessita di memorie per i programmi e per i dati   MEMORIA CENTRALE e MEMORIA DI MASSA · La memoria centrale serve per i dati da elaborare e deve avere velocità elevata  Accesso casuale, cioè il tempo di accesso non dipende dall’indirizzo  Tecnologia microelettronica (RAM e ROM) ·  La memoria di massa serve per i programmi e per dati che normalmente non vengono usati immediatamente nelle elaborazioni  Tempi di accesso elevati (ms) e tecnologia elettromeccanica (hard disk) ·  Memorie RAM R/W: lettura e scrittura con tempi comparabili · Memorie ROM, Read Only Memories FLASH, EEPROM: conservano le informazioni anche senza l’alimentazione  o memorie permanenti scritte una volta per tutte o memorie per le quali la procedura di scrittura richiede tempi molto elevati e ha una complessità maggiore della lettura  lettura in tempi come le RAM Sistemi elettronici programmabili

Architettura di una Ram Sistemi elettronici programmabili

Dispositivi Logici Programmabili (PLD) ·        OR di AND ·        ROM ·        PAL ·        PLA FUSE OUT . . . A2 2 A1 A0 Sistemi elettronici programmabili

Sistemi elettronici programmabili PAL ·       Numero limitato di AND di ingresso con connessioni programmabili. ·        Connessioni fisse verso l’OR di uscita C AB Convenzione: B C D D C B A Sistemi elettronici programmabili

PLA (Programmable Logic Array ) Si programmano le interconnessioni degli AND e degli OR FPGA  Field Programmable Logic Array  Sono i componenti più moderni: consentono fino a 4 livelli di logica combinatoria e inoltre contengono registri  Possibilità di realizzare sistemi anche sequenziali, modificabili via software Sistemi elettronici programmabili

Microprocessori e Microcalcolatori (1) Un microcalcolatore è un sistema elettronico programmabile sincrono basato su circuiti integrati ad elevata integrazione collegati attraverso opportune interfacce ad organi di I/O e normalmente rivolti ad un singolo utilizzatore.   Un microprocessore ( o ALU, Arithmetic and Logic Unit) è un circuito integrato ad elevata integrazione in grado di eseguire operazioni logiche, aritmetiche e di controllo su dati generati dal microprocessore stesso o fornito dall’esterno. La struttura di un microcalcolatore è quella classica detta di Von Neumann Sistemi elettronici programmabili

Microcalcolatori e Microprocessori (2) Il Microprocessore (o CPU, Central Processing Unit) in genere contiene una ALU (Arithmetic and Logic Unit), un’unità di controllo e i circuiti di interfaccia verso le periferiche. La Memoria può essere esterna al microprocessore. I microprocessori si distinguono per lunghezza di parola, corrispondente al numero di bit trattati in parallelo, oltre per le altre caratteristiche hardware e software, quali la velocità, le caratteristiche elettriche, l’architettura, il set di istruzioni, ecc. Lo scambio dei dati tra i diversi circuiti di un microcalcolatore e all’interno del microprocessore va da collegamenti punto-punto ai sistemi a bus. In genere si individua un dispositivo sorgente e uno o più dispositivi destinatari, con il dispositivo sorgente che generea il dato e un eventuale segnale di controllo e il dispositivo destinatario che riceve il dato e, quando necessario, conferma l’avvenuta ricezione. Sistemi elettronici programmabili