Indice generale. Capitolo 1 Da zero a uno. Capitolo 2 Progetto di reti logiche combinatorie. Prefazione degli autori...xiii Ringraziamenti...

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1 Prefazione degli autori...xiii Ringraziamenti... Capitolo 1 Da zero a uno XV 1.1 La pianificazione del gioco L arte di gestire la complessità L astrazione La disciplina Le tre -Y L astrazione digitale I sistemi numerici Numeri decimali Numeri binari Numeri esadecimali Byte, nibble, word Somma binaria Numeri binari relativi Le porte logiche La porta NOT Buffer La porta AND La porta OR Altre porte logiche a due ingressi Porte a ingressi multipli Oltre l astrazione digitale Tensione Livelli logici Margini di rumore Caratteristica di trasferimento DC La disciplina statica I transistori CMOS* Semiconduttori I diodi I condensatori Transistori nmos e pmos Porta NOT CMOS Altre porte logiche CMOS Porte di trasmissione Logica pseudo-nmos Consumo di potenza* Riassunto e anticipazione...27 Esercizi Domande di valutazione Capitolo 2 Progetto di reti logiche combinatorie 2.1 Introduzione Espressioni booleane Terminologia Forma somma di prodotti Forma prodotto di somme Algebra booleana Postulati Teoremi a una variabile Teoremi di più variabili Saranno veri i teoremi booleani? Semplificare le espressioni Dalla logica alle porte Logica combinatoria su più di due livelli Riduzione dell hardware Spingere le bolle Non solo 0 e 1, anche X e Z Il valore illegale: X Il valore fluttuante: Z Le mappe di Karnaugh Pensare in cerchi Minimizzazione logica con le mappe di Karnaugh Indifferenze Il quadro generale Blocchi costitutivi combinatori Multiplexer Decoder Temporizzazioni Ritardi di propagazione e di contaminazione Alee Riassunto Esercizi Domande di valutazione

2 VIII Capitolo 3 Progetto di logica sequenziale 3.1 Introduzione Latch e flip-flop Latch SR Latch D Flip-flop D Registro Flip-flop con abilitazione Flip-flop resettabile Progetto di latch e flip-flop a livello di transistori Per riassumere Progetto di reti logiche sincrone Alcune reti problematiche Reti sequenziali sincrone Reti sincrone e asincrone Macchine a stati finiti Esempio di progettazione di una FSM Codifica degli stati Macchine alla Moore e macchine alla Mealy Fattorizzazione delle macchine a stati Derivare una FSM da uno schema circuitale Riassunto sulle FSM Temporizzazione della logica sequenziale La disciplina dinamica Temporizzazione del sistema Sfasamento del clock* Metastabilità Sincronizzatori Formulazione del tempo di risoluzione* Parallelismo Riassunto Esercizi Domande di valutazione Capitolo 4 Linguaggi di descrizione dell hardware 4.1 Introduzione Moduli Origini dei linguaggi Simulazione e sintesi Logica combinatoria Operatori a singolo bit Commenti e spazio vuoto Operatori di riduzione Assegnamento condizionale Variabili interne Precedenza Numeri Z e X Concatenazione di bit Ritardi Modellazione strutturale Logica sequenziale Registri Registri resettabili Registri con abilitazione Registri multipli Latch Ancora logica combinatoria Istruzione case Istruzione if Tabelle delle verità con indifferenze Assegnamenti bloccanti e non bloccanti Macchine a stati finiti Tipi di dati* SystemVerilog VHDL Moduli parametrici* Testbench Riassunto Esercizi Domande di valutazione Capitolo 5 Blocchi costruttivi digitali 5.1 Introduzione Circuiti aritmetici Addizione Sottrazione Comparatori ALU Traslatori e rotatori Moltiplicazione*

3 IX Divisione* Letture aggiuntive Sistemi di numerazione Numeri in virgola fissa Numeri in virgola mobile* Blocchi costruttivi sequenziali Contatori Registri a scorrimento Componenti di memoria Panoramica Memoria ad accesso casuale dinamica Memoria ad accesso casuale statica Area e ritardo Banchi di registri Memorie a sola lettura Reti logiche realizzate con componenti di memoria Descrizione HDL delle memorie Matrici logiche Matrici logiche programmabili Matrici di porte logiche programmabili sul campo Realizzazione delle matrici di memoria* Riassunto Esercizi Domande di valutazione Capitolo 6 Architettura 6.1 Introduzione Il linguaggio assembly Istruzioni Operandi: registri, memoria e costanti Programmare Istruzioni di elaborazione dati Flag di condizione Salti Costrutti di selezione Cicli La memoria Chiamate a sottoprogrammi Linguaggio macchina Istruzioni di elaborazione dati Istruzioni di accesso a memoria Istruzioni di salto Modi di indirizzamento Interpretare il linguaggio macchina La potenza di un programma scritto in memoria Compilare, assemblare e caricare* La mappa di memoria Compilazione Assemblaggio Collegamento Caricamento Qualche dettaglio Caricamento di literal NOP Eccezioni Evoluzione dell architettura ARM Set di istruzione Thumb Istruzioni DSP Istruzioni in virgola mobile Istruzioni per il risparmio di potenza e per la sicurezza Istruzioni SIMD Architettura a 64 bit Un altra prospettiva: l architettura x Registri x Operandi x Flag di stato Istruzioni x Codifica delle istruzioni x Altre particolarità di x Il quadro generale Riassunto Esercizi Domande di valutazione Capitolo 7 Microarchitettura 7.1 Introduzione Stato architetturale e set di istruzioni Progettazione Microarchitetture Analisi delle prestazioni...286

4 X 7.3 Processore a ciclo singolo Percorso dati a ciclo singolo Unità di controllo a ciclo singolo Istruzioni aggiuntive Analisi delle prestazioni Processore multi ciclo Percorso dati multi ciclo Unità di controllo multi ciclo Analisi delle prestazioni Processore pipeline Percorso dati pipeline Unità di controllo della pipeline Dipendenze Analisi delle prestazioni Rappresentazione HDL* Processore a ciclo singolo Altri blocchi costruttivi Testbench Microarchitetture avanzate* Pipeline lunghe Micro operazioni Previsione dei salti Processori superscalari Processore out-of-order Ridenominazione dei registri Multithreading Multiprocessori Uno sguardo al mondo reale: evoluzione dell architettura ARM* Riassunto Esercizi Domande di valutazione Capitolo 8 Sistemi di memoria 8.1 Introduzione Analisi delle prestazioni del sistema di memoria Memoria cache Quali dati devono essere memorizzati nella cache? Come si verifica se un dato è in cache? Quale dato viene sostituito? Progetto di cache avanzate* Evoluzione delle cache di ARM Memoria virtuale Traduzione dell indirizzo La tabella delle pagine Il Translation Lookaside Buffer (TLB) Protezione della memoria Politiche di sostituzione* Tabelle delle pagine multi livello* Riassunto Epilogo Esercizi Domande di valutazione Capitolo 9 Sistemi di ingresso/uscita Capitolo disponibile online 9.1 Introduzione I/O mappato in memoria I/O nei sistemi embedded Il sistema a singolo chip BCM Driver di dispositivo I/O digitali di uso generale I/O seriale Timer I/O analogici Interrupt Altre periferiche di microcontrollori Display di caratteri a cristalli liquidi Monitor VGA Comunicazioni wireless Bluetooth Controllo di motori Interfacce a bus AHB-Lite Esempio di interfaccia a memoria e periferica Sistemi di I/O del PC USB PCI e PCI Express Memoria DDR Interconnessione in rete SATA Interfacciamento a un PC Riassunto....52

5 XI Appendice A Realizzazione dei sistemi digitali A.1 Introduzione A.2 La logica 74xx A.2.1 Porte logiche A.2.2 Altre funzioni A.3 Logica programmabile A.3.1 PROM A.3.2 PLA A.3.3 FPGA A.4 Circuiti integrati specifici per un applicazione A.5 Data sheet A.6 Famiglie logiche A.7 Packaging e assemblaggio A.8 Linee di trasmissione A.8.1 Terminazione adattata A.8.2 Terminazione aperta A.8.3 Terminazione cortocircuitata A.8.4 Terminazione non adattata A.8.5 Quando serve usare i modelli delle linee di trasmissione A.8.6 Corrette terminazioni delle linee di trasmissione A.8.7 Espressione di Z 0 * A.8.8 Espressione del coefficiente di riflessione* A.8.9 Riassumendo A.9 Aspetti economici Appendice B Istruzioni ARM B.1 Istruzioni di elaborazione dati B.1.1 Istruzioni di moltiplicazione B.2 Istruzioni di accesso a memoria B.3 Istruzioni di salto B.4 Istruzioni varie B.5 Flag di condizione Appendice C Programmazione in C Capitolo disponibile online C.1 Introduzione....1 C.2 Benvenuti al linguaggio C....2 C.2.1 Struttura di un programma C C.2.2 Esecuzione di un programma C C.3 Compilazione...4 C.3.1 Commenti...4 C.3.2 #define....5 C.3.3 #include....5 C.4 Variabili...6 C.4.1 Tipi di dati primitivi C.4.2 Variabili globali e locali C.4.3 Inizializzazione delle variabili C.5 Operatori C.6 Chiamate di funzione...12 C.7 Istruzioni di controllo del flusso di esecuzione...13 C.7.1 Istruzioni condizionali C.7.2 Cicli...15 C.8 Altri tipi di dati...17 C.8.1 Puntatori...17 C.8.2 Array...18 C.8.3 Caratteri...22 C.8.4 Stringhe...23 C.8.5 Strutture...24 C.8.6 typedef C.8.7 Allocazione dinamica della memoria*.. 26 C.8.8 Liste collegate* C.9 Librerie standard...29 C.9.1 stdio C.9.2 stdlib C.9.3 math C.9.4 string C.10 Opzioni del compilatore e argomenti nella riga di comando C.10.1 Compilare più file sorgente C C.10.2 Opzioni del compilatore C.10.3 Argomenti nella riga di comando.. 35 C.11 Errori frequenti...36 Indice analitico...431