Obiettivi del corso. Compiti a casa (da fare in due!) Regolamento prove d esame. Dispense R. Laschi, M.Prandini Reti Logiche Esculapio,

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1 1 Regolamento prove d esame Dispense R. aschi, M.Prandini Reti ogiche Esculapio, Informazioni, Slide e Compiti risolti ogiche -A esame prevede due prove: 1.Prova scritta (2 esercizi) Punti complessivamente disponibili: 20 Superamento: punteggio di ciascun esercizio 4 2.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 superata con almeno 4 punti (o, per chi ha superato la prova di Giugno, con il primo esercizio della prova di uglio) -ogni compito a casa consegnato in tempo incrementa il voto finale di 0,5 punti; i compiti a casa devono essere svolti da due studenti Date prove d esame (prenotazione su Uniwex) Prova intermedia: 19/5 Prove scritte: 27/6, 17/7, settembre, dicembre, gennaio, aprile Compiti a casa (da fare in due!) Testi disponibili presso il Servizio Fotocopie di Facoltà Obiettivi del corso RETI OGICHE insegna a descrivere ed a progettare le MACCHINE DIGITAI Eugenio Faldella Roberto aschi Stefano Mattoccia Giuseppe Raffa Aspiranti ingegneri dell informazione

2 2 Macchine digitali Sistemi artificiali che impiegano grandezze fisiche variabili nel tempo e con un numero finito di valori per rappresentare, elaborare e comunicare informazioni complessità 3000 anni di storia e 4 tecnologie calcolo misura tutte le attività controllo manuale meccanica elettrica elettronica tempo tecnologia Programma Capitolo 1 Saper fare 7: Reti sincrone 6: Reti asincrone Orale Prova scritta Macchine digitali 5: Reti combinatorie 4: Reti logiche Descrizione e progettazione 1.2 Segnali ed interruttori Sapere 3: Modelli Orale Prova intermedia 2: Codifica binaria dell infor. 1: Macchine digitali

3 3 Struttura & Comportamento 1.1 Descrizione e progettazione Schema a blocchi STRUTTURA: vista della macchina focalizzata sui componenti e sulle modalità con cui interagiscono oom Crash! COMPORTAMENTO: vista della macchina focalizzata sulle risposte fornite a seguito di ogni possibile sollecitazione esterna Relazione di causa/effetto astrazione Analisi & Sintesi cosa fa come è fatta Descrizione del COMPORTAMENTO Sintesi Analisi Descrizione della STRUTTURA ivelli di astrazione

4 4 ivelli di descrizione a descrizione del comportamento può essere piùe piùvoltedecomposta in comportamenti più semplici ivello n Progettazione top-down e bottom-up Comportamento dell intero sistema Struttura formata da sottosistemi Componenti primitivi per il livello n Ogni livello di questa gerarchia individua strutture formate da componenti astratti la cui struttura è definita nel livello sottostante ivello n-1 Comportamenti dei vari sottosistemi Strutture formate da parti più semplici Componenti primitivi per il livello n-1 Scendendo dall alto verso il basso aumenta il numero di componenti diminuisce la complessità dell azione svolta da ciascuno ivello 1 ivello 0 Andamenti di tensioni e di correnti elettriche Schemi circuitali Componenti primitivi per il livello 1 Fenomeni fisici e chimici all interno di materiali Il progetto, o sintesi, su un livello nuovo comportamento nuovo componente Metodologie per l ottimizzazione del costo e delle prestazioni CAD Descrizione della struttura che presenta il nuovo comportamento Schemi a blocchi Elenco dei componenti disponibili, del loro comportamento e delle modalità con cui farli interagire

5 5 Il modello del blocco o scatola nera Alfabeto d ingresso ingresso dei dati P Alfabeto d uscita uscita dei risultati P relazione ingresso/uscita o di causa/effetto trasformazione temporizzazione a) in serie Regole elementari di composizione b) in parallelo c) in retroazione i i i M 1 M 2 M 1 s M 2 M 1 M 2 u u 1 u 2 u Funzione u=m 2 (M 1 (i)) composta Deve operare prima il blocco a sinistra, poi quello a destra. u 1 =M 1 (i) { u2 =M 2 (i) I due blocchi operano contemporaneamente. u=m 1 (i, s) s=m 2 (u) u=m 1 (i, M 2 (u)) Sistema di funzioni Funzione ricorsiva È necessario che l anello completi un calcolo prima di avviarne uno nuovo. Il livello architettonico Classificazione di alto livello Macchine special purpose: un solo comportamento Macchine general purpose: tutti i comportamenti descrivibili con un algoritmo Principio del programma memorizzato abbage (1833) Turing e von Neumann ( )

6 6 Hardware & Software Controllo & Percorso dati Calcolatore general purpose start, stop,.. richiesta notifica comportamento software struttura hardware elaborazione somma, cancella, copia,.. dato comandi controllo Semplicità Flessibilità stato percorso dei dati sto facendo, ho finito, errore,.. risultato caricamento fetch execute fetch execute fetch t Central Processing Unit e Input/Output Input, Central Processing Unit, Output Ingresso Elaborazione centrale Uscita Input CPU memoria istruzioni Output richiesta dato controllo protocollo di ingresso buffer controllo Semplicità Flessibilità Efficienza elaborazione dei dati buffer controllo protocollo di uscita notifica risultato richiesta dato controllo protocollo di ingresso buffer interprete esecutore memoria dati buffer controllo protocollo di uscita notifica risultato

7 7 Architettura di un calcolatore elettronico I/O, bus, interfacce e dispositivi US Tastiera Interfaccia N. 0 Processore Memoria principale Unità di ingresso/ uscita Monitor Hard disk Modem Interfaccia N. 1 I/O Interfaccia N. i Interfaccia N. k bus CPU & Memoria interfaccia della tastiera immagine, posizione Interfaccia Video 0,0: nero Unità di ingresso 0,1: giallo Selettore Selettore premuto/non premuto Monitor Generatore delle coordinate dei tasti Scansione uffer Z Y X N,M: blu Generatore di coordinate pixel Da 50 a 72 quadri al secondo Da 10 a 30 interrogazioni al secondo uffer Selezione

8 I livelli fisico e logico 8

9 9 alimentazione ivello fisico: fenomeni e segnali grandezza causa segnale tensione contatto mobile segnale resistenza circuito elettrico Fenomeno fisico fisico segnale posizione segnale tensione grandezza effetto carico Il livello logico Rete Ram, ogica: modello della macchina digitale Registro, che Contatore consente Alu, di Decoder astrarre dalla tecnologia Multiplexer di dettagliare l immagine architettonica Processore,memoria, I/O Affidabilità,velocità ingombro,consumo, costo Funzioni, variabili, espressioni Argomenti ivello architettonico da affrontare per impiegare il modello: contatti, Adattabilità,velocità Rappresentazione segnali e capacità,sicurezza, dell informazione espressività ivello logico circuiti Elaborazione dell informazione Descrizione formale Descrizione matematica composizione, dei comportamenti decomposizione ivello fisico Procedimenti di analisi e di sintesi 1.2 Segnali e interruttori Segnali analogici e digitali

10 10 Il trasporto dell informazione Forme d onda sorgente segnali destinazione Il segnale analogico y(t) informazione SEGNAE - Grandezza fisica variabile nel tempo il cui andamento o forma d onda rappresenta l informazione che la parte sorgente vuole inviare alla parte destinazione. SEGNAI ANAOGICI: ogni variazione della grandezza fisica modifica l informazione trasportata. SEGNAI DIGITAI: solo a certe variazioni corrisponde una modifica di significato. Il disturbo Il segnale digitale Il segnale binario H Velocità e Robustezza Segnali binari: esempi IPOTESI: si dispone di una tensione elettrica che varia nell intervallo 0 10 volt e di cui si è in grado di generare/misurare il valore con la precisione del centesimo di volt. PROEMA: comunicare il valore di un numero intero < SOUZIONI Segnale analogico: occorre un istante di tempo, ma un rumore di ampiezza pari a 0,01 volt modifica il dato. levetta: alta/bassa contatto: aperto/chiuso lampadina: accesa/spenta Segnale digitale: una volta suddiviso l intervallo in 10 fasce da un volt occorrono tre istanti di tempo; l insensibilità al rumore è pari a 0,5 volt. Segnale binario: con due fasce da 5 volt la comunicazione richiede dieci intervalli, ma la insensibilità al rumore diventa di 2,5 volt. tensione elettrica: High/ow cristallo liquido: trasparente/opaco corrente elettrica: presente/assente

11 11 segnali analogici microfono termostato altimetro I/O analogico segnali analogici altoparlante plotter dinamo Convertitori A/D e D/A Convertitore A/D Elaborazione di segnali binari Convertitore D/A segnali binari tastiera mouse floppy segnali binari lampadina monitor floppy Conversione diretta da A a D Conversione D/A: un esempio uce/uio uce/uio uce/uio Generatore di corrente: I 0 I 0 2I I 0 4I I 0 8I I 0 C 1 C 2 C 3 C 4 V U c = chiuso, a = aperto 16 valori per V U : C4 C3 C2 0, C1 DA converter c c cri 0, c V U = 4.R.I 0 a c c2ri 0 c, V U = 3.R.I 0 a a c, c V U = 2.R.I 0 a a a14ric 0, V U = R.I 0 a a a15ria 0 V U = 0

12 12 Azionamento manuale Azionamento di interruttori Apparati elettrici Telegrafo Azionamento elettromagnetico C A D C A D not buffer il relè molla Φ1 forza d attrazione della molla Φ2 = k i 2 forza d attrazione al traferro bobina gen. di corrente i materiale ferromagnetico

13 13 Azionamento elettronico bipolare Causa valore alto valore basso Corrente elettrica interruttore! il transistore Effetto corrente SI corrente NO Tensione elettrica unipolare Forme d onda della causa e dell effetto Forma d onda della tensione o della corrente in ingresso H Forma d onda della corrente in uscita H tempo Corrente elettrica Corrente elettrica tempo Tecnologia e prestazioni evoluzione Azionamento Manuale Meccanico Elettrico Elettronico integrazione! Transistore unipolare area: 10-9 mm 2 velocità: com./sec consumo: 10-4 watt costo: 10-3 lire Descrizione astratta di circuiti elementari

14 14 Il buffer i I 1 1 il gate buffer astrazione 0 0 I astrazione il gate not Il not i Struttura Comportamento 220 volt Interruttore ampada ivello fisco Interruttore alto basso ampada spenta accesa 220 volt interruttore I Interruttore alto basso ampada accesa spenta lampada ANAISI la causa è la posizione dell interruttore l effetto è l emissione o meno di luce ANAISI la causa è la posizione dell interruttore l effetto è l emissione o meno di luce I Il not elettronico i and interruttore complessivo è chiuso se sono chiusi e I1 e I2 I1 I2 A E 0 volt oppure +E volt V i V u +E volt oppure 0 volt V i V u 0 + E + E 0 A I1 Contatti in serie I2 I1 I2 A aperto aperto aperto aperto chiuso aperto chiuso aperto aperto chiuso chiuso chiuso

15 15 or interruttore complessivo è chiuso se è chiuso o I1 o I2 I1 I2 A x 1 x 2 x 3 And e Or a più di due ingressi z x 1 x 2 x 3 N.. - Il numero dei segnali di ingresso di un gate è detto fan-in. z Contatti in serie Contatti in parallelo Contatti in parallelo A I1 I2 I1 I2 A aperto aperto aperto aperto chiuso chiuso chiuso aperto chiuso chiuso chiuso chiuso x 1 x 2 x 3 z x 1 x 2 x 3 z Interruttori elettronici: il gate not-or o nor Interruttori elettronici: il gate nand x 1 x 2 z + E x 1 x 2 + E z x 1 V 1 x 2 V2 V u z N.. Gli interruttori Vx 1 Vx 2 Vz u in parallelo possono 0 0 H1 essere più di due. 0 H1 0 H1 0 0 H1 H1 0 V 1 V 2 V u N.. Gli interruttori in serie possono essere più di due. V 1 V 2 V u H H H H H H H

16 16 ex-or interruttore complessivo è chiuso se sono alti o D1 o D2, ma non entrambi deviatore D1 220 volt x1 x2 z deviatore D2 lampada x1 x2 z D1 D2 alto alto spenta basso alto accesa alto basso accesa basso basso spenta Circuiti con retroazione pulsante M pulsante M Motore elettrico Alimentaz. in corrente continua pulsante A interruttore i S Relè Corrente I N Alim. pulsante A interruttore i S N I pulsanti di Marcia e Arresto di un motore I pulsanti di Marcia e Arresto di un motore

17 17 Relè ad autoritenuta : tabulazione degli esperimenti Pulsante M Pulsante A Interruttore i dipende rilasciato rilasciato aperto NO dallo stato? rilasciato rilasciato del chiuso contatto i SI premuto rilasciato aperto SI premuto rilasciato chiuso SI premuto premuto aperto SI premuto premuto chiuso SI Corrente I rilasciato premuto aperto NO rilasciato premuto chiuso NO Situazione stabile stabile instabile stabile stabile instabile inutile inutile astrazione A Contatti disposti in serie/parallelo ed una retroazione con ritardo Δt tra la corrente di comando del relè e la posizione del contatto i M Alim. M i A i(t +Δt) = I(t) Δt i I I Due nor in retroazione Il comportamento dei due NOR in retroazione V 1 V 3 Vu V 2 H V 2 + E V 1 V 2 + E V 3 V u V 2 =V 3 = V u =V 1 =? o H o V 3 V u H H H Per conoscere il valore di V u quando V 2 = V 3 =, occorre conoscere anche il valore che aveva prima

18 18 Variabili binarie it (binary digit) - Variabile x tale che: x {0,1} it e configurazioni binarie logica positiva e negativa Segnali binari: {Presente, Assente}{High, ow} {Aperto, Chiuso}{uce, uio} ecc. v tensione v 0 alta 1 1 bassa 0 C Contatto C 0 aperto 1 1 chiuso 0 ampada 0 accesa 1 1 spenta 0 logica negativa logica positiva a b c Configurazioni binarie Configurazione binaria - Stringa n bit di lunghezza n di simboli 0 e 1. b 1 b 2 b 3 b n Es: a b c n bit hanno 2 n configurazioni binarie diverse. Una configurazione di n bit può rappresentare i valori di n segnali binari ad un certo istante. Una configurazione di n bit può rappresentare i valori di un segnale binario in n istanti t x t 1 t 2 t 3 Diagrammi ad occhio Andamento di 3 segnali: Relazione di causa/effetto di un blocco con 3 ingressi e 2 uscite: ingresso uscita