Elettronica Digitale. Informazioni sul corso

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1 Elettronica Digitale Anno Accademico 25/26 Massimo Barbaro Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB) Informazioni sul corso Massimo BARBARO Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Padiglione B, secondo piano Tel Orario di ricevimento: giovedì -3 (o su appuntamento) 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 2

2 Programma dettagliato del Corso () Introduzione ai sistemi digitali Sistemi digitali - Livelli di astrazione - Linguaggi di descrizione del hardware (HDL) - Strumenti di simulazione (Verilog, Spice) Mappe di Karnaugh e sintesi di funzioni logiche Linguaggio Verilog Concetto di modulo Operatori Descrizioni strutturali, dataflow ed algoritmiche Net e register Concetto di testbench Inverter CMOS Caratteristica 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 3 Programma dettagliato del Corso (2) Logica Combinatoria Logiche 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 Sequenziale Bistabilità - Latch e flip-flop Simulazione e descrizione Verilog di blocchi sequenziali Implementazione CMOS statica Implementazione CMOS dinamica Memorie a semiconduttore Classificazione delle memorie Architetture di memorie ROM RAM RAM non volatili Circuiti base (elemento di memoria, sense amplifier) Descrizione Verilog 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 4

3 Struttura del Corso Ore di lezione: 5 Libri 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 orale Sono previste 2 prove scritte intermedie: a: 2a: Sito del corso: Mailing List: 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 5 Simulatori: Strumenti di studio Spice: software per la simulazione dei circuiti a livello transistor Un simulatore spice gratuito è disponibile in rete all indirizzo (spice3f4) Modelsim: software per la simulazione dei blocchi descritti in termini di linguaggio verilog ( E disponibile una versione demo ma è necessario registrarsi CAD: Microwind: layout editor di circuiti integrati CMOS ( 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 6

4 Prerequisiti Culturali Calcolatori Elettronici: Algebra di Boole, porte logiche, mappe di Karnaugh, minimizzazione di funzioni logiche, macchine a stati Dispositivi Elettronici : Equazioni caratteristiche del transistor MOS, processo CMOS 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 7 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. 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 8

5 Percorsi didattici Il corso di ED è il punto di partenza per un percorso didattico che comprende i corsi: Sistemi Digitali e Processori (SDP, 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 di processori Sistemi Embedded (SE, 6 crediti) Architetture di sistemi embedded Interfaccia HW-SW per sistemi embedded 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 Convertitori D/A e A/D Cenni di place&route 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 9 Sistemi Digitali Lucidi del Corso di Elettronica Digitale Modulo Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB)

6 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 trasferimento dell informazione, qualunque sia la natura dell informazione stessa Sono così diffusi che spesso li utilizziamo senza neanche rendercene conto 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 2

7 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 3 Sistemi Digitali Un sistema digitale è un qualsiasi sistema elettronico in cui le informazioni vengono rappresentate in forma binaria, utilizzando cioè solo due simboli ( e ) e l elaborazione si basa sull algebra di Boole (o della commutazione) 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 4

8 Segnali Digitali Campionamento e quantizzazione Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB) I segnali digitali sono Segnali digitali DISCRETIZZATI 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 6

9 Segnali digitali Segnale Il segnale originale varia con continuità nel tempo e può assumere qualsiasi valore in ampiezza Campionamento Si considera il valore del segnale solo in determinati istanti di tempo chiamati istanti di campionamento Quantizzazione 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 t t t 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 7 Quantizzazione Quantizzare significa discretizzare, passare cioè da un insieme continuo di valori ad un insieme discreto. Avendo, ad esempio, un segnale che può assumere valori fra e 4, discretizzare su 4 livelli significa dividere l intervallo -4 in 4 sottointervalli: Intervallo - Intervallo -2 Intervallo 2-3 Intervallo 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 Errore di quantizzazione.5 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 8

10 Campionamento e quantizzazione E 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 originale Il processo di quantizzazione, invece, introduce un errore (errore di quantizzazione) che non può più essere recuperato (se rappresento sia 2.76 che 2. 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 9 Segnali digitali Un immagine fissa, ad esempio, è rappresentata da una matrice di numeri che rappresentano l intensità luminosa Un video è rappresentato da una sequenza di immagini fisse, quindi un insieme di immagini ognuna presa in un certo istante di campionamento Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro

11 Segnali digitali Un 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 I n s t a l l i n g 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 2 Rappresentazione dei numeri Rappresentazione binaria dei segnali campionati e discretizzati Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB)

12 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 23 Rappresentazione dei numeri Come vengono rappresentati, a loro volta, i numeri? Utilizzando la notazione posizionale b 3 b 2 b b N = b 3 r 3 +b 2 r 2 +b r +b r Cifra (può assumere un valore compreso fra e r-) Base (radix, in inglese) In una rappresentazione decimale, ovviamente, r= e le cifre sono comprese fra e 9 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 24

13 Rappresentazione binaria In generale, in un sistema digitale la base utilizzata è 2 (numeri binari) in quanto si hanno a disposizione solo due cifre ( e ) b 3 b 2 b b D = b b b 2 +b 2 Esempio: 2 D = x2 3 +x2 2 +x2 +x2 = Il pedice in basso a destra indica la base della notazione 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 25 Rappresentazione dei numeri Generalizzando rispetto al numero N di cifre utilizzate, la formula per ricavare l equivalente decimale di un numero binario è: Word (N bit) b N- b Bit (b i ) D N = i= b i 2 i b bit meno significativo (estrema destra) b N- è il bit più significativo (estrema sinistra) 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 26

14 Rappresentazione binaria 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 V (volt) (vero) (falso) 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 27 Rappresentazione binaria 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) Il dato non cambia valore V V2 Il dato cambia valore 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 28

15 Rappresentazione binaria 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) 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 29 Elaborazione di segnali digitali Richiami sull algebra di Boole Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB)

16 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 (/) 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. 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 3 Algebra della commutazione L algebra della commutazione è definita su un insieme di due elementi ( e ), 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, ) 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 32

17 Funzioni logiche Una funzione logica è una relazione algebrica ingresso/uscita che lega un numero N di ingressi con l uscita. x x 2 F(x,x 2,,x N ) F x N 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 33 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 base Mappe di Karnaugh: rappresentazione grafica basata sulla visualizzazione delle combinazioni di ingressi per cui la funzione vale (o ), utilizzata per la minimizzazione della funzione stessa Schematico: rappresentazione grafica per mezzo di simboli 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 34

18 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 35 Principali funzioni logiche Z=X Tabella di verità Simbolo grafico Z X X Z Y X Z Y Z=X+Y Z=X Y Espressione algebrica OR AND NOT 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 36 Principali funzioni logiche X Z Y X Z Y Z=(X+Y) Z=(X Y) NOR NAND X Z Y X Z Y Z= X Y + X Y Z=X Y +X Y XOR XNOR

19 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. A B livello 2 livello livello 2 livello A F B F C D Somma di prodotti C D Prodotto di somme 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 37 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 38

20 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 prodotto AB = (AB) = (A B) = (A B) (A B) Con la NAND si può implementare la somma A+B = (A+B) = (A B ) = (A A) (B B) Analogamente si può mostrare che la sola NOR è un insieme funzionalmente completo 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 39 Implementazione con operatori NAND A B C D (X Y) =NAND(X,Y) F Per il teorema di DeMorgan è possibile trasformare la somma di prodotti in modo da avere solo operatori NAND (X +Y )=(X Y) =NAND(X,Y) A B F A B F C D C D 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 4

21 Implementazione con operatori NOR A B C D (X+Y) =NOR(X,Y) F Analogamente è possibile realizzare il prodotto di somme con soli operatori NOR (X Y )=(X+Y) =NOR(X,Y) A B C D F A B C D F 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 4 Realizzazione fisica di sistemi digitali Evoluzione tecnologica dei sistemi di elaborazione digitali Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB)

22 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 43 Il primo calcolatore La prima macchina calcolatrice paragonabile ad un moderno elaboratore non è un dispositivo elettronico ma bensì meccanico, il Difference Engine I realizzato da Babbage nel 832 Macchina in grado di compiere operazioni elementari in sequenza arbitraria Sistema di numerazione decimale Composto da più di 25 componenti meccanici Costo di 747 sterline dell epoca 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 44

23 Elettronica digitale La svolta, nella realizzazione di sistemi di calcolo automatici, avvenne con il passaggio all elettronica che consentiva costi minori e minore complessità costruttiva Inizialmente si trattava comunque di dispositivi basati su valvole (vacuum tubes), quindi ancora ingombranti e dispendiosi in termini di energia I primi elaboratori ebbero uso militare (ENIAC, usato nella II Guerra Mondiale per il calcolo delle traiettorie balisistiche dell artiglieria americana) ENIAC valvole Dimensioni di una stanza 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 45 Il transistor Data 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 947 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 947 Transistor a giunzione 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 46

24 Lo 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 958 (Texas Instruments) Circuiti integrati Porta logica ECL a 3 ingressi 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 47 Il transistor MOS L ultima svolta di rilievo nella tecnologia elettronica è stata l introduzione del transistor MOS, alla fine delgi anni 6 (anche se l idea di base risale al 925, 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 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 48

25 Legge di Moore (965) Nel 965 Gordon Moore predisse che il numero di transistor contenuti in un circuito integrato sarebbe aumentato in modo esponenziale, ossia che sarebbe DUPLICATO ogni 8 mesi 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 49 Legge di Moore aggiornata Più volte è stata annunciata l impossibilità di mantenere il passo dettato da tale legge, eppure risulta valida ancora oggi La legge di Moore è diventata quasi un pungolo per l intera industria elettronica che si sente obbligata a rispettarla 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 5

26 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 (-> o ->) 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 5 Aumento della frequenza Lo scaling ha permesso il continuo aumento della velocità dei processori 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 52

27 Limiti all aumento dell integrazione Uno dei maggiori limiti all aumento dell integrazione non è solo tecnologico ma anche pratico: all aumento dei componenti integrati aumenta la dissipazione di potenza sul chip 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 53 Aumento della potenza L aumento della potenza presto renderà impossibile diminuire la quantità di calore sviluppata dal singolo chip Può essere solo parzialmente corretto a livello di progettazione 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 54

28 Riassumendo I sistemi digitali costituiscono la grandissima maggioranza dei sistemi elettronici I segnali digitali sono campionati e quantizzati La rappresentazione delle informazioni è binaria I simboli binari sono rappresentati elettricamente da intervalli di tensioni L elaborazione delle informazioni si basa sull algebra di Boole Esistono vari metodi per rappresentare una funzione logica Il rapido sviluppo della tecnologia del silicio ha permesso una crescita vertiginosa delle capacità di elaborazione di un qualsiasi sistema digitale 27 Settembre 25 ED - Intro Massimo Barbaro 55