Insegnamento RETI LOGICHE E MICROCONTROLLORI CON LABORATORIO
| Nome del corso di laurea | Ingegneria informatica ed elettronica |
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| Codice insegnamento | 70A00077 |
| Curriculum | Ingegneria elettronica |
| Docente responsabile | Federico Alimenti |
| Docenti |
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| Ore |
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| CFU | 12 |
| Regolamento | Coorte 2019 |
| Erogato | Erogato nel 2021/22 |
| Erogato altro regolamento | |
| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Ingegneria elettronica |
| Settore | ING-INF/01 |
| Anno | 3 |
| Periodo | Secondo Semestre |
| Tipo insegnamento | |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Lingua insegnamento | Italiano |
| Contenuti | Insegnamento da 9 CFU. Unità didattica n.1. Reti Logiche: parametri di merito dei circuiti logici, sistemi numerici, codici, algebra di Boole, analisi e sintesi di reti combinatorie, funzioni aritmetiche, analisi e sintesi di reti sequenziali. Introduzione al microcontrollore. Insegnamento da 12 CFU. Oltre all’unità didattica n.1, Unità didattica n.2: Laboratorio di elettronica digitale basato su microcontrollore e sistema operativo real time Mbed OS. |
| Testi di riferimento | TESTI CONSIGLIATI: Per tutte le unità didattiche: Slides e dispense a cura del docente (vedi unistudium, con password da richiedere al docente). U.D. #1: M.Morris Mano, C.R. Kime, Reti Logiche (4a o 5a ed.), Pearson-Prentice Hall. U.D. #1: M.Morris Mano, C.R. Kime, Reti Logiche (2a ed.), Pearson-Prentice Hall (in alternativa). U.D. #2: STM32F401RE data sheet, da ricercare in:http://www.st.com/ TESTI INTEGRATIVI: U.D. #1: Angelo Geraci, Principi di elettronica dei sistemi digitali, McGraw-Hill http://www.ilovebooks.it/principi-elettronica-p-1652.html (stampa su ordinazione) U.D. #1: J.F. Wakerly, Digital design: principles and practices, Prentice-Hall International Editions. U.D. #1: R. Laschi, Reti Logiche, Progetto Leonardo (Bologna). U.D. #1: F. Fummi, M.G.Sami, C. Silvano, Progettazione digitale 2° ed., Mc Graw Hill Italia. U.D. #2: B. Stroustrup, C++ Guida essenziale per programmatori, Pearson e Hoepli.it, Italia 2014. U.D. #2: B. Stroustrup, Linguaggio, libreria standard, principi di programmazione, Pearson Italia. U.D. #2: B.W. Kernighan, D.M. Ritchie, Il linguaggio C (2a ed.), Pearson-Prentice Hall. APPROFONDIMENTI: R. C. Jaeger, Elettronica Digitale (ex Microelettronica), Mc Graw-Hill. B Riccò, F. Fantini, P. Brambilla, Introduzione ai circuiti integrati digitali, Zanichelli-Telettra. E. Taub, D. Schilling, Elettronica integrata digitale, Gruppo Editoriale Jackson. J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nicolic, Circuiti integrati digitali - L'ottica del progettista, 2a ed., Pearson-Prentice Hall. P. Spirito, Elettronica Digitale 3/ed, Mc Graw-Hill Italia. Zappa, Elettronica Digitale, Esculapio, 2014. M. Olivieri, Elementi di progettazione dei sistemi VLSI, Vol.1, EdiSES Napoli. D.A. Hodges, H.G. Jackson, Analysis and design of digital integrated circuits, McGraw-Hill International Editions. P. Cappelletti, C. Golla, P. Olivo, E. Zanoni, Flash Memories, Kluver Academic Publishers. |
| Obiettivi formativi | Insegnamento da 9 CFU. Conoscenze metodologiche: conoscenza di circuiti logici combinatori e sequenziali elementari, del flusso di progettazione dei circuiti digitali, del microcontrollore e di alcuni circuiti logici programmabili; Uso degli strumenti cognitivi di base acquisiti in questo insegnamento per l'aggiornamento continuo delle proprie conoscenze nel campo dei circuiti elettronici digitali. Capacità professionali: capacità di progettazione a livello logico di semplici circuiti e sistemi digitali; capacità di utilizzo di semplici strumenti di progettazione di sistemi digitali. Insegnamento da 12 CFU. Si considerino anche: Capacità professionali: conoscenza di elementi del sistema operativo Mbed OS e del linguaggio C++ applicato ai microcontrollori. |
| Prerequisiti | L’insegnamento non ha propedeuticità dichiarate. Lo studente deve però considerare che per apprendere in pieno i contenuti di questo insegnamento risultano necessarie le competenze fornite in “Fondamenti di informatica e laboratorio”, “Teoria dei circuiti” e “Architetture dei calcolatori e sistemi operativi”. Per frequentare il laboratorio bisogna aver concluso il corso sulla sicurezza nei luoghi di lavoro. |
| Metodi didattici | L’insegnamento è organizzato come segue: - lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti dell’insegnamento; - esercizi in aula per la preparazione della prova scritta. Insegnamento da 12 CFU. Si considerino anche: - esercitazioni presso il Laboratorio Multidisciplinare sulla programmazione di un microcontrollore in linguaggio C++. Si prevede che in ogni esercitazione gli studenti vengono distribuiti su 10 postazioni di lavoro dotate di computer e di strumenti da laboratorio. Gli studenti seguiranno circa 11 laboratori di 3 ore ciascuno. La maggior parte dei laboratori in classe verranno conclusi da una relazione di gruppo: a ciascun team verrà richiesto di preparare in classe una relazione descrittiva del lavoro svolto, sia in forma di testo che grafica. Per considerare concluso positivamente il lavoro di laboratorio ai fini dell’esame, ciascuno studente deve aver prodotto almeno il 75% delle relazioni di gruppo di laboratorio. Al termine delle esercitazioni guidate di laboratorio gli studenti potranno accordarsi con il docente per accedere al laboratorio per ulteriori esercitazioni individuali. |
| Altre informazioni | Ogni variazione delle informazioni riportate nel Syllabus di questo insegnamento verrà comunicata agli studenti e riportata nelle pagine web dedicate all’insegnamento nel sito https://www.unistudium.unipg.it/ . |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | Insegnamento da 9 CFU L’esame prevede solo una prova scritta, punteggio massimo 32/30, tempo a disposizione 100 minuti. La prova scritta è di norma costituita da n. 4 sezioni sul programma dell'Unità Didattica n.1 (fondamenti di Reti Logiche). Per coloro che hanno seguito nell’A.A.2020-21 la prova scritta è invece costituita dalle sole prime tre sezioni: 1) Il primo esercizio (2 punti) riguarda il complemento a 2. 2) Il secondo esercizio (10 punti) richiede di progettare il circuito logico di selezione/accensione (decodifica) di un sistema di memoria. 3) Il terzo esercizio (10 punti) propone il progetto di una semplice macchina a stati finiti di tipo sincrono. È diviso in due parti, la prima di progetto del diagramma degli stati, la seconda dedicata a ricavare le equazioni delle reti logiche da impiegare nella macchina. * Segue una singola domanda a risposta aperta (10 punti) sulle fondamenta dell’algebra booleana e dei circuiti logici combinatori e sequenziali. Nell’A.A. 2020-21 gli studenti dovranno rispondere a questa domanda durante una prova orale (che il nuovo “Regolamento didattico di Ateneo” ha reso obbligatorio a causa del Covid-19). Insegnamento da 12 CFU * Il superamento della prova di laboratorio richiede la partecipazione ad almeno il 75% (60% nel 2020-21 a causa della pandemia e delle restrizioni alle lezioni in presenza) dei laboratori e la stesura delle relative relazioni di gruppo. Il punteggio verbalizzato è pari a quello ottenuto nella parte di insegnamento da 9 CFU, la verbalizzazione è possibile solo dopo aver partecipato al laboratorio. * Gli studenti che non hanno partecipato alla stesura di almeno il 75% (60%) delle relazioni di classe in laboratorio dovranno svolgere una tesina da 3 CFU nella quale dovranno dimostrare di avere acquisito le competenze di Mbed OS e di utilizzo di strumentazione di misura. È possibile preparare la tesina anche in appelli di esame e sessioni successivi a quello in cui si svolge il resto del compito. La verbalizzazione dell’esame può avvenire solo se si supera anche la verifica di laboratorio. |
| Programma esteso | Insegnamento da 9 CFU. Unità didattica n.1 (9 CFU, circa 81 h) Reti Logiche e introduzione al microcontrollore. - Introduzione ai sistemi elettronici digitali: principi operativi e campi d’applicazione. Modelli per lo studio di sistemi digitali: le Reti Logiche. - Cifre di merito dei sistemi digitali: livelli logici basati su transcaratteristica statica, caratteristiche statiche di ingresso e di uscita, margini di rumore, caratterizzazione dinamica - tempo di propagazione e transizione - consumo di potenza statico e dinamico, condensatore di bypass, diodi di protezione. - Richiami su rappresentazione posizionale dei numeri (sistema numerico decimale e binario). Sistemi numerici ottale ed esadecimale. Conversione tra sistemi numerici. Operazioni aritmetiche su numeri interi. Codici binari e alfanumerici (BCD, Excess 3, Gray, ASCII, 7-segments). - Esercizi di verifica del profitto sui sistemi numerici. - Postulati e teoremi dell’algebra di commutazione. Classificazione delle reti logiche. Insiemi funzionalmente completi di reti logiche elementari. Criteri di costo. Semplificazioni a due livelli con l’uso di mappe di Karnaugh, minimizzazione del costo tramite manipolazione algebrica di espressioni (circuiti multi-livello). OR esclusivo e parità. Metodologia classica di progetto di reti logiche combinatori. Progettazione gerarchica. Convertitori di codice. Decoder, encoder, multiplexer. Limiti della metodologia classica di progetto di reti combinatorie: metodologia di progetto con componenti standard MSI e LSI: sintesi con decoder e OR e tramite multiplexer. Funzioni Aritmetiche. Richiami su rappresentazioni in complemento a 1 e in complemento a 2. Sommatori e sottrattori binari. Overflow. Cenni sui un linguaggio di descrizione hardware (VHDL). - Esercizi di verifica del profitto su reti logiche combinatorie. - Circuiti Sequenziali. Latch SR e D, flip-flop master-slave SR e JK, flip flop edge triggered D, JK e T. Classificazione secondo Mealy e Moore. Cenni sulle reti sequenziali asincrone e problema delle alee statiche (glitch). Metodologia di progetto di reti sequenziali sincrone. diagramma degli stati e tabella di flusso, codifica degli stati e tabella delle transizioni, mappa delle variabili di stato e di uscita, espressioni, schema logico. Reti sincrone con ingressi sincroni e asincroni. Moduli elementari di elaborazione sequenziale: registri e contatori. Cenni sull'interfaccia SPI. - Esercizi di verifica del profitto sulle reti sequenziali sincrone. - Memorie a semiconduttore. Architettura, Classificazione (RAM, ROM, EPROM, E2PROM, Flash), ROM e loro architettura. Metodologie di indirizzamento (decodifica degli indirizzi). Esercizi di verifica del profitto sulla decodifica degli indirizzi delle memorie. - Introduzione all’architettura e alle funzionalità di un microcontrollore dotato di core ARM Cortex M4 (ARM v.7M). Insegnamento da 12 CFU. Unità didattica n.2: Introduzione all’uso di dispositivi elettronici di base e del microcontrollore (3 CFU di laboratorio, circa 33 ore). Le esercitazioni guidate di laboratorio sono basate sul sistema operativo Mbed OS e sul linguaggio C++. Verranno utilizzati software gratuiti e schede di sviluppo basate su ARM Cortex M4 (ARM v.7M). 1. Prime esperienze con la strumentazione di laboratorio: breadboard, partitore di tensione, oscilloscopio, generatore di funzioni, generatore di tensione, multimetro, diodo a giunzione pn e diodo LED; 2. Multiplexer con 74HC00, pilotaggio di LED, amplificazione di corrente tramite transistor bipolare; 3. Prima esperienza con le board NUCLEO e GPIO: accensione e spegnimento di un LED; 4. comunicazione seriale tramite UART e interazione con il personal computer; 5. Timer; conversione A/D e lettura di un potenziometro su connettore Arduino; 6. SWO, SWD, Real time operating system, thread, tuple, callback and sample programs 7. Mbed-events library, EventQueue, eventflag, external interrupt; 8. PWM: prime esperienze, attenuazione controllata della luce di un LED, pilotaggio di un motore in corrente continua. |