Finalità

ITCS Erasmo da Rotterdam
Finalità
Obiettivi cognitivi
Curricolo formativo
modulare
sulla base delle
competenze accertate
(CFMCA)
Disciplina:
Sistemi digitali
Modulo n°: 1
Il primo modulo persegue il fine principale di fondare le basi
metodologiche necessarie ad affrontare l’analisi e la sintesi dei sistemi
digitali.
In esso verranno fornite tutte le premesse necessarie ad introdurre lo
studente nel mondo dei sistemi che elaborano l’informazione partendo
dalle sue forme elementari di rappresentazione e codifica numerica per
giungere alle prime problematiche di progetto e sintesi utilizzando la
classe dei più semplici circuiti elettronici digitali.
In sostanza il tema principale del modulo verterà sulla comprensione e
sull’acquisizione del principio base, tipico del flusso di progetto, che
riguarda il rapporto circolare “SPECIFICHE → MODELLO →
CIRCUITO → VERIFICA → SPECIFICHE” e del ruolo dell’algebra di
Boole sia come strumento d’analisi che di sintesi.
Il carattere binario e combinatorio di questa classe di reti circoscrive,
infatti, un ambito di problemi in cui vige un principio di completezza tra
sistema formale e modello interpretativo in cui si possono definire regole
semplici ed effettive. In questo contesto si possono approfondire ed
esemplificare le procedure d'identificazione e di modellizzazione,
utilizzando questa classe di circuiti, particolarmente adatta, vista la
possibilità di giungere rapidamente, partendo dalla descrizione logica a
parole, ad una realizzazione effettiva del circuito. Lo studente verrà
messo subito a contatto con una tipologia di casi pratici in cui può
immediatamente cimentarsi con una realtà progettuale in cui vi è una
chiara funzione degli strumenti teorici dell’algebra non solo nella
descrizione simbolica delle relazioni tra ingressi e uscite ma nella
fornitura di strumenti operativi semplici per passare da una descrizione a
parole del funzionamento ad un circuito elettronico che lo implementa
realmente e che può essere facilmente realizzato in laboratorio. Non
solo, sarà di pari passo evidente anche il ruolo dell’algebra come
strumento inverso, capace cioè di criticare, secondo criteri di ottimo, la
soluzione ottenuta, fornendo sia i metodi per la semplificazione del
circuito che della verifica del suo corretto funzionamento in aderenza ai
presupposti di progetto.
 Rappresentare l’informazione numerica con sistema posizionale a
basi diverse e convertire gli oggetti rappresentati in una base in
oggetti equivalenti rappresentati in un’altra, facendo riferimento
al sistema binario, ottale ed esadecimale
 Far apprendere il concetto di segnale elettrico binario a tempo
discreto e di circuito elettronico digitale come sistema
rappresentabile con schemi a blocchi che evidenziano le relazioni
tra ingressi e uscite
 Conoscere le porte logiche fondamentali, rappresentarle
Mod. 1 - Controlli: Finalità e obiettivi
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circuitalmente, descriverle con tabelle di verità che definiscono le
relazioni di ingresso-uscita, connetterle tra di loro per formare dei
circuiti combinatori e verificare il comportamento complessivo
del sistema aggregato
Comprendere la proprietà dell’essere combinatorio per un
circuito elettronico digitale, riconoscere i nessi logici tra ingressi
ed uscite e saperli rappresentare tramite tabelle di verità e
relazioni vero-funzionali
Conoscere le metodologie di sintesi necessarie a produrre un
circuito digitale a partire dalla sua descrizione logica o tabellare
Comprendere le regole di equivalenza tra differenti forme
canoniche e di trasformazione dell’una nell’altra
Acquisire i criteri e le procedure per valutare l’economicità e le
prestazioni della soluzione ottenuta e intervenire per migliorarle
Comprendere le modalità di funzionamento dei componenti
elettronici attivi usati in commutazione
Conoscere le caratteristiche statiche e dinamiche delle due
tecnologie digitali fondamentali
Conoscere le caratteristiche degli strumenti di laboratorio
fondamentali per le misure sui circuiti digitali
Conoscere le funzioni combinatorie individuabili come moduli
standard disponibili per la realizzazione di circuiti digitali più
complessi
Obiettivi trasversali
 Acquisire le capacità logiche di individuazione delle relazioni di
causa effetto nella modellizzazione di un sistema fisico
 Saper utilizzare gli schemi a blocchi per rappresentare relazioni
tra enti interagenti
 Saper collaborare correttamente in una attività di gruppo
sviluppando, comunque, una propria autonomia di lavoro
 Contribuire ad acquisire dimestichezza con gli strumenti
fondamentali di un laboratorio di elettronica nella realizzazione
di semplici circuiti, nella misura delle grandezze coinvolte e nella
valutazione del suo corretto funzionamento
 Saper utilizzare una piattaforma standard di progettazione
elettronica CAD
 Saper utilizzare gli ordinari strumenti di produttività informatici
per redigere relazioni e documentazione tecnica del proprio
lavoro
 Saper presentare agli altri il proprio lavora anche usando
strumenti informatici multimediali
Conoscenze da acquisire
L'allievo deve essere in grado di:
 Acquisire il concetto di codifica dell’informazione utilizzando un
alfabeto di simboli, conoscere la rappresentazione posizionale dei
numeri (con e senza virgola, con e senza segno) con riferimento
ai sistemi decimale, binario, ottale ed esadecimale e le regole per
la conversione tra le varie basi
 Acquisire il concetto di sistema come complesso di entità
interagenti tra di loro e con l’ambiente e la corrispondenza tra
esso e i suoi modelli di rappresentazione e/o realizzazione
Mod. 1 - Controlli: Finalità e obiettivi
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 Conoscere le proprietà e le caratteristiche dei codici binari
normalmente impiegati nei sistemi digitali: binario puro, BCD,
Eccesso 3, Aiken, Gray, codici per la rivelazione di errore (parità,
NsuM) e per la correzione d’errore (Hamming), codici
alfanumerici
 Avere una completa padronanza degli assiomi e dei teoremi
fondamentali dell’algebra di Boole e del loro impiego come
modello matematico dei sistemi binari combinatori
 Conoscere il funzionamento delle porte logiche elementari
tramite tabelle di verità e descrizione logica a parole e saperle
connettere per realizzare circuiti
 Conoscere le tecniche canoniche di sintesi dei circuiti
combinatori e le metodologie di minimizzazione (algebrica e
grafica) delle funzioni sintetizzate
 Comprendere il funzionamento dei componenti elettronici
fondamentali (diodi, BJT e FET) usati come elementi di
commutazione ON-OFF
 Comprendere il funzionamento e la struttura realizzativa delle
porte logiche reali con tecnologia bipolare e ad effetto di campo e
saperne valutare le caratteristiche elettriche statiche e dinamiche
 Conoscere le funzioni combinatorie disponibili come moduli
standard, saperne valutare la struttura interna e i tipici campi di
impiego per: codificatori,
decodificatori, multiplexer,
demultiplexer, complementatori, comparatori, addizionatori (half,
full, algebrici, paralleli, seriali), sottrattori
 Conoscere la struttura di una ALU tipica e i relativi problemi di
propagazione dei riporti
 Conoscere i sistemi base per la visualizzazione dell’informazione
digitale (led e display) e saperli impiegare nei circuiti realizzati
Abilità da sviluppare
Alla fine del modulo l’allievo deve saper:
 Rappresentare i numeri nei sistemi posizionali binario, ottale,
esadecimale, convertirli da una base all’altra e trasferire in queste
nuove basi le quattro operazioni dell’ordinaria aritmetica
decimale
 Operare in binario con numeri espressi in modulo e segno,
complemento alla base, complemento diminuito, virgola fissa e
mobile, con una quantità finita e costante di cifre
 Distinguere le proprietà di un codice binario e scegliere il codice
più adatto in funzione del contesto in cui sarà impiegato
 Rappresentare i segnali elettrici binari tramite variabili booleane
e simularli in laboratorio con interruttori e generatori di funzione
 Stabilire una corrispondenza tra circuiti digitali ed espressioni
booleane e dedurre la tabella di verità del suo funzionamento
 Verificare l’equivalenza comportamentale tra circuiti combinatori
 Effettuare la sintesi in forma canonica SOP, POS, NANDNAND, NOR-NOR e mista
 Semplificare un circuito combinatorio con metodi algebrici e con
mappe di Karnaugh
 Impiegare gli strumenti di laboratorio per valutare i parametri
statici e dinamici delle porte logiche realizzate con tecnologie
Mod. 1 - Controlli: Finalità e obiettivi
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Contenuti
TTL e CMOS
 Realizzare un prototipo utilizzando circuiti integrati a piccola
scala di integrazione, partendo dalla sua descrizione funzionale
 Ottimizzare un circuito in funzione del numero di circuiti
integrati che lo compongono
 Leggere un data sheet e relazionare in forma scritta sull’attività
svolta in laboratorio
 Montare, analizzare e valutare moduli integrati a media scala di
integrazione che realizzano le funzioni combinatorie standard
studiate
 Utilizzare un sistema di CAD elettronica per la cattura dello
schema logico e dello scema di montaggio
 Dedurre il funzionamento di circuiti che connettono vari moduli
combinatori a media scala di integrazione
 Essere autonomo nella gestione del processo di misura e di
verifica pratica del funzionamento effettivo di un circuito,
sapendo individuare i motivi del suo eventuale mancato rispetto
delle prestazioni attese e operando le correzioni necessarie
 Redigere la documentazione tecnica di un semplice progetto
basato su moduli combinatori
UD1: Codici, sistemi di numerazione e algebra di Boole
– Definizione generale di codice: alfabeto, grammatica e regole di
corrispondenza.
– I sistemi di numerazione come codici pesati per la
rappresentazione dei numeri; sistemi di numerazione decimale,
binario, ottale, esadecimale.
– Conversione tra i vari sistemi
– Rappresentazione dei numeri frazionari.
– Rappresentazione dei numeri interi relativi: modulo e segno,
complemento alla base, complemento diminuito
– Aritmetica nei sistemi binario, ottale ed esadecimale.
– Grandezze binarie: segnali, variabili, costanti
– Algebra di Boole: assiomi e teoremi fondamentali.
– Il Principio di Dualità
– Modelli di interpretazione: Logica delle proposizioni, Algebra
degli insiemi, Interruttori, Porte logiche.
– Insiemi universali di connettivi.
– Teorema della forma canonica: sintesi di funzioni
– Semplificazione algebrica di espressioni e funzioni.
– Le mappe di Karnaugh.
– Condizioni di indifferenza nella sintesi delle funzioni booleane.
UD2: Reti binarie combinatorie e tecnologie integrate
– Corrispondenza tra porte logiche elementari e operatori booleani,
tra circuiti combinatori ed espressioni booleane.
– Parametri di definizione delle prestazioni delle porte logiche:
indici statici (livelli di tensione e corrente, caratteristiche di
ingresso, uscita e di trasferimento, fan-in e fan-out, margine di
rumore, potenza dissipata) e dinamici (tempo di propagazione e
tempo di commutazione).
– Il diodo in commutazione e tipologie fondamentali di diodi usati
Mod. 1 - Controlli: Finalità e obiettivi
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nei circuiti digitali.
Il BJT in commutazione.
Il MOSFET in commutazione.
Fondamenti sulle tecnologie DL e RTL.
“
“
“
TTL.
“
“
“
ECL
Configurazioni particolari: three state e open collector.
Problemi di interfacciamento tra famiglie
UD3: Moduli combinatori a media scala d’integrazione
– Codificatori, decodificatori, multiplexer e demultiplexer.
– Reti aritmetiche: complementatori, addizionatori, sottrattori,
comparatori.
– Le Unità Aritmetico-Logiche.
– I moduli combinatori come realizzatori universali di funzioni
booleane.
Bibliografia:
1. N. Lorusso: “Moduli di Elettronica (Vol.1)”; Edizioni Zanichelli,
Bologna 2001.
2. E. Michelis, G. Paschetta, M: Tamburini: “Sistemi digitali,
Vol.2”; Petrini Editore, Torino 1996
3. Slide Power Point redatte dal docente
Mod. 1 - Controlli: Finalità e obiettivi
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