Informazioni sul corso
Massimo BARBARO
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Padiglione B, secondo piano
Elettronica Digitale
Tel. 070675 5770 – Email: [email protected]
Anno Accademico 2006/2007
Massimo Barbaro
Orario di ricevimento: giovedì 10-13 (o su appuntamento)
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Elettronica (EOLAB)
02 Ottobre 2006
Programma dettagliato del Corso (1)
Sistemi digitali – Campionamento e quantizzazione –
Rappresentazione delle informazioni – Richiami sull’algebra di
Boole – Cenni alla storia dei circuiti integrati – Legge di Moore
- Scaling
Concetto di modulo – Operatori – Descrizioni strutturali,
dataflow ed algoritmiche – Net e register – Concetto di
testbench
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
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
3
Logiche statiche (CMOS, pseudo-NMOS, pass-transistor) –
Logiche dinamiche (concetto di base, domino, np-CMOS) –
Caratterestiche dinamiche (legge di Elmore) – Logical effort Tri-state - Simulazione e descrizione di blocchi combinatori in
linguaggio Verilog – Simulazione Spice
Logica Sequenziale
Inverter CMOS
2
Logica Combinatoria
Linguaggio Verilog
Massimo Barbaro
Programma dettagliato del Corso (2)
Introduzione ai sistemi digitali
ED - Intro
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
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
4
Struttura del Corso
Prove intermedie, III anno, I sem. 2006/07
Ore di lezione: 50
Libri di testo:
Prima prova intermedia
Insegnamento
Lucidi di lezione (sono sufficienti per preparare l’esame)
“Circuiti Integrati Digitali 2e” – Jan M. Rabaey, A. Chandrakasan, B.
Nicolic – Ed. Pearson Education Italia (Prentice Hall) (in italiano)
“Modeling, Synthesis and Rapid Prototyping with the Verilog HDL” –
Michael D. Ciletti – Ed. Prentice Hall
Sito del corso: http://www.diee.unica.it/eolab2/corsi.html
Mailing List: http://lists.unica.it/mailman/listinfo/esd1
ED - Intro
Massimo Barbaro
CMP1 Campi Elettromagnetici 1
No
----
----
----
No
----
----
----
Elettronica 1
ED
Elettronica Digitale
Scritto
17/11/2006
Aula V
14:00
MIS
Misure Elettroniche
Scritto
16/11/2006
Aula V
15:00
TIC
Teoria dell'informazione e codici
Scritto
----
----
----
CMP1 Campi Elettromagnetici 1
No
----
----
----
ELE1
Elettronica 1
No
----
----
----
ED
Elettronica Digitale
Scritto
21/12/2006
Aula V
14:00
MIS
Misure Elettroniche
Orale
Da definire
----
----
TIC
Teoria dell'informazione e codici
Scritto
22/12/2006
----
----
5
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
6
Prerequisiti Culturali
Spice: software per la simulazione dei circuiti a livello
transistor
Modelsim: software per la simulazione dei blocchi descritti in
termini di linguaggio verilog
Utilizzeremo una versione demo, gratuita, del simulatore, con
alcune limitazioni in termini di velocità di simulazione (inavvertibili
nel caso dei semplici circuiti che useremo). Per utilizzare il
software è necessario registrarsi e scaricare un file di licenza
(collegato al numero seriale del hard-disk del pc). Il software è
reperibile presso all’indirizzo:
http://www.xilinx.com/ise/optional_prod/mxe.htm
Calcolatori Elettronici
Utilizzeremo un simulatore gratuito, chiamato SwitcherCAD III
(Linear Technologies) reperibile all’indirizzo (si può scaricare
anche senza registrarsi):
http://www.linear.com/designtools/softwareRegistration.jsp
Ora
La possibilità di svolgere la seconda prova intermedia prima di Natale è ancora
da verificare!
Simulatori:
Aula
ELE1
Strumenti di studio
Data
Seconda prova intermedia
Struttura dell’esame: scritto e orale
Sono previste 2 prove scritte intermedie:
1a: 17 Novembre 2006, ore 14:00, Aula V
2a: 21 Dicembre 2006, ore 14:00, Aula V
02 Ottobre 2006
Prova
Algebra di Boole
Mappe di Karnaugh
Minimizzazione di funzioni logiche
Porte Logiche
Logica combinatoria e sequenziale
Dispositivi Elettronici 1:
Equazioni caratteristiche del transistor MOS
Processo CMOS
E’ disponibile un CD, in portineria del Padiglione B, con il
materiale e le istruzioni per l’installazione e la registrazione
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
7
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
8
Obiettivi
Percorsi didattici
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.
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
9
Il corso di ED è il punto di partenza per un percorso
didattico che comprende i corsi:
Sistemi Digitali e Processori (SDP, 10 crediti)
Sistemi Embedded (SE, 6 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
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, 6 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
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
10
Sistemi digitali
Sistemi Digitali
Lucidi del Corso di Elettronica Digitale
Modulo 1
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
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Elettronica (EOLAB)
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
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Sistemi digitali
Vantaggi dei 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
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:
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
13
Programmabilità
Versatilità
Velocità
Precisione
Costo
Semplicità di progettazione
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
Sistemi Digitali
Un sistema digitale è un qualsiasi sistema
elettronico in cui le informazioni vengono
rappresentate in forma binaria, utilizzando cioè
solo due simboli (0 e 1) e l’elaborazione si basa
sull’algebra di Boole (o della commutazione)
Segnali Digitali
Campionamento e quantizzazione
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Laboratorio di Elettronica (EOLAB)
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
15
14
Segnali digitali
Segnale
I segnali digitali sono
Segnali digitali
Il segnale originale varia con continuità
nel tempo e può assumere qualsiasi
valore in ampiezza
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
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
17
t
Campionamento
Si considera il valore del segnale solo
in determinati istanti di tempo chiamati
istanti di campionamento
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
02 Ottobre 2006
Quantizzazione
Intervallo 0-1
Intervallo 1-2
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
3.3
2.76
4
3
3
2
2
0.5
Errore di quantizzazione
1
0
0
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
ED - Intro
t
Massimo Barbaro
18
Campionamento e 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 0 e 4,
discretizzare su 4 livelli significa dividere l’intervallo 0-4 in 4 sottointervalli:
t
Quantizzazione
19
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 2.1 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
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
20
Segnali digitali
Segnali digitali
Un’immagine fissa, ad
esempio,
è
rappresentata da una
matrice di numeri che
rappresentano
l’intensità luminosa
39
49
58
42
54
35
31
68
52
36
74
27
48
56
53
61
50
22
51
69
94
89
36
22
48
73
65
40
53
38
30
32
27
28
30
31
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
Un video è rappresentato da una sequenza di immagini fisse, quindi
un insieme di immagini ognuna presa in un certo istante di
campionamento
39 49 58 42 54 35
31
68
48
56
51
48
30
48
52
36
49
74
31
27
54
61
30
02 Ottobre 2006
58
50 22
68 52 74
69 94 89 4836 5622 39
48 56 53 61 50
73 65 40 4853 5638 31
51 69 94 89 36
32 27 28 4830 5631 53
48 73 65 40 53
51 69 94
30 32 27 28 30
48 73 65
48
53
39
ED - Intro
32
27
35
27
49
22
68
22
61
38
89
31
40
28
Massimo Barbaro
73
I
110
n
115
s
116
t
97
a
108
l
108
l
i
58
35
105
52
27
110
n
50
22
103
g
36
22
53
38
30
31
21
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
22
Sistemi digitali
Rappresentazione dei numeri
Rappresentazione binaria dei segnali
campionati e discretizzati
Proprio il fatto che le informazioni sono
rappresentate sempre come numeri ha dato il
nome a questo tipo di sistemi
DIGIT : Termine inglese per CIFRA
Non tutti i sistemi elettronici sono sistemi digitali,
ad esempio
Musicassette
Televisione terrestre analogica
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Elettronica (EOLAB)
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
24
Rappresentazione dei numeri
Come vengono rappresentati, a loro volta, i numeri?
Utilizzando la notazione posizionale
Rappresentazione binaria
N = b3r3+b2r2+b1r1+b0r0
b3b2b1b0
Cifra (può assumere
un valore compreso
fra 0 e r-1)
Esempio:
Base (radix, in
inglese)
ED - Intro
Massimo Barbaro
Il pedice in basso a destra indica la base della notazione
25
02 Ottobre 2006
1
1
0
1
0
0
La rappresentazione fisica
avviene per mezzo di
grandezze
elettriche.
A disposizione ci sono
fondamentalmente
3
grandezze
da
utilizzare
(tensione, corrente, carica).
b0
0
ED - Intro
1
D = ∑b 2
i =0
02 Ottobre 2006
i
i
b0 bit meno significativo (estrema
destra)
bN-1 è il bit più significativo (estrema
sinistra)
ED - Intro
Massimo Barbaro
26
V (volt)
5
3.5
1 (vero)
1.5
Bit (bi)
N −1
Massimo Barbaro
Rappresentazione binaria
Generalizzando rispetto al numero N di cifre utilizzate, la
formula per ricavare l’equivalente decimale di un
numero binario è:
Word (N bit)
bN-1
D = 1x23+0x22+1x21+1x20= 1110
10112
Rappresentazione dei numeri
D = b323+b222+b121+b020
b3b2b1b0
In una rappresentazione decimale, ovviamente, r=10 e
le cifre sono comprese fra 0 e 9
02 Ottobre 2006
In generale, in un sistema digitale la base
utilizzata è 2 (numeri binari) in quanto si hanno
a disposizione solo due cifre (0 e 1)
27
Normalmente la scelta cade
sulla tensione, che è più
facile da maneggiare e
misurare.
02 Ottobre 2006
ED - Intro
0
0 (falso)
Massimo Barbaro
28
Rappresentazione binaria
A ciascun simbolo, quindi,
viene associato un intervallo
di valori di tensione e non un
5
singolo valore.
I due intervalli sono separati
da una banda proibita di 3.5
valori di tensione che non
dovrebbero MAI essere
raggiunti.
La presenza di disturbi 1.5
(rumore) quindi non altera i
dati a meno che l’intensità
0
del rumore stesso non causi
un salto da un intervallo
all’altro.
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Rappresentazione binaria
V (volt)
Il dato non cambia valore
∆V1
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)
∆V2
Il dato cambia valore
Massimo Barbaro
29
02 Ottobre 2006
Vantaggi dei sistemi digitali
Il fatto che tutte le informazioni, di qualunque natura siano,
vengano rappresentate nello stesso modo (con NUMERI),
permette di utilizzare gli stessi strumenti elettronici per
applicazioni diverse. Ad esempio, lo stesso microcontrollore
utilizzato nel cellulare per elaborare e codificare la voce (un
suono) potrebbe essere usato nella realizzazione del sistema
ABS della macchina, che elabora invece la velocità delle ruote
per decidere come ripartire la frenata.
Programmabilità
Visto che i dati sono rappresentati nello stesso modo, al
cambiare del tipo di dato si può cambiare non il sistema stesso
ma solo la sequenza di operazioni che esso svolge sui dati
stessi (il programma)
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
Massimo Barbaro
30
Vantaggi dei sistemi digitali
Versatilità
ED - Intro
31
Precisione
La rappresentazione interna delle informazioni avviene usando
SOLO 2 simboli (1 e 0). Questo rende i circuiti digitali più
precisi perché più resistenti al rumore (i due simboli sono ben
separati l’uno dall’altro)
Velocità
La maggiore precisione consente anche una maggiore
velocità, perché i circuiti NON digitali sono costretti a sprecare
molte risorse per garantire lo stesso livello di precisione.
L’utilizzo di un maggior numero di risorse causa un
rallentamento dell’elaborazione
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
32
Vantaggi dei sistemi digitali
Costo
La versatilità e programmabilità dei sistemi digitali nei
diminuisce il costo perché aumenta il potenziale numero di
applicazioni sui cui dividere i costi fissi. Se lo stesso
processore lo posso vendere ai produttori di cellulari, ai
fabbricanti di automobili ed elettrodomestici, ai produttori di hifi, suddividerò il costo di progettazione, realizzazione e ricerca
su tutti gli utenti diminuendone l’impatto sul prezzo finale
Elaborazione di segnali digitali
Richiami sull’algebra di Boole
Semplicità di progettazione
L’uso dei soli due simboli consente di applicare tecniche di
progettazione standard, facili da apprendere e da
automatizzare (vedremo meglio in seguito)
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Elettronica (EOLAB)
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
33
Algebra di Boole
Algebra della commutazione
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 (0/1) 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.
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
35
L’algebra della commutazione è definita su un
insieme di due elementi (0 e 1), 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
SOMMA LOGICA
NEGAZIONE
02 Ottobre 2006
ED - Intro
(AND, ·)
(OR, +)
(NOT, ‘)
Massimo Barbaro
36
Funzioni logiche
Rappresentazione di funzioni logiche
Una funzione logica è una relazione algebrica
ingresso/uscita che lega un numero N di
ingressi con l’uscita.
Una qualsiasi funzione logica può essere
rappresentata in svariati modi.
x1
x2
F(x1,x2,…,xN)
F
xN
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
37
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 1 (o 0), utilizzata
per la minimizzazione della funzione stessa
Schematico: rappresentazione grafica per mezzo di
simboli
02 Ottobre 2006
Principali funzioni logiche
NOT
Espressione
algebrica
Z=X’
Z
0
1
1
0
NOR
Z=(X+Y)’
Simbolo grafico
OR
Z=X+Y
02 Ottobre 2006
X
Y
Z
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
Massimo Barbaro
38
Principali funzioni logiche
Tabella di verità
X
ED - Intro
X
Y
Z
0
0
1
NAND
Z=(X•Y)’
X
Y
Z
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
X
Y
Z
X
Y
Z
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
X
Y
Z
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
ED - Intro
AND
Z=X•Y
Massimo Barbaro
XOR
Z= X•Y’ + X’•Y
39
02 Ottobre 2006
ED - Intro
XNOR
Z=X’•Y’+X•Y
Massimo Barbaro
40
Implementazione di funzioni logiche
Insieme funzionalmente completi
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.
1° livello
2° livello
A’
B
F
C’
D
Somma di prodotti
02 Ottobre 2006
ED - Intro
1° livello
2° livello
A
B’
F’
C
D’
Prodotto di somme
Massimo Barbaro
41
02 Ottobre 2006
Insieme funzionalmente completi
Con una NAND si può implementare l’operatore
NOT:
Massimo Barbaro
42
A’
B
F
C’
D
(X•Y)’=NAND(X,Y)
AB = (AB)’’ = (A ↑ B)’ = (A ↑ B) ↑ (A ↑ B)
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)
Con la NAND si può implementare la somma
A’ = (AA)’ = A NAND A
Con la NAND si può implementare il prodotto
ED - Intro
Implementazione con operatori NAND
Il solo operatore NAND (il simbolo della NAND è
↑) è un insieme funzionalmente completo, infatti:
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
A+B = (A+B)’’ = (A’B’)’ = (A ↑ A) ↑ (B ↑ B)
Analogamente si può mostrare che la sola NOR
è un insieme funzionalmente completo
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
43
A’
B
F
C’
D
A’
B
F
C’
D
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Massimo Barbaro
44
Implementazione con operatori NOR
A’
B
F
Analogamente
è
possibile
realizzare il prodotto di somme
con soli operatori NOR
C’
D
Realizzazione fisica di sistemi digitali
(X+Y)’=NOR(X,Y)
(X’ • Y’)=(X+Y)’=NOR(X,Y)
A’
B
F
A’
B
Evoluzione tecnologica dei sistemi di
elaborazione digitali
F
C’
D
C’
D
02 Ottobre 2006
ED - Intro
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Elettronica (EOLAB)
Massimo Barbaro
45
Sistemi digitali
Il primo calcolatore
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
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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 1832
Macchina in grado di compiere
operazioni
elementari
in
sequenza arbitraria
Sistema
di
numerazione
decimale
Composto da più di 25000
componenti meccanici
Costo
di
17470
sterline
dell’epoca
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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)
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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 1947
con l’invenzione del transistor
(Bell Telephone Laboratories).
ENIAC - 1946
18000 valvole
Dimensioni di una stanza
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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
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Circuiti integrati
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 1958
(Texas Instruments)
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Il transistor MOS
Il primo integrato: phase shift
oscillator
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1947 – Transistor a giunzione
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L’ultima svolta di rilievo nella tecnologia
elettronica è stata l’introduzione del transistor
MOS, alla fine degli anni ’60 (anche se l’idea di
base risale al 1925, 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
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Legge di Moore (1965)
Legge di Moore aggiornata
Nel 1965 Gordon Moore predisse
che il numero di transistor contenuti
in un circuito integrato sarebbe
aumentato in modo esponenziale,
ossia che sarebbe DUPLICATO ogni
18 mesi
Il grafico originale
Moore (fonte Intel)
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
di
(fonte Intel)
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Scaling
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Circuiti più compatti
Più veloci
Meno dispendiosi in termini
commutazione (1->0 o 0->1)
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Esempio : Pentium 3
L’aumento del numero di transistor contenuti in
un circuito integrato è legato principalmente alla
miniaturizzazione del singolo transistor (scaling)
che consente di ottenere:
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Lunghezza
del canale dei
transistor :
180nm
28 milioni di
transistor
di
energia
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per
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Tecnologia attuale: 65nm
Aumento della frequenza
Lo scaling ha permesso il continuo aumento della
velocità dei processori
PMOS (gate 65nm)
Livelli di metal per le
interconnessioni (8)
(fonte Intel)
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Limiti all’aumento dell’integrazione
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Aumento della potenza
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
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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
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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
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