Regolamento prove d’esame
Dispense
R. Laschi, M.Prandini “Reti Logiche” Esculapio, 2007 -
Informazioni, Slide e Compiti risolti
www.lia.deis.unibo.it/Courses/2006-2007/Reti Logiche L-A
L’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 Luglio)
-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
Obiettivi del corso
Compiti a casa
(da fare in due!)
RETI LOGICHE insegna
a descrivere ed
a progettare
le MACCHINE DIGITALI
Testi disponibili
presso
il Servizio Fotocopie
di Facoltà
Eugenio Faldella
Roberto Laschi
Stefano Mattoccia
Giuseppe Raffa
Macchine digitali
Sistemi artificiali
che impiegano grandezze fisiche
variabili nel tempo
e con un numero finito di valori
per rappresentare,
elaborare
e comunicare
informazioni
Aspiranti ingegneri dell’informazione
3000 anni di storia e 4 tecnologie
complessità
tutte le
attività
controllo
misura
calcolo
manuale
meccanica
elettrica
elettronica tempo
tecnologia
1
Programma
Capitolo 1
7: Reti sincrone
Saper
fare
6: Reti asincrone
Macchine digitali
Orale
Prova scritta
5: Reti combinatorie
1.1 - Descrizione e progettazione
1.2 – Segnali ed interruttori
4: Reti logiche
Sapere
3: Modelli
Orale
Prova intermedia
2: Codifica binaria dell’infor.
1: Macchine digitali
Struttura & Comportamento
Schema
a blocchi
Boom
1.1
Descrizione e
progettazione
Crash!
COMPORTAMENTO: “vista” della
macchina focalizzata sulle risposte
fornite a seguito di ogni possibile
sollecitazione esterna
STRUTTURA: “vista” della macchina
focalizzata sui componenti e sulle
modalità con cui interagiscono
Relazione di
causa/effetto
Analisi & Sintesi
astrazione
cosa fa
Descrizione
del
COMPORTAMENTO
Sintesi
come è
fatta
Livelli di astrazione
Analisi
Descrizione
della
STRUTTURA
2
Progettazione top-down e bottom-up
Livelli di descrizione
• La descrizione del comportamento
può essere più e più volte decomposta
in comportamenti più semplici
Comportamento
dell’intero sistema
Livello n
Struttura formata
da sottosistemi
Componenti “primitivi” per il livello n
Comportamenti
dei vari sottosistemi
Livello n-1
Strutture formate da
parti più semplici
Componenti “primitivi” per il livello n-1
• Ogni livello di questa gerarchia individua
strutture formate da componenti “astratti”
la cui struttura è definita nel livello sottostante
Livello 1
Scendendo dall’alto verso il basso
•aumenta il numero di componenti
•diminuisce la complessità dell’azione svolta da ciascuno
Andamenti di tensioni e
di correnti elettriche
Schemi
circuitali
Componenti “primitivi” per il livello 1
Livello 0
Fenomeni fisici e chimici all’interno di materiali
Il progetto, o sintesi, su un livello
nuovo
comportamento
Metodologie
per l’ottimizzazione
del costo e
delle prestazioni
nuovo componente
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
Regole “elementari” di composizione
Il modello del “blocco” o “scatola nera”
a) in serie
Alfabeto
d’uscita
Alfabeto
d’ingresso
M1
i
M2
u
b) in parallelo
ingresso dei
dati
P
uscita dei
risultati
u1
M2
u2
c) in retroazione
i
M1
s
M2
(i)
{ uu =M
=M (i)
1
M1
i
P ↔ relazione ingresso/uscita o di causa/effetto
•trasformazione
•temporizzazione
Funzione
composta
Deve operare prima il blocco a
sinistra, poi quello a destra.
u=M2(M1(i))
u
2
1
2
Sistema di
funzioni
I due blocchi operano
contemporaneamente.
u=M1(i, s)
Funzione
s=M2(u)
ricorsiva
u=M1(i, M2(u))
È necessario che l’anello completi
un calcolo prima di avviarne uno
nuovo.
3
Classificazione di alto livello
• Macchine special purpose: un solo comportamento
• Macchine general purpose: tutti i comportamenti
descrivibili con un algoritmo
Principio del programma memorizzato
Babbage (1833)
Turing e von Neumann (1939-47)
Il livello
architettonico
Hardware & Software
Controllo & Percorso dati
start,
stop, ..
Calcolatore general purpose
richiesta notifica
software
comportamento
somma,
cancella,
copia,..
hardware
struttura
controllo
Semplicità
comandiFlessibilità
stato
sto facendo,
ho finito,
errore,..
elaborazione
dato
caricamento
fetch execute fetch
execute
risultato
percorso dei dati
fetch
t
Central Processing Unit e Input/Output
Input, Central Processing Unit, Output
CPU
Elaborazione
centrale
Ingresso
richiesta
dato
Uscita
controllo
controllo
protocollo
buffer
di
ingresso
Semplicità
Flessibilità
Efficienza
elaborazione
buffer
dei dati
controllo
notifica
protocollo
risultato
di
uscita
richiesta
dato
Input
memoria
istruzioni
Output
controllo
interprete
controllo
protocollo
buffer
di
ingresso
esecutore
buffer
notifica
protocollo risultato
di
uscita
memoria
dati
4
I/O, bus, interfacce e dispositivi
Architettura di un calcolatore elettronico
BUS
Tastiera
Interfaccia N. 0
Monitor
Interfaccia N. 1
I/O
Memoria
principale
Processore
Unità di
ingresso/
uscita
L’interfaccia
della tastiera
Hard disk
Interfaccia N. i
Modem
Interfaccia N. k
bus
CPU
&
Memoria
Interfaccia Video
immagine,
posizione
0,0: nero
0,1: giallo
Unità di ingresso
Selettore
Selettore
premuto/non premuto
Scansione
Monitor
N,M: blu
Generatore
delle coordinate
dei tasti
Z
Buffer
Y
X
Da 10 a 30 interrogazioni al secondo
Generatore di
coordinate pixel
Buffer
Da 50 a 72
quadri
al secondo
Selezione
5
I livelli
fisico e logico
Livello fisico: fenomeni e segnali
contatto
mobile
Rete Logica: “modello della macchina digitale
Funzioni,
che consente
variabili,
• di astrarre dalla tecnologia
espressioni
• di dettagliare l’immagine architettonica”
segnale
posizione
segnale
resistenza
segnale
tensione
alimentazione
grandezza
grandezza
“causa”
“causa”
circuito
elettrico
Fenomeno
Fenomeno
fisico
fisico
segnale
tensione
Il livello logico
Ram,
Registro,
Contatore
Alu,
Decoder
Multiplexer
carico
Processore,memoria, I/O
grandezza
grandezza
“effetto”
“effetto”
Livello architettonico
Argomenti
da affrontare per impiegare ilcontatti,
modello:
Adattabilità,velocità
segnali e
• Rappresentazione
dell’informazione
capacità,sicurezza,
circuiti
Livello logico
espressività
• Elaborazione
dell’informazione
Descrizione formale
composizione, dei comportamenti
• Descrizione matematica
Livello fisico
decomposizione
• Procedimenti di analisi e di sintesi
Affidabilità,velocità
ingombro,consumo,
costo
1.2
Segnali e interruttori
Segnali analogici
e digitali
6
Forme d’onda
Il trasporto dell’informazione
y(t) ≡ informazione
• Il segnale analogico
sorgente
segnali
destinazione
• Il disturbo
SEGNALE - Grandezza fisica variabile nel tempo il cui
andamento o forma d’onda
rappresenta l’informazione
che la parte sorgente vuole inviare alla parte destinazione.
SEGNALI ANALOGICI: ogni variazione della grandezza fisica
modifica l’informazione trasportata.
SEGNALI DIGITALI: solo a certe variazioni corrisponde una
modifica di “significato”.
• Il segnale digitale
H
• Il segnale binario
L
Segnali binari: esempi
Velocità e Robustezza
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.
PROBLEMA: comunicare il valore di un numero intero < 1000.
SOLUZIONI
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/Low
cristallo liquido:
trasparente/opaco
corrente elettrica:
presente/assente
I/O analogico
segnali analogici
microfono
termostato
altimetro
Convertitori
A/D e D/A
Convertitore
A/D
segnali binari
tastiera
mouse
floppy
segnali analogici
altoparlante
plotter
dinamo
Elaborazione
di
segnali
binari
Convertitore
D/A
segnali binari
lampadina
monitor
floppy
7
Conversione D/A: un esempio
Conversione diretta da A a D
B
B
B
L
L
L
L
B
L
L
B
B
B
B
B
B
L
B
L
Generatore
di corrente:
L
↓I0
B
↓I0
C1
↓2I
↓I00
C2
↓4I
↓I00
C3
↓8I
↓I00
C4
↑ VU
c = chiuso, a = aperto
16 valori per VU:
0, C1
C4 C3 C2
DA converter
c
c
cRI0, c
VU = 4.R.I0
a
c
c2RI0c,
VU = 3.R.I0
a
a
c…, c
VU = 2.R.I0
a
a
a14RIc0 ,
VU = R.I0
a
a
a15RIa0
VU = 0
Luce/Buio
Luce/Buio
Luce/Buio
Azionamento manuale
Azionamento
di
interruttori
Apparati elettrici
Telegrafo
Azionamento elettromagnetico
C
D
C
D
A
B
A
B
molla
“not”
“buffer”
Φ1 forza d’attrazione
della molla
il relè
Φ2 = k i2 forza d’attrazione
al traferro
gen. di
corrente
bobina
i
materiale
ferromagnetico
8
Azionamento elettronico
Forme d’onda della causa e dell’effetto
interruttore!
Causa
valore “alto”
valore “basso”
Forma d’onda
della tensione
o della corrente
H
in ingresso
Effetto
corrente SI
corrente NO
L
tempo
il transistore
bipolare
unipolare
Corrente
elettrica
Forma d’onda
della corrente
in uscita
Tensione
elettrica
H
L
Corrente
elettrica
Corrente
elettrica
tempo
Tecnologia e prestazioni
Azionamento
integrazione!
Manuale
Meccanico
Elettrico
Elettronico
Descrizione astratta
di circuiti elementari
Transistore unipolare
area:
10-9 mm2
velocità: 1010 com./sec
consumo: 10-4 watt
costo:
10-3 lire
evoluzione
Il “buffer”
I
i
1
0
L
il gate “buffer”
astrazione
Struttura
Interruttore
Il “not”
L
1
0
I
L
il gate “not”
astrazione
i
1
0
L
0
1
Comportamento
Lampada
Livello fisco
220 volt
Interruttore
alto
basso
Lampada
spenta
accesa
interruttore I
Interruttore
alto
basso
220 volt
Lampada
accesa
spenta
lampada L
ANALISI
• la causa è la posizione dell’interruttore
• l’effetto è l’emissione o meno di luce
ANALISI
• la causa è la posizione dell’interruttore
• l’effetto è l’emissione o meno di luce
9
Il “not” elettronico
I
L
i
1
0
L’“and”
L’interruttore “complessivo” è chiuso se sono
chiusi e I1 e I2
L
0
1
I1
0
0
1
1
I2
0
1
0
1
AB
0
0
0
1
+E
+E volt
oppure
0 volt
Vu
0 volt
oppure
+E volt
Vi
Vu
0
+E
Vi
+E
0
Contatti in serie
A
I1
aperto
aperto
chiuso
chiuso
B
I1
I2
AB
aperto
aperto
aperto
chiuso
And e Or a più di due ingressi
L’“or”
L’interruttore “complessivo” è chiuso se è
chiuso o I1 o I2
I1
0
0
1
1
I2
0
1
0
1
x1
x2
x3
AB
0
1
1
1
z
x1
x2
x3
z
N. B. - Il numero dei
segnali di ingresso di
un gate è detto fan-in.
Contatti in serie
Contatti in parallelo
x1
Contatti in parallelo
I1
A
I2
aperto
chiuso
aperto
chiuso
B
I1
aperto
aperto
chiuso
chiuso
I2
aperto
chiuso
aperto
chiuso
AB
aperto
chiuso
chiuso
chiuso
x1
x2
x2
x3
x3
z
I2
z
Interruttori elettronici:
il gate “not-or” o “nor”
Interruttori elettronici: il gate “nand”
x1
z
x2
+E
z
V1
x2
V2
x2
z
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
V1
V2
Vu
L
L
H
H
L
H
L
H
H
H
H
L
+E
Vu
x1
x1
N.B. Gli interruttori
in parallelo possono
essere più di due.
Vx11
Vx22
Vzu
L0
L0
H1
H1
L0
H1
L0
H1
H1
L0
L0
L0
Vu
V1
V2
N.B. Gli interruttori
in serie possono
essere più di due.
10
L’“ex-or”
L’interruttore “complessivo” è chiuso se sono
alti o D1 o D2, ma non entrambi
x1
1
0
1
0
x1
z
x2
deviatore
D1
deviatore
D2
lampada L
220 volt
x2
1
1
0
0
z
0
1
1
0
D1
D2
alto
alto
basso alto
alto
basso
basso basso
Circuiti con
retroazione
L
spenta
accesa
accesa
spenta
pulsante M
pulsante M
Motore elettrico
Alimentaz.
in
corrente
continua
Alim.
interruttore i
S
Relè
interruttore i
N
pulsante A
S
pulsante A
N
Corrente I
I pulsanti di Marcia e Arresto di un motore
Relè ad “autoritenuta”:
tabulazione degli esperimenti
I pulsanti di Marcia e Arresto di un motore
astrazione
M
I
A
Pulsante M Pulsante A Interruttore i
dipende
rilasciato rilasciato
aperto
dallo stato
contatto i
rilasciato rilasciato delchiuso
Corrente I
i
Situazione
NO
?
stabile
SI
stabile
premuto
rilasciato
aperto
SI
instabile
premuto
rilasciato
chiuso
SI
stabile
rilasciato premuto
aperto
NO
stabile
rilasciato premuto
chiuso
NO
instabile
premuto
premuto
aperto
SI
inutile
premuto
premuto
chiuso
SI
inutile
i(t +Δt) = I(t)
Δt
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
A
i
Alim.
I
11
Due “nor” in retroazione
V3
Il comportamento dei due NOR in retroazione
Vu
V1
V2
H
L
L
L
V3
H
L
L
L
V2
+E
+E
Vu
V1
V2
V2=V3=L
Vu=V1=?
oHoL
V3
H
H
Vu L
L
Per conoscere il valore di Vu quando V2 = V3 = L,
occorre conoscere anche il valore che aveva prima
Variabili binarie
Bit (binary digit) - Variabile x tale che:
x ∈ B{0,1}
logica positiva e negativa
Bit e configurazioni
binarie
Segnali binari: {Presente, Assente} {High, Low}
{Aperto, Chiuso} {Luce, Buio} ecc.
v
0
1
tensione
alta
bassa
v
1
0
C
0
1
Contatto
aperto
chiuso
C
1
0
L
0
1
Lampada
accesa
spenta
L
1
0
logica negativa logica positiva
Configurazioni binarie
n bit
Configurazione binaria - Stringa
di lunghezza n di simboli 0 e 1.
Es:
abc
000
100
010
001
110
101
011
111
Diagrammi ad occhio
Andamento di 3 segnali:
b1 b2 b3
bn
• n bit hanno 2n 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.
a
0
b
0
c
0
t
010
1
0
0
t1
t2
t3
000
…
…
Relazione di causa/effetto di un blocco con 3
ingressi e 2 uscite:
ingresso
010
x
101
101
000
…
…
uscita
11
00
01
10
01
……….
12
