1
Aspiranti ingegneri dell’informazione
RETI LOGICHE insegnaa descrivere eda progettare…..
Luigi Di StefanoRoberto LaschiAndrea LodiMarco Prandini
complessità
tempotecnologia
controllo
elettrica elettronica
tutte leattività
…le macchine digitali
calcolo
manuale meccanica
misura
Macchine digitali - Sistemi artificiali che impiegano
il “fine”
per rappresentare ed elaborare informazioni
il “mezzo”
grandezze fisiche con un numero finito di valori
Programma e Prove d’esame
1: Macchine digitali
2: Bit
3: Modelli di comportamento
5: Reti combinatorie
6: Reti asincrone
7: Reti sincroneSaperfare
Sapere
4: Gate, funzioni, espressioni
OraleProva intermedia
OraleProva scritta
2
Regolamento prove d’esame
Date prove d’esame• Prova intermedia: 24/5• Prove scritte: 26/6 17/7
L’esame prevede due prove:1. Prova scritta (2 esercizi)
• Punti disponibili: 22• Superamento: punteggio > 6
2. Prova orale• Punti disponibili: 11• Superamento: punteggio > 3
Voto esame: somma dei punteggi delle due prove.
È possibile sostituire la prova orale con:• Prova intermedia• Prova costituita da un esercizio da sostenere durante la prova
scritta di Luglio
1.1 - Descrizione e progettazione1.2 – Unità funzionali1.3 – Reti di interruttori
Capitolo 1
Macchine digitali
1.1 Descrizione eprogettazione
Struttura & Comportamento
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
3
Descrizionedella
STRUTTURA
Descrizionedel
COMPORTAMENTO
Sintesi
Analisi
Analisi & Sintesiastrazione
cosa fa
come èfatta
• Ogni livello di questa gerarchia individua strutture formate da componenti “astratti”la cui struttura è definita nel livello sottostante
• Scendendo dall’alto verso il basso aumenta il numero di componentie diminuisce la complessità dell’azione svolta da ciascuno
Livelli di descrizione
• La descrizione del comportamento può essere più e più volte decompostain comportamenti più semplici dasvolgere nello spazio e/o nel tempo
Il modello del “blocco” o “scatola nera”
Pingresso deidati
uscita deirisultati
P ↔↔↔↔ relazione ingresso/uscita o di causa/effetto•trasformazione•temporizzazione
Regole “elementari” di composizioneu=M2(M1(i))
Deve operare prima il blocco asinistra, poi quello a destra.
I due blocchi operanocontemporaneamente.
u1=M1(i)u2 =M2(i) {
u=M1(i, s)s=M2(u) u=M1(i, M2(u-))È necessario che l’anello completi un calcolo prima di avviarne uno nuovo.
c) in retroazione
b) in parallelo
a) in serie
M1 M2i u
M1i u
s M2
M1
M2
iu2
u1
Funzionecomposta
Sistema difunzioni
Funzionericorsiva
4
Progettazione top-down e bottom-up
Livello nComponenti “primitivi” per il livello n
Comportamentodel sistema
Struttura formata da sottosistemi
Livello 0 Fenomeni fisici e chimici all’interno di materiali
Livello n-1Componenti “primitivi” per il livello n-1
Comportamentidei vari sottosistemi
Strutture formate da parti più semplici
Componenti “primitivi” per il livello 1Livello 1
Schemi circuitali
Andamenti di tensioni e di correnti elettriche
Progettazione a livelli
Prodotto dilivello i
Livello diprogetto i
Componenti “primitivi” per il livello i
Comportamentidei vari sottosistemi
Strutture formate da parti più semplici
Prodotto dilivello i+1
Struttura formata da parti sottostanti
Comportamentodel nuovo sistema
Componenti “primitivi” per il livello i+1
Livello diprogetto i+1
Il progetto, o sintesi, su un livello
Descrizione del
comportamento
Elenco dei componenti disponibili, del loro
comportamento e delle modalità con cui farli
interagire
Metodologie per l’ottimizzazione
del costo e delle prestazioni
Descrizionedella
strutturaCAD
Hardware e Software
Calcolatore general purpose
software hardware
caricamento fetch fetch fetchexecute executet
5
La macchina “programmabile”
Software
Hardware
Software Applicativo
Linguaggio di Programmazione
Software di base
Processore, Memoria, I/O, Bus
Reti logiche
Famiglie e Librerie di Circuiti
Circuiti elettronici
Livello architettonico
Livello logico
Livellofisico
Registri, Contatori, Selettori, Alu, ecc.
Instruction Set
Interruttori elettronici
Il livello logico
contatti,segnali ecircuiti
Funzioni,variabili,
espressioni
Livello logico
Livello fisico
Livello architettonico
Processore,memoria, I/O
Ram,Registro,Contatore
Alu,Decoder
Multiplexer
Affidabilità,velocitàingombro,consumo,
costo
Adattabilità,velocitàcapacità,sicurezza,
espressivitàDescrizione formale
composizione,decomposizione
1.2 Unità funzionali
Il Controllo ed il Percorso dei dati
controllo
comandi
dato risultatopercorso dei dati
richiesta notifica
stato
6
Elaborazionecentrale
UscitaIngresso
Central Processing Unit e Input/Output
protocollodi
uscita
operandioperazioni
risultati
protocollodi
ingressodato risultato
richiesta notifica
controllocontrollocontrollo
L’interfacciadella tastiera
Unità di ingresso
BufferScansione
premuto/non premutoSelettore
Generatoredi
“nomi”
XY
Z
Da 10 a 30 interrogazioni al secondo
Selezione
Generatoredi coordinate
Interfaccia Video
Monitor
Buffer
0,0: nero
0,1: giallo
N,M: blu
Selettore
immagine,posizione
Da 50 a 72quadri
al secondo
Input, Central Processing Unit, Output
CPU
Input
controllo
protocollodi
ingresso
Output
controllo
protocollodi
uscita
richiesta notifica
dato risultato
memoriadati
esecutore
interprete
memoriaistruzioni
7
Processore
BUS
Memoriaprincipale
Unità di ingresso/
uscita
Architettura di un calcolatore elettronico I/O, bus, interfacce e dispositivi
CPUI/O
Interfaccia N. 0
Interfaccia N. 1
Interfaccia N. k
bus
Tastiera
Interfaccia N. i
Monitor
Hard disk
Modem
Tecnologia elettronica: piastre e connettori
StandardSCSIPCMCIA……..
9
Il trasporto dell’informazione
SEGNALE - Grandezza fisica variabile nel tempo il cui andamento o forma d’ondarappresenta l’informazione
che la parte sorgente vuole inviare alla parte destinazione.SEGNALI ANALOGICI: ogni variazione della grandezza fisicamodifica l’informazione trasportata. SEGNALI DIGITALI: solo a certe variazioni corrisponde unamodifica di “significato”.
sorgente
destinazione
segnale
AUTOMOBILE
Segnali esterni ed interni
Cilindri
AlberomotoreCarburatore
piede
Pedaleacceleratore
ruote
Differenziale
Forme d’onda
• Il segnale analogico
• Il disturbo
• Il segnale digitale
• Il segnale binarioL
H
y(t) ≡ informazione
Velocità e RobustezzaIPOTESI: si dispone di una tensione elettrica che varia nell’intervallo0 10 volt e di cui si è in grado di generare/misurare il valore con la precisione del centesimo di volt.
SOLUZIONISegnale analogico: occorre un istante di tempo, ma un “rumore” di ampiezza pari al centesimo di volt modifica il dato.
Segnale digitale: una volta suddiviso l’intervallo in 10 fasce da un voltoccorrono tre istanti di tempo; l’insensibilità al rumore è pari a 0,5 volt.
Segnale binario: con due fasce da 5 volt la comunicazione richiededieci intervalli, ma la insensibilità al rumore diventa di 2,5 volt.
PROBLEMA: comunicare il valore di un numero intero < 1000.
10
Segnali binari: esempi
contatto:aperto/chiuso
lampadina:accesa/spenta
corrente elettrica:presente/assente
tensione elettrica:High/Low
levetta:alta/bassa
cristallo liquido:trasparente/opaco
macchina analogica
Segnali e macchine per l’elaborazione dell’informazione
A) analogici
B) digitali
Segnali 1) di ingresso 2) interni 3) di uscita
macchina digitale
segnali analogicimicrofonotermostatoaltimetro
Macchine digitali
ConvertitoreA/D
segnali binaritastieramousefloppy
Elaborazionedi
segnalibinari
segnali binarilampadinamonitorfloppy
ConvertitoreD/A
segnali analogicialtoparlanteplotterdinamo
Trasduttori, Convertitori, Attuatori
ConvertitoreA/DTrasduttore
ConvertitoreD/A Attuatore
Suggerimento: leggere l’approfondimentosui convertitori (dispense, pag.12)
11
B
L
L
Conversione diretta da A a D
B
B
L
L
B
L
L
B
B
B
B
B
B
L
B
L
L
B
Luce/BuioLuce/BuioLuce/Buio
Livello fisico: circuiti, contatti e interruttoricortocircuito
generatore
Carico
circuito aperto
generatore
Carico
Carico
generatore
circuito elettrico
Comando che modificala posizione del contatto
Azionamento manuale
Apparati elettriciTelegrafo
220 volt
Interruttore Lampada
ANALISI• la causa è la posizione dell’interruttore • l’effetto è l’emissione o meno di luce
Interruttore Lampada alto spenta
basso accesa
“buffer”
Struttura Comportamento
Livello fisco
I L
il gate “buffer”astrazione
12
Interruttore Lampada alto accesabasso spenta
ANALISI• la causa è la posizione dell’interruttore • l’effetto è l’emissione o meno di luce
il gate “not”
I L
220 volt
interruttore I
lampada L
astrazione
“not” Tabelle con simboli astratti
011
100L = f2(i)L = f1(i)i
0: contatto alto o luce accesa1: contatto basso o luce spenta
il gate “not”
I LI L
il gate “buffer”
Contatti in serie
I1 I2
A B
I1 I2 ABaperto aperto apertoaperto chiuso apertochiuso aperto apertochiuso chiuso chiuso
Il gate “and”
“and”
I1 I2 ABaperto aperto apertoaperto chiuso chiusochiuso aperto chiusochiuso chiuso chiuso
Contatti in parallelo
I1
I2
A B
Il gate “or”
“or”
13
And e Or a più di due ingressi
Contatti in serie
x1 x2 x3
z
Contatti in parallelo
x1
x2
x3
z
N. B. - Il numero dei segnali di ingresso diun gate è detto fan-in.
x1x2 zx3
x1x2 zx3
D1 D2 Lalto alto spentabasso alto accesaalto basso accesabasso basso spenta
“ex-or”
220 volt
deviatore D1
lampada L
deviatore D2
Il gate “ex-or”
Azionamento elettromagnetico
il relè
Φ1 forza d’attrazione della molla
A B
C D
molla
materialeferromagnetico
bobina
A B
C D
gen. dicorrente
Φ2Φ2Φ2Φ2 = k i2 forza d’attrazione al traferro
i
14
I pulsanti di Marcia e Arresto di un motore
interruttore i
pulsante M
pulsante A
Relè
Alimentaz.in
correntecontinua
NS
Motore elettrico
Alim. interruttore i
pulsante M
NS
Marcia !
pulsante ACorrente I
.. Ho inteso !
Alim. interruttore i
pulsante M
pulsante ANS
… e me lo ricordo !
Alim.
interruttore i
pulsante M
pulsante ANS
15
Arrestati !
Alim.
interruttore i
pulsante M
pulsante ANS
Arrestati !
Alim.
interruttore i
pulsante M
pulsante ANS
Ho capito !
Alim.
interruttore i
pulsante M
pulsante ANS
premuto premuto chiuso SI
premuto premuto aperto SI
premuto rilasciato chiuso SI
premuto rilasciato aperto SI
rilasciato rilasciato chiuso SI
rilasciato rilasciato aperto NO
Pulsante M Pulsante A Interruttore i Corrente I
rilasciato premuto aperto NO
rilasciato premuto chiuso NO
Relè ad “autoritenuta”:tabulazione degli esperimenti
Situazione
stabile
stabile
instabile
stabile
instabile
inutile
inutile
stabile
16
M
A
A
Alim.i
I
I M
∆∆∆∆ti(t +∆∆∆∆t) = I(t)
astrazione
Contatti disposti in serie/parallelo ed una retroazione con ritardo ∆t tra la corrente di comando del relè e la posizione del contatto i
i
Azionamento elettronico
Causa Effettovalore “alto” corrente SIvalore “basso” corrente NO
Correnteelettrica
Correnteelettrica
Correnteelettrica
Tensioneelettrica
il transistorebipolare unipolare
interruttore!
H
L
tempo
Forma d’ondadella tensioneo della correntein ingresso
Forme d’onda della causa e dell’effetto
tempo
Forma d’ondadella correntein uscita
H
L
Il “not” elettronico
Vi Vu
0 + E+ E 0
+ E
Vi
Vu
0 voltoppure+E volt
+E voltoppure0 volt
I L
17
V1 V2 Vu
L L HL H LH L LH H L
Il gate “nor”
+ E
V1
V2
VuN.B. Gli interruttoriin parallelo possono essere più di due.
x1
x2
z
V1 V2 Vu
L L HL H HH L HH H L
Il gate “nand”
+ E
V1
V2
VuN.B. Gli interruttoriin serie possono essere più di due.
x1
x2
z
Tecnologia e prestazioni
ManualeElettricoElettronico
evoluzione
Azionamento
Transistore unipolarearea: 10-9 mm2
velocità: 1010 com./secconsumo: 10-4 wattcosto: 10-3 lire
integrazione!
Tecnologia elettronica: chip e contenitori
StandardDIP
PCCPLCC
CERQUAD……SECC
Anno Sigla interruttori/chip1968 SSI 30
1970 MSI 3001972 LSI 3.000
1975 VLSI 30.0001992-5 UVLSI 3.000.000