Master of Science in Mechatronics Engineering

2019/2020

Electronics for Internet of Things

Short  summary  on  Digital  Electronics

Same system as decimal coding: position dependent value of symbolsBase 10 (decimal), base 2 (binary, prefix 0b), base 16 (hexadecimal, prefix 0x or suffix h)To convert in mind a number from decimal to binary operate by successive approximations.

Binary and Hexadecimal Coding

4‐bit

Binary0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Dec 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15

Dec 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15

Bin 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Hex 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

Fixed Point Binary Number representation

1 bit M bit                         N bit

INTEGER part FRACTIONAL part

INTEGER partI

FRACTIONAL partP

SIGN(signed integer only)

ASCII code (American Standard Code for Interchange of Information) encoding with a string of 8 bits (1 byte) 28 = 256 different characters, including digits, upper and lower case letters, graphic characters and special (accented) characters. Eg from the table the 'T' character can be expressed in the software in format:

characterbinary (01010100=26+24+22=64+16+4=84)decimal (84)hexadecimal (54=5x 161+4x160=80+4) (1st row + 1st col).

Hardware only uses bynary encoding.

Unicode encoding (2 byte) can represents    216 =65536 different characters, also ethnic. (adopted by Windows).

Encoding Alphanumeric Characters

Logic Symbols Logic Levels

logic “1”

logic “0”

unspecifiedVLmax

VHmin

VHmax

Positive Logic

logic “0”

logic “1”

unspecifiedVLmax

VHmin

VHmax

Negative Logic

0

0.8

2.2

5

TTL standardVcc = 5V

VLmax

VHmin

VHmax

V

VLmin 0

0.8

2.2

3.3

CMOS standardVcc = 3.3V

VLmax

VHmin

VHmax

V

VLminVLmin VLmin

LOGIC OPERATORS

on boolean variables (True/False or High/Low) or binary (0/1)

input outputlines line

LOGIC GATES

There are two ways to realize a logic function, which performs the desired output for each input configuration:OR of AND – add the terms in which the function is 1 (minterms). AND of OR – multiply the factors in which the function is 0 (maxterms)Simply program the switches on the connections (black dots) using Programmable Logic Arrays (PLA, see later).

DESIGN OF LOGIC CIRCUIT

OR di AND

Decoder – rises (0 1) the output lines which corresponds to a particular input code (eg to access (R/W) to a memory cell with its address code).Hardware:                                                                ecc.

Multiplexer (analogue or digital) – selects the input line corresponding to the input code and connects it to the output line. Eg sequential reading of N input sensors, or parallel‐to‐serial conversion (internal data bus  external serial bus).Hardware:

Demultiplexer – connects the input line to the output line corresponding to the input code. Eg serial‐to‐parallel conversion (external serial bus  internal parallel bus)Hardware: 

N‐bitcode(xi)

2NOUTPUTlines(yi)

DECOD

N‐bit  code (si)

OUTPUTline(y)

MUX

2NINPUTlines(xi)

N‐bit  code (si)

INPUTlinex

DEMUX

2NOUTPUTlines(yi)

LOGIC DEVICES

Full adder – makes the sum of two binary numbers:  (xi+yi+ci=zi+ci+1)

x0 y0

FullAdder

cinc1

z0

xi yi

FullAdder

ci …ci+1

zi

xn yn

FullAdder

cn …cout

zn

Counter – starting from 0, if enabled, increases the output binary value (N bit) at each clock rise (counts clock pulses). When it reaches the maximum value (overflow, all bits are 1) equal to 2N‐1 for N bit, resets to 0 and starts again.Usually, count can go Up or Down (U/D)

xi yi ci zi ci+10 0 0 0 0

0 1 0 1 0

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

LOGIC DEVICES

U/D

Reset

Counter OUTCLK

Enable

N

Latch – bistable which stores 1 bit (asinchronous)

Flip‐flop – storing synchronized with clock

Register – series of FF to store a binary number of (8,16,24,32,64) bit. it is not possible to read or write the single bit, but the whole string(parallel access).

Shift Register – as the Register, but allows both paraller and serial access (even circular)

Reset

Flip‐Flop OUTSET

Enable

RESET

CLK

CLK Enabled7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0

Parallel  INPUT  DATA  BUS

Parallel  OUTPUT  DATA  BUS

d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0

Parallel  INPUT  DATA  BUS

Parallel  OUTPUT  DATA  BUS

Serial  INPUT line

Serial  OUTPUTline 

Latch OUTINPUT

Reset

Flip‐Flop OUTIN

Enable CLK

SOLID STATE MEMORIES (or Electronic/Semiconductor memories)

MEMORIES store bytes in memory cells each having an address code. They can be: 

volatile (lose data when power off) permanent

rewritable (R/W) read only

random access (same access time for all cells)  sequential access (LIFO, FIFO, CAM, STACK)

SOLID  STATE  MEMORIESLatency Volatile Permanent

Read/Write R/W Programmable Read only

NameFIFO, LIFO, CAM, STACK SRAM

DRAMEEPROM

Flash, FRAM, SSDmask ROMPROMShift Register

Access sequential random

SOLID STATE MEMORIES (or Electronic/Semiconductor memories)

PLA (Programmable Logic Array) allows to create logic circuits configuring, through programmable switches (MOSFET), the connections between the ports already implemented in the hardware, the inputs and the outputs.

FPGA (Field Programmable Logic Array) – as PLA but with memory (eg digital filters, digital modulation)

PROGRAMMABLE LOGIC DEVICES

Microcontroller – programmable devices used to read analogue or digital inputs (eg sensors), convert them to digital with ADC if analogue, control actuators (eg electric motors, light sources), timing actions, share information on serial lines. As soon as fed, execute the only one program (firmware) saved in memory, written by the user and modifiable.

DSP (Digital Signal Processor) ‐ Similar to microcontrollers, but with an architecture optimized for complex digital processing (eg digital processing of sounds, images, etc. even in real time).

Microprocessor ‐ Contain a management program (operating system, OS), on which programs can be implemented for particular functions (applications).

PROGRAMMABLE PROCESSORS