Elettronica dei sistemi digitali

L'insegnamento introduce lo studente alla comprensione dei circuiti elettronici digitali, sia dal punto di vista teorico che con esempi pratici, ed è suddiviso in cinque parti:
1. I circuiti logici dall'algebra booleana all'implementazione fisica
2. Progettazione di circuiti logici combinatori e sequenziali
3. Sistemi di memorie a semiconduttori
4. Circuiti logici programmabili
5. Distribuzione dei segnali
Nella prima parte dell'insegnamento si introdurranno i concetti e le metodologie alla base dell'elettronica digitale, con l'esempio di semplici circuiti che sono da considerarsi gli elementi propedeutici per poter apprendere le restanti parti del corso.
Nella seconda parte dell'insegnamento si descriveranno circuiti digitali via via sempre più complessi, sia di natura combinatoria che sequenziale, con particolare attenzione agli elementi di memoria e ai criteri di sincronizzazione delle operazioni fra i molteplici elementi di un circuito complesso.
Nella terza parte dell'insegnamento si approfondirà una sottoclasse di circuiti digitali, necessari al funzionamento delle memorie a semiconduttore. I più comuni tipi di memoria verranno analizzati, sia dal punto di vista funzionale che delle loro prestazioni.
Nella quarta parte dell'insegnamento si introdurranno i dispositivi logici programmabili, ossia riconfigurati dall'utente via software, di cui sempre più apparati digitali fanno uso. Sistemi di questo genere sono in un certo senso la nuova frontiera dell'elettronica digitale, in cui hardware e software sono strettamente collegati. La complessità raggiunta dai sistemi digitali attuali necessita inoltre di tecniche automatiche di progetto attraverso linguaggi di programmazione specifici quali il VHDL. Negli anni '70 si diceva che un circuito digitale venisse progettato, a partire dagli anni '90 si dice che un circuito digitale viene "sintetizzato automaticamente" partendo da un "listato" VHDL.
Gli elementi base del linguaggio VHDL verranno brevemente illustrati.
Nella quinta parte dell'insegnamento si introdurrà il concetto di linea di trasmissione, alla luce del quale si considereranno in particolare la distribuzione di segnali digitali ad alta frequenza, segnali di clock e alimentazione. Si introdurranno infine modelli più realistici in alta frequenza per condensatori, induttori e resistori.

Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:
1. Rappresentare i sistemi elettronici digitali in un approccio di tipo top-down
2. Comprendere il flusso di progettazione di sistemi elettronici digitali complessi
3. Comprendere il problema fisico legato alle interconnessioni dei segnali e come affrontarlo nelle varie circostanze
4. Comprendere gli elementi di base dell'algebra booleana
5. Analizzare e sintetizzare circuiti logici combinatori
6. Comprendere schemi circuitali di unità logico-aritmetiche (ALU)
7. Comprendere i principi di funzionamento dei transistori MOS
8. Comprendere e progettare schemi circuitali di porte logiche mediante dispositivi CMOS
9. Comprendere ed utilizzare i sistemi di rappresentazione dei numeri maggiormente utilizzati in elettronica digitale
10. Comprendere e progettare semplici circuiti logici sequenziali
11. Comprendere il funzionamento di elementi di memoria di base, ad esempio l'elemento bistabile, i flip-flop, ecc.
12. Comprendere e sintetizzare semplici macchine a stati
13. Comprendere e descrivere l'architettura di base del Personal Computer
14. Comprendere le caratteristiche di base e le prestazioni dei circuiti di memoria volatili e non volatili
15. Comprendere il funzionamento delle principali tipologie di memorie: registri in tecnologia CMOS, SRAM, DRAM, EPROM, FLASH, ecc.
16. Comprendere i dispositivi logici programmabili, i loro vantaggi e svantaggi rispetto a soluzioni più tradizionali
17. Comprendere i concetti di base del linguaggio VHDL, con semplici esempi pratici