ID:
64401
Tipo Insegnamento:
Obbligatorio
Durata (ore):
60
CFU:
6
SSD:
ELETTRONICA
Url:
INGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA/Percorso Comune Anno: 2
Anno:
2024
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (24/02/2025 - 05/06/2025)
Syllabus
Obiettivi Formativi
Il corso approfondisce alcuni argomenti trattati in Calcolatori Elettronici del 1° anno con l’obiettivo di fornire una visione di insieme dei Sistemi Elettronici Digitali partendo dalla realizzazione fisica delle reti logiche. Nello specifico, trattandosi del 1° insegnamento di elettronica digitale, esamina gli elementi di base di un sistema digitale oltre a trattare gli elementi micro-architetturali di un calcolatore elettronico e la sua gerarchia di memoria. Il corso è propedeutico ai corsi che trattano sistemi digitali.
L'obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio dei sistemi digitali complessi.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
• elementi di base di un sistema elettronico digitale
• basi delle porte logiche e della loro realizzazione a livello circuitale
• evoluzione dei circuiti digitali
• temporizzazioni dei circuiti sequenziali
• elementi di base sui convertitori A/D e D/A e sui circuiti di memoria
• micro-architettura di un processore RISC-V a singolo ciclo
• esecuzione pipelined (multi-ciclo) e controllo/gestione degli hazard
• gerarchia di memoria
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
• analizzare il comportamento di semplici circuiti logici, sia combinatori che sequenziali
• individuare le tecniche più appropriate per l’analisi di circuiti combinatori e sequenziali
• valutare il convertitore A/D o D/A o la memoria più adatti per una determinata applicazione
• gestire e dirimere le problematiche micro-architetturali dei calcolatori elettronici
• creare sistemi pipelined per l'ottimizzazione del throughput di un sistema elettronico
L'obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio dei sistemi digitali complessi.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
• elementi di base di un sistema elettronico digitale
• basi delle porte logiche e della loro realizzazione a livello circuitale
• evoluzione dei circuiti digitali
• temporizzazioni dei circuiti sequenziali
• elementi di base sui convertitori A/D e D/A e sui circuiti di memoria
• micro-architettura di un processore RISC-V a singolo ciclo
• esecuzione pipelined (multi-ciclo) e controllo/gestione degli hazard
• gerarchia di memoria
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
• analizzare il comportamento di semplici circuiti logici, sia combinatori che sequenziali
• individuare le tecniche più appropriate per l’analisi di circuiti combinatori e sequenziali
• valutare il convertitore A/D o D/A o la memoria più adatti per una determinata applicazione
• gestire e dirimere le problematiche micro-architetturali dei calcolatori elettronici
• creare sistemi pipelined per l'ottimizzazione del throughput di un sistema elettronico
Prerequisiti
Il corso non prevede requisiti specifici.
Durante il corso verranno trattate alcune applicazioni della teoria dei circuiti che sono state approfondite, anche dal punto di vista teorico, nel corso di “Circuiti elettrici: fondamenti e laboratorio” nello stesso anno di corso, al 1° semestre. In particolare, le leggi di Ohm e di Kirchhoff e la loro applicazione pratica oltre ai metodi per trattare i circuiti elettrici in regime continuo e transitorio.
Per la parte del corso relativa alla microarchitettura del processore RISC-V è necessario avere compreso i contenuti del corso di Calcolatori Elettronici che si riferiscono all'ISA e all'interfaccia hardware/software della CPU. Durante il corso verranno tuttavia forniti diversi richiami per facilitare la comprensione delle tematiche micro-architetturali e il loro collegamento alla parte più software-oriented di un processore.
Anche se non è obbligatorio aver superato gli esami di “Calcolatori Elettronici” e di “Circuiti elettrici: fondamenti e laboratorio” è fortemente consigliato di averne assimilato i punti fondamentali.
Durante il corso verranno trattate alcune applicazioni della teoria dei circuiti che sono state approfondite, anche dal punto di vista teorico, nel corso di “Circuiti elettrici: fondamenti e laboratorio” nello stesso anno di corso, al 1° semestre. In particolare, le leggi di Ohm e di Kirchhoff e la loro applicazione pratica oltre ai metodi per trattare i circuiti elettrici in regime continuo e transitorio.
Per la parte del corso relativa alla microarchitettura del processore RISC-V è necessario avere compreso i contenuti del corso di Calcolatori Elettronici che si riferiscono all'ISA e all'interfaccia hardware/software della CPU. Durante il corso verranno tuttavia forniti diversi richiami per facilitare la comprensione delle tematiche micro-architetturali e il loro collegamento alla parte più software-oriented di un processore.
Anche se non è obbligatorio aver superato gli esami di “Calcolatori Elettronici” e di “Circuiti elettrici: fondamenti e laboratorio” è fortemente consigliato di averne assimilato i punti fondamentali.
Metodi didattici
Il corso sarà tenuto solamente in presenza.
Durante le lezioni verrà utilizzata una piattaforma di quiz interattivi per verificare il grado di comprensione della classe sui concetti fondamentali trattati durante la lezione o nella lezione precedente e un Instruction Set Simulator (ripes.me) per comprendere i dettagli micro-architetturali del processore RISC-V.
Ogni argomento teorico del corso è accompagnato da domande sulla teoria e da esercizi che gli studenti svolgeranno autonomamente. Le domande e gli esercizi sono selezionati all’interno del data base delle domande utilizzate per l’esame e sono quindi del tutto rappresentativi delle domande che costituiscono l’esame finale.
Durante le lezioni verrà utilizzata una piattaforma di quiz interattivi per verificare il grado di comprensione della classe sui concetti fondamentali trattati durante la lezione o nella lezione precedente e un Instruction Set Simulator (ripes.me) per comprendere i dettagli micro-architetturali del processore RISC-V.
Ogni argomento teorico del corso è accompagnato da domande sulla teoria e da esercizi che gli studenti svolgeranno autonomamente. Le domande e gli esercizi sono selezionati all’interno del data base delle domande utilizzate per l’esame e sono quindi del tutto rappresentativi delle domande che costituiscono l’esame finale.
Verifica Apprendimento
L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.
L’esame è costituito da una prova a quiz, lasciando allo studente comunque la possibilità di sostenere un esame orale integrativo.
La prova a quiz verte su tutti gli argomenti trattati nel corso. La prova ha lo scopo di valutare lo studio della materia e la comprensione degli argomenti di base. La prova è costituita da 33 domande (quiz a risposta multipla, con un’unica risposta corretta, sia su aspetti di teoria che su semplici esercizi). La risposta corretta assegna 1 punto, la risposta sbagliata assegna -0.5 punti, la mancata risposta 0 punti. Per superare la prova è necessario acquisire almeno 18 punti su 33. Il tempo previsto per la prova è di 66 minuti. Non è consentito consultare testi o utilizzare PC, smart phone, calcolatrici, ecc. Il superamento della prova è testimonianza dell’aver acquisto sufficienti conoscenze degli elementi di base dell’algebra di Boole, della teoria della conversione analogico-digitale, delle porte logiche, dei circuiti combinatori e sequenziali, dei convertitori e degli elementi di memoria, della micro-architettura dei processori RISC-V e della gerarchia di memoria di un calcolatore elettronico.
Lo studente che abbia comunque raggiunto la sufficienza (punteggio maggiore o uguale a 18) ma che non fosse soddisfatto del punteggio ottenuto può sostenere una prova orale, nella quale non sarà valutata tanto l'abilità nel "ripetere" qualche argomento trattato a lezione, quanto la capacità di collegare e confrontare aspetti diversi trattati durante il corso. La prova ha anche l’obiettivo di esercitare lo studente nella presentazione orale delle proprie conoscenze e competenze, con un effetto formativo nell’ambito delle Soft Skills.
La valutazione della prova orale può portare a un aumento, ma anche ad una diminuzione, del voto conseguito nella prova scritta.
Le indicazioni operative per sostenere la prova d'esame saranno riportate su Classroom.
L’esame è costituito da una prova a quiz, lasciando allo studente comunque la possibilità di sostenere un esame orale integrativo.
La prova a quiz verte su tutti gli argomenti trattati nel corso. La prova ha lo scopo di valutare lo studio della materia e la comprensione degli argomenti di base. La prova è costituita da 33 domande (quiz a risposta multipla, con un’unica risposta corretta, sia su aspetti di teoria che su semplici esercizi). La risposta corretta assegna 1 punto, la risposta sbagliata assegna -0.5 punti, la mancata risposta 0 punti. Per superare la prova è necessario acquisire almeno 18 punti su 33. Il tempo previsto per la prova è di 66 minuti. Non è consentito consultare testi o utilizzare PC, smart phone, calcolatrici, ecc. Il superamento della prova è testimonianza dell’aver acquisto sufficienti conoscenze degli elementi di base dell’algebra di Boole, della teoria della conversione analogico-digitale, delle porte logiche, dei circuiti combinatori e sequenziali, dei convertitori e degli elementi di memoria, della micro-architettura dei processori RISC-V e della gerarchia di memoria di un calcolatore elettronico.
Lo studente che abbia comunque raggiunto la sufficienza (punteggio maggiore o uguale a 18) ma che non fosse soddisfatto del punteggio ottenuto può sostenere una prova orale, nella quale non sarà valutata tanto l'abilità nel "ripetere" qualche argomento trattato a lezione, quanto la capacità di collegare e confrontare aspetti diversi trattati durante il corso. La prova ha anche l’obiettivo di esercitare lo studente nella presentazione orale delle proprie conoscenze e competenze, con un effetto formativo nell’ambito delle Soft Skills.
La valutazione della prova orale può portare a un aumento, ma anche ad una diminuzione, del voto conseguito nella prova scritta.
Le indicazioni operative per sostenere la prova d'esame saranno riportate su Classroom.
Testi
M. Morris Mano - Charles Kime - Tom Martin – Reti logiche – 5° edizione – Pearson (solo su argomenti relativi a algebra booelana, circuiti combinatori e sequenziali)
David A Patterson, John L Hennessy - Struttura e progetto dei calcolatori - 2° edizione (solo su argomenti relativi alla microarchitettura del processore RISC-V e gerarchia di memoria)
David A Patterson, John L Hennessy - Struttura e progetto dei calcolatori - 2° edizione (solo su argomenti relativi alla microarchitettura del processore RISC-V e gerarchia di memoria)
Contenuti
1. Introduzione
Cos’è un sistema elettronico – Esempio di sistema elettronico digitale – Differenza tra elettronica analogica e digitale – Digitalizzazione di un segnale analogico – Evoluzione e struttura dei sistemi elettronici
2. Implementazione di base della micro-architettura del processore RISC-V
Discussione di un’implementazione a singolo ciclo - Realizzazione di un'unità di elaborazione e schema semplificato del funzionamento/realizzazione di una ALU comprensiva dei segnali di controllo - Gestione del progetto logico
3. Implementazione multi-ciclo del processore RISC-V
Il concetto di pipeline - Progettazione di un'ISA considerando la tecnica di pipeline - Gestione degli hazard sui dati e sul controllo - Tecniche di propagazione - Unità di elaborazione e controllo con pipeline a 5 stadi del processore RISC-V - Gestione degli stalli - Cenni sulla gestione delle eccezioni
4. Esecuzione speculativa
Introduzione all'argomento - Gestione dei salti - Politiche di scelta del branch (taken/not taken)
5. Realizzazione fisica delle porte logiche
Modello switch del transistore – Richiami importanti: leggi di Ohm e di Kirchhoff – Partitore resistivo – Concetto di rete di pull-up e di pull-down – Consumo di potenza – I semiconduttori – Caratteristica statica di un invertitore – Il transistore nMOS – L’invertitore nMOS e i suoi limiti – Potenza dinamica – Importanza delle interconnessioni e delle capacità parassite – Transitorio di commutazione – Un altro richiamo: i transitori RC – Il transistore pMOS – L’invertitore CMOS – Gate logici CMOS – Realizzazione di NAND e NOR – Circuiti Fully CMOS – Fan out di un gate logico – Pass transistor – Buffer e Buffer tri-state
6. Temporizzazioni nei circuiti sequenziali
Parametri di temporizzazione – Effetti dei ritardi di propagazione – Dimensionamento del periodo di clock – Concetti di skew e jitter – Progetto in condizioni di caso peggiore
7. Conversione digitale-analogica e analogico-digitale
Teoria della conversione – Caratteristiche generali dei convertitori – Concetti di base sugli op-amp – Convertitori D/A (con resistori di peso binario, con rete a scala R-2R) – Circuiti accessori di un convertitore A/D: filtro antialiasing e circuito di Sample&Hold – Metodo della bisezione – Convertitori A/D (a successive approssimazioni, parallelo) – Convertitori multi-stadio
8. Memorie a semiconduttore
Caratteristiche memorie- Organizzazione memorie- Decoder- Memorie ad accesso casuale– Memorie SRAM e DRAM - Evoluzione e classificazione delle memorie non volatili evoluzione e classificazione- Memorie Flash NOR e NAND
9. Gerarchia di memoria nella computer architecture
Funzionamento della memoria cache - Prestazioni di una cache - Miglioramento delle prestazioni - Cenni ai protocolli di coerenza e snooping - Schema comune per la gerarchia di memoria
Cos’è un sistema elettronico – Esempio di sistema elettronico digitale – Differenza tra elettronica analogica e digitale – Digitalizzazione di un segnale analogico – Evoluzione e struttura dei sistemi elettronici
2. Implementazione di base della micro-architettura del processore RISC-V
Discussione di un’implementazione a singolo ciclo - Realizzazione di un'unità di elaborazione e schema semplificato del funzionamento/realizzazione di una ALU comprensiva dei segnali di controllo - Gestione del progetto logico
3. Implementazione multi-ciclo del processore RISC-V
Il concetto di pipeline - Progettazione di un'ISA considerando la tecnica di pipeline - Gestione degli hazard sui dati e sul controllo - Tecniche di propagazione - Unità di elaborazione e controllo con pipeline a 5 stadi del processore RISC-V - Gestione degli stalli - Cenni sulla gestione delle eccezioni
4. Esecuzione speculativa
Introduzione all'argomento - Gestione dei salti - Politiche di scelta del branch (taken/not taken)
5. Realizzazione fisica delle porte logiche
Modello switch del transistore – Richiami importanti: leggi di Ohm e di Kirchhoff – Partitore resistivo – Concetto di rete di pull-up e di pull-down – Consumo di potenza – I semiconduttori – Caratteristica statica di un invertitore – Il transistore nMOS – L’invertitore nMOS e i suoi limiti – Potenza dinamica – Importanza delle interconnessioni e delle capacità parassite – Transitorio di commutazione – Un altro richiamo: i transitori RC – Il transistore pMOS – L’invertitore CMOS – Gate logici CMOS – Realizzazione di NAND e NOR – Circuiti Fully CMOS – Fan out di un gate logico – Pass transistor – Buffer e Buffer tri-state
6. Temporizzazioni nei circuiti sequenziali
Parametri di temporizzazione – Effetti dei ritardi di propagazione – Dimensionamento del periodo di clock – Concetti di skew e jitter – Progetto in condizioni di caso peggiore
7. Conversione digitale-analogica e analogico-digitale
Teoria della conversione – Caratteristiche generali dei convertitori – Concetti di base sugli op-amp – Convertitori D/A (con resistori di peso binario, con rete a scala R-2R) – Circuiti accessori di un convertitore A/D: filtro antialiasing e circuito di Sample&Hold – Metodo della bisezione – Convertitori A/D (a successive approssimazioni, parallelo) – Convertitori multi-stadio
8. Memorie a semiconduttore
Caratteristiche memorie- Organizzazione memorie- Decoder- Memorie ad accesso casuale– Memorie SRAM e DRAM - Evoluzione e classificazione delle memorie non volatili evoluzione e classificazione- Memorie Flash NOR e NAND
9. Gerarchia di memoria nella computer architecture
Funzionamento della memoria cache - Prestazioni di una cache - Miglioramento delle prestazioni - Cenni ai protocolli di coerenza e snooping - Schema comune per la gerarchia di memoria
Lingua Insegnamento
ITALIANO
Corsi
Corsi
3 anni
No Results Found
Persone
Persone (2)
No Results Found