Paniere con risposte aperte - Elettronica dei sistemi digitali (2021/2022)

Elettronica dei sistemi digitali

Lezione 002

1. Modello Black-Box

Che cosa si intende per modello Black-Box e quali sono le metodologie per descrivere la relazione ingresso/uscita di questo modello?

Modello di tipo comportamentale, che descrive il comportamento di un sistema elettronico in base alla relazione tra ingressi e uscite, indipendentemente dalla particolare realizzazione fisica. La relazione ingresso/uscita può essere descritta tramite: tabella, formula, algoritmo.

2. Analisi e sintesi

Che cosa si intende per "analisi" e per "sintesi" e qual è la differenza tra queste due attività?

Analisi: attività che permette di ricavare il comportamento di un sistema elettronico studiando la sua particolare realizzazione fisica.

Sintesi: attività che permette di arrivare alla realizzazione fisica di un sistema elettronico partendo da una descrizione dettagliata del comportamento atteso.

Quindi partendo dallo schema, attraverso l'analisi, riusciremo ad ottenere una funzione; viceversa, partendo da una funzione attraverso una sintesi potremo ottenere uno schema.

Lezione 003

1. Fasi della progettazione elettronica

Descrivere le varie fasi della progettazione elettronica.

• Definizione specifiche di sistema: Elenco e descrizione dettagliata di tutte le funzionalità e caratteristiche che il sistema deve possedere.
• Progetto architetturale: È una progettazione ad "alto livello" al fine di identificare e definire i macro-blocchi da utilizzare nelle interconnessioni.
• Progetto circuitale: Si definiscono i singoli macro-blocchi architetturali in termini di circuiti e componenti elettronici.
• Fabbricazione ed assemblaggio: Realizzazione dello stampato (PCB) e montaggio dei componenti elettronici.
• Test di sistema: L'oggetto finale viene sottoposto ai test di validazione per verificare la corrispondenza dei requisiti iniziali, sia fisici che funzionali.
• Attività di simulazione: Grazie al supporto di software di simulazione si può effettuare una prima verifica senza attendere la realizzazione fisica, riducendo così errori e costi di ri-progettazione.

Lezione 004

1. Specifiche fisiche e specifiche funzionali

Descrivere anche con esempi pratici che differenza c'è tra specifiche fisiche e specifiche funzionali.

Specifiche fisiche: indicano i requisiti fisici (o limiti) che devono essere rispettati dal sistema, come:

• Alimentazioni e limiti di consumo.
• Dimensioni fisiche massime (questione di marketing/design).

Specifiche funzionali:

• Il comportamento (che cosa deve fare)
• Le interfacce (ingressi ed uscite)
• I parametri temporali (clock, frequenze, tempi di ritardo).

2. Specifiche di sistema

Che cosa si intende per specifiche di sistema?

È un documento tecnico in cui vengono descritte in modo dettagliato e preciso tutte le funzionalità-caratteristiche che il sistema stesso deve soddisfare:

• Individuazione specifiche fisiche
• Individuazione specifiche funzionali

Lezione 005

1. Random logic

Spiegare che cosa si intende con il termine "random logic" e qual è la sua principale caratteristica?

Realizzazione ottimizzata, sia in termini di spazio che di velocità, di un circuito logico. Il nome deriva dal fatto che vi è un'assenza di regolarità nella disposizione dei componenti interni del circuito.

2. Trattamento del segnale: architettura "data-path"

Descrivere la modalità di trattamento del segnale effettuata mediante un'architettura di tipo "data-path" e le principali differenze rispetto alle altre modalità.

Molto simile all'organizzazione/funzione dell'array; la differenza è solo nella modalità di realizzazione fisica e nel tipo di sistema; utilizzata soprattutto nei circuiti integrati e nelle CPU (Central Processing Unit).

3. Trattamento del segnale: architettura "array"

Descrivere la modalità di trattamento del segnale effettuata mediante un'architettura di tipo "array" e le principali differenze rispetto alle altre modalità.

I segnali di input e i segnali di output possono essere inviati o prelevati da uno qualunque dei blocchi di elaborazione presenti. Tale architettura è soprattutto usata nei dispositivi che implementano funzionalità di memoria.

4. Trattamento del segnale: architettura "concurrent"

Descrivere la modalità di trattamento del segnale effettuata mediante un'architettura di tipo "concurrent" e le principali differenze rispetto alle altre modalità.

Architetturalmente (ma non funzionalmente) simile all’Array. I blocchi operano in modalità cooperante, ovvero i singoli blocchi di elaborazione possono trattare segnali provenienti da altri blocchi e fornire le proprie uscite ai blocchi vicini.

5. Trattamento del segnale: architettura "pipeline"

Descrivere la modalità di trattamento del segnale effettuata mediante un'architettura di tipo "pipeline" e le principali differenze rispetto alle altre modalità.

I segnali di ingresso subiscono un'elaborazione in sequenza da parte di blocchi indipendenti e consecutivi.

Lezione 006

1. Definizione di segnale

Riportare e spiegare la definizione di segnale.

Un segnale è una grandezza fisica che varia nel tempo all’interno di un intervallo di valori finito. Se l’insieme di valori che un segnale può assumere è continuo allora si parla di segnale analogico. Se l’insieme di valori che un segnale può assumere è discreto allora si parla di segnale digitale.

2. Immunità al rumore nei segnali digitali

Spiegare perché un segnale digitale presenta un'immunità al rumore superiore a quella di un segnale analogico. Argomentare bene anche con esempi.

Qualunque segnale (analogico o digitale) può essere influenzato dal rumore, ovvero da un segnale di disturbo che si sovrappone al segnale originario. Un segnale digitale è meno influenzato dal rumore perché tutto il rumore che è compreso all’interno dell’intervallo ±Δ/2 viene comunque ricondotto al valore mediano dal processo di conversione.

3. Differenza tra segnale analogico e digitale

Che differenza c'è tra un segnale analogico ed uno digitale? Argomentare bene anche con esempi.

Se l’insieme di valori che un segnale può assumere è continuo allora si parla di segnale analogico. Se l’insieme di valori che un segnale può assumere è discreto allora si parla di segnale digitale. Per di più, nel caso di un segnale analogico, il rumore ha maggiore influenza, perché va a modificare l'andamento del segnale.

Lezione 009

1. Definizione parametro "fall time"

Relativamente ad un segnale binario riportare la definizione e la rappresentazione grafica del parametro "fall time".

Tempo di discesa: tempo che impiega il segnale per andare dal 90% al 10% dell'escursione massima.

2. Definizione parametro "width"

Relativamente ad un segnale binario riportare la definizione e la rappresentazione grafica del parametro "width".

Durata del bit: indica il lasso di tempo in cui il segnale rimane al di sopra del 50% dell'escursione massima.

3. Definizione parametro "rise time"

Relativamente ad un segnale binario riportare la definizione e la rappresentazione grafica del parametro "rise time".

Tempo di salita: tempo che impiega il segnale per andare dal 10% al 90% dell'escursione massima.

4. Logica positiva e logica negativa

Qual è la differenza tra "logica positiva" e "logica negativa"?

Nel caso di segnali binari, dove la grandezza fisica può assumere solo due valori, si possono usare due differenti rappresentazioni:

• Logica positiva: 1=Vmax (valore massimo), 0=Vmin (valore minimo)
• Logica negativa: 1=Vmin, 0=Vmax

5. Configurazione binaria

Che cosa si intende per "configurazione binaria"?

Per configurazione binaria si intende l’insieme ordinato di un numero N di simboli binari (bit). Una configurazione ad N bit può essere utilizzata per codificare una degli M possibili valori di una grandezza fisica, a patto che sia soddisfatta la seguente relazione: M minore uguale a 2 alla N.

Lezione 010

1. Codice binario

Che cosa si intende per "codice binario"?

Si parla genericamente di codice binario quando per codificare M possibili valori di un segnale discreto si utilizzano configurazioni binarie, ovvero insiemi di valori “0” e “1”.

2. Codice ridondante

Cosa significa che un codice è ridondante e si faccia un esempio di codice ridondante.

Se il numero N di bit utilizzati è superiore a quello necessario parleremo di codifiche ridondanti, ovvero quando la codifica sfrutta solo alcune delle possibili configurazioni di N bit! Due esempi di codici di tipo ridondante sono:

• Il codice BCD.
• I codici m su n.

Lezione 011

1. Codici binari "sequenziali" e "non sequenziali"

Illustrare la differenza tra codici binari "sequenziali" e "non sequenziali", mostrando degli esempi.

Il codice binario "sequenziale" è quello che rispecchia la sequenzialità tipica dei numeri in un qualunque sistema di numerazione (esempio: decimale – ottale od esadecimale) mentre i codici "non sequenziali" sono estremamente utili quando si ha la necessità di codificare non i numeri di un sistema di numerazione, bensì stati fisici che si possono presentare in modalità non strettamente sequenziale. Un esempio tipico di codice "non sequenziale" è il codice Gray, il quale differisce dalla notazione posizionale binaria degli interi in quanto prevede che si passi da un intero al successivo modificando un solo bit; questa caratteristica (detta a cambio 1) semplifica e rende meno soggette ad errori le operazioni di dispositivi elettronici che devono scorrere informazioni organizzate in sequenze.

2. Caratteristica del codice Gray

Qual è la caratteristica fondamentale del codice Gray e indicarne anche un possibile ambito applicativo?

Il codice Gray differisce dalla notazione posizionale binaria degli interi in quanto prevede che si passi da un intero al successivo modificando un solo bit; questa caratteristica (detta a cambio 1) semplifica e rende meno soggette ad errori le operazioni di dispositivi elettronici che devono scorrere informazioni organizzate in sequenze. In altre parole, evita di generare errori e segnalazioni di false posizioni dipendenti da lievi imprecisioni dei sistemi di rilevazione meccanici di posizione. Diversi dispositivi elettronici di acquisizione di posizione, tra cui gli encoder (lineari o rotativi, come - per esempio - i regolatori di volume digitali negli impianti Hi-Fi) utilizzano il codice Gray proprio per evitare codificazioni intermedie errate tra il passaggio di valore a un altro. Un'ulteriore applicazione del codice Gray consiste nella costruzione delle mappe di Karnaugh.

Lezione 013

1. Complemento a due di un numero binario

Come si ottiene il complemento a due di un numero binario e a che cosa serve? Argomentare con degli esempi.

Si ottiene il complemento a due di un numero binario negandolo ed aggiungendo 1 al bit meno significativo. L'operazione di complemento a due serve per indicare l'opposto di un numero. Così la sottrazione in aritmetica binaria può essere ricondotta a una somma tra il primo numero binario e il complemento a due del secondo. Ciò semplifica notevolmente la sua esecuzione tramite un microprocessore, in quanto la complementazione può essere facilmente realizzata direttamente in hardware.

ESEMPIO: A-B = A + (-B)

Lezione 015

1. Modello di Mealy

Illustrare lo schema a blocchi e spiegare il funzionamento di una rete sequenziale descritta secondo il Modello di Mealy.

Il modello di Mealy è caratterizzato dal fatto che le uscite sono funzioni sia degli ingressi sia dello stato presente.

2. Modello di Moore

Illustrare lo schema a blocchi e spiegare il funzionamento di una rete sequenziale descritta secondo il Modello di Moore.

Il modello di Moore è caratterizzato dal fatto che le uscite sono funzioni solo dello stato presente.

3. Reti logiche sincrone e asincrone

Relativamente al generico modello architetturale di Mealy che differenza esiste tra una rete logica sincrona ed una asincrona?

Nelle reti sequenziali asincrone il ritardo presente sul ramo di retroazione è variabile e dipendente dai tempi di assestamento del segnale. Nelle reti sequenziali sincrone il ritardo presente sul ramo di retroazione ha una durata fissa che dipende dal periodo del segnale di clock.

4. Elementi costituenti il modello matematico di una FSM

Quali sono gli elementi costituenti il modello matematico (non "architetturale"!) di una generica macchina a stati finiti?

Una rete logica sequenziale può essere descritta come una macchina a stati finiti o Finite State Machine (FSM) utilizzando il seguente modello matematico: M=(I,U,S,F,G) dove:

• I= ingresso.
• U=uscita.
• S=insieme degli stati.
• F=funzione di uscita.
• G=funzione di stato.

5. Funzione logica AND

Qual è la funzione implementata dal componente logico AND?

L'operazione AND restituisce come valore 1 se tutti gli operandi hanno valore 1, mentre restituisce 0 in tutti gli altri casi. Tale operazione è anche detta prodotto logico.

0 0 | 0
0 1 | 0
1 0 | 0
1 1 | 1

6. Funzione logica XOR

Qual è la funzione implementata dal componente logico XOR?

L'operatore XOR, detto anche EX-OR, OR esclusivo o somma modulo 2, restituisce 1 se e solo se il numero degli operandi uguali a 1 è dispari, mentre restituisce 0 in tutti gli altri casi.

0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 0

7. Funzione logica OR

Qual è la funzione implementata dal componente logico OR?

L'operazione logica OR restituisce 1 se almeno uno degli elementi è 1, mentre restituisce 0 in tutti gli altri casi. Tale operazione è anche detta somma logica.

0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 1

8. Funzione logica XNOR

Qual è la funzione implementata dal componente logico XNOR?

L'operatore XNOR, detto anche EX-NOR o EQU, è la negazione del risultato dell'operazione XOR; nella sua versione a due elementi restituisce 1 se tutti gli elementi 1 sono pari e viceversa.

0 0 | 1
0 1 | 0