B031371 - EMBEDDED SYSTEMS ELECTRONICS

Lezioni frontali in italiano, slides parzialmente in inglese

Tecnologie e Processi di fabbricazione dei circuiti integrati. Microprocessori e Sistemi embedded. Memorie EEPROM e FLASH. Memorie Dual-Port, FIFO, Memorie Dinamiche. Elementi di reti logiche sequenziali. MAcchine a stati. Circuiti Digitali Programmabili: CPLD e FPGA. Linguaggio VHDL. Ambiente di sviluppo Quartus II. Esercitazioni di laboratorio

Paolo Spirito, ELETTRONICA DIGITALE , McGraw-Hill
M. M. Mano, C.R. Kime, RETI LOGICHE, Pearson, Prentice Hall
J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, CIRCUITI INTEGRATI DIGITALI, Pearson, Prentice Hall

Alla fine del corso lo studente conoscerà
- componenti e circuiti fondamentali dell'Elettronica digitale
- tecniche di realizzazione dei circuiti
- linguaggio VHDL
- circuiti programmabili e circuiti embedded (microcontrollori e FPGA)
Gli studenti saranno in grado di:
- Progettare circuiti di logica combinatoria e sequenziale
- Programmare un microcontrollore ed una FPGA

Elettronica Generale, basi di logica combinatoria
E' inoltre fortemente consigliato aver seguito il corso di Elettronica dei Sistemi Digitali

- Lezioni in aula
- seminari da parte di esperti del settore
- Esercitazioni in aula
- Attività di Laboratorio

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Lo studente può sostenere un esame orale fra quelli presenti durante tutto l'anno, o l'esame scritto di fine corso
Nell'esame (scritto o orale) vi saranno domande per verificare le conoscenze dello studente su:
- componenti e circuiti fondamentali dell'Elettronica digitale
- tecniche di realizzazione dei circuiti
- linguaggio VHDL
- circuiti programmabili e circuiti embedded (microcontrollori e FPGA)
Vi saranno inoltre esercizi per verificare la capacità dello studente nel:
- Progettare circuiti di logica combinatoria e sequenziale
- Programmare un microcontrollore ed una FPGA

Tecnologie dei Circuiti Integrati bipolari e MOS
Caratteristiche generali delle tecnologie monolitiche planari. Processi fondamentali: crescita dei substrati, crescita epitassiale, processi di diffusione, ossidazione del Silicio, mascheratura e incisione, progetto e fabbricazione del layout, deposizione di film sottile. Processo di fabbricazione dei transistori bipolari npn e pnp. Diodi integrati. Diodi e transistori Schottky. Diodi Zener. Resistori integrati a diffusione: realizzazione nella zona di base e di emettitore. Resistori epitassiali e a impianto ionico. Resistori 'pinched'. Resistori a film sottile. Tolleranze e matching , deriva termica e tracking dei resistori. Tecniche di trimming. Trimming a laser dei resistori in film sottile. Capacitori integrati a giunzione. Capacitori integrati MOS. Capacitori con armature di Polysilicon. Tecnologie fabbricative dei diversi tipi di transistori MOS. Tecniche di autoallineamento del gate. Tecnica del Polysilicon gate. Impiego dell'impianto ionico. Struttura CMOS. Tecnologie HMOS. Processi di controllo sul wafer, taglio, assemblaggio e incapsulamento dei chips. Tipi di contenitore. Multi chip module (MCM). Le metallizzazioni, fenomeno dell’elettromigrazione. Cause di malfunzionamento. Prove ambientali. Prove di vita accelerata. Affidabilità. Tolleranza e matching delle caratteristiche dei circuiti integrati. Deriva e tracking in temperatura. Circuiti integrati per applicazioni specifiche ( ASIC ). Circuiti 'Gate Arrays'. Circuiti 'standard cells', Tecnica a macro celle.
Cenni alle ultime tecnologie: Trigate MOS, chip 3D

Sistemi Embedded e Microcontrollori
Elementi di progettazione di sistemi Embedded. Dispositivi elettronici per sistemi Embedded, Tecniche di contenimento del consumo di potenza, Funzionamento Real-Time, Embedded data processing. Il microcontrollore come cuore del sistema Embedded. Tecniche di programmazione, spazio di indirizzamento, il boot, le interruzioni. Registri di controllo e stato. Periferiche standard come UART, SPI, Bus parallelo bidirezionale, ADC. Timer e periferiche di input capture, circuito di reset e watch-dog.

Memorie digitali
Memorie ROM, circuiti di decodifica e matrice di memoria a giunzione e MOS. Struttura e funzionamento del dispositivo FAMOS. Programmazione e cancellazione di EPROM. Memorie Flash. Data Endurance e retention. RAM statiche, celle elementari ed organizzazione. Circuiti di lettura e scrittura. RAM statiche, cella elementare e circuito amplificatore di sensing. SDRAM e memorie DDR, logica di funzionamento. Memorie dual-port, cella elementare, pin-out e logica di funzionamento. Memorie FIFO, architettura, flag di stato e logica di funzionamento. Accesso e temporizzazione per memorie ROM e RAM, in lettura e scrittura. Cenni alle ultime tecnologie: Ferroelectric RAM (FeRAM), Hybrid Memory Cube (HMC), Phase Change Memory (PCM), memorie a Memristor.


Circuiti digitali programmabili
Reti logiche per circuiti programmabili: richiami di algebra booleana e di analisi e sintesi di circuiti combinatori e sequenziali. Le alee e tecniche per evitarle. Macchine a stati di Mealy e Moore. Sintesi di una rete su una data architettura. PROM, PAL, PLD. CPLD e FPGA: Architettura dettagliata di un dispositivo commerciale della famiglia MAX3000 di Altera. Struttura della macrocella e dei bus di interconnessione. Segnali dedicati. Blocchi di I/O. Modello di temporizzazione. Architettura delle FPGA. Linguaggio VHDL: Entity e Architecture. Struttura gerarchica. Implementazione di circuiti combinatori come Multiplexer, Demultiplexer, Comparatori, Codificatori, Decodificatori. Implementazione di circuiti sequenziali e macchine a stati. Esempi. Regole da seguire ed errori tipici. CAD applicati ai circuiti programmabili: Tecnica di progetto Top-Down, Schematic Entry, Simulazione, Constraints, Fitting, Configurazione. Ambiente di sviluppo Quartus II di Altera.

Esercitazioni di laboratorio
In laboratorio gli studenti avranno possibilità di mettere in pratica quanto appreso nel corso. Suddivisi in piccoli gruppi di lavoro, utilizzeranno una scheda di sviluppo per microcontrollore e una per FPGA. Gli studenti svilupperanno piccoli progetti per decodificare segnali, pilotare display, leggere pulsanti, etc.