Insegnamento obbligatorio per l'orientamento di Sistemi Embedded in comune tra la laurea magistrale in Ingegneria Elettronica e quella in Ingegneria informatica, collocato al primo periodo didattico del primo anno accademico.
Il corso si propone di descrivere e sperimentare i principali blocchi digitali e analogici a bordo scheda e di individuarne le problematiche relative alla loro comunicazione.
In particolare si descriveranno le principali strutture microarchitetturali per l'elaborazione, il controllo e la memorizzazione di dati e se ne realizzerà una descrizione pratica in laboratorio.
Si analizzeranno e sperimenteranno in laboratorio i problemi legati alla comunicazione tra blocchi a bordo scheda (uso di interfacce per sistemi di comunicazione complessi, standard di comunicazione, integrità del segnale su PCB).
Si descriveranno le problematiche e si sperimenterà l'uso di sistemi programmabili e embedded complessi su schede basate su microprocessori-microcontrollori, FPGA e periferiche di uso corrente.

• Conoscenza dei vari tipi di stadi amplificatori e delle loro applicazioni; capacità di analisi e progetto dei relativi circuiti, con selezione dei componenti che valuti gli effetti delle varie scelte progettuali.
• Conoscenza dei tipi di memorie esistenti: tipologia, metodo di accesso, modello fisico, interfacciamento, gerarchia; abilità nella scelta in base a costo/area/prestazioni.
• Conoscenza dell'architettura di PLD/FPGA ad alte prestazioni: architettura interna, flusso di progetto, ottimizzazioni per consumo di potenza, area occupata, velocità.
• Capacità di progettare le unità operative digitali, di descriverle in linguaggio HDL, di simularne il comportamento e implementale sul supporto necessario a seconda delle specifiche (sintesi su dispositivo programmabile, programmazione di alto livello su microprocessore, ...).
• Conoscenza della struttura delle principali periferiche utilizzabili: I/O digitale, strategie di buffering, sistemi di temporizzazione, sistemi di comunicazione sincrona/asincrona; abilità nella scelta delle opportune metodologie di realizzazione e interfacciamento.
• Capacità di definire i blocchi necessari in un sistema embedded a partire dalle specifiche e di definirne i vincoli progettuali dal punto di vista elettronico (microprocessore/microcontrollore, memorie, dispositivi programmabili, blocchi di potenza, sistemi di conversione, periferiche, bus) e loro interfacciamento.
• Conoscenza dei problemi relativi alle interconnessioni: tecnologie, protocolli sincroni e asincroni, valutazione delle prestazioni.
• Conoscenza dei vari tipi di convertitori A/D e D/A, delle loro caratteristiche e dei relativi circuiti; capacità di scelta di componenti analogici integrati e progetto delle parti necessarie per il loro utilizzo e interfacciamento.
• Conoscenza delle caratteristiche dei vari tipi di regolatori di tensione, dissipativi e a commutazione, e dei criteri per la scelta dei componenti attivi e passivi; capacità di progetto di alimentatori e regolatori di bassa potenza.

Elettronica digitale di base, al livello corrispondente ai corsi di base di Elettronica Digitale ed Analogica nel corso di laurea triennale. In particolare devono essere noti i circuiti digitali combinatori e sequenziali e gli stadi analogici di base, le architetture di elaborazione complesse a livello di sistema, il linguaggio di descrizione dell’hardware VHDL, il modello di programmazione di microprocessori/DSP/microcontrollori.

1) I sistemi embedded (0,5 CFU)
a) definizione, classificazione ed esempi
b) metriche di progetto (costi, performance, time to market)
c) anatomia di un sistema embedded e inquadramento degli argomenti trattati nel corso
2) Richiami sull'uso dell’amplificatore operazionale con reazione (0,5 CFU)
a) Amplificatori e filtri
b) Comparatori
3) Memorie (1 CFU)
a) ROM, OTPROM, EPROM, EEPROM, Flash
b) RAM statiche e dinamiche
c) Diagrammi temporali
d) Composizione di memorie e interfacciamento con microprocessori
e) Gerarchia di memoria e cache
4) Logiche programmabili (1,5 CFU)
a) Dispositivi logici programmabili: PAL, PLA, CPLD
b) Field Programmable Gate Array (FPGA)
c) Tecnologie per FPGA
d) Flusso di progetto
e) Risorse disponibili su FPGA (memorie, moltiplicatori, PLL, clock, ...)
f) Scelta, uso e applicazione di IP
5) Input/Output (1,5 CFU)
a) Richiami sui protocolli di comunicazione seriali e paralleli, ritardi, effetto dello skew
b) Trasmissione sincrone con ricostruzione del clock
c) Esempi di protocolli: UART, SPI, I2C, CAN, USB
d) Problemi relativi alle interconnessioni e all'integrità del segnale
6) Periferiche del processore (2 CFU)
a) Introduzione generale ai microprocessori embedded e alla loro periferia
b) Struttura interna, decoder indirizzi, registri di programmazione
c) Interfacciamento con microprocessore: polling, interrupt, DMA
d) Bus di comunicazione: AMBA
7) Conversione A/D e D/A (1,5 CFU)
a) Richiami sui sistemi di conversione A/D e D/A, campionamento, aliasing, quantizzazione, errori, ENOB
b) Convertitori DA (classificazione, parametri, errori lineari e non lineari)
c) Circuiti per convertitori DA
d) Convertitori AD (classificazione, parametri statici e dinamici, errori lineari e non lineari)
e) Circuiti per convertitori AD (Flash, SAR, pipeline, tracking, misti)
f) Catena di condizionamento del segnale, dimensionamento filtro anti-aliasing
g) Convertitori avanzati
8) Elettronica di potenza (1,5 CFU)
a) Comando carichi ON/OFF e in linearità
b) Richiami sullo schema di principio di un regolatore
c) Regolatori lineari (drop-out, ripple, correnti massime)
d) Regolatori a commutazione (Buck, Boost, Buck-Boost)
e) Riferimenti di tensione

Data la natura fortemente applicativa dell’insegnamento sono previsti almeno 5 laboratori su argomenti di elettronica analogica e digitale. Gli studenti affronteranno il progetto e la realizzazione di parti di un sistema embedded, fino ad ottenere un piccolo sistema a microprocessore completo su logica programmabile, con caratteristiche di interdisciplinarietà, integrando aspetti sia di elettronica, sia di informatica.

C. Passerone, "Analog and Digital Electronics for Embedded Systems", CLUT, 2015
(testo di riferimento)

F.Vahid, T. Givargis, "Embedded System Design: A Unified Hardware/Software Introduction", John Wiley and Sons

Jan Rabaey, "Digital Integrated Circuits. A Design Perspective", Pearson Education, 2003

W. Dally, J. Poulton, " Digital Systems Engineering", Cambridge University Press.

Saranno inoltre disponibili i lucidi usati a lezione e i temi d'esame svolti sul portale della didattica

L'esame e' costituito da una parte scritta con domande teoriche ed esercizi numerici di analisi e/o di progetto, eventualmente integrabile con una parte orale. Sarà valutata la possibilità di realizzare dei progetti in sostituzione dell'esame.