Il corso è erogato in lingua Inglese.

L’insegnamento è obbligatorio (in alternativa con Sistemi Digitali Integrati) per la Laurea Magistrale ed è collocato al 1° periodo didattico del 1° anno. Si propone di fornire conoscenze approfondite sulle metodologie di progetto di sistemi complessi digitali per i quali è indispensabile una visione di insieme di tutto il contesto progettuale e di integrabilità dei vari componenti. Verranno analizzati sistemi composti da microcontrollori/microprocessori, logiche programmabili, memorie, e interfacce col mondo esterno, ponendo particolare enfasi su come collegare, interfacciare, programmare e gestire i vari blocchi, e sul "flusso di progetto" cioè quali strumenti e quali metodologie utilizzare.

• Conoscenza della struttura di un sistema di elaborazione generico: processore, memoria, I/O, rete di interconnessione, alimentazione e temporizzazione.
• Conoscenza delle caratteristiche di microprocessori per uso generale: organizzazione interna, classificazione, modello di programmazione.
• Capacità di integrare in un’unità di elaborazione funzioni aggiuntive e di interfacciare un coprocessore con un’unità di elaborazione convenzionale.
• Conoscenza dei tipi di memorie esistenti: tipologia, metodo di accesso, modello fisico, interfacciamento, scelta in base a costo/area/prestazioni.
• Conoscenza della gerarchia di memorie in un sistema di elaborazione: cache, memoria virtuale.
• Conoscenza della struttura delle principali periferiche utilizzabili: I/O digitale, I/O analogico, strategie di buffering, sistemi di temporizzazione, sistemi di comunicazione sincrona/asincrona, metodologie di realizzazione e interfacciamento.
• Capacità di integrare periferiche custom all’interno di strutture di elaborazione esistenti.
• Conoscenza dell'uso di componenti logici programmabili (PLD, FPGA) nei sistemi embedded: flusso di progetto, ottimizzazioni per area occupata, velocità;
• Conoscenza delle tecnologie di interconnessione a livello fisico: tecnologie, linee di trasmissione, diafonia, cenni di compatibilità elettromagnetica, interfacciamento in sistemi multitensione.
• Conoscenza delle architetture di interconnessione a livello logico: topologie, indirizzamento, gestione di connessioni non affidabili, esempi di standard.
• Conoscenza delle problematiche relative alla distribuzione dell'alimentazione.
• Conoscenza delle tecniche di generazione e distribuzione del clock.
• Conoscenze dell’analisi delle specifiche e dei vincoli nel progetto di sistemi digitali complessi .
• Capacità di interpretare specifiche e vincoli nel progetto di sistemi digitali complessi. Analisi critica delle scelte algoritmiche (basate su complessità computazionale, banda di interconnessione e rappresentazione dei dati, sia in termini di formato che di parallelismo).
• Conoscenza delle tecniche di progetto di unità di controllo in sistemi digitali complessi.
• Capacità di progetto di unità di esecuzione sia in forma sequenziale che parallela.

Sono necessarie conoscenze di base e capacità di operare con:
• Porte logiche elementari sia a livello combinatorio che sequenziale;
• Macchine a stati finiti;
• Circuiti aritmetici elementari;
• Memorie (struttura e architettura);
• Elementi di Architettura di Calcolatori;
• Tecniche di programmazione in C;
• Linguaggi di descrizione dell’hardware (VHDL/Verilog);
• Rudimenti di utilizzo e programmazione di FPGA.

Il corso è approssimativamente diviso in 4 parti principali:

1. Architetture di elaborazione per sistemi embedded ( 3 CFU)
a. Architetture di microprocessori
b. Interfacciamento di periferici, DMA e interrupts
c. Dispositivi programmabili

2. Strutture di memoria (3 CFU)
a. Tecnologie delle memorie
b. Strutture di memoria volatili e non volatili
c. Memorie cache

3. Strutture di interconnessione e di interfacciamento (2 CFU)
a. Propagazioni, Ritardi e skew
b. Cicli sincroni e asincroni
c. Transazioni, arbitraggio ed indirizzamento
d. Strutture di comunicazione parallele, bus
e. Strutture di comunicazioni seriali. Bus periferici.

4. Sistemi di elaborazione integrati: ( 2 CFU)
a. Analisi specifiche e vincoli di progetto
b. Analisi della temporizzazione nei sistemi digitali complessi
c. Unità di controllo e di esecuzione

I laboratori (in linea di massima 6) verteranno sull'uso di circuiti FPGA programmabili per la realizzazione di sistemi embedded comprendenti processori e periferici standard o progettati ad hoc. Richiederanno sia la progettazione di parti hardware sia la scrittura di moduli software. Ogni laboratorio, svolto in gruppo (3-4 studenti) corrisponde allo realizzazione di un semplice progetto e richiede la stesura di un report entro il tempo limite di una settimana. La valutazione globale dei laboratori è la media delle valutazioni dei singoli report, è comune a tutto il gruppo di studenti e viene riportata in trentesimi per un massimo di 5/30.

Il testo di riferimento, che copre circa il 30% del corso è il libro "Embedded system design" di F. Vahid.
Sono disponibili copie dei lucidi utilizzati nelle lezioni, ed i manuali dei componenti analizzati durante le lezioni. Inoltre è disponibile tutto il materiale ed i testi relativi alle esercitazioni di laboratorio. Tutto il materiale didattico è' scaricabile attraverso il portale della didattica.

La verifica dell'apprendimento avrà luogo attraverso il lavoro di laboratorio, un esame scritto ed un esame orale.
L’esame scritto ha una durata approssimativa di 2 ore ed è in genere composto da 2 esercizi di progetto. Non è permesso consultare alcun tipo di documento (libri, appunti, ...) durante l’esame.
Gli studenti possono sostenere l'esame orale se l'esame scritto risulta essere sufficiente. L'esame orale è costituito da più domande relative agli argomenti teorici o descrittivi del corso. Il punteggio finale è la media pesata dello scritto, dell'orale e del punteggio di laboratorio. Sono disponibili progetti di approfondimento su base volontaristica, che possono dare fino ad un massimo di 3 punti sul voto finale.