Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Digitális technika II. Rész: Sorrendi hálózatok Dr. Turóczi Antal

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Digitális technika II. Rész: Sorrendi hálózatok Dr. Turóczi Antal"— Előadás másolata:

1 Digitális technika II. Rész: Sorrendi hálózatok Dr. Turóczi Antal

2 Sorrendi hálózatok • Bevezető – A hálózatban visszacsatolás van • A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is – A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is • A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső változóra és a kimenetre is • Tegyük fel, hogy kezdetben ABQY A B Q Y A B Y Q

3 Sorrendi hálózatok • Bevezető – A hálózatban visszacsatolás van • A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is – A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is • A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső változóra és a kimenetre is • Tegyük fel, hogy kezdetben ABQY A B Q Y A B Y Q

4 Sorrendi hálózatok • Bevezető – A hálózatban visszacsatolás van • A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is – A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is • A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső változóra és a kimenetre is • Tegyük fel, hogy kezdetben ABQY A B Q Y A B Y Q

5 Sorrendi hálózatok • Bevezető – A hálózatban visszacsatolás van • A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is – A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is • A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső változóra és a kimenetre is • Tegyük fel, hogy kezdetben ABQY • Azonos bemenő jel, mégis különböző kimeneti érték • A kimenet a belső állapotváltozótól is függ 5 A B Q Y A B Y Q

6 Sorrendi hálózatok • Bevezető – Az előző példában a bemeneti (primer) változókon kívül szükség volt köztes változóra • Belső változó • Szekunder változó – Két egyenlet szükséges a működés leírásához • Belső állapot függvény Q’ = F Q (A,B,Q) • Kimeneti függvény Y = F Y (A,B,Q) – A hálózat működése a bemeneti logikai értékek időbeli sorozatától is függ • Sorrendi hálózat • Szekvenciális hálózat – A hálózat működését befolyásolja a belső változó kezdeti értéke is 6

7 Logikai hálózatok • Logikai hálózatnak nevezzük azokat a rendszereket – melyeknek bemeneti illetve kimeneti jelei logikai jelek, – a kimeneti jeleket a bemeneti jelek függvényében többé-kevésbé bonyolult logikai műveletsorozat eredményeként állítják elő. • A logikai hálózatok két nagy csoportja – Kombinációs hálózatok • Kombinációs hálózatoknak nevezzük azokat a logikai hálózatokat, melyeknek kimeneti jelei csak a bemeneti jelek pillanatnyi értékétől függnek • „Emlékezet” nélküli hálózat – Sorrendi hálózatok • Sorrendi (szekvenciális) hálózatoknak nevezzük azokat a logikai hálózatokat, melyek kimeneti jelei nemcsak a pillanatnyi bemeneti jelkombinációtól függnek, hanem attól is, hogy korábban milyen bemeneti jelkombinációk voltak • „Emlékezettel” (memóriával) rendelkező hálózat • Ugyanazon bemeneti kombinációhoz más-más kimeneti kombináció tartozhat, a szekunder változók aktuális értékétől függően. • A szekunder változók értékét a korábbi bemeneti kombinációk és azok sorrendje is befolyásolja • Előző állapotuktól függően különböző módon reagálnak a bemenetükre – Véges állapotú automaták (Finite State Machines) 7

8 Sorrendi hálózatok • Információ tárolás – A sorrendi hálózatnak tehát emlékeznie kell ezekre a bemeneti jelkombinációkra • Általában elegendő korlátozott mennyiségű korábbi jelkombinációt megjegyeznie • Az emlékezéshez a sorrendi hálózatnak külön „memóriával”, tárolóegységgel kell rendelkeznie – A sorrendi hálózat leglényegesebb és legbonyolultabb része a tárolóegység. • A tárolóegység tároló elemekből áll • Egy tároló elem 1 bit információ tárolását végzi – Sorrendi hálózat memória elemekkel (tárolókkal) kiegészített kombinációs hálózatból építhető fel • A tároló elemek tartalma (a szekunder változók) a hálózat előéletéről őriznek információt • A bemenetek és a hálózat előélete együttesen, és egyértelműen meghatározzák a kimeneti jelet (jeleket) 8 Kombinációs hálózat Memória Bemenet Kimenet

9 Sorrendi hálózatok • Információ tárolás – A kombinációs hálózatnál tapasztalt be- és kimenetek közötti késleltetés a tárolási képesség alapja • A tranziens lezajlásáig a kapuk kimenetén az előző bemeneti kombinációk hatására kialakult logikai szint van 9 Ideális Kombinációs hálózat (késleltetés nélküli) A Y1Y1 rr   B N YmYm … … … Q’ 1 Q’ 2 Q’ r Q1Q1 Q2Q2 QrQr Szekunder változók Bemeneti (primer) változók Kimenetek …

10 Sorrendi hálózatok • Bevezető – A hálózatban visszacsatolás van • A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is – A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is • A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső változóra és a kimenetre is • Tegyük fel, hogy kezdetben ABQY A B Q Y A B Y Q t pd

11 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat modelljei – Mealy modell – A kimenetek a bemenetek és az előző állapot (szekunder változók) függvénye Q’ = F Q (X,Q) Y = F Y (X,Q) 11 Kombinációs hálózat Memória Bemenetek Kimenetek Szekunder változók X Y Q Q’

12 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat modelljei – Moore modell – A kimenetek csak az előző állapot (szekunder változók) függvényei Q’* = F Q* (X,Q*) Y = F Y* (Q*) 12 Kombinációs hálózat Memória Bemenetek Kimenetek Szekunder változók X Y Q* Q’* Kombinációs hálózat

13 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat modelljei – Bebizonyítható • Minden Mealy modellnek előállítható egy Moore ekvivalense • Minden Moore modellnek előállítható egy Mealy ekvivalense – Bármely modellt is használjuk • Egy sorrendi hálózat működése két logikai függvénnyel írható le – Szekunder változók függvénye – Kimeneti függvény (függő változók függvénye) • A két függvény együttesen határozza meg a sorrendi hálózat működését – A belső (szekunder) változók tárolják a hálózat előző vezérlési állapotait – A bemenő (primer) és belső (szekunder) változók együtt egyértelműen meghatározzák a kimeneteket – A hálózat modellje, függvényei nem írják le a tranzienseket • A függvényekben az idő nem szerepel változóként • Az állapotváltások között azonban rövid átmeneti jelenségek játszódnak le 13 n-edik állandósult állapot tranziens állapot(n+1)-edik állandósult állapot idő

14 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – A működés folyamata • A hálózat belső állapotát a szekunder változók értéke határozza meg – A szekunder változók száma megadja a lehetséges állapotok maximális számát » Nem feltétlenül jön létre minden lehetséges belső állapot – A példában 1 változó (Q) 2 1 = 2 lehetséges állapot • Bekapcsoláskor a sorrendi hálózat a szekunder változók kezdeti értékeinek megfelelő állapotban van • A bemenő kombinációk változásának hatására a rendszer újabb állapotba kerülhet • További bemeneti változások hatására újabb, vagy akár korábbi állapotokba ugorhat – Azonos bemenő jelre más-más szekunder változó és kimeneti kombináció tartozhat • A sorrendi hálózat aktuális állapota megadja a rendszer előéletét – Mi történt vele az előzőekben – Egy n hosszúságú bemeneti sorozat (szekvencia hatására ) • n hosszúságú belső állapot (szekunder változó) szekvencia jön létre • n hosszúságú kimeneti szekvencia generálódik • Ha n véges: véges sorrendi automatáról beszélünk 14

15 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Állapot gráf • Grafikus szemléltetés • A sorrendi hálózat belső állapotait a gráf csomópontjai szemléltetik • A csomópontokat összekötő irányított élek (nyilak) az egyik állapotból a másikba történő átmenetet reprezentálják – Ha nem teljesül semmilyen továbblépési feltétel, marad az előző állapotban – Több feltétel is kielégítheti a továbblépés feltételét – Egy állapotból visszafelé, egy előző állapotba is lehetséges állapotátmenet – Az éleken az átmenetet előidéző bemeneti x kombináció szerepel – Emellett az y kimeneti értékeket is gyakran fel szokás tüntetni 15 qiqi qjqj Egyik továbblépési feltétel sem teljesül X i2 /y i2 qkqk qmqm X j1 /y j1 X m1 /y m1 Teljesül valamely továbblépési feltétel X i1 /y i1 X j2 /y j2 X m2 /y m2 X k2 /y k2 X k1 /y k1

16 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Állapot gráf • Grafikus szemléltetés • A sorrendi hálózat belső állapotait a gráf csomópontjai szemléltetik • A csomópontokat összekötő irányított élek (nyilak) az egyik állapotból a másikba történő átmenetet reprezentálják – Az előző példa állapot gráfja – Két belső állapot, két csomópont 16 q1q1 q2q2 A B Q Y X 0 /y 0 X 2 /y 0 X 1 /y 1 X 3 /y 1 X 0 /y 0 X 1 /y 0 X 3 /y 0 X 2 /y /0 10/0 01/1 11/1 00/0 01/0 11/0 10/0

17 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Állapottábla • Táblázatos formában adja meg, hogy adott bemeneti kombinációk hatására mely állapotból mely állapotba ugrik a rendszer • A kimenet alakulását is ebben a táblázatban írhatjuk fel • A kombinációs hálózatoknál használt igazságtáblázathoz hasonló /0 10/0 01/1 11/1 00/0 01/0 11/0 10/0 Q AB Q’ Y

18 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Példa (Lovassy, Pődör: Digitális Technika II. előadás) – Italautomata • 150 Ft egy üdítő • A gép 50 és 100 Ft-os érmét fogad el, és visszaad • Belső állapotok száma Ft be 50Ft be üdítő ki 100Ft be üdítő, 50Ft ki 100Ft be üdítő ki 100Ft be START állapot 50 Ft bedobva 100 Ft bedobva

19 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Példa (Lovassy, Pődör: Digitális Technika II. előadás) – Italautomata állapot gráf, állapottábla • x 1 : 100Ft; x 0 : 50 Ft • y 1 : üdítő ki; y 0 : 50 Ft ki • Belső állapotok 00,01, ,00 01/00 00/00 10/11 10,10 10,00 01,10 00,00 Előző állapot Bemenet (x 1 x 0 ) 100/50Ft (0 Ft)021x 1 (100 Ft)100x 2 (50 Ft)210x

20 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Vezérlési táblázat • Az állapottábla célszerűen átalakított formája – Az oszlopok a bemenő jelek – A sorok a visszacsatolt jelek (a késleltetés után előállt) – A cellákba a bemenő jel hatására keletkező Q’ jelet írjuk – Stabil állapotokat bekarikázzuk » Ahol Q = Q’ nincs állapotváltozás a visszacsatoló hurokban » Ahol Q ≠ Q’ instabil állapot, állapotváltozás zajlik a visszacsatoló hurokban (a jel még nem „ért át” a késleltetőn) – Pl. » kiindulás: Q = A = B = 0 » bemeneti szekvencia: 01, 11, 01, Q AB Q’ Y A B Q Y Q AB i i Vezérlési táblázat Átmeneti táblázat

21 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Karnaugh táblás leírás • Példa két belső (szekunder) változóra – Kiindulás: Q 2 Q 1 = AB = 00 stabil állapot – AB bemenet változzon AB = 01-re » Mindkét belső változó 0-ról 1-re vált » Mi történik, ha eltérő  késleltetések vannak – Általában nem tudjuk előre melyik hurok a gyorsabb » Nem egyértelmű működés AB Q2Q1Q2Q1 • Versenyfutás jelenség – Ha két szekunder változónak egyszerre kell változnia – Kritikus versenyfutásról beszélünk, ha az eltérő késleltetések miatt a hálózat eltérő stabil állapotokba kerülhet (példában) – Azaz ha a vezérlési táblázat versenyfutást tartalmazó oszlopában több stabil állapot is van – Nem kritikus, ha egy oszlopban csak egy stabil állapot van (utolsó oszlop)

22 Sorrendi hálózatok • Sorrendi hálózat működésének leírása – Karnaugh táblás leírás • Példa két belső (szekunder) változóra – Kiindulás: Q 2 Q 1 = 0; AB = 10 stabil állapot – AB bemenet változzon AB = 11-re » Csak az Q1-hez tartozó hurok kell változzon » Nincs versenyfutás de instabil állapot » Újabb és újabb instabil állapotokba lépünk AB Q2Q1Q2Q1 • Oszcilláció jelenség – A hálózat instabil állapotokat vesz fel egymás után – Ha nincs stabil állapot a vezérlési tábla egy oszlopában, az adott bemeneti kombináció esetén a rendszer biztosan oszcillálni fog

23 Sorrendi hálózatok • Aszinkron és szinkron sorrendi hálózatok – Az ideális esettől eltérően • A valóságban a hálózat különböző pontjain eltérő, és akár időben változó késleltetést tapasztalhatunk (pl. hőmérséklet változás miatt) • Ezek a tulajdonságok nehezen kézben tarthatók 23 – Aszinkron sorrendi hálózatok • Az eddigi példákban a hálózat jeleinek terjedését külső tényezők nem befolyásolták • A kimenetek és a szekunder változók kizárólag a bemenetek és a belső változók pillanatnyi értékétől függenek • Az állapotváltozást a bemeneti kombinációk változása okozza, a változások bármely időpontban bekövetkezhetnek • A zavaró késleltetések miatt instabil állapotok, egyszeri vagy többszörös állapotátmenetek, oszcilláció jöhet létre • A tervezésnél ezekre különös tekintettel kell lenni • Az ilyen sorrendi hálózatokat aszinkron hálózatoknak nevezzük

24 Sorrendi hálózatok • Aszinkron és szinkron sorrendi hálózatok – Szinkron sorrendi hálózatok • A zavaró késleltetések szempontjából jobban kézben tartható megoldás jelent a szinkronizáló jelek használata, vagyis szinkron sorrendi hálózat építése • A szinkron sorrendi hálózatok működése ütemezett, az ütemező (szinkronizáló) jel az órajel • Állapotváltozás csak az órajel által meghatározott ütemekben jöhet létre • A bemenő és a visszacsatolt jelek hatása nem azonnal érvényesül, csak a következő ütemben, a következő órajel beérkezésekor – Az ütemezési időt úgy kell megválasztani, hogy a következő órajel előtt minden zavaró tranziens véget érjen • Az órajel szünetében a primer és szekunder változók csak „előkészülnek” a következő ütemre – A jelek már statikusak, nem változnak, így a tranziensek okozta problémák kiküszöbölhetők 24 Kombinációs hálózat Tárolóegység Bemenet Kimenet Órajel

25 Sorrendi hálózatok • Aszinkron és szinkron sorrendi hálózatok – Szinkron sorrendi hálózatok • Minden változás az órajellel időzítve, azzal szinkronizálva megy végbe, előre pontosan definiált időpillanatban, az órajel fel- vagy lefutó élének megérkezését követően • A szinkronizáció lehet – Szintvezérelt (statikus) » „0” vagy „1” logikai szintre – Élvezérelt (dinamikus) » Felfutó élre, 0 → 1 átmenetre » Lefutó élre, 1 → 0 átmenetre 25 „1” „0” 1 Ciklusidő idő Felfutó élLefutó él

26 Sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózatok – Két fő eleme • Tárolóegység (Memória) – A korábbi bemeneti kombinációkra vonatkozó információ tárolására • Bemeneti kombinációs hálózat – A kimeneti jel előállítása – A tárolandó információ előállítása » A bemeneti kombinációkból és az előzőleg eltárolt információk együtt határozzák meg a következő ciklusban eltárolandó információt – Fontos különbség az aszinkron sorrendi hálózatokhoz képest • A jelváltozások nem futnak rögtön végig a hálózaton, csak a következő ciklusban hatnak 26 Kombinációs hálózat Tárolóegység Bemenet Kimenet Órajel

27 Sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózatok – A kimeneti jel előállítása itt is két féle modellel adható meg 27 Q n+1 Q* n+1 QnQn Q* n Mealy modell Moore modell Q n+1 = F Q (X n,Q n ) Y n = F Y (X n,Q n ) Órajel Q* n+1 = F Q (X n,Q* n ) Y n = F Y (Q* n )

28 Sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózatok – A tárolóegység, memóriaegység tároló elemekből épül fel • Feladata: információ tárolás • Egy tároló elem 1 bit információt tárol – Tároló alapelemek, elemi sorrendi hálózatok • Kétállapotú (bistabil) billenő elemek (Flip-Flopok) • Mindaddig megtartják előző állapotukat míg külső jel ennek megváltoztatására nem kényszeríti – Készítsünk Set-Reset tárolót • Az S(Set) bemenetre adott „1”-es a kimenetet „1”-be állítja • Az R(Reset) bemenetre adott „1”-es a kimenetet „0”-ba állítja 28. Q n+1 QnQn S R Q n+1 = F Q (S,R,Q n ) Y n = Q n R SQnQn Q n Változatlan Beírás Törlés X Tiltott 1 11 X

29 Sorrendi hálózatok • Tároló elemek – Készítsünk Set-Reset tárolót • Az S(Set) bemeneten „1”-es a kimenetet „1”-be állítja • Az R(Reset) bemeneten „1”-es a kimenetet „0”-ba állítja – Állapot gráf – Állapottábla • Nincs versenyfutás vagy oszcilláció - aszinkron működés is stabil • Vannak érdektelen (Don’t care állapotok) • Az állapottáblát Karnaugh-táblának tekintve, Q n+1 -re elvégezve az összevonásokat az egyszerűsített logikai függvény: /1 X0/0 10/0 0X/1 QnQn RS XX 1 R SQnQn Q n Változatlan Beírás Törlés X Tiltott 111X Q n+1

30 Sorrendi hálózatok • Tároló elemek – RS tároló (Filp-flop) megvalósítása • A Q n+1 -et és Q n+1 -et megvalósító kombinációs hálózat logikai függvénye • NAND kapus megvalósítás – Külön jelképi jelölés – Az RS tároló ebben a formájában még aszinkron működésű 30 _ RS Q n+1 00 QnQn X Tiltott

31 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása • Az R és S bemenetek hatása a szinkronjel (órajel) megérkezésekor érvényesüljön – Statikus vezérlés (Szint vezérlés) • A flip-flop csak akkor billen át, ha az órajel „1” értékű • Ez a megoldás nem használható szinkron hálózat építésére – „átlátszó” • Az órajel „1” értékénél az esetleges többszöri változás a bemeneten a kimenetet is többször átbillentheti, és ez tovább is terjed a flip-flopon keresztül • Ez idő alatt az ilyen elemekből felépített hálózat teljes egésze aszinkron módon viselkedne • Ez szinkron hálózatban nem megengedhető – egy szinkron jel, egy változás 31 (Órajel) C

32 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása • Élvezérlés (Dinamikus vezérlés) – Nem engedjük folyamatosan az órajel „1” értéke alatt hatni a bemeneteket – Csak egy rövid időre, amíg a tároló át tud billeni, ez után elvesszük a beíró (óra) jelet – Lerövidítjük az órajel „1” értékét – Szándékosan hazárdos órajel formáló hálózatot „csinálunk” 32 C t pd A B Y A B Y

33 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása • Kétfokozatú tároló (Master-Slave flip-flop) • Az élvezérlésnél bonyolultabb megoldás – Az órajel „1” értékénél a beíró kapuk engedélyezik a Master-t, ezalatt a Slave letiltva – Az órajel „0” értékénél az átíró kapuk engedélyezik a Slave-et, ezalatt a Master letiltva – A bemeneten lévő esetleges zavaró tranziensek nem jutnak át a letiltott Slave-en – Bár aszinkron működésű, de nem átlátszó 33 Beíró kapuk Átíró kapuk Master Slave C

34 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása • Kétfokozatú tároló (Master-Slave flip-flop) – A Master-be írás alatt lehet tranziens – De az átírás előtt már lecseng – Átírás alatt Master kimenete állandó 34 Beíró kapuk nyitnak Átíró kapuk zárnak Átíró kapuk nyitnak Beíró kapuk zárnak Beírás Master-ba Átírás Slave-be Master kimenete már nem változhat „1” „0”

35 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – Szinkron hálózatokban csak nem átlátszó tároló elemek használhatók • Dinamikus vezérlésű (élvezérelt) • Kétfokozatú (Master-Slave) • Nincsenek instabil állapotok – A legfontosabb alap tároló elemek a bemenetek számában és a bemeneti jel hatására történő kimeneti jelváltozásban térnek el • RS tároló • JK tároló • T tároló • D tároló 35

36 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – RS tároló • Működést leíró táblázat – Az aktuális órajel előtti kimenet Q n – Az aktuális órajel utáni kimenet Q n+1 • Állapottábla – Karnaug-táblaként is értelmezhető – Felírható a kimenet logikai függvénye » A következő órajel megérkezésekor Állapot gráf 36 RS Q n+1 00 QnQn X Tiltott R SQnQn Q n Változatlan Beírás Törlés X Tiltott 111X /1 X0/0 01/0 0X/1 QnQn RS XX 1

37 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – JK tároló • Kiküszöböli az RS tároló hátrányát – Nincs tiltott bemeneti kombináció • Működést leíró táblázat – Az aktuális órajel előtti kimenet Q n – Az aktuális órajel utáni kimenet Q n+1 • Állapottábla – Karnaug-táblaként is értelmezhető – Felírható a kimenet logikai függvénye Állapot gráf 37 KJ Q n+1 00 QnQn QnQn K JQnQn Változatlan Beírás Törlés Billentés /1 00/0 10/0 00/1 QnQn KJ _ 11/1 11/0 10/0 01/1

38 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – JK tároló • Kétfokozatú (Master-Slave) megvalósítás • RS tárolóból külön visszacsatolásokkal • A Master-ba írást az előző állapot is vezérli – A visszacsatoláson keresztül 38 KJ Q n+1 00 QnQn QnQn C J K Q Q _ _

39 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – T tároló • Csak egy bemenet • Működést leíró táblázat – Az aktuális órajel előtti kimenet Q n – Az aktuális órajel utáni kimenet Q n+1 • Állapottábla – Karnaug-táblaként is értelmezhető – Felírható a kimenet logikai függvénye Állapot gráf 39 T Q n+1 0 QnQn 1 QnQn T QnQn Változatlan Billentés /1 0/0 1/0 0/1 QnQn T _

40 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – D tároló • Csak egy bemenet – Átmeneti információtárolásra • Működést leíró táblázat – Az aktuális órajel előtti kimenet Q n – Az aktuális órajel utáni kimenet Q n+1 • Állapottábla – Karnaug-táblaként is értelmezhető – Felírható a kimenet logikai függvénye Állapot gráf 40 D Q n D QnQn Törlés Beírás /1 0/0 QnQn T /1

41 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – Alapállapotba állítás • A berendezések bekapcsolásakor biztosítani kell a stabil, ismert alapállapot – Általában aszinkron bemenetek – A tároló kiindulási állapota lehet „0” vagy „1” • Clear (Reset) bemenet - A tároló törlése, „0”-ába állítása • Preset (Set) bemenet - A tároló beállítása, „1”-be állítása 41 C J K Q Q _ Preset Clear

42 Szinkron sorrendi hálózatok • Tároló elemek – T és D tároló megvalósítása • JK tárolóval 42 T Q n+1 0 QnQn 1 QnQn D KJ 00 QnQn QnQn

43 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – A szinkron sorrendi hálózat állapotai • Minden tároló elem két állapotot vehet fel: „0” vagy „1” • Ha n tárolóelem van, a teljes hálózatnak 2 n állapota lehet – Működés közben ezek közül nem feltétlenül valósul meg mindegyik (tiltott állapotok) • Egyik állapotból a másikba csak egy újabb órajel hatására kerülhet a rendszer – A bemeneti jelek és a tároló elemek tartalma együttesen határozzák meg a következő (Q n+1 ) állapotot – A tároló elemek az előző órajel hatására létrejött belső (Q n ) állapotot tárolják • Az aszinkron hálózatokhoz hasonlóan többféle leírás mód – Kapcsolási rajz – Állapot gráf – Állapottáblázat 43 Kombinációs hálózat Tárolóegység Bemenet Kimenet Órajel

44 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – Kapcsolási rajz • Két tároló elem (T tárolók) • Bemeneti és kimeneti kombinációs hálózat • Sorrendi hálózatoknál a tároló elemek és visszacsatolások nehezítik a megértést – Még ennél a viszonylag egyszerű hálózatnál is – Bonyolultabb esetben átláthatatlanná válhat a kapcsolási rajz – Az összeköttetéseket gyakran összekötő vonalak helyett azonos elnevezéssel helyettesítik 44 Q1Q1 Q1Q1

45 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – Állapot gráf • Szemléletes, könnyen áttekinthető • Két (belső) szekunder változó • Négy lehetséges állapot – A lehetséges állapotokat a tároló elemek kimeneti jelével kódoljuk – Q 2 Q 1 = 00, 01, 10, 11 – Egyik sem tiltott – Ha X = 1 állapotváltozás következik be /0 Q2Q2 Q1Q1 Q 2 Q /0 11 0/1 1/0 1/1 1/0 X Y

46 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – Állapottáblázat • Az állapot gráfból könnyen felírható 46 Q2nQ2n Q1nQ1n XQ 2 n+1 Q 1 n+1 Y /0 10 0/0 11 0/1 1/0 1/1 1/0

47 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – Állapotegyenletek • Egy sorrendi hálózat elvi működése két logikai függvénnyel írható le – Állapotegyenlet (szekunder változók függvénye) – Kimeneti függvény (függő változók függvénye) – Annyi állapotegyenlet ahány szekunder változó (ahány tároló elem) – Annyi kimeneti egyenlet, ahány kimenet – A hálózat tényleges felépítésére nem ad információt » JK, T vagy D tárolóval, NAND, NOR … ? 47 Q n+1 = F Q (X n,Q n ) Y n = F Y (X n,Q n ) Q2nQ2n Q1nQ1n XQ 2 n+1 Q 1 n+1 Y X Q2nQ1nQ2nQ1n Q 2 n+1 X Q2nQ1nQ2nQ1n Q 1 n+1

48 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – Gyakorló feladatok – Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok tervezése

49 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – VHDL (VHSIC Hardware Description Language) • VHSIC : very-high-speed integrated circuits – Hardver leíró nyelv • Logikai áramkörök egyszerű szöveges leírására fejlesztették ki (USA 1987) – A logikai áramkörökre jellemző párhuzamosság kezelésére, leírására » Konkurens » Szekvenciális utasítások – Logikai hálózatok » Modellezésére » Szimulációjára (testbench) » Szintetizálására (hardver megvalósítás) – IEEE szabvány » IEEE Std » IEEE Std • A programozási nyelvekhez hasonló felépítés – Automatizálható feldolgozás (text) – Integrált áramkörök gyártásánál – Programozható logikai áramkörök (CPLD, FPGA) fejlsztéséhez

50 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – VHDL Használt könyvtárak (hasonló: #include ) Be- kimenetek definíciója (portok) Belső jelek, konstansok stb.. definíciója, inicializálása Működést leíró utasítások in0 in1 inBus outBus out0 out1 clk logic

51 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – VHDL • Értékadás signal a : STD_LOGIC; signal b : STD_LOGIC; signal c : STD_LOGIC; signal d : STD_LOGIC; … … begin a <= ’0’; b <= ’1’; c <= a and b; d <= c or b when a = ’1’ else a nor b when a = ’0’; … … end Behavioral • Konkurens utasítások – Az utasítások egyszerre hajtódnak végre, a leírás sorrendjétől függetlenül – Általában kombinációs hálózatot ír le b a c d

52 Szinkron sorrendi hálózatok • Szinkron sorrendi hálózat működése – VHDL • Értékadás signal d : STD_LOGIC; signal q : STD_LOGIC; signal qn : STD_LOGIC; signal reset : STD_LOGIC; signal clk : STD_LOGIC; … begin … qn <= not q; process begin if (reset = ’1’) then q <= ’0’; elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= d; end if; end process; … end Behavioral; • Szekvenciális utasítások – A leírás sorrendjében hajtódnak végre – Szekvenciális hálózatot lehet leírni

53 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Tárolóegységek összekapcsolásával, egyszerű bemeneti kombinációs hálózattal kiegészítve – Átmeneti tárolás – Léptetés – Vezérlési feladatok – Soros-párhuzamos, párhuzamos-soros átalakítás 53

54 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Átmeneti tárolás – Azonos órajelű D tárolókból épül fel – Több bites adatok átmeneti tárolására » Vezérlő információk » Műveletek operandusainak és eredményének tárolása signal d : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); signal q : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); signal clk: STD_LOGIC; … process Begin if (clear = ’1’) then q <= ”0000”; elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= d; end if; end process; 54

55 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Léptetés – Azonos órajelű D tárolókból épül fel – A tárolók kimenete egy másik tároló bemenetére csatlakozik » Az órajel hatására az információ az egyik tárolóból a másikba íródik » Léptetőregiszter, shift-regiszter – Léptetés jobbra Process Begin if (clear = ’1’) then q <= ”0000”; elsif (clk`event and clk = ’1’) then q(2 downto 0) <= q(3 downto 1); q(3) <= qin; end if; end; 55 Q0Q0 Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3

56 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Léptetés – Azonos órajelű D tárolókból épül fel – A tárolók kimenete egy másik tároló bemenetére csatlakozik » Az órajel hatására az információ az egyik tárolóból a másikba íródik » Léptetőregiszter, shift-regiszter – Léptetés balra Process Begin if (clear = ’1’) then q <= ”0000”; elsif (clk`event and clk = ’1’) then q(3 downto 1) <= q(2 downto 0); q(0) <= qin; end if; end; 56 Q3Q3 Q0Q0 Q1Q1 Q2Q2

57 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Léptetés – Jobbra, balra léptetés – Párhuzamos be- kimenet – Soros be- kimenet – Alkalmas soros/párhuzamos átalakításra – SLI: baloldali soros bemenet – SRI: jobboldali soros bemenet – D: párhuzamos bemenetek – Q: párhuzamos kimenetek – CE: órajel engedélyező bemenet – C: órajel – L: beírás engedélyezés – LEFT: balra/jobbra léptetés – R: szinkron törlés 57 Párhuzamos bemenetek Soros bemenet Párhuzamos kimenetek Soros kimenet

58 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Léptetés – Jobbra, balra léptetés – Párhuzamos be- kimenet – Soros be- kimenet – Alkalmas soros/párhuzamos átalakításra – SLI: baloldali soros bemenet – SRI: jobboldali soros bemenet – D: párhuzamos bemenetek – Q: párhuzamos kimenetek – CE: órajel engedélyező bemenet – C: órajel – L: beírás engedélyezés – LEFT: balra/jobbra léptetés – R: szinkron törlés 58 InputsOutputs RLCELEFTSLISRID3 : D0CQ0Q3Q2 : Q1 1XXXXXX↑000 01XXXXD3 : D0↑D0D3Dn 000XXXXXNo Change 0011SLIXX↑ q2qn XSRIX↑q1SRIqn+1 qn-1 or qn+1 = state of referenced output one setup time prior to active clock transition

59 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Speciális számlálók – Gyűrűs-számláló – A LOAD bemenettel a D3-D0 bemeneteket 0001 alaphelyzetbe állítjuk – Az órajel engedélyezése után minden órajel ciklusban az 1-es továbblép a következő helyi értékre – A visszacsatolás miatt 4 ciklus után újra kezdődik a folyamat – A 2 n (16) lehetséges állapotból csak n (4) valósul meg (12 tiltott állapot) 59 Q 3 Q 2 Q 1 Q … CE = 1

60 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Álvéletlen szám generátor léptetőregiszterrel ( LFSR (Linear Feedback Shift Register) – Bitminta generálás – Titkosítás – Hibavédelem – Ha a regiszterek tartalma 0 ez az állapot marad – Nem nulla kezdőállapot után véges hosszúságú periodikus jelet állít elő a kimeneten – A periódus hossz maximum 2 n -1 (n a regiszterek száma) 60

61 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Álvéletlen szám generátor léptetőregiszterrel ( LFSR (Linear Feedback Shift Register) 61

62 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Regiszterek • Álvéletlen szám generátor léptetőregiszterrel ( LFSR (Linear Feedback Shift Register) 62

63 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Bináris felfelé számláló – Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) – A hálózat 2 3 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot – A Q 0 bit minden órajelre billen » T-tároló T = 1 állandó bemenettel – A Q 1 bit akkor billen a következő órajelre ha Q 0 = 1 » T-tároló T = Q 0 állandó bemenettel – A Q 2 bit akkor billen a következő órajelre ha Q 1 Q 0 = 11 » T-tároló T = (Q 0 ÉS Q 1 ) állandó bemenettel 63 Q 2 Q 1 Q (0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) „1” Q0Q0 Q1Q1 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0 Q0Q0 T2T2 T1T1 T0T0

64 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Bináris felfelé számláló – Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) – A hálózat 2 3 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot – VHDL: use IEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; … signal q : STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0); signal clk: STD_LOGIC; signal clear: STD_LOGIC; … process Begin if (clear = ’1’) then q <= ”000”; elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= q+1; end if; end process; 64

65 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Bináris lefelé számláló – Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) – A hálózat 2 3 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot – A Q 0 bit minden órajelre billen » T-tároló T = 1 állandó bemenettel – A Q 1 bit akkor billen a következő órajelre ha Q 0 = 0 » T-tároló T = Q 0 állandó bemenettel – A Q 2 bit akkor billen a következő órajelre ha Q 1 Q 0 = 00 » T-tároló T = (Q 0 ÉS Q 1 ) állandó bemenettel 65 Q 2 Q 1 Q (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1) (0) „1” Q0Q0 Q1Q1 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0 Q0Q0 _ _ _ _ _ T2T2 T1T1 T0T0

66 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Bináris lefelé számláló – Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) – A hálózat 2 3 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot – VHDL: use IEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; … signal q : STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0); signal clk: STD_LOGIC; signal clear: STD_LOGIC; … process Begin if (clear = ’1’) then q <= ”000”; elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= q-1; end if; end process; 66

67 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Bináris fel-le számláló – Az számlálási irányt megadó X bemenet függvényében » Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) » Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) 67 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0 T2T2 T1T1 T0T

68 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Bináris fel-le számláló – Az számlálási irányt megadó X bemenet függvényében » Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) » Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) 68 „1” Q0Q0 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0 Q1Q1 X Q0Q0 Q1Q1 X Q0Q0 X Q0Q0 X T2T2 T1T1 T0T0

69 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Bináris fel-le számláló – Az számlálási irányt megadó X bemenet függvényében » Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) » Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) – VHDL: use IEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; … signal q : STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0); signal x: STD_LOGIC; signal clk: STD_LOGIC; signal clear: STD_LOGIC; … process Begin if (clear = ’1’) then q <= ”000”; elsif (clk`event and clk = ’1’) then if (x = ’0’) then q <= q+1; else q <= q-1;end if; end process; 69

70 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Decimális felfelé számláló – Pl. 0-tól 9-ig (0000b – 1001b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (4-bites BCD kód) – A hálózat 2 4 = 16 állapotot vehet fel, ebből 6 tiltott állapot – 1001b-ig úgy működik mint egy bináris számláló, de 1001b után 0000b kell következzen – A bemeneti kombinációs hálózat a bináris számlálótól különböző lesz 70 Q 3 Q 2 Q 1 Q (0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

71 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Decimális felfelé számláló – Pl. 0-tól 9-ig (0000b – 1001b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (4-bites BCD kód) – A hálózat 2 4 = 16 állapotot vehet fel, ebből 6 tiltott állapot

72 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Számlálók • Decimális felfelé számláló – Pl. 0-tól 9-ig (0000b – 1001b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (4-bites BCD kód) – A hálózat 2 4 = 16 állapotot vehet fel, ebből 6 tiltott állapot – Q 3 kimenet billen ha » Q 0 = Q 1 = Q 2 = 1 vagy » Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 = 1001 – Q 2 kimenet billen ha » Q 0 = Q 1 = 1 – Q 1 kimenet billen ha » Q 0 = 1 és » Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 ≠ 1001 – Az ”1001” állapot jelzéséhez BCD kódban elég ha Q 3 = Q 0 = 1 72

73 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok – Frekvenciaosztás • n bites számláló frekvenciaosztása: 2 n f0f0 f 0 /4 f0f0 f 0 /8 f 0 /16 f 0 /2

74 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű aszinkron sorrendi hálózatok – Aszinkron számlálók • Bináris felfelé számláló – Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) – A hálózat 2 3 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot – A T tárolók kimenete a következő tároló órajel bemenetére csatlakozik – A tárolók kimeneti jelének frekvenciája fele a bemeneti órajel frekvenciájának – Előny: » Nem kellenek kiegészítő kapuáramkörök – Hátrány: » A késleltetések miatt a tárolók nem egyszerre billennek » Az órajel változásakor rövid időre határozatlan kimeneti jel 74 Q 2 Q 1 Q (0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Q1Q1 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0

75 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű aszinkron sorrendi hálózatok – Aszinkron számlálók • Bináris felfelé számláló – Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites) – A hálózat 2 3 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot 75 Q 2 Q 1 Q (0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Q1Q1 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0

76 Szinkron sorrendi hálózatok • Egyszerű aszinkron sorrendi hálózatok – Diszkrét áramkörök • D flip-flop – 74AC AC11074 • J-K tároló – CD54AC112 CD54AC112 • Léptető regiszter – CD4015 CD4015 • Számláló – CD40193 CD40193 Texas Instruments 76

77 Memóriák • Memóriák (tárolók) – Nagyobb mennyiségű információ átmeneti vagy tartós tárolására szolgáló egységek • Regiszterek – Néhány bit, vagy bitcsoport (4, 8, 16, 32 …stb.) tárolására • Több regiszterből nagyobb tárolókapacitású tárolók építhetők – Kiegészítő és vezérlő egységek szükségesek » A tárolt információ célszerű kezeléséhez » Más áramkörökkel való együttműködés, illeszthetőség » foglaltság, készenlét stb… 77 Memória Cím Vezérlés Adat • Memóriák működése – A „Cím” bemenetre érkező információval jelöljük ki » az „Adat” csatlakozóra érkező, tárolandó » az „Adat” csatlakozón távozó, kiolvasandó információ memórián belüli helyét (memória rekeszt) – A „Vezérlés” csatlakozásokon keresztül adhatunk utasításokat » beírás, kiolvasás stb… vagy nyerhetünk információkat a memória működésére vonatkozólag » foglaltság, készenlét stb…

78 Memóriák • Működés – Általános memória felépítése • 1 db cella 1 bit tárolására képes • 1 rekesz (sor) K db cellából épül fel. 1 sor mérete K bit. Ettől függően léteznek: – Byte szervezésű (K = 8) – Szó szervezésű (K = 16) – Duplaszó szervezésű (K = 32) • A párhuzamos hozzáférésű memóriáknál az adatbusz hozzávezetéseinek számát K adja meg • A memória tömb N = 2 L db rekeszből épül fel – A párhuzamos címzésű memóriáknál a címbusz hozzávezetéseinek száma L • Memória tárolókapacitása – tárolt bitek száma = 1 rekesz mérete * rekeszek darabszáma = K * N bit • Vezérléstől függően 3 féle állapot: – Írás: R = 1, W = 0 – Olvasás : R = 0, W = 1 – Üresjárat / tárolás: R = 1, W = 1 78 Cím (Address) N db memóriarekesz Tömb Rekesz Cella Vezérlés WRCLK

79 Memóriák • Működés – Általános memória felépítése • Cella – RS tároló + logika • Rekesz – Regiszterhez hasonlóan, tároló cellák párhuzamosan kapcsolva 79 I W RS Q n+1 00 QnQn X O 012K-1 I0I0 I1I1 I2I2 I K-1 O0O0 O1O1 O2O2 O K-1 W

80 Memóriák • Működés – Általános memória felépítése • Rekeszek memória tömbbé szervezése 80

81 Memóriák • Működés – Általános memória felépítése • Rekeszek memória tömbbé szervezése – IS65C256AL IS65C256AL 81

82 Memóriák • Működés – Olvasás, párhuzamos független adat és címvezetékekkel • CE: Chip Enable • OE : Output Enable 82

83 Memóriák • Működés – Írás, párhuzamos független adat és címvezetékekkel • CE: Chip Enable • WE : Write Enable • Olvasás 83

84 Memóriák • Csoportosítás • A megcímzett rekesz hozzáférési módja szerint – Tetszőleges (véletlen) hozzáférésű memória (RAM: Random Access Memory) » Bármely adat a címtől függetlenül azonos idő alatt elérhető – Soros hozzáférésű memória (SAM: Serial Access Memory) » Az adat címétől függő elérési idő » Pl. Mágnesszalagos tárolás – Asszociatív memória (CAN : Content Addressable Memory) » Megadja, hogy az adott információ a memória mely címén található • Az információ beírhatósága szempontjából – Csak olvasható memória (ROM: Read Only Memory) – Módosítható memória (RWM: Read Write Memory) » RAM • A tárolás időbeli módja – Statikus (pl.: SRAM) » Tápfeszültség esetén az információt korlátlan ideig megőrzi – Dinamikus (pl.: DRAM) » A memória tartalma időnként frissítésre szorul (ez hátrány) » (De) nagy tároló kapacitás érhető el 84

85 Memóriák – Pl.: • 2 16 bit tárolása (64 Kibit), 2 16 cella • 8 bit (byte) szervezés: 8 KiByte, 2 13 rekesz • Párhuzamos szervezéssel – 8 adatvezeték – 13 cím vezeték • Soros szervezéssel csökkenteni lehet a kivezetések számát – Egy 32 bites 2GiByte-os memóriának » 32 adatvezetés » 29 címvezeték – Párhuzamos memória + soros-párhuzamos átalakítás 85

86 • Csoportosítás Memóriák Hozzáférés PárhuzamosSoros Független cím- és adatbusz Univerzális (egyesített) Cím- és adatbusz Független cím- és adatbusz Univerzális Cím- és adatbusz 86 Address Data WR RE CLK Address/ Data ALE WR RE CLK Address Data WR RE CLK Address/ Data WR RE CLK 512M x 32 (K =29, L=32) tömb eseténM: chip lábainak számaQ: 1 művelethez szükséges órajel periódusok száma M = 66 Q = M = 38 Q = M = 7 Q = M = 6 Q =

87 Memóriák • Soros hozzáférésű memória – Párhuzamos memóriából, soros-párhuzamos, párhuzamos-soros átalakítókkal 87 S → P A0A0 A1A1 A2A2 A L-1 S ↔ P D1D1 D0D0 D2D2 DKDK DA CLK W R

88 Memóriák • Bővítés – Szóhossz bővítés 88 D0D0 D1D1 D2D2 D K-1 DKDK cs wR Data Adrr cs wR Data Adrr D0D0 D1D1 D2D2 D K-1 DKDK D K+1 D K+2 D 2K-1 cs wR Adrr 2 x 8k * 8 = 8k * 16

89 Memóriák • Bővítés – Kapacitás bővítés 89

90 Memóriák • Írás,olvasás, törlés 90 Egyéb • Írás a gyárban • Törlés nem lehetséges •1x felhasználó által is írható (beégethető) •Törlés nem lehetséges •Felhasználó által is írható •Törlés 10”-es UV-s levilágítással •Felhasználó által is írható •Elektromosan törölhető •Tápfesz nélkül elveszti a tartalmát •Gyors •Nem kell frissíteni •Tápfeszültség alatt is néha frissíteni kell •Lassú Nem illékony Illékony

91 Mikroprocesszoros rendszerek • Algoritmusok megvalósítása – Műszaki rendszereket mindig valamilyen feladat megoldása érdekében építünk – A feladatmegoldás általában valamilyen algoritmus szerint történik • Mérésadatgyűjtés • Adatok elemzése (pl. összehasonlítás) • Aritmetikai, logikai műveletek végzése az adatokon • Döntéshozatal stb. – Az információfeldolgozás menetét (programját) építjük be a rendszerbe • 1. megoldás: – A rendszer összetevői és egymáshoz való kapcsolódásuk, sorrendiségük a hardverben fixen „behuzalozva” jelennek meg • 2. megoldás – Az algoritmusnak megfelelő sorrendben, előre letárolt program szerint, egy vezérlő berendezés segítségével aktivizáljuk az egyes műveletvégző egységeket 91

92 Mikroprocesszoros rendszerek • Algoritmusok megvalósítása 1. megoldás: Huzalozott program • A rendszer összetevői és egymáshoz való kapcsolódásuk, sorrendiségük a hardverben fixen „behuzalozva” jelennek meg – Előny » Egyes részfeladatok párhuzamosan is végrehajthatók (gyors működés) – Hátrány » A hardver a rögzített struktúra miatt csak az adott feladat megoldására alkalmas 2. megoldás: Tárolt program • Az algoritmusnak megfelelő sorrendben, előre letárolt program szerint, egy vezérlő berendezés segítségével aktivizáljuk az egyes műveletvégző egységeket – Előny » Ha megváltoztatjuk a memória tartalmát (a programot) más-más feladatra használhatjuk – Hátrány » A részfeladatok nehezen párhuzamosíthatók (lassúbb működés) » Szekvenciális utasítás végrehajtás Hardverben rögzített algoritmus Bemenet Kimenet Bemenet Kimenet Memória Vezérlő További rendszerösszetevők 92

93 Mikroprocesszoros rendszerek • Algoritmusok megvalósítása tárolt program alapján – Vezérlő egység • A vezérelt rendszer kívánt algoritmus szerinti működését – Felügyelik – Szervezik • A vezérlő működési programja lehet – Fázisregiszteres » Kötött struktúrájú » A fázisregiszter (ez lehet egy számláló is) tárolja a vezérlő belső állapotát » A belső állapotnak megfelelően kell előállítani a kimeneti vezérlő jeleket » A módosítás nehézkes – Mikroprogramozott » A vezérlőt működtető utasítások sorozata (a program) egy memóriában van tárolva » Az aktuális utasítás megadja az adott fázisban végrehajtandó műveletet és a következő utasítás memórián belüli címét Bemenet Kimenet Memória Vezérlő További rendszerösszetevők 93

94 Mikroprocesszoros rendszerek • Algoritmusok megvalósítása tárolt program alapján – Memória • A rendszer működése hatékonyabb, ha a memóriában nem csak az utasítások hanem adatok is tárolhatók későbbi felhasználás céljából – Programmemória – Adatmemória • Lehet közös memória (Neumann architektúra) • Vagy fizikailag külön adat és programmemória (Harvard architektúra) – Bemenetek- Kimenetek • A bementi adatok fogadására • A kimeneti adatok megjelenítésére • A külvilággal való kommunikációra, illesztésre Bemenet Kimenet Memória Vezérlő További rendszerösszetevők 94

95 Mikroprocesszoros rendszerek • Algoritmusok megvalósítása tárolt program alapján – Műveletvégző egységek • A gyakran használt aritmetikai és logikai műveletek végrehajtását célszerű külön erre a célra tervezett egységre bízni – ALU (Arithmetic Logic Unit) • A vezérlési, aritmetikai és logikai, illetve egyéb feldolgozási műveleteket elvégző központi egységet CPU-nak ( Central Processing Unit, központi feldolgozó egység) hívjuk Bemenet Kimenet Memória Vezérlő További rendszerösszetevők 95

96 Mikroprocesszoros rendszerek • CPU – Az utasítások alapján előállítja a processzoron belüli és a processzorhoz kapcsolt külső egységek működéséhez szükséges vezérlőjeleket • Belső vezérlő jelek – ALU működtetése – Regiszterek és a belső sínrendszer közötti adatátvitel • Külső vezérlőjelek – A memória – CPU közötti adatátvitel – A perifériák – CPU közötti adatátvitel – A művelet-végrehajtás elemi lépéseit mikroprogram írja le, amely a programtárban (memória) helyezkedik el • A mikroprogram mikroutasításokból áll – Műveleti kód » Az adott fázisban elvégzendő feladathoz rendelt vezérlővonal állapotokat adja meg – Címzésmód » A mikroprogram végrehajtása hogyan folytatódik a következő utasítással a tárban, feltétel nélküli vezérlésátadással (INC) vagy egy külső feltételtől függő vezérlésátadással (JMP) – Következő mikroutasítás címe » Automatikus inkrementálásnál lényegtelen – Operandus(ok) cime(i) » A memória mely elemeivel akarunk műveletet végezni » Pl: A = A+B (A és B a memóriában tárolt adatok címei) 96

97 Mikroprocesszoros rendszerek • CPU – Cím- adat- és vezérlősínek (buszrendszer) • CPU a hozzá csatlakoztatott memóriaegységekkel, be- és kimeneti egységekkel, regisztertárakkal ezeken keresztül tart kapcsolatot. • Több párhuzamos vezeték, melyeken az adatok, a memóriák egyes rekeszeit kiválasztó címek, és egyéb vezérlőjelek utaznak • A síneken általában több eszköz osztozik, de egyszerre csak egy használhatja őket 97

98 Mikroprocesszoros rendszerek • CPU – Utasítás dekódoló és végrehajtó egység • Irányítja és ütemezi az összes többi egység működését • Az adatokat vagy címeket a megfelelő útvonalon vezeti végig, hogy a kívánt helyre eljussanak • Ha szükséges, beindítja az ALU valamelyik műveletvégző áramkörét – PC (Program Counter Register) programszámláló regiszter • A következő utasítás memóriacímét tartalmazza • Minden utasítás végrehajtása során egyel nő az értéke – IR (Instruction Register) utasítás regiszter • A memóriából kiolvasott utasítást tartalmazza • A dekódoló egység értelmezi a tartalmát és ennek megfelelően ad ki vezérlő jeleket a többi egységnek • Ugrás esetén innen kerül a következő utasítás címe a PC-be, memória íráskor illetve olvasáskor ebből a regiszterből jut el a kívánt cím a memóriához (az MA regiszteren keresztül) – MA (Memory Address Register) memória címregiszter • Az MA és MD regiszterek tartják a közvetlen kapcsolatot a memóriával • Az MA-ból jut a memória bemeneteire a kiválasztott rekesz címe (adatírás, -olvasás, utasításbeolvasás esetén) – MD (Memory Data Register) memória adatregiszter • A memóriából kiolvasott adat közvetlenül ide kerül, illetve a memóriába innen töltjük az adatokat 98

99 Mikroprocesszoros rendszerek • CPU – ALU (Arithmetic Logic Unit) • CPU "kalkulátora” • Néhány alapvető műveletet képes végrehajtani – Összeadás, kivonás, átvitel bitek kezelése – Fixpontos szorzás osztás – Logikai műveletek – Léptetések, bitek mozgatása jobbra/balra – Lebegőpontos aritmetikai műveletek – Akkumulátor • Ideiglenes tárolást (munkamemóriát) biztosít(anak) az ALU számára – Egyéb regiszterek • A CPU belső tárolóelemei • Írásuk és olvasásuk sokkal gyorsabb a memóriákénál • Segítik a címképzést, tárolnak állapotjellemzőket, státusokat (ezzel a vezérlést segítik) • Tartalmuk gyorsan és egyszerűen elérhető a CPU elemei számára 99

100 Mikroprocesszoros rendszerek • CPU – Pl. Adat beírása az akkumulátor regiszterbe 1.lépés: A PC-ből az MA-n keresztül a memória bemeneteire jut az utasítás címe. A memória adatvezetékein megjelenik a rekesz tartalma (vagyis a műveleti kód), az MD-n keresztül az IR-be kerül 2.lépés: Az utasítás dekódoló és végrehajtó egység beolvassa a műveleti kódot, és értelmezi azt 3.lépés: A PC értéke eggyel nő (így az operandus címére mutat) 100

101 Mikroprocesszoros rendszerek • CPU – Pl. Adat beírása az akkumulátor regiszterbe 1.lépés: A PC-ből az MA-n keresztül a memória bemeneteire jut az utasítás címe. A memória adatvezetékein megjelenik a rekesz tartalma (vagyis a műveleti kód), az MD-n keresztül az IR-be kerül 2.lépés: Az utasítás dekódoló és végrehajtó egység beolvassa a műveleti kódot, és értelmezi azt 3.lépés: A PC értéke eggyel nő (így az operandus címére mutat) 4.lépés: Az operandus címe a PC-ből a memória bemeneteire jut, majd tárolt érték az MD-n keresztül az akkuba kerül 5.lépés: A PC értéke megint eggyel nő, vagyis a következő utasításra mutat: elkezdődhet annak a végrehajtása. 101

102 Mikroprocesszoros rendszerek • Mikroprocesszorok (  P), mikroszámítógépek (  C)

103 Mikroprocesszoros rendszerek • Mikroprocesszorok (  P), mikroszámítógépek (  C) ATmega168 TMS320C28x TMS320C6416T


Letölteni ppt "Digitális technika II. Rész: Sorrendi hálózatok Dr. Turóczi Antal"

Hasonló előadás


Google Hirdetések