Hardver alapismeretek A digitális technika alapjai A mikroelektronika alapjai CPU – mikroprocesszorok Számítógépek rendszertechnikája

0. Fogalmak Hardver (hardware): számítógép elektronikus áramkörei, mechanikus berendezései, kábelek, csatlakozók, perifériák (önmagában nem működőképes)

0. Fogalmak Szoftver (software): számítógépet működőképessé tevő programok és azok dokumentációi Firmware: célprogram; mikrokóddal írt, készülék-specifikus (hardverbe ágyazott) szoftver gyakran flash ROM

1. A digitális technika alapjai 1.1. A műszaki rendszer modellje 1.2. Logikai áramkörök (logikai hálózatok) 1.3. Kombinációs logikai hálózatok 1.4. Szekvenciális (sorrendi) logikai hálózatok

1.1. A műszaki rendszer modellje

A műszaki rendszer modellje A műszaki gyakorlatban előforduló beren-dezéseket, eszközöket a következő rendkívül általános modell kapcsán tanulmányozzuk: Érkező információk Távozó információk Belső információk Algoritmusok Műveletek Realizációs eszközök

A műszaki rendszer modellje Információk Az információkat fizikailag a rendszerben áramló jelek hordozzák Analógnak nevezzük azokat a jeleket, melyek valamely fizikai mennyiség folytonos függvény szerinti megváltozása révén jellemzik az információt. Analóg jel: mind időben, mind amplitúdóban folyamatos jel

A műszaki rendszer modellje Digitálisnak nevezzük azokat a jeleket, melyek számjegyes kifejezésmódban jellemzik az információt. A-D átalakítás: mintavételezés (Shannon-Nyquist kritérium), kvantálás (pl. 8 bit)

A műszaki rendszer modellje Algoritmusok A műszaki rendszer valamilyen feladat megoldása érdekében tevékenykedik. A feladatmegoldás céljából meghatározott sorrendben végrehajtott műveletek együttesét tekinthetjük esetünkben algoritmusnak.

A műszaki rendszer modellje Műveletek A digitális rendszerekben a feladatok megoldása során logikai műveleteket végzünk (ld. később). Realizációs eszközök Az információt fizikai jelekre képezik le, és a művelteket ezen fizikai jelek feldolgozásával végzik az algoritmus előírásai szerint.

Digitális áramkör fogalma Az áramkör bármely pontján mérhető jeleknek csak két állapotát különböztetjük meg, melyekhez két logikai állapotot rendelhetünk.

1.2. Logikai áramkörök (logikai hálózatok)

Logikai áramkör (hálózat) A digitális áramkörök modellezésére logikai hálózatokat használunk. A logikai hálózatok tervezéséhez, leírásához a logikai algebrát (Boole algebrát, George Boole XIX. sz-i matematikus) használjuk

Logikai algebra elemei logikai állandók: 0, 1 (hamis, igaz) logikai változók: A, B, X, Y stb. logikai műveletek: és (∙), vagy (+), negáció (A) stb. logikai kifejezések: pl: ABC + ABC + ABC logikai függvények: pl: F = ABC + ABC + ABC

Logikai kapuk A logikai áramkörök építőkockái. A logikai alapműveleteket valósítják meg. Ezek egyszerű kombinációjával további áramköröket tudunk felépíteni pl. az aritmetikai műveletek megvalósítására.

ÉS (AND) kapu X1 F A B Q Xn 1 1 F = X1·X2·…·Xn 1 1 1

VAGY (OR) kapu X1 F A B Q Xn 1 1 1 1 1 1 1 F = X1+X2+…+Xn

NEM kapu (inverter, fordító) X F F = X

NEM ÉS (NAND) kapu X1 F Xn F = X1·X2·…·Xn A B Q 1 1 1 1 1 1 1 1 Xn 1 1 1 1 F = X1·X2·…·Xn 1 1 A legolcsóbb logikai kapu

CMOS 4011 quad NAND IC

NEM VAGY (NOR) kapu X1 F A B Q 1 Xn 1 1 1 1 F = X1+X2+…+Xn

Logikai áramkörök kombinációs áramkörök szekvenciális (vagy sorrendi) áramkörök

1.3. Kombinációs logikai hálózatok

Kombinációs logikai hálózatok A kimeneti jelek értékei csak a bemeneti jelek pillanatnyi értékétől függenek. X1 F1 KH Xn Fm A kimenetek egy-egy függvénykapcsolattal írhatók le. Pl.: F1(X1, X2, …, Xn)

Egy logikai hálózat tervezésének lépései Igazságtábla felállítása (n jel esetén 2n sorral rendelkező táblázat) Logikai függvény felírása (Logikai függvény minimalizálása) (Hazárdmentesítés) Megvalósítás logikai kapukkal

Kombinációs logikai hálózatok Csak NAND, illetve csak NOR kapukkal bármely logikai áramkör realizálható. De Morgan azonosság: A + B = A · B AB + CD = AB · CD

Félösszeadó Feladata két bit összeadása A S FÖ B C S: összeg C: maradék, átvitel, carry

Félösszeadó Igazságtáblája Logikai függvények A B S C 1 S = AB + AB 1 S = AB + AB C = AB

Félösszeadó Realizálás kapukkal A S B C

Teljesösszeadó Feladata két bit és az előző helyi értékből származó maradék összeadása A S TÖ B Cout Cin

Logikai függvények A B Cin S Cout 1 S = ABCin + ABCin + ABCin + ABCin Cout = ABCin + ABCin + ABCin + ABCin (Minimalizálva: Cout = AB + BCin + ACin)

Két 4 bites szám összeadása A3 B3 A2 B2 A1 B1 A0 B0 A B Cin A B Cin A B Cin A B TÖ TÖ TÖ FÖ Cout S Cout S Cout S Cout S Q3 Q2 Q1 Q0 Carry flag

Kivonás Visszavezetése összeadásra kettes komplemens kódolással komplemens képzés 3:0011; -3:1101 összeadás: 0101 +1101 10010 = 2 Általánosan: a+(1111–b+1) =a+(10000–b) =a–b+10000

Multiplexer Feladata több bemenő jel közül egy kiválasztása 2n adatbemenet, egy adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatbemenetet Felhasználható még: párhuzamos – soros adatkonverter Multiplexer 4 - 1 A B Q C D S1 S0

Multiplexer A B Q C D S1 S0 =0 =1 =0 =1 1 1 A B Q 1 C 1 D 1 1 S1 S0 1 1 Multiplexer 4 - 1 1 A B B Q 1 C 1 Q D C 1 1 S1 S0 D 1 1 S1 S0 =0 =1 =0 =1

Demultiplexer Feladata egy jel kapcsolása választható kimenetre Egy adatbemenet, 2n adatkimenet, n db vezérlőbemenet, melyek kiválasztanak egy adatkimenetet

Demultiplexer 1 1 Q0 Q1 A Q2 Q3 S1 S0 =1 =0 Q0 1 Q1 A Q2 Q3 1 1 S1 S0 1 Q0 Demultiplexer 1 - 4 Q0 1 Q1 A Q1 Q2 A Q3 Q2 1 1 S1 S0 1 Q3 S1 S0 =1 =0

Példa: több jel továbbítása egy vezetéken

Címdekóder Feladata cím dekódolása n bites számot használ bemenetként, és ki tudunk választani vele (be tudjuk állítani 1-re) pontosan egyet a 2n kimenet közül

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 3–to-8 decoder Q7 =1 =0 =1 A2 A1 A 0 1 1 1 Q0 Q1 1 Q0 1 Q1 1 3 bites címdekóder Q0 Q1 Q2 Q2 A0 1 A1 Q3 Q3 Q4 A2 Q5 1 Q4 Q6 1 Q7 1 1 1 Q5 1 Q6 1 3–to-8 decoder 1 Q7 1 =1 =0 =1 A2 A1 A 0

Címdekóder A2 A1 A0 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 1

1.3. Szekvenciális (sorrendi) logikai hálózatok

Szekvenciális logikai áramkör A kimenet függ: a bemeneti jelkombinációtól és a hálózatra megelőzően ható jelkombinációktól, azaz a hálózat állapotától. X fZ(X, y) fY(X, y) Z y Y

Szekvenciális logikai áramkör Csoportosításuk: aszinkron sorrendi hálózatok szinkron sorrendi hálózatok (órajel)

Flip-flop Elemi sorrendi hálózatok Két stabil állapotú (0, 1) billenő elemek. Állapotuk megegyezik a kimenettel. Alkalmazásuk: regiszterek, memóriák (SRAM), számlálók. Más néven bistabil multivibrátor

S - R flip-flop Set - Reset S R Qold Q 1 X - S f(S, R, y) Y = Z R y Y

S - R flip-flop Set: 1 Reset: 1 00 , 01 00 , 10 10 1 1 01

S – R flip – flop Realizálása 1 S 1 Z 1 R 1 1 1 1 y

Aszinkron, szinkron flip-flop

Számláló