Alapvető digitális logikai áramkörök

Az előadások a következő témára: "Alapvető digitális logikai áramkörök"— Előadás másolata:

1 Alapvető digitális logikai áramkörök
Integrált áramkör (IC, Integrated Circuit, chip, lapka) 5x5 mm2 szilícium darab kerámia vagy műanyag lapon (tokban), lábakkal (pins). Négy alaptípus: SSI (Small Scale Integrated 1-10 kapu), MSI (Medium Scale ..., kapu), LSI (Large Scale..., kapu), VLSI (Very Large Scale ..., > kapu). Máté: Architektúrák 3. előadás

2 3.10. ábra SSI lapka négy NAND kapuval Vcc: feszültség, GND: föld.
14 13 12 11 10 9 8 Bevágás 1 2 3 4 5 6 7 GND 3.10. ábra SSI lapka négy NAND kapuval Vcc: feszültség, GND: föld. Máté: Architektúrák 3. előadás

3 Kombinációs áramkörök
Kívánalom: sok kapu – kevés láb Kombinációs áramkörök Definíció: A kimeneteket egyértelműen meghatározzák a pillanatnyi bemenetek. Máté: Architektúrák 3. előadás

4 Multiplexer: n vezérlő bemenet, 2n adatbemenet, 1 kimenet
Multiplexer: n vezérlő bemenet, 2n adatbemenet, 1 kimenet. Az egyik adatbemenet kapuzott (gated) a kimenetre ( ábra). D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A B F C Sematikus rajza Máté: Architektúrák 3. előadás

5 n vezérlő bemenetű multiplexerrel tetszés szerinti n változós Boole-függvény megvalósítható az adatbemenetek megfelelő választásával. Pl. a 3 változós többségi függvény: Párhuzamos-soros átalakítás: vezérlő vonalakon rendre: 000, 001, … 111. Máté: Architektúrák 3. előadás

6 Demultiplexer: egy egyedi bemenetet irányít az n vezérlő bemenet értékétől függően a 2n kimenet egyikére 167 multiplexer demultiplexer Máté: Architektúrák 3. előadás

7 Dekódoló: n bemenet, 2n kimenet. Pontosan egy kimeneten lesz 1 (3. 13
Dekódoló: n bemenet, 2n kimenet. Pontosan egy kimeneten lesz 1 (3.13. ábra). Demultiplexerrel: a bemenetet igazra állítjuk. demultiplexer dekódoló Máté: Architektúrák 3. előadás

8 (XOR eXclusive OR) kapu
Összehasonlító (comparator): (3.14. ábra) KIZÁRÓ VAGY (XOR eXclusive OR) kapu Igazság tábla: A B X 1 Szimbolikus jelölése 168 A B X Máté: Architektúrák 3. előadás

9 Programozható logikai tömbök: PLA (3. 15
Programozható logikai tömbök: PLA (3.15. ábra) (Programmable Logic Array). 6 kimenet Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor nem jelenik meg B# az 1-es ÉS kapu bemenetén 1 49 5 50 bemenő vonal 24 bemenő vonal Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor az 1-es ÉS kapu kimenete nem jelenik meg az 5-ös VAGY kapu bemenetén A B L 12 bemenő jel Máté: Architektúrák 3. előadás

10 Máté: Architektúrák 3. előadás

11 Aritmetikai áramkörök
A kombinációs áramkörökön belül külön csoportot alkotnak. Léptető: C=0: balra, C=1: jobbra léptet. Máté: Architektúrák 3. előadás

12 Fél-összeadó (half adder, 3.17. ábra)
Összeadók: Fél-összeadó (half adder, ábra) Máté: Architektúrák 3. előadás

13 Teljes-összeadó (full adder, 3.18. ábra)
Összeadók: Teljes-összeadó (full adder, ábra) Máté: Architektúrák 3. előadás

14 Aritmetikai-logikai egység: bitszelet (bit slice, 3. 19
Aritmetikai-logikai egység: bitszelet (bit slice, ábra), F0, F1 -től függően ÉS, VAGY, NEGÁCIÓ vagy + Máté: Architektúrák 3. előadás

15 átvitel továbbterjesztő összeadó (ripple carry adder):
Máté: Architektúrák 3. előadás

16 átvitel kiválasztó összeadó (carry select adder) eljárás:
Máté: Architektúrák 3. előadás

17 Nem kombinációs áramkörök
Óra (clock, ábra): ciklusidő (cycle time). Pl.: 500 MHz - 2 nsec. Finomabb felbontás késleltetéssel. Aszimmetrikus óra. késleltetés A B C Máté: Architektúrák 3. előadás

18 Memória: „Emlékszik” az utolsó beállításra.
Tároló: Szint vezérelt (level triggered). SR tároló (Set Reset latch, ábra). Stabil állapot: a két kimenet 0, 1 vagy 1, 0. S (set), R (reset) bemenet. (Q# ≡ Q) Máté: Architektúrák 3. előadás

19 Mindkét SR tároló indeterminisztikussá válna, ha S = R = 1 egyszerre fordulna elő.
Máté: Architektúrák 3. előadás

20 Az inverternek van egy pici (1-10 ns) késleltetése (Δ).
Az inverternek van egy pici (1-10 ns) késleltetése (Δ). Máté: Architektúrák 3. előadás

21 Flip-flop: élvezérelt (edge triggered), D flip-flop: 3.26. ábra.
Máté: Architektúrák 3. előadás

22 3.27. ábra: Tárolók és flip-flopok
D Q CK D Q CK D Q >CK D Q >CK (a) (b) tárolók (c) (d) flip-flopok CK: órajel (a) CK=1, (b) CK=0 szint esetén írja be D-t, (c) CK emelkedő, (d) CK lefelé menő élénél. Sokszor S (set, PR preset), R (reset,CLR clear) be- és Q# kimenet is van. 181 Máté: Architektúrák 3. előadás

23 3.28. ábra: (a) 2 független D flip-flop,
Vcc D Q >CK Q# CLR PR GND Máté: Architektúrák 3. előadás

24 3. 28. ábra: (b) közös CK-val és CLR-rel vezérelt
3.28. ábra: (b) közös CK-val és CLR-rel vezérelt bites D flip-flop: regiszter GND Vcc D Q >CK CLR Máté: Architektúrák 3. előadás

25 Elvárás: szavak címezhetősége.
Memória szervezése Elvárás: szavak címezhetősége. 3.29. ábra: Négy db három bites szó. Bemenetek: három a vezérléshez, CS (Chip Select): lapka választás, RD (ReaD): 1: olvasás, 0: írás választása, OE (Output Enable): kimenet engedélyezése. kettő a címzéshez (dekódoló), három a bemenő adatoknak, három adat kimenet. Máté: Architektúrák 3. előadás

26 3.29. ábra. 4  3-as memória Máté: Architektúrák 3. előadás

27 Memória szervezése Az igazi memóriáknál a bemenet és kimenet közös (kevesebb lábra van szükség): Nem invertáló és invertáló pufferek (ezek három állapotú eszközök, tri-state device, ábra). adat be adat ki vezérlés adat be adat ki vezérlés nem invertáló puffer invertáló puffer Ha a vezérlő jel Ha a vezérlő jel magas magas alacsony alacsony Máté: Architektúrák 3. előadás

28 Memórialapkák Előnyös, ha a szavak száma 2 hatvány.
4 Mbit-es memória kétféle szervezése: ábra. A0 A A10 D 4096 K 1 bites memória (4 Mbit) CS WE OE RAS CAS A0 A A18 D0 D D7 512 K 8 bites memória (4 Mbit) CS WE OE 19 cím, 8 adat vonal 11 cím, 1 adat vonal Row Address Strobe Column Address Strobe Máté: Architektúrák 3. előadás

29 512 K bájtos elrendezés: 19 cím, 8 adat vonal.
Memórialapkák A jel (bemenet) beállított (asserted) vagy negált. CS beállított: 1, de CS# beállított: 0 512 K bájtos elrendezés: 19 cím, 8 adat vonal. 2048*2048 bites elrendezés: 11 cím, 1 adat vonal: Bit kiválasztás sor- (RAS: Row Address Strobe) és oszlopindex CAS (Column ...) segítségével. Gyakran alkalmazzák nagyobb memóriáknál, bár a két cím megadása lassíthat. Nagyobb memóriáknál 1, 4, 8, 16 bites kimeneteket is használnak. Máté: Architektúrák 3. előadás

30 RAM (Random Access Memory)
Statikus RAM (SRAM). D flip-flop elemekből épül fel. Amíg áram alatt van, tartja a tartalmát. Elérési idő: néhány nsec (cache-nek jók). Dinamikus RAM (DRAM): minden bit egy tranzisztor és egy kondenzátor: néhány msec-onként frissíteni kell, de nagyobb adatsűrűség érhető el. Elérési idő: néhány tíz nsec (főmemóriák). - régi: FPM (Fast Page Mode) sor-, oszlopcím. - újabb: EDO (Extended Data Output) lehet új memóriahivatkozás, mielőtt az előző befejeződik. SDRAM (Synchronous DRAM). A központi óra vezérli. Blokkos átvitel. Újabban: DDR (Double Data Rate). Az órajel föl- és lefutó élénél is van adatátvitel. Máté: Architektúrák 3. előadás

31 ROM (Read-Only Memory)
ROM: gyárilag kialakított tartalom. PROM (Programmable ROM): a tartalom biztosítékok kiégetésével alakul ki (a PLA-khoz hasonlóan, ábra). EPROM (Erasable PROM): a biztosítékok speciális fénnyel kiolvaszthatók és „kijavíthatók”. EEPROM: elektromos impulzusokkal. Flash memória: törlés és újraírás csak blokkonként. Kb használat után „elkopnak”. Ilyen van a legtöbb MP3 lejátszóban, digitális fényképezőgépben … Máté: Architektúrák 3. előadás

32 512 MB-os flash memória Máté: Architektúrák 3. előadás

33 Mit nevezünk kombinációs áramkörnek?
Feladatok Mit nevezünk kombinációs áramkörnek? Milyen kombinációs áramköröket ismer? Milyen be- és kimenetei vannak a multiplexernek, a demultiplexernek, a dekódolónak? Mire használható a multiplexer, és hogyan? Mire használható a PLA, és hogyan? Milyen aritmetikai áramköröket ismer? Hogy működik a léptető? Hogy működik a „fél összeadó”? Mi indokolja a „fél összeadó” elnevezést? Máté: Architektúrák 3. előadás

34 Hogy épül fel a teljes összeadó? Milyen részei vannak az ALU-nak?
Feladatok Hogy épül fel a teljes összeadó? Milyen részei vannak az ALU-nak? Milyen be- és kimenetei vannak az 1 bites ALU-nak? Milyen műveletek végezhetők el az ALU-val? Hogy működik az átvitel továbbterjesztő/kiválasztó összeadó? Máté: Architektúrák 3. előadás

35 Hogy érhetünk el az órajelnél finomabb időzítést?
Feladatok Hogy érhetünk el az órajelnél finomabb időzítést? Milyen nem kombinációs áramköröket ismer? Kombinációs áramkör-e az ALU? Hogyan csökkenthető az összeadásnál az átvitelekből származó idő? Hány stabil állapota van az SR tárolónak? Mi a különbség az SR és az időzített SR tároló között? Mi a különbség az SR és D tároló között? Mi a pulzusgenerátor, és mi a működési elve? Mi a különbség a tároló és a flip-flop között? 62-63 Máté: Architektúrák 3. előadás

36 Hogy működik az invertáló és a nem invertáló puffer?
Feladatok Hogy működik az invertáló és a nem invertáló puffer? Miért használnak a memóriáknál invertáló vagy nem invertáló puffert? Hogy címezhető meg n címlábon 2n nél nagyobb memória? Mit jelent, hogy a CS/CS# bemenet beállított/negált? Mi a RAM? Milyen elemekből épül fel a SRAM? Milyen elemekből épül fel a DRAM? Hogy működik a DRAM? 62-63 Máté: Architektúrák 3. előadás

37 Mit jelent az FPM rövidítés? Mit jelent az EDO rövidítés?
Feladatok Hogy működik az SDRAM? Mit jelent az FPM rövidítés? Mit jelent az EDO rövidítés? Hogy működik a DDR? Mit jelent a ROM rövidítés? Hogy működik az EPROM? Hogy működik az EEPROM? Milyen memória van a legtöbb fényképezőgépben? 62-63 Máté: Architektúrák 3. előadás