Download - FTN Novi · PDF fileFTN Novi Sad Merni instrumenti - Digitalna elektronika 1.UVOD dr Zoran Mitrović 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika2 Merni instrumenti - Digitalna

FTN Novi SadMerni instrumenti - Digitalna elektronika

1.UVOD

dr Zoran Mitrović

15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 2

Merni instrumenti - Digitalna elektronikaUvod

UvodŠta je projektovanje logičkih kola (logičko projektovanje)?Šta je digitalni hardver?

Jezik logičkog projektovanjaBulova algebra, minimizacija logičkih funkcija, statička (za kombinacionakola) i dinamička (za memorijska kola) analiza, kompjutersko projektovanje

Kombinaciona kola u digitalnim sistemimaAnalogna su promenljivama i programabilnim brojačima u softveru

Kako da specificiramo/simuliramo/prevedemo naš dizajnJezici za opis hardvera (Hardware description languages – HDL)Alati za simulaciju rada elektronskih kola i sistemaKompajleri koji vrše sintezu hardverskih blokova našeg dizajnaMapiranje u programabilni hardver (generisanje koda)


Gde logičko projektovanje nalazi primenu?

Standardni razvoj računarskih sistemaProcesori, računarske magistrale, periferije

Mreže i komunikacijeTelefoni, modemi, ruteri

Proizvodi za ugradnju u druge sistemeAutomobili, igračke, muzičke linije, DVD plejeri, razni kućni aparati

Oprema za naučne primeneTestiranje, prihvat raznih informacija, izveštavanje

Razni računarski sistemi


Kratak istorijat

1850: Džordž Bul (George Boole) daje osnove bulove algebreLogičke jednačine predstavljaju se simboličkiOmogućena je manipulacija logičkim izrazima korišćenjem matematike

1938: Klod Šenon (Claude Shannon) povezuje bulovu algebru sa prekidačima

Njegova magistarska teza

1945: Džon fon Nojman (John von Neumann) razvija prvi računarski program koji je bio memorisan

Prekidački elementi su vakuumske cevi (velika prednost u odnosu na relea)

1946: ENIAC—prvi elektronski računar18,000 vakuumskih ceviNekoliko stotina množenja u minuti

1947: Šokli, Britein i Bardin (Shockley, Brittain, Bardeen) pronalaze tranzistor

zamena za vakuumske ceviintegracija više tranzistora u jedno pakovanjeotvorena “vrata” ka modernoj elektronici


Šta je logičko projektovanje?

Šta je projektovanje (dizajn)?Za zadatu specifikaciju (opis) problema dati način da se on reši izborom iz skupa raspoloživih komponentiZadovoljiti zahteve za veličinom, cenom, snagom, izgledom, itd.

Šta je logičko projektovanje?Definisanje skupa digitalnih logičkih komponenti koje će obavljati određenu funkciju upravljanja i/ili obrade podataka i/ili komunikacije; definisati međusobne vezeKoje logičke komponente izabrati? – postoji mnogo tehnoloških implementacija logičkih funkcija (npr. komponente sa fiksnom funkcijom, programabilne komponente,...)Projekt treba da se optimizuje i/ili transformiše da bi zadovoljila određena zadata ograničenja

15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 6ulazni nivo

ulazni nivopobuda

log. I

Šta je digitalni hardver?

Skup sklopova koji prihvataju i određuju koja je logička vrednost (“0” ili “1”) i/ili veza koje prenose digitalne (logičke) vrednosti

npr. digitalna logika gde se napon < 0.8V smatra logičkom nulom(“0”), a napon > 2.0V smatra logičkom jedinicom (“1”)npr. par provodnika gde se “0” i “1” prepoznaju po tome koji provodnik ima viši potencijal (diferencijalni prenos)ili, npr. da orijentacija magnetizacije označava “0” ili “1”

Primitivni sklopovi digitalnog hardveralogički računarski sklopovi (koji prepoznaju logički nivo i daju pobudu za sledeći stepen)⌧oba provodnika na “1” – daju pobudu takođe “1” (logičko I)⌧bar jedan provodnik na “1” – daje pobudu “1” (logičko ILI)⌧ako je provodnik na “1” – daje pobudu “0” (logičko NE)

Memorijski sklopovi⌧pamćenje logičke vrednosti⌧pozivanje iz memorije prethodno

upamćene vrednosti


Računanje: apstraktno i implementacija

Računanje kao mentalna razonoda (papir, programi)nasuprot tome implementacija računanja sa fizičkim sklopovima koristeći napone koji predstavljaju logičke vrednosti

Osnovne jedinice računanja:predstavljanje: "0", "1" na jednom ili više provodnika

(npr. binarni brojevi)dodela vrednosti: x = yračunske operacije: x + y – 5upravljanje tokom programa:

sekvenca: A; B; Cuslovi: if x == 1 then ypetlje: for ( i = 1 ; i == 10, i++)procedure: A; proc(...); B;

Naučiti kako se navedeno implementira u hardveru i sklapa u računarske strukture


zatvaranje prekidača (ako je A = “1” )i uključivanje sijalice (Z)

A Z

otvaranje prekidača (ako je A = “0”)i isključivanje sijalice (Z)

Prekidači: osnovni elementi fizičke implementacije

Implementacija prostog kola (strelica pokazuje logičko stanje provodnika “1”):

Z ≡ A

AZ


I

ILI

Z ≡ A i B

Z ≡ A ili B

A B

A

B

Prekidači (nastavak)

Povezivanje prekidača u složenija kola (bulovefunkcije):


Prekidačke mreže

Postavljanje prekidačaOdrediti da li postoji provodni put koji će upaliti sijalicu

Izgraditi složenije računske operacijeKoristiti sijalicu (izlaz iz jednog dela mreže) da se uključe drugi prekidači (ulazi drugih delova mreže).

Povezati prekidačke mrežeKonstruisati složenije prekidačke mreže, tj. postoji način da se povežu izlazi jedne mreže sa ulazima druge


provodni putkoji se sastoji

od jednog ili višeuključenihprekidača

struja teče kroz namotaj,magnetiše jezgro i prouzokuje da se

normalno zatvoreni kontakti (nc) otvore

kad nema struje, opruga vraća kontakteu normalni položaj

Relejne mreže

Jednostavan način da se poveže provodni put i stanje prekidača je korišćenjem (elektromehaničkih) relea.Šta je rele?


Tranzistorske mreže

Relea se sve manje koristeNeki ormani za kontrolu rada semafora su još uvek elektro-mehanički

Moderni digitalni sistemi se rade u CMOS tehnologijiMOS je Metal-Oxide on SemiconductorC je oznaka za komplementarni, jer postoje i normalno zatvoreni i normalno otvoreni prekidači

MOS tranzistori se ponašaju kao naponski kontrolisani prekidači

Slični releima, ali mnogo lakša manipulacija


n-kanalotvoren kad je napon na G nizak

zatvara se kad je:napon(G) > napon (S) + ε

p-kanalzatvoren kad je napon na G nizak

otvara se kad je:napon(G) < napon (S) – ε

MOS tranzistori

MOS tranzistori imaju tri priključka: drejn, gejt i sors

oni se ponašaju kao prekidači:ako je napon na gejtu (zavisno od tipa tranzistora) nešto viši ili niži od napona na sorsu, uspostavlja se provodni put između drejna i sorsa

G

S D

G

S D


3v

X

Y 0 V

x y

3 V0v

koja relacijadefiniše

vezu x i y?

MOS mreže


x y z

0 V

3 V

0 V

3 V

0 V

0 V3 V

3 V

koja relacijadefiniše

vezu x, y i z?

Mreže sa dva ulaza

3V

X Y

0V

Z

3V

X Y

0V

Z


Brzina MOS mreža

Šta utiče na brzinu CMOS mreža?punjenje i pražnjenje napona na provodnicima i gejtovimatranzistora


obim kursa digitalneelektronike u okviruElektronike 2

Predstavljanje logičkog projektovanja

Fizički sklopovi (tranzistori, relea)PrekidačiKombinacione tabelebulova algebraGejtovi (logička kola)Talasni obliciPonašanje konačnih stanjaPonašanje registar-transferKonkurentne apstraktne specifikacije


Digitalna i analogna kola

O digitalnim sistemima obično se razmišlja kao da imaju samo diskretne, digitalne, ulazne i izlazne vrednostiU stvarnosti realne elektronske komponente se ponašaju kao da imaju analogna, kontinualna stanjabehaviorZašto pravimo ovakvu apstrakciju?

Zašto ona, ipak, funkcioniše?


Tehnologiija Stanje 0 Stanje 1

Relejna logika Otvoreno kolo Zatvoreno koloCMOS logika 0.0-1.0 V 2.0-3.0 VTranzistor tranzistor logika (TTL) 0.0-0.8 V 2.0-5.0 VFiber optika Svetlo isključeno Svetlo uključenoDynamičke RAM memorije Ispražnjen kondenz. Napunjen kondenzatorElektrično brisive memorije (EEPROM) Zarobljeni elektroni Nema zarobljenih elektronaProgramabilne ROM memorije Osigurač spaljen Osigurač netaknutMemorije sa magnetnim mehurićima Nema magnetnog mehurića Magnetni mehurič postojiMagnetni diskovi Nema obrtanja fluksa Fluks obrnutKompakt diskovi Nema zareza Zarez

Mapiranje iz fizičkog u binarni svet


ulazi izlazisistem

Kombinaciona i sekvencijalna digitalna kola

Jednostavan model digitalnog sistema je “crna kutija”sa ulazima i izlazima:

Kombinaciona znači “bez memorije"digitalno kolo je kombinaciono ako njegove izlazne vrednosti zavise samo od ulaznih vrednosti


jednostavno seimplementiraju pomoćuCMOS tranzistora

Kombinacioni logički simboli

Često korišćena kombinaciona logička kola imaju standardne logičke simbole koji se nazivaju gejtovima

Bafer, NE, (Buffer, NOT)

I, NI, (AND, NAND)

ILI, NILI, (OR, NOR)

Z

AB

Z

Z

A

AB


Sekvencijalna logika

Sekvencijalni sistemiPonašanje (izlazne vrednosti) ne zavise samo od trenutnih ulaznih vrednosti, već i od prethodnih ulaznih i izlaznih vrednosti

U stvarnosti, sva kola su sekvencijalnaIzlazi se ne menjaju trenutno nakon promene ulaznih vrednostiZašto ne, i zašto je to sekvencijalno ponašanje?

Osnovna apstrakcija projektovanja digitalnih kola je da se razmatra samo stabilno stanje (ne i prelazne pojave)

Izlazi se posmatraju tek nakon isteka dovoljno dugog vremena u kome se sistem stabilizuje nakon određenih promena stanja


Sinhroni sekvencijalni digitalni sistemi

Izlazi kombinacionih kola zavise samo od trenutnih stanja ulaza

Nakon isteka dovoljnog vremenskog intervala

Sekvencijalna kola imaju memorijuČak i kad se čeka da se završi prelazni režim

Usvojena analiza stabilnog stanja je toliko korisna, da je većina projektanata koriste i kad projektuju sekvencijalna kola:

Memorija u sistemu je predstavljena kao njegovo stanjePromene stanja sistema dozvoljavaju se samo u određenim trenucima koje diriguje spoljašnji periodični taktPeriod takta je vreme koje protekne između promena stanja. Mora biti dovoljno dugo da sistem dostigne stabilno stanje pre sledeće promene stanja na kraju perioda


B

AC

Clock

Primeri kombinacione i sekvencijalne logike

Kombinaciona:ulazi A, Bčeka se na ivicu signala taktaposmatra se Cčeka se na sledeću ivicu taktaposmatra se ponovo C: ostaće nepromenjeno

Sekvencijalna:ulazi A, Bčeka se na ivicu signala taktaposmatra se Cčeka se na sledeću ivicu taktaposmatra se ponovo C: može da se promeni


Uopštavanja

Neka smo već videlidigitalno predstavljanje analognih vrednostitranzistori kao prekidačiprekidači kao logička kolaprimena signala takta za realizaciju sinhronog sekvencijalnog kola

Neka ćemo videti u nastavkuKombinacione tabele i bulova algebra za predstavljanje kombinacionih logičkih kolakodiranje signala sa više od dva logička nivoa u binarnu formudijagrami stanja za predstavljanje sekvencijalne logikejezici za opis hardvera za predstavljanje digitalne logiketalasni oblici za predstavljanje vremenskog ponašanja


Primer

Podsistem kalendara: broj dana u mesecu (za kontrolu prikaza na elektronskom časovniku)

koristi se za kontrolu displeja LCD prikaza na ručnom časovniku

ulazi: mesec, znak za prelaznu godinuizlazi: broj dana


Implementacija u softveru

integer broj_dana ( mesec, prelazna_godina) {switch (mesec) {

case 1: return (31);

case 2: if (prelazna_godina == 1) then return (29) else return (28);


...


default: return (0);

}

}


prestupnamesec

d28 d29 d30 d31

mesec prest. d28 d29 d30 d310000 – – – – –0001 – 0 0 0 10010 0 1 0 0 00010 1 0 1 0 00011 – 0 0 0 10100 – 0 0 1 00101 – 0 0 0 10110 – 0 0 1 00111 – 0 0 0 11000 – 0 0 0 11001 – 0 0 1 01010 – 0 0 0 11011 – 0 0 1 01100 – 0 0 0 11101 – – – – –111– – – – – –

Implementacija - kombinacioni digitalni sistem

Kodiranje:koliko bita za svaki ulaz/izlaz?binarni broj za mesecčetiri bita za 28, 29, 30, i 31

ponašanje:kombinacionospecifikacijakombinacionetabele


simbolza i

simbolza ili

simbolza ne

Primer – kombinaciona mreža (nastavak)

Kombinaciona tabela – logika – prekidači -gejtovid28 = 1 kad je mesec=0010 and prest=0d28 = m8'•m4'•m2•m1'•prest'

d31 = 1 kad je mesec=0001 ili mesec=0011 ili ... mesec=1100d31 = (m8'•m4'•m2'•m1) + (m8'•m4'•m2•m1) + ... (m8•m4•m2'•m1')d31 = može li da se uprosti?

month leap d28 d29 d30 d310001 – 0 0 0 10010 0 1 0 0 00010 1 0 1 0 00011 – 0 0 0 10100 – 0 0 1 0...1100 – 0 0 0 11101 – – – – –111– – – – – –0000 – – – – –



d28 = m8'•m4'•m2•m1'•leap’d29 = m8'•m4'•m2•m1'•leapd30 = (m8'•m4•m2'•m1') + (m8'•m4•m2•m1') + (m8•m4'•m2'•m1) + (m8•m4'•m2•m1)d31 = (m8'•m4'•m2'•m1) + (m8'•m4'•m2•m1) + (m8'•m4•m2'•m1) + (m8'•m4•m2•m1) + (m8•m4'•m2'•m4') + (m8•m4'•m2•m1') + (m8•m4•m2'•m1')



d28 = m8'•m4'•m2•m1'•leap’d29 = m8'•m4'•m2•m1'•leapd30 = (m8'•m4•m2'•m1') + (m8'•m4•m2•m1') + (m8•m4'•m2'•m1) + (m8•m4'•m2•m1)d31 = (m8'•m4'•m2'•m1) + (m8'•m4'•m2•m1) + (m8'•m4•m2'•m1) + (m8'•m4•m2•m1) + (m8•m4'•m2'•m4') + (m8•m4'•m2•m1') + (m8•m4•m2'•m1')


Drugi primer

Kombinacija za otvaranje vrata:ukucajte 3 vrednosti jednu po jednu da bi se otvorila vrata; ako dođe do greške u unosu, brava mora da se resetuje; kad se vrata otvore, brava mora da se resetuje

ulazi: sekvenca ulaznih vrednosti, resetizlazi: otvaranje/zatvaranje vratamemorija: mora da se pamti kombinacija ili da uvek bude raspoloživa

kao ulaz


Implementacija u softveru

integer combination_lock ( ) {integer v1, v2, v3;integer error = 0;static integer c[3] = 3, 4, 2;

while (!new_value( ));v1 = read_value( );if (v1 != c[1]) then error = 1;



if (error == 1) then return(0); else return (1);

}


Implementacija - sekvencijalni digitalni sistem

Kodiranje:koliko bita po ulaznoj veličini?koliko vrednosti u sekvenci?kako znamo kad se unese sledeća ulazna vrednost?kako predstavljamo stanja sistema?

Ponašanje:signal takta je potreban da bismoznali kad možemo da vidimo stanjeulaza (da su se smirili nakon promene)sekvencijalno: sekvenca vrednosti

treba da se unesesekvencijalno: pamtiti da li je došlo

do greškespecifikacija konačnih stanja

resetvrednost

otvoreno/zatvoreno

noviunos

takt stanje


zatvoreno zatvorenozatvorenoC1=vrednost

& noviC2=vrednost

& noviC3=value

& new

C1!=value& new C2!=vrednost

& noviC3!=vrednost

& novi

zatvoreno

reset

nije novinije novinije novi

S1 S2 S3 OTVORENO

GREŠKA

otvoreno

Implementacija - sekvencijalni digitalnisistem (nastavak)

Dijagram konačnih stanjaStanja: 5 stanja⌧predstavljaju tačku izvršenja ⌧svako stanje ima izlaze

Tranzicija: 6 iz stanja u stanje, 5 sopstvenih tranzicija, 1 globalna⌧promene stanja nastupaju kad takt dozvoli⌧bazirano na vrednostima ulaza

Ulazi: reset, novi, resultati poređenjaIzlaz: otvoreno/zatvoreno


reset

otvoreno/zatvoreno

novi

C1 C2 C3

komparator

vrednost

jednako

multiplekser

jednako

kontrolermuxkontrola

takt

Implementacija - sekvencijalni digitalnisistem (nastavak):

Interna strukturaput podataka⌧memorija za kombinacije⌧komparatori

kontrola⌧kontroler konačnih stanja⌧kontrola za put podataka⌧promene stanja na osnovu takta


zatvoreno

zatvorenomux=C1reset jednak

& novi

nije jednak& novi

nije jednak& novi

nije jednak& novi

nije novinije novinije novi

S1 S2 S3 OTVORENO

GREŠKA

zatvorenomux=C2 jednak

& novi

zatvorenomux=C3 jednak

& novi

otvoreno

Implementacija - sekvencijalni digitalnisistem (nastavak): kontroler konačnih stanja

Kontroler konačnih stanjaprepraviti dijagram stanja da uključi i internu strukturu


reset novi jednako stanje stanje mux otvoreno/zatvoreno1 – – – S1 C1 zatvoreno0 0 – S1 S1 C1 zatvoreno0 1 0 S1 ERR – zatvoreno0 1 1 S1 S2 C2 zatvoreno0 0 – S2 S2 C2 zatvoreno0 1 0 S2 ERR – zatvoreno0 1 1 S2 S3 C3 zatvoreno0 0 – S3 S3 C3 zatvoreno0 1 0 S3 ERR – zatvoreno0 1 1 S3 OTV. – otvoreno0 – – OTV. OTV. – otvoreno0 – – ERR ERR – zatvoreno

sledeće

Implementacija - sekvencijalni digitalnisistem (nastavak): kontroler konačnih stanja

Kontroler konačnih stanjagenerisati tabelu stanja (nalik kombinacionoj tabeli) zatvoreno

zatvorenomux=C1

reset equal& new

nije jednak& novi

nije jednak& novi

nije jednakl& novi

nije novinije noviinije novi

S1 S2 S3 OTVORENO

GREŠKA

closedmux=C2 equal

& new

closedmux=C3 equal

& new

otvoreno


Implementacija - sekvencijalni digitalnisistem (nastavak): kodiranje

Tabela stanja za kodiranjestanje može biti: S1, S2, S3, OTVORENO, ili GREŠKA⌧porebno je najmanje 3 bita za kodiranje: 000, 001, 010, 011, 100⌧ili 5: 00001, 00010, 00100, 01000, 10000⌧biramo 4 bita: 0001, 0010, 0100, 1000, 0000

izlazni mux može da bude: C1, C2, or C3⌧potrebno je 2 do 3 bita za kodiranje⌧biramo 3 bita: 001, 010, 100

izlazi otvoreno/zatvoreno može da bude: otvoreno ili zatvoreno⌧treba 1 ili 2 bita za kodiranje⌧biramo 1 bit: 1, 0


dobar izbor za kodiranje!

mux je identičan sa poslednja 3 bita stanja

otvoreno/zatvoreno jeidentično prvom bitustanja

Implementacija - sekvencijalni digitalnisistem (nastavak): kodiranje

Tabela stanja za kodiranjestanje može da bude: S1, S2, S3, OTVORENO, ili GREŠKA⌧biramo 4 bita: 0001, 0010, 0100, 1000, 0000

izlazni mux može da bude: C1, C2, ili C3⌧biramo 3 bita: 001, 010, 100

izlaz otvoreno/zatvoreno moze da bude: otvoreno ili zatvoreno⌧biramo 1 bit: 1, 0

reset novi jednako stanje stanje mux otvoreno/zatvoreno1 – – – 0001 001 0 0 0 – 0001 0001 001 00 1 0 0001 0000 – 00 1 1 0001 0010 010 0 0 0 – 0010 0010 010 00 1 0 0010 0000 – 00 1 1 0010 0100 100 0 0 0 – 0100 0100 100 00 1 0 0100 0000 – 00 1 1 0100 1000 – 1 0 – – 1000 1000 – 10 – – 0000 0000 – 0

sledeće


reset

otvoreno/zatvoreno

novi jednako

kontrolermuxkontrola

takt

reset

otvoreno/zatvoreno

novi jednako

muxkontrola

takt

komb. logika

stanje

specijalni element kola(zove se registar), zapamćenje ulazakad takt to odredi

Implementacija - sekvencijalni digitalnisistem (nastavak): implementacija kontrolera

Implementacija kontrolera


sistem

putanja podataka kontrola

registristanja

kombinacionalogikamultiplekser komparatorregistri

koda

registri logika

prekidačkemreže

Hijerarhija projekta


Pregled

Dat je pregled o čemu će se govoriti na kursuPredstavljanje rešenja problema kombinacionim i/ili sekvencijalnimmrežama efektivno organizujući projekat hijerarhijskiKorišćenje modernih alata za razvoj koji omogućavaju produktivanrad sa velikim projektimaKorišćenje prednosti koje pružaju tehnike optimizacije

U nastavku detaljnije...

Download - FTN Novi · PDF fileFTN Novi Sad Merni instrumenti - Digitalna elektronika 1.UVOD dr Zoran Mitrović 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika2 Merni instrumenti - Digitalna

Top Related