Download - Integrisana digitalna kola
Uvod u integrisana digitalna kola.Uvod u integrisana digitalna kola.
Logička kola. Bulova algebra.
Vanr.prof.dr.Lejla Banjanović-Mehmedović
Sadržaj rada� Integrisana digitalna kola. Bulova algebra i logička kola.
� Sinteza i optimizacija logičkih funkcija.
� Implementacione tehnologije. TTL, CMOS logička kola.
� Programabilna logička kola (PLA, PAL, SPLD, CPLD, FPGA).
� Uvod u hardverske deskripcione jezike (VHDL i Verilog). Verilog i CAD dizajn logičkih kola. logičkih kola.
� Projektovanje aritmetičkih kola. Verilog dizajn.
� Projektovanje kombinacionih kola. Koderi i dekoderi. Multiplekseri i demultiplekseri. Verilog dizajn.
� Projektovanje sekvencijalnih kola. Flip-flopovi. Registri i brojači. Verilog dizajn.
� Projektovanje sekvencijalnih mreža. Elementarni automati. Mašina konačnih stanja.
� Projektovanje digitalnih sistema.
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Literatura:� L.Banjanović-Mehmedović: Autorizovana predavanja,
šk.god. 2016/2017
� T. R, Kuphaldt: Lessons in Electric Circuits, Volume IV-Digital, 2007. IV-Digital, 2007.
� S. Brown, Z. Vranesic: Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design, 2014.
� J. P. Hoffbeck: Using Practical Examples in Teaching Digital Logic Design, 2014.
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Bodovanje aktivnosti na predmetu� Prisutnost nastavi: 4
� Seminarski rad (grupni), shodno obimu teme, formira se manja ili veća grupa
� Pojedinačno bodova 7� Pojedinačno bodova 7
� Zadaća (3 zadatka, u definisanim vremenskim periodima), ukupno: 39
� Završni rad: 50
� Ukupno: 100
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Primjena integrisanih digitalnih kola
� Projektovanje logičkih sistema
� Ugrađeni sistemi (sistemi na čipu)
� Inteligentni
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
� Inteligentni sistemi
Cilj učenjaSolarni sistem zagrijavanja kuće
Fabrički sistem pakovanja proizvoda
Prikazi na matričnom displeju korištenjem Mašine konačnog stanja
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Prikazi na matričnom displejuInteligentni transportni sistemi Mobilni robot u
labirintu
Integrisana digitalna kola� Logička kola-primjena: računari, digitalni satovi, različite kućne
aplikacije, CD playeri, različiti veliki sistemi
� Realna logička kola ili digitalna kola - obrazuju se odelektronskih elemenata koja posjeduju izrazita prekidačkasvojstva. svojstva.
� U praksi realizovane samo funkcije I, ILI, NI, NILI i ekskluzivno ILI. Logička kola realizuju elementarne Bulove funkcije.
� Korištenjem modernih tehnologija – fabrikacija čipa sa destinama milona tranzistora poput računarskog procesora.
� Projektovanje logičkih kola
� Computer aided design (CAD) software tools
� Korištenjem industry-standard design language Verilog, VHDL
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Digitalni hardverski sistem
� Logička kola za gradnju digitalnog hardverskog sistema
� Elektronički signali –� Elektronički signali –korespondiraju digitima informacije
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Digitalni hardwerski sistem
Integrisani logički sistemi� Fiksni logički uređaji (obezbjeđuju specifične i nepromjenljive funkcije,
funkcije definisane pri fabrikaciji)
� Standardni čipovi � standardne funkcije, manje od 100 gejtova, nefikasno korištenje
prostora, funkcionalnost fiksna
� Čipovi po narudžbi (eng.custom chips)
� Application-specific integrated circuits (ASICs).
� Dizajn optimiziran za specifični zadatak; vodi boljim performansama, veća cjena, efekat vremena
� Aplikaciono specifični standardni proizvodi (ASSP) � Programabilni logički uređaji (PLD, širok opseg funkcija, nisu
definisane pri fabrikaciji, već programiranjem, koje vrši krajnji korisnik; omogućavaju širok izbor karakteristika, brzine i logičkog kapaciteta )
� CPLD i FPGAProjektovanje sistema na čipu 1 Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović 9
Klasifikacija IC prema nivou integracije
� Klasična podjela prema nivou integracije� SSI (Small-Scale Integration), IC niskog nivoa integracije. Do 10
logičkih kola.
� MSI (Medium-Scale Integration), IC srednjeg nivoa integracije. Od MSI (Medium-Scale Integration), IC srednjeg nivoa integracije. Od 10 do 100 logičkih kola: registri, brojači i sabirači.
� LSI (Large-Scale Integration), IC velikog nivoa integracije. 100 - 1000 logičkih kola: kontroleri, memorijski čipovi manjeg kapaciteta i programabilne logičke komponente.
� VLSI (Very Large Scale Integration), IC veoma velikog nivoa integracije. Više od 100.000 logičkih kola: memorije velikog kapaciteta, mikroprocesori, mikroračunari na čipu i različiti hardverski akceleratori.
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
� Veoma visok nivo integracije (VLSI – Very-large-scale Integration) više stotina hiljada gejtova:
� Uobičajena integrisana kola
Kola po narudžbi
VLSI tehnologija
� Kola po narudžbi
� Ove podjele izgubile na značaju
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Digitalna revolucija
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Organ-on-Chip
Programabilni logički uređajiVrste:•complex programmable logic devices (CPLDs) •field-programmable gate arrays (FPGAs)
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
A field-programmable gate array chip (FPGA)
100 million transistors
Elementi logičkih krugova poredani u 2-dimenzionalne strukture FPGA arhitekture
Roadmap dimenzija čipa
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Standardna digitalna IC (serija 7400)
� Serija najpopularnih komponenti ovog tipa poznata je pod nazivom serija 7400. Oznake svih čipova iz ove serije počinju ciframa 74.
� Pakovanje čipa sa izvedenim spoljašnjim prikljucima, tzv. pinovima. Tip pakovanja sa dva reda pinova izvednih na suprotnim stranama pakovanja poznat je pod nazivom DIP (skraćenica od engleskog pojama dual-in parallel).
� 7404 - sadrži šest NOT logičkih kola.
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Standardna digitalna IC (serija
7400) Serija 7400 obuhvata veliki broj različitih komponenti, čiji se opis može naći u katalozima proizvođača ovakvih čipova.
Copyright: Lejla Banjanovic-MehmedovicProjektovanje logičkih sistema
•74LS00 tehnologijatransistor-transistor logic (TTL)
•74HC00 fabrikovan u CMOS tehnologiji
•7421 čip sa 2 4-ulazna AND gejta.
čipova.
Standardna digitalna IC
(realizacija složenijih funkcija)
Copyright: Lejla Banjanovic-MehmedovicProjektovanje logičkih sistema
Standardna digitalna IC
� Mala veličina i niska cjena VLSI čipova proizvela je revoluciju u oblasti digitalnog projektovanja. Sa VLSI tehnologijom na raspolaganju, projektati su dobili priliku da kreiraju jeftina, aplikaciono-specifična kola priliku da kreiraju jeftina, aplikaciono-specifična kola (ASIC) visokih performansi, optimizovna za efikasno obavljanje pojedinih zadataka.
� Danas, VLSI komponente predstavljaju jedine komponente koje su u upotrebi. Integrisana kola tipa SSI, MSI i LSI bila su aktuelna ’70 i ’80 godina, dok se danas najčešće koriste samo kao rezervni djelovi za starije uređaje.
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Kućišta integrisanih kola� Dvostrano kućište (DIL – Dual In Line),
proizvedeno sa spoljnim izvodima duž obje strane. Maksimalan broj izvoda je 68.
� Mreža nizova izvoda (PGA – Pin Grade Array) sa izvodima (oko 120 u tipičnom slučaju) uređenim u kolonama i izdvojenim iz kućišta.
Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
u kolonama i izdvojenim iz kućišta.
� Nosioc kućišta bez izvoda (LCC – Ledless Chip Carrier) i J – nošen nosač kućišta (JLCC – J–Leaded Chip Carrier) su kvadratna kućišta sa spoljnim spojevima izdvojenim duž svake strane, i u slučaju JLCC uvrnuto ispod osnove.
� Površinsko kućište u kome su izvodi izdvojeni u oblik pogodnom za površinsku štampu (BGA –Ball Grid Array).
Projektovanje logičkih sistema
Razvojni pravac: savremena digitalna IC
� Savremena IC su VLSI. Stariji tipovi čipova koriste se rijetko ili samo kao rezervni dijelovi za kao rezervni dijelovi za starije uređaje.
� Koncept ˝sistem na ploči˝ zamenjen je konceptom ˝sistem na čipu˝.
Copyright: Lejla Banjanovic-MehmedovicProjektovanje logičkih sistema
Razvojni proces
projektovanja
Korištenjem: CAD alata proizvođača Altera, Cadence, Mentor Graphics, Synopsys, Synplicity, Xilinx
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Bazni dizajn
Synopsys, Synplicity, Xilinx
Bulova algebra. Logička kola.Bulova algebra. Logička kola.
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Dominacija binarnih sistema u
digitalnim sistemima
� Dominacija binarnih sistema u digitalnim sistemima je shodno njihovoj jednostavnosti (dvije moguće vrijednosti)
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Osnove logičke algebre� U digitalnoj elektronici sklopovi se u velikoj mjeri koriste isključivo
kao prekidači.
� Najednostavniji binarni element - prekidač (eng. Switch) koji ima dva stanja.
� Ako je prekidač kontrolisan ulaznom varijablom x, prekidač je otvoren � Ako je prekidač kontrolisan ulaznom varijablom x, prekidač je otvoren kada je x = 0 i zatvoren kada je x = 1.
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Dva stanja binarnog prekidača
Bulova algebra� Sve računarske operacije koje se izvode samo na ciframa 0 i 1
i koje daju te iste vrijednosti nazivaju se logičke operacije.
� Logičke operacije: � negacija, konjukcija i disjunkcija.
� Joše neke logičke operacije: � ekskluzivna disjunkcija
� negacija konjukcije (Shefferova operacija)
� negacija disjunkcije (Pierceova operacija ili operacija Lukasiewicza)
� Grana matematike, koja proučava operacije konjukcije, disjunkcije i negacije i pravila rada sa njima – Boolova algebra (Logička algebra,prekidačka algebra)
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Logička kola� Uređaji koji služe za izvođenje osnovnih logičkih
operacija nazivaju se logička kola.
� Osnovna (elementarna) logička kola i jednostavnijasložena logička kola nazivaju se još i logičke kapijesložena logička kola nazivaju se još i logičke kapije(eng. gate), jer u izvjesnom smislu ona propuštajusignale, odnosno kombinacije signala.
� AND, OR, NOT (I, ILI, NE) – osnovna logička kola
� NOT – često se naziva invertor
� Nove tehnologije i novi materijali!!!
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Izvedba logičkih kola� Mehanička
� Hidraulička
� Pneumatska
� Elektromehanička� Elektromehanička
� Elektronička – dovoljna brzina rada i minijaturizacija
� Biološka
� Primjer: Biološki bazirani roboti
Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Pozitivna logika:
LOW → 0
HIGH → 1
Negativna logika:
LOW → 1
HIGH → 0
Projektovanje logičkih sistema
Logički izrazi i funkcije� Logička funkcija je logički izraz koji opisuje izlaz kao
funkciju ulaza
L(x) = x
� x –ulazna varijabla.� x –ulazna varijabla.
� Primjer:
� Oprečan primjer: postojanje podataka , ali ne i funkcijske forme ponašanja u kompleksnim sistemima, oblast: identifikacije i estimacije funkcionalne ovisnosti
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Logička kola
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Logička kola
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Ime gejtaGrafički simbol
Funkcija
3-ulazni
Gejtovi sa više ulaza
Stvarni sistemi imaju više ulaznih varijabli ....
Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
3-ulazni AND
F = xyz
3-ulazni OR F = x+ y+z
3-ulazni NAND
F = (xyz)'
3-ulazni NOR
F = (x+y+z)'
Projektovanje logičkih sistema
Bulove operacije� Bulova operacija
sabiranja korespondira logičkom kolu “OR”, prekidači u paralelnoj prekidači u paralelnoj vezi.
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bulove operacije� Bulova operacija
množenja korespondira logičkom kolu “AND”, prekidači u serijskoj vezi.prekidači u serijskoj vezi.
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bulove operacije� Bulova operacija
komplementa korespondira logičkom kolu “NOT”, zatvoren kolu “NOT”, zatvoren prekidač ili relejni kontakt.
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Tabele istine� Logički izrazi i logičke funkcije se često predstavljaju sa tzv.
kombinacionim tablicama (tabele istine ili tabele stanja).
� Ove tabele prikazuju vrijednost izraza odnosno funkcije za � Ove tabele prikazuju vrijednost izraza odnosno funkcije za sve moguće kombinacije vrijednosti promjenljivih koje se u njima pojavljuju.
� Primjer: ultrasonični senzori mobilnog robot a postavljeni naprijed, lijevo i desno
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Tabela istine za AND i OR operacije
Mreža gejtova� Veća logička kola se implementiraju mrežom gejtova
(logička mreža ili logički krug)
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Primjer: Mobilni robot u labirintu
Primjer jednostavne logičke mreže
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Vremenski dijagrami korisni za indikaciju funkcionalnog ponašanjalogičkih krugova.
Analiza i sinteza logičkih mreža� Proces određivanja funkcije koju obavlja postojeća
mreža - analiza.
� Obrnut zadataka, projektovanje nove mreže kojaimplementira željeno funkcionalno ponašanje –implementira željeno funkcionalno ponašanje –sinteza.
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Pravila logičke algebre� Aksiomi logičke algebre – određeni broj pravila se
proglašava elementarnim činjenicama logičke algebre, koje se prihvataju bez dokaza i na kojima se zasnivaju sva druga pravila i kompletna logička algebra.sva druga pravila i kompletna logička algebra.
� Izbor aksima nije jednoznačan!
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Aksiomi i teoreme Bulove algebre
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bazni Bulovi algebarski identiteti 1/2
� Aditivni:
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bazni Bulovi algebarski identiteti 2/2� Multiplikacioni:
� Dvojni komplement:
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bazna svojstva Bulove algebre 1/5
� Aditivna: Multiplikaciona:
� Svojstvo komutativnosti aditivnosti
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bazna svojstva Bulove algebre 2/5� Aditivna: Multiplikaciona:
� Komunitativno svojstvo multiplikacije
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bazna svojstva Bulove algebre 3/5� Aditivna: Multiplikaciona:
� Asocijativno svojstvo aditivnosti
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bazna svojstva Bulove algebre 4/5� Aditivna: Multiplikaciona:
� Asocijativno svojstvo multiplikacije
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bazna svojstva Bulove algebre 5/5� Aditivna: Multiplikaciona:
� Svojstvo distributivnosti
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bulova pravila pojednostavljenja 1/3
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bulova pravila pojednostavljenja 2/3
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Bulova pravila pojednostavljenja 3/3
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
EX-OR
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
DeMorganova pravila
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Ekvivalentne transformacije logičkih
izraza� Za dva logička izraza se kaže da su ekvivalentni
ukoliko uzimaju iste vrijednosti za ma kako izabrane vrijednosti promjenljivih koje se u njima javljaju.
Dva ekvivalentna logička izraza uvijek se mogu svesti � Dva ekvivalentna logička izraza uvijek se mogu svesti jedan na drugi primjenom konačno mnogo transformacija izraženih pravilima logičke algebre.
� De Morganove teoreme - izrazito značajne!
� Pronalaženje najjednostavnije logičke funkcije koja je ekvivalentna polaznoj logičkoj funkciji -minimizacija logičke funkcije!
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Primjer 1: Sistem za spaljivanje
toksičnih otpada� Postoje
tehnologije:
� Optička
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
� Optička
� Termalna
� Električna
Primjer: Sistem za spaljivanje
toksičnih otpada
� Redudantni sistem:
� Sa više senzora
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
� Sa više senzora
� Najmanje 2 senzora detektuju vatru, otvoreni ventili
Primjer tabele istine za analizirani
sistem
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Primjer pojednostavljenja logičke
funkcije
Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema
Primjer 2: Sistem za pakovanje
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Primjer: Sistem za pakovanje
� U fabrici djeluje sistem za pakovanje nekog proizvoda u plastičnu ambalažu, koji se sastoji od fotosenzora FOTO, senzora težine VAG, preklopki START i MASAx2, te izlaza VENTIL i TRAKA
� Princip rada mašine je sljedeći:
� Transportna traka kreće na signal START� Transportna traka kreće na signal START
� Prilikom aktivacije senzora FOTO, ukoliko je traka aktivna, otvara se ventil koji puni ambalažu dok se ona nalazi u polju fotosenzora. Nakon toga roba s trake izlazi u kutiju.
� Sistem radi dok se ne aktivira senzor VAG (ograničenje mase kutije proizvoda), koji mjeri masu kutije u koju silaze proizvodi s trake
� Ukoliko želi, radnik može omogućiti da se zaobiđe blokada trake preopterećenjem vage, aktivacijom preklopke MASAx2. U tom slučaju traka nastavlja raditi iako je vaga preopterećena.
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
Primjer: Sistem za pakovanje� Transportna traka kreće na signal
START
� Prilikom aktivacije senzora FOTO, ukoliko je traka aktivna, otvara se ventil koji puni ambalažu dok se ona nalazi u polju fotosenzora. Nakon toga roba s trake izlazi u kutiju.
START FOTO VAGA MASAx2 VEN TRA
0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0
0 0 1 0 0 0
0 0 1 1 0 0
0 1 0 0 0 0trake izlazi u kutiju.
� Sistem radi dok se ne aktivira senzor VAG (ograničenje mase kutije proizvoda), koji mjeri masu kutije u koju silaze proizvodi s trake
� Ukoliko želi, radnik može omogućiti da se zaobiđe blokada trake preopterećenjem vage, aktivacijom preklopke MASAx2. U tom slučaju traka nastavlja raditi iako je vaga preopterećena.
Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović
0 1 0 0 0 0
0 1 0 1 0 0
0 1 1 0 0 0
0 1 1 1 0 0
1 0 0 0 0 1
1 0 0 1 0 1
1 0 1 0 0 0
1 0 1 1 0 1
1 1 0 0 1 1
1 1 0 1 1 1
1 1 1 0 0 0
1 1 1 1 1 1