ftn novi .ftn novi sad merni instrumenti - digitalna elektronika 1.uvod dr zoran mitrović...

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

Post on 31-Jan-2018

226 views

Category:

Documents

2 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • FTN Novi SadMerni instrumenti - Digitalna elektronika

    1.UVOD

    dr Zoran Mitrovi

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 2

    Merni instrumenti - Digitalna elektronikaUvod

    Uvodta je projektovanje logikih kola (logiko projektovanje)?ta je digitalni hardver?

    Jezik logikog projektovanjaBulova algebra, minimizacija logikih funkcija, statika (za kombinacionakola) i dinamika (za memorijska kola) analiza, kompjutersko projektovanje

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

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

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 3

    Gde logiko projektovanje nalazi primenu?

    Standardni razvoj raunarskih sistemaProcesori, raunarske magistrale, periferije

    Mree i komunikacijeTelefoni, modemi, ruteri

    Proizvodi za ugradnju u druge sistemeAutomobili, igrake, muzike linije, DVD plejeri, razni kuni aparati

    Oprema za naune primeneTestiranje, prihvat raznih informacija, izvetavanje

    Razni raunarski sistemi

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 4

    Kratak istorijat

    1850: Dord Bul (George Boole) daje osnove bulove algebreLogike jednaine predstavljaju se simbolikiOmoguena je manipulacija logikim izrazima korienjem matematike

    1938: Klod enon (Claude Shannon) povezuje bulovu algebru sa prekidaima

    Njegova magistarska teza

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

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

    1946: ENIACprvi elektronski raunar18,000 vakuumskih ceviNekoliko stotina mnoenja u minuti

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

    zamena za vakuumske ceviintegracija vie tranzistora u jedno pakovanjeotvorena vrata ka modernoj elektronici

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 5

    ta je logiko projektovanje?

    ta je projektovanje (dizajn)?Za zadatu specifikaciju (opis) problema dati nain da se on rei izborom iz skupa raspoloivih komponentiZadovoljiti zahteve za veliinom, cenom, snagom, izgledom, itd.

    ta je logiko projektovanje?Definisanje skupa digitalnih logikih komponenti koje e obavljati odreenu funkciju upravljanja i/ili obrade podataka i/ili komunikacije; definisati meusobne vezeKoje logike komponente izabrati? postoji mnogo tehnolokih implementacija logikih funkcija (npr. komponente sa fiksnom funkcijom, programabilne komponente,...)Projekt treba da se optimizuje i/ili transformie da bi zadovoljila odreena zadata ogranienja

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

    ulazni nivopobuda

    log. I

    ta je digitalni hardver?

    Skup sklopova koji prihvataju i odreuju koja je logika vrednost (0 ili 1) i/ili veza koje prenose digitalne (logike) vrednosti

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

    Primitivni sklopovi digitalnog hardveralogiki raunarski sklopovi (koji prepoznaju logiki nivo i daju pobudu za sledei stepen)oba provodnika na 1 daju pobudu takoe 1 (logiko I)bar jedan provodnik na 1 daje pobudu 1 (logiko ILI)ako je provodnik na 1 daje pobudu 0 (logiko NE)

    Memorijski sklopovipamenje logike vrednostipozivanje iz memorije prethodno

    upamene vrednosti

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 7

    Raunanje: apstraktno i implementacija

    Raunanje kao mentalna razonoda (papir, programi)nasuprot tome implementacija raunanja sa fizikim sklopovima koristei napone koji predstavljaju logike vrednosti

    Osnovne jedinice raunanja:predstavljanje: "0", "1" na jednom ili vie provodnika

    (npr. binarni brojevi)dodela vrednosti: x = yraunske 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;

    Nauiti kako se navedeno implementira u hardveru i sklapa u raunarske strukture

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 8

    zatvaranje prekidaa (ako je A = 1 )i ukljuivanje sijalice (Z)

    A Z

    otvaranje prekidaa (ako je A = 0)i iskljuivanje sijalice (Z)

    Prekidai: osnovni elementi fizike implementacije

    Implementacija prostog kola (strelica pokazuje logiko stanje provodnika 1):

    Z A

    AZ

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 9

    I

    ILI

    Z A i B

    Z A ili B

    A B

    A

    B

    Prekidai (nastavak)

    Povezivanje prekidaa u sloenija kola (bulovefunkcije):

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 10

    Prekidake mree

    Postavljanje prekidaaOdrediti da li postoji provodni put koji e upaliti sijalicu

    Izgraditi sloenije raunske operacijeKoristiti sijalicu (izlaz iz jednog dela mree) da se ukljue drugi prekidai (ulazi drugih delova mree).

    Povezati prekidake mreeKonstruisati sloenije prekidake mree, tj. postoji nain da se poveu izlazi jedne mree sa ulazima druge

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 11

    provodni putkoji se sastoji

    od jednog ili vieukljuenihprekidaa

    struja tee kroz namotaj,magnetie jezgro i prouzokuje da se

    normalno zatvoreni kontakti (nc) otvore

    kad nema struje, opruga vraa kontakteu normalni poloaj

    Relejne mree

    Jednostavan nain da se povee provodni put i stanje prekidaa je korienjem (elektromehanikih) relea.ta je rele?

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 12

    Tranzistorske mree

    Relea se sve manje koristeNeki ormani za kontrolu rada semafora su jo uvek elektro-mehaniki

    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 prekidai

    MOS tranzistori se ponaaju kao naponski kontrolisani prekidai

    Slini releima, ali mnogo laka manipulacija

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 13

    n-kanalotvoren kad je napon na G nizak

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

    p-kanalzatvoren kad je napon na G nizak

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

    MOS tranzistori

    MOS tranzistori imaju tri prikljuka: drejn, gejt i sors

    oni se ponaaju kao prekidai:ako je napon na gejtu (zavisno od tipa tranzistora) neto vii ili nii od napona na sorsu, uspostavlja se provodni put izmeu drejna i sorsa

    G

    S D

    G

    S D

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 14

    3v

    X

    Y 0 V

    x y

    3 V0v

    koja relacijadefinie

    vezu x i y?

    MOS mree

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 15

    x y z

    0 V

    3 V

    0 V

    3 V

    0 V

    0 V3 V

    3 V

    koja relacijadefinie

    vezu x, y i z?

    Mree sa dva ulaza

    3V

    X Y

    0V

    Z

    3V

    X Y

    0V

    Z

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 16

    Brzina MOS mrea

    ta utie na brzinu CMOS mrea?punjenje i pranjenje napona na provodnicima i gejtovimatranzistora

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 17

    obim kursa digitalneelektronike u okviruElektronike 2

    Predstavljanje logikog projektovanja

    Fiziki sklopovi (tranzistori, relea)PrekidaiKombinacione tabelebulova algebraGejtovi (logika kola)Talasni obliciPonaanje konanih stanjaPonaanje registar-transferKonkurentne apstraktne specifikacije

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 18

    Digitalna i analogna kola

    O digitalnim sistemima obino se razmilja kao da imaju samo diskretne, digitalne, ulazne i izlazne vrednostiU stvarnosti realne elektronske komponente se ponaaju kao da imaju analogna, kontinualna stanjabehaviorZato pravimo ovakvu apstrakciju?

    Zato ona, ipak, funkcionie?

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 19

    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 iskljueno Svetlo ukljuenoDynamike RAM memorije Ispranjen kondenz. Napunjen kondenzatorElektrino brisive memorije (EEPROM) Zarobljeni elektroni Nema zarobljenih elektronaProgramabilne ROM memorije Osigura spaljen Osigura netaknutMemorije sa magnetnim mehuriima Nema magnetnog mehuria Magnetni mehuri postojiMagnetni diskovi Nema obrtanja fluksa Fluks obrnutKompakt diskovi Nema zareza Zarez

    Mapiranje iz fizikog u binarni svet

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 20

    ulazi izlazisistem

    Kombinaciona i sekvencijalna digitalna kola

    Jednostavan model digitalnog sistema je crna kutijasa ulazima i izlazima:

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

  • 15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 21

    jednostavno seimplementiraju pomouCMOS tranzistora

    Kombinacioni logiki simboli

    esto koriena kombinaciona logika kola imaju standardne logike simbole koji se nazivaju gejtovima

    Bafer, NE, (Buffer, NOT)

    I, NI, (AND, NAND)

    ILI, NILI, (OR, NOR)

    Z

    AB

    Z

    Z

    A

    AB

    15-Mar-07 Merni instrumenti - Digitalna elektronika 22

    Sekvenc

Recommended

View more >