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Professor Horst Cerjak, 19.12.2005 1
T Nad, KC Posch Vorlesung 2012 Teil D1: Hardware from below
RN
O R
echnernetze und -Organisation
Rechnernetze und -Organisation
Teil D1: Hardware from below 2012
Tomislav Nad Karl C. Posch
www.iaik.tugraz.at/content/teaching/bachelor_courses/rechnernetze_und_organisation/
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echnernetze und -Organisation
Contents of lecture
TOY x86
Networks Hardware,
Stack, Input/Output
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echnernetze und -Organisation
Contents
• Combinational functions • Feedback, storage, and finite state automata • How to build a RAM? • Datapath and microcode
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echnernetze und -Organisation
Electrical circuits and schematics
CIRCuit = SchaltKREIS
+
-Erde, Masse, „0 Volt“, „0“
„1 Volt“, „1"
LampeBatterie
3
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echnernetze und -Organisation
Electrical circuits and schematics
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echnernetze und -Organisation
Switches: switch on and switch off
Symbol for “switch”
out1 = f(in1)
4
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echnernetze und -Organisation
Logisim
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echnernetze und -Organisation
Logisim
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RN
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echnernetze und -Organisation
+
-Erde, Masse, „0 Volt“, „0“
„1 Volt“, „1"
Lampe L
Batterie
Schaltermein_schalter
1
0
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echnernetze und -Organisation
Timing diagrams
time
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echnernetze und -Organisation
How many different functions are possible
Inverter
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echnernetze und -Organisation
Testing an inverter
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echnernetze und -Organisation
The internals of an inverter in MOS technology
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echnernetze und -Organisation
Inverter
+
-Erde, Masse, „0 Volt“, „0“
„1 Volt“, „1"
Lampe L
Schaltermein_schalter
1
0
Inverter
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echnernetze und -Organisation
Another logic function: AND
out = in1 & in2
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echnernetze und -Organisation
Other popular gates
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echnernetze und -Organisation
Other logic functions
a! b! c! s!0! 0! 0! 0!0! 0! 1! 1!0! 1! 0! 1!0! 1! 1! 0!1! 0! 0! 1!1! 0! 1! 0!1! 1! 0! 0!1! 1! 1! 1!
Caution: This table is wrong In your document.
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echnernetze und -Organisation
Arithmetic: Adding 2 bits – “half adder”
carry = a & b sum = a ^ b sum = (a + b) mod 2
sum
carry
a b
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echnernetze und -Organisation
Adding 3 bits: “full adder”
carry = (a & b) | (a & c) | (b & c) sum = a ^ b ^ c
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echnernetze und -Organisation
A full adder (version 1)
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echnernetze und -Organisation
Adding 1: “Increment”
out0 = ~in0 out1 = in0 ^ in1 out2 = (~in0 & in1 & in2) | (in2 & ~in1) | (in0 & in1 & ~in2)
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echnernetze und -Organisation
Increment (version 1)
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O R
echnernetze und -Organisation
Increment (version 2)
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RN
O R
echnernetze und -Organisation
2-to-1 multiplexer: If-then-else
if (sel == 0) then q = d0;
else q = d1;
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O R
echnernetze und -Organisation
Feedback, storage, and finite state automata
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echnernetze und -Organisation
Latch
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O R
echnernetze und -Organisation
2 latches and 1 inverter make a flipflop
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echnernetze und -Organisation
The problem with the initial state
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echnernetze und -Organisation
Counter
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RN
O R
echnernetze und -Organisation
State diagram out = 0
out = 1
out = 2
out = 3
out = 4
out = 5
out = 6
out = 7
000
001
010
011
100
101
110
111
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echnernetze und -Organisation
Example “Lauflicht”
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O R
echnernetze und -Organisation
Example “Lauflicht”
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echnernetze und -Organisation
State diagram of “Lauflicht” L0
L1
L2
L3
L4
L3
L2
L1
000
001
010
011
100
101
110
111
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echnernetze und -Organisation
“Lauflicht” with start/stop
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echnernetze und -Organisation
State diagram L0 000
111
en
L1en
L2en
L3en
001
010
011
10
1
1
1
0
0
0
L4 100en
L3en
L2en
L1en
101
110
10
1
1
1
0
0
0
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echnernetze und -Organisation
Splitter
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echnernetze und -Organisation
Moore and Mealy: 2 types of automata
Next-State-Logik
Output-LogikD Q
reset
reset clk
in out
Next-State-Logik
Output-Logik
D Q
reset
reset clk
in out
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echnernetze und -Organisation
Your turn now: A traffic light
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echnernetze und -Organisation
A RAM
Let’s start with a flipflop:
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echnernetze und -Organisation
4-times-4 bit RAM
4x4-RAM
din
wr_addr
rd_addr
wr
dout
clk
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echnernetze und -Organisation
A register with a load input
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echnernetze und -Organisation
A 4-bit register (with load input)
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echnernetze und -Organisation
A 4-to-1 multiplexor
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echnernetze und -Organisation
A decoder for decoding the address
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echnernetze und -Organisation
The complete 4*4-bit RAM D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
D Q
ld
00
01
10
11wr_addr
write
rd_addr
dout
din
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echnernetze und -Organisation
What is this?
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echnernetze und -Organisation
Aha, we are having a RAM
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echnernetze und -Organisation
This is cool
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More on adding: A 4-bit adder
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echnernetze und -Organisation
A register file with 2 read ports
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The datapath
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echnernetze und -Organisation
Microcode
Microcode! din! ld_din! wr! wr_addr! rd_addrA! rd_addrB!
ld R0, 3! 0011! 1! 1! 00! 00! 00!
R1 ! R0 + R0! XXXX! 0! 1! 01! 00! 00!
out R1! XXXX! 0! 0! XX! 01! XX!
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echnernetze und -Organisation
A program 0: ld R0, 1 goto 1 // Lade R0 mit 1 und gehe weiter zu Zeile 1 1: ld R1, 2 goto 2 // Lade R1 mit 2 und gehe weiter zu Zeile 2 2: R2 ! R0 + R1 goto 3 // Lade R2 mit dem Wert R1 + R2,
// gehe weiter zu Zeile 3 3: R3 ! R2 + R0 goto 4 4: out R0 goto 5 // schalte R0 auf den Ausgang,
// weiter mit Zeile 5 5: out R1 goto 6 6: out R2 goto 7 7: out R3 goto 4 // schalte R3 auf den Ausgang,
// weiter mit Zeile 4
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echnernetze und -Organisation
The controller
Next-State-Logik
Output-Logik für
dinD Q
clk
start dp_din
Output-Logik für
control_wordcontrol_word
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RN
O R
echnernetze und -Organisation
Controller
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echnernetze und -Organisation
Controller + datapath
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O R
echnernetze und -Organisation
What should you know by now?
• Electrical circuit • Switch • Ground • Combinational function • Inverter • Truth table • MOS technology • AND, NAND, OR, NOR,… • Half adder, full adder • Carry & sum • Look-up table • Increment • multiplexor
• Feedback & storage • Finite-state automaton • Latch and flipflop • State, initial state • Counter • State diagram • Output of a finite-state machine • Next-state logic function • Moore machine & Mealy machine • RAM • Register with load input • Decoder, address decoder • N-bit adder
Understand the terms; understand the connections between them; be able to operate with them: