funkcionális elemek regiszter latch számláló shiftregiszter multiplexer dekóder komparátor összeadó ALU BCD/7szegmenses dekóder stb...

Átírás

1 Funkcionális elemek Benesóczky Zoltán 24 A jegyzetet a szerzői jog védi. Azt a BM hallgatói használhatják, nyomtathatják tanulás céljából. Minden egyéb felhasználáshoz a szerző belegyezése szükséges.

2 funkcionális elemek kombinációs sorrendi multiplexer dekóder komparátor összeadó ALU BCD/7szegmenses dekóder regiszter latch számláló shiftregiszter stb... 3 állapotú meghajtó stb... 2

3 Rajzele: MSB cím bemenetek s s Multiplexer kimenet y MPX 2 3 Működése: s s adat bemenetek a) b) Belső felépítése: Y & & & & S S S S S S S S D D D2 D3 3

4 Csatorna számának növelése: s3 s2 s s y MPX 2 3 s s y MPX y MPX y MPX y MPX s s s 2 3 s 2 3 s 2 3 s 2 3 s s Csatorna szélességének bővítése: s s A2- B2- C2- D2- s s y y y2 y MPX y MPX y MPX s s 2 3 s 2 3 s 2 3 Multiplexer mint univerzális KH: MPX 2 Y 3 S S f=a B + A B MPX f=a B C + A B C + A B 2 Y 3 S S B A C B A a.) b.) 4

5 Dekóder/demultiplexer A dekóder rajzjele: Működése: kimenetek cím bemenetek s s 2 3 DMPX In s s adat bemenet a.) b.) A dekóder belső felépítése: Y Y Y2 Y3 & & & & S S S S S S S S In A dekóder bővítése: s s s s s DK DK DK DK n s n s n s n s s s3 s2 s s 2 3 DK n n 5

6 3 állapotú meghajtó BUFFR a.) b.) & & BUFFR DIR DIR a.) N b.) Uout Uh Ul Uk2 Uk Uin 6

7 Multiplexer 3 állapotú meghajtóval Centralizált felépítés: IN IN IN2 IN3 BUFFR BUFFR BUFFR BUFFR -RD ADAT -RD -RD2 -RD3 2 3 DK B A -RD A A Decentralizált felépítés: IN IN IN2 IN3 -RD BUFFR -RD BUFFR -RD2 BUFFR -RD3 BUFFR -RD A A ADAT A-A 2 3 -RD ADAT IN IN IN2 IN3 7

8 Komparátor Rajzjele: < = > A In B A A2 A3 < Out = B B2 B3 >... A A A7 G B B Out = B7... 8

9 Hagyományos kaszkádosítás A legelső komparátor kaszkádosító bemeneteit úgy kell beállítani, mintha egy előző komparátor egyenlőséget jelezne. MSB A7 A6.. A A LSB A<B < A3 A2 A A < < A3 A2 A A < A=B = Out In = = Out In = A>B > B3 B2 B B > > B3 B2 B B > B7 B6.. B B Komparátorral a 2-es komplemensben ábrázolt számokat az előjel bit invertálása után tudjuk összehasonlítani (offszet kóddá transzformálás). 9

10 Gyorsított kaszkádosítás A hagyományos kaszkádosítás hátránya, hogy a kaszkádosított egységek késletetési ideje összeadódik. Itt 4 bites komparátorokkal gyors 24 bites komparátor. A kapcsolás olyan komparátort tételez fel, amelynek < és > bementére egyszerre -et kapcsolva, annak < és > kimenete egyforma logikai értéket ad, ha A=B. A>B A=B A<B. > = < A B 3 2 > = < szint. szint 3. > = < 5. > = < A B A B 3 2 > = < > = < 2 3 A9 A7 A5 B5 B7 B9 A8 A6 L B6 B8 A9 A8 A7 A5 A6 B5 B7 B9 L B6 B8 2. > = < 4. > = < 6. > = < A B A B A B 3 2 > = < > = < > = < 2 3 A24 A22 A2 B2 B22 B24 A23 A2 L B2 B23 A4 A2 A B B2 B4 A3 A L B B3 A4 A3 A2 L A L B2 B4 H B B3

11 Összeadó Funkciója: Az összeadó két n bites (előjel nélküli abszolútértékes vagy 2-es komplemens ábrázolású) bináris szám összeadása. += C=, +=+= C=, += C= Pl: Paramétere: - szószélesség (hány bites): n Bemenetei: - összeadandó számok (A, B) 2 x n bit Ci átvitel bemenet Kimenetei: - eredmény S (SUM) n bit

12 - Co átvitel Rajzjele: A3 A2 A MSB A S S S2 S3 A3 A2 A A Co B3 B2 B B Ci B3 B2 B B Két 4 bites összeadó kaszkádosítása A legelső összeadó Cin bemenetére -át kell kötni. 2

13 S8 S A7 A6 A5 MSB A4 A3 A2 A MSB A S S S2 S3 A3 A2 A A S S S2 S3 A3 A2 A A Co B3 B2 B B Ci Co B3 B2 B B Ci B7 B6 B5 B4 B3 B2 B B 3

14 Sok bit esetén az átvitel soros terjedése nagy késleltetést okoz. lkerülése: átvitel gyorsítással S2 S S B Σ A S C B Σ A S C B Σ A S C C C carry logika carry logika B2 A2 B A B A Cin 4

15 BCD/7szegmenses dekóder A meghajtandó LD kijelző: a A f g b e d c h a b c d e f g h A dekóder rajzjele: N D C B A BCD/7sz g f e d c b a OC. Alkalmazása: Ut N g OC. R D3 D2 D D D C B A BCD/7sz f e d c b a 5

16 Sorrendi funkcionális elemek (tároló tulajdonságú elemek) Regiszter (közös órajelű D flip-flopok) adat kimenet élérzékeny órajel bemenet D 2 D D2 3 D3 adat bemenet Latch (közös G-jű D-G flip-flopok) adat kimenet szintérzékeny órajel bemenet G D 2 D D2 3 D3 adat bemenet 6

17 ngedélyezhető regiszter adat kimenet i engedélyezõ bemenet 2 3 D D D2 D3 adat bemenet clk D MPX S clk Regiszterek beírása buszról (centralizált felépítés): Di OUT OUT OUT2 OUT RGISZR RGISZR RGISZR RGISZR -WR ADAT -WR -WR -WR2 2 3 DK S S LSB A A (CÍM) -WR3 CÍM 2 ADAT ADAT ADAT ADAT2 -WR -WR -WR -WR2 OUT ADAT OUT ADAT OUT2 ADAT2 7

18 Decentralizált felépítés: DATA DATA DATA2 DATA3 RG RG RG RG -WR A A ADAT 8

19 Számlálók A számlálók (számláló üzemmódjára jellemző) állapotgráfja gyűrű alakú. Pl. 6-os számláló állapotgráfja: A számláló az órajeleit számolja. A modulusa, a ciklus hossza. Modulus alapján: bináris, decimális, egyéb (2-es, 6-os stb.) 9

20 Aszinkron számláló Aszinkron bináris felfele számláló, aszinkron törléssel: 2 T Cl Cl Cl T T clk Cl clk 2 Az egyes kimenetek egyre jobban késnek az órajelhez képest. 2

21 Aszinkron bináris lefele számláló, aszinkron törléssel: 2 T Cl Cl Cl T T clk Cl clk 2 2

22 Szinkron számláló Szinkron bináris felfele számláló belső felépítése: 2 T T T clk clk 2 A kimenetek egyszerre váltanak, késleltetésük kicsi az órajelhez képest. 22

23 Szinkron bináris lefele számláló belső felépítése: 2 T T T clk Szinkron engedélyezhető bináris felfele számláló belső felépítése: 2 T T T clk 23

24 Szinkron bináris, engedélyezhető és tölthető felfele számláló funkcionális felépítése: 2 D D D clk MPX s MPX s MPX s -LD D2 D2 D2 T2 T T Szinkron bináris, engedélyezhető és tölthető fel-le számláló funkcionális felépítése: 2 D D D clk MPX s MPX s MPX s -LD D2 D2 D2 T2 T T MPX s MPX s DIR (UP/-DOWN) 24

25 Számlálók vezérlő jelei lehetnek: CL: törlés LD: betöltés n: engedélyezés (csak szinkron esetben) DIR: számlálási irány Számlálók kimeneti jelei lehetnek: CY(carry): felfele számláló végállapota Bináris számlálónál CY =..2. BO(borrow): lefele számláló végállapota BO = /././2. Max/min: fel-le számláló végállapotai Binináris számlálónál M/m=DIR /DIR./././2.. RCY: ripple carry RCY =.CY RCO: ripple clock RCO =./(CY./CLK) 25

26 Számlálók kaszkádosítása (modulus növelés) 3db 4 bites bináris számláló működése Aszinkron kaszkádosítások: d c b SZ a d c SZ b a clk RCO CY a b c d a b c d SZ Cl SZ Cl Cl CLK CLOCK SZ RCO SZ A kaszkádosított számlálók modulusai összeszorzódnak. 26

27 Szinkron kaszkádosítások: CY a b c d a b c d SZ Cl SZ Cl Cl CLK T CLOCK SZ Carry SZ t 5 6 t h 27

28 A carry soros terjesztése: RCY2 RCY RCY CY CY CY CLK CLK CLK Az engedélyezés az MSB felé egyre jobban késik az órajelhez képest. CLK Gyorsított kaszkádosítások A CY párhuzamos előállításával: RCY2 RCY RCY CY CY CY CLK CLK CLK CLK A legelső CY előrecsatolásával: CY CLK CY CLK CY CLK CY CLK clk 28

29 Moduluscsökkentési eljárások N Clock KOMP = Cy U/DMax/min SZ Down SZ Clk Ld Clk Ld Clock Clock SZ szinkron LD szinkron LD Cl Clk szinkron Cl N _ N MODULUS=N+ MODULUS=N+ MODULUS=N+ N 2 n - N N t t t a.) b.) c.) Mintapéldák: Készítsünk 6-os szinkron tölthető lefele számlálóból 9-es modulusút. A kódolása 8-. Mm U/D d c b a Dd Dc Db Da Ld RST clk 29

30 Készítsünk 6-os szinkron törlésű, engedélyezhető felfele számlálókból 67- os modulusút. A kódolása legyen D = B Kaszkádosítunk, majd modulust csökkentünk. MSB d c b a Cl d c b a Cl CY CY clk 3

31 A shiftregiszter gy balra shiftelő SHR belső felépítése: c b a shift output D D D clk clk clk Cl Cl Cl Si clock Cl Állapotgráfja: kezdõ állapot Működésének idődiagramja: T CLK Si t su D2 D3 a/db D t dc D2 D3 b/dc D D D2 3

32 Tölthető, engedélyezhető, jobbra-balra shiftelő shiftregiszter belső felépítése: d c b a clock D D D D MPX MPX MPX MPX S SIR Da a b a Db b c b Dc c d c Dd d SIL S SS jobbra shift (SHR) balra shift (SHL) betölt (LOAD) tart (HOLD) 32

33 Shiftregiszter mint számláló Gyűrűs számláló: a b c d SI SHR LD/S A B C D RST A számláló kódolása a, b, c, d:,,, N bites SHR esetén a modulusa: N Johnson számláló: a b c d SI SHR LD/S A B C D RST A számláló kódolása a, b, c, d:,,,,,,, Modulusa N bites SHR esetén: 2N 33

34 Önkorrigáló Johnson számláló a b c d SI SHR LD/S A B C D Néhány órajelen belül tetszőleges állapotból beletalál a normál ciklusba. Pl:,,,, Álvéletlen generátor MOD 2 visszacsatolt shiftregiszterrel SI a b c d SHR LD/S A B C D RST CLK Kódolása:,,,,,,,,,,,,,, Modulusa N bites SHR és maximális ciklushosszú visszacsatolás esetén: 2 N - 34

35 Memória elemek: MMÓRIÁK ROM (csak olvasható) RAM (írható-olvasható) PROM (egyszer írható, OTP) -mask programozott -felhasználó által programozott PROM (UV-vel törölhetõ) statikus RAM dinamikus RAM PROM (elektromosan szavanként törölhetõ) FLASH (elektromosan szektoronként törölhetõ, nagy sûrûségû) Jellemzők: szószélesség, byte szám, hozzáférési idő ROM dekóder szavak.. An-A An-A Dm-D CS m. RD CS RD & n meghajtó Dm-D a.) Olvasás idődiagramja: b.) CS RD t RD CÍM ADAT STABIL t AA t CA t AO t DF 35

36 ROM mint iniverzális KH: f 2 f cím D3 D2 D D x x x x x x x x A3 A2 A A B x x x x A C f x x x x A B C x x x x x x x x O CS a.) f2 = AB + AC = ABC + ABC + ABC + ABC b.) A tartalom az igazságtábla. 36

37 RAM.. szavak An-A DK m. An-A CS RD WR Dm-D a.) RD CS W & & DIR Statikus RAM írási ciklusa: b.) meghajtó n Dm-D CS t CW t WR WR t AS t DS t DH CÍM ADAT t t STABIL WP WC 37

38 Memóriák szószélességének növelése D D5 A D... D7 RD D RD... D7 CS WR WR CS A A An A A An WR RD An CS Memóriák kapacitásának növelése An-A O WR O RAM O RAM O RAM O RAM CS W CS W CS W CS W Dm-D CS 2 3 DK B A LSB An+2 An+ 38

39 Példák funkcionális elemekkel felépített logikákra: PWM (változtatható kitöltési tényezőjű jel) előállítása. N B KOMP A A>B OUT SZ clk TOP N t OUT t 39

40 Időmultiplexált kijelző megvalósítása Vcc MPX ADAT3 D3_3- ADAT2 D2_3- ADAT D_3- MSB ADAT D_3- S S BCD/7sz D C B A a b c d e f g OC. 7sz.adat SZ clk 3 DK B 2 A OC. OC. OC. OC. -N3 -N2 -N -N sz 3 2 7sz. adat ADAT ADAT ADAT2 3 ADAT3 -N -N -N2 -N3 4

41 Mátrix billentyűzet kezelése Vcc egy billntyû bekötése sor számláló MSB SZ N DK 2 S 3 S CLK RCY SZ N oszlop sz. 2 3 S MPX S Y CLK K J Cl biilentyû kód RADY STRB 4