Digitális Rendszerek. 1. Fejezet: Bevezetés. Copyright 2010 Frank Vahid

Átírás

1 Digitális Rendszerek. Fejezet: Bevezetés Slides to ccompny the textbook Digitl Design, with RTL Design, VHDL, nd Verilog, 2nd Edition, by Frnk Vhid, John Wiley nd Sons Publishers, 2. Copyright 2 Frnk Vhid Instructors of courses requiring Vhid's Digitl Design textbook (published by John Wiley nd Sons) hve permission to modify nd use these slides for customry course-relted ctivities, subject to keeping this copyright notice in plce nd unmodified. These slides my be posted s unnimted pdf versions on publicly-ccessible course websites.. PowerPoint source (or pdf with nimtions) my not be posted to publicly-ccessible websites, but my be posted for students on internl protected sites or distributed directly to students by other electronic mens. Instructors my mke printouts of the slides vilble to students for resonble photocopying chrge, without incurring roylties. Any other use requires explicit permission. Instructors my obtin PowerPoint source or obtin specil use permissions from Wiley see for informtion.

2 Miért Tnuljuk meg Digitális Rendszereket?. H számítógép dobozát kinyitjuk, kkor: Megértjük z egységek közötti kpcsoltot --=> Önbizlom belső szervek műtétjénél, => progrmozáskor hrdver ismerete előny Egyre ngyobb méreteket ölt digitlizált világ Egyre ngyobb fokú integráltság Lehetőség: Jobb minőségű eszközök: hng rögzítők, videokmerák, utók, telefonok, orvosi műszerek,... Új lehetőségek: Video játékok, simogtóstelefönök,... Más ismert elnevezés: Beágyzott Rendszerek Évi több millió termék Tervező mérnökök hiány: potenciális krrier lehetőség. Hordozhtó lejátszók Műhold DVD lejátszó Mobil Telefonok Videó rrögzítés Elektronikus hngszerek Kmerák TVk??? A megjelenés éve és elterjedésük

3 Mit jelent Digitlális Szó? Anlóg jel Folytonos jel Pl: A mikrofon kimenetén megjelenő váltkozó feszültség Sound wves move the membrne, Digitális jel Véges (két) értékű jel Pl: billentyűzet nyomógombjánk állpot which moves the mgnet, 2 Digitális jel microphone Anlóg jel which cretes current in the nerby wire vlue Lehetséges értékek:.,., 2.9,... infinite possibilities time vlue time Lehetséges értékek :,, 2, 3, or 4. Tht s it. 3

4 Két (2) értékű Bináris Jelek Binry bináris - digitális jel csk két lehetséges értéke vn Áltlábn és értékű jel Egy binry digit bináris digit z egy bit A továbbikbn csk bináris digitális jelekkel fogllkozunk A bináris jel közkedvelt mert: Az ármkörök lpvető eleme Trnzisztor, kpcsoló üzemű működése során csk 2 feszültség értéket veszünk figyelembe (lásd Chpt. 2) Két feszültség érték tárolás/továbbítás sokkl könnyebb mint három vgy több értéké (zz, hngos beep vgy hlk beep, visszverődés vgy elnyelés) vlue time 4

5 Digitlizálás Előnyei Az nlóg jel minősége csökkenhet (e.g., udio, video) A feszültség értékek mentése, másolás, továbbítás nem tökéletes A Digitlizált jel mentése, másolás, továbbítás mjdnem tökéletes. Mintvételezéssel (megfelelő T mintvételezési periódus) csökkenti minták számát és mintvételezés gykoriságát A Feszültség szintek egy dott intervllumbn mozognk Ezért megkülönböztethető és z Megfelelő kódólássl: V: 2 V: 3 V: Volts Volts 3 2 originl signl time 2d digitized signl time lengthy trnsmission (e.g, cell phone) lengthy trnsmission (e.g, cell phone) sme A jel visszállítás nem tökéletes Az dott mint mitt 2d nd d2 Ngyobb mintvételezési gykoriság És jobb minőségű (több bites) kódolás jvítj Jel visszállítás minőségét Volts 3 2 time How fix -- higher, lower,? received signl time Cn fix distinguish s/s, restore d2

6 Digitiztion Benefit: Cn Store on Digitl Medi () wire microphone nlog todigitl converter Volts 3 2 smples digitized signl nlog signl on wire time Store on CD, USB drive, etc. No deteriortion. (b) red from tpe, CD, etc. wire speker digitl tonlog converter Volts 3 2 nlog signl reproduced from digitized signl 6 time

7 Digitlizált Hng: A tömörítés előnyei A digitlizált hng tömörítehető lásd MP3 Tömörítés nélkül leglább 2 dl írhtó CD-re Tömörítéssel ngyjából 2 dl írhtó CD-re Az dtok tömörítését digitlizált képek tárolásánál is lklmzzuk (jpeg), (mpeg), stb. A digitlizálásnk egyéb előnye is vn. Exmple compression scheme: mens mens X mens X 7

8 Hogyn ábrázoljuk (kódoljuk) digitális rendszer dtit? nlóg Jel/jelenség villmos jelek A2D digitális jelek digitális jelek Érzékelők és bemenetek digitállis jelek Digitális rendszer digitális jelek D2A villmos jelek Végrehjtó elemek és kimenetek Egyes bemenetek természetükből eredően binárisk nyomógomb: not pressed (), pressed () Egyes bemenetek természetükből eredően digitálisk Értelemszerűen binárisn kódoljuk Pl.: még több nyomógomb kód: red=, blue=,... Más bemenetek: nlóg nlóg-digitális átlkítás Lásd előző fóliákt mintvételezés kódolás 8 red red red button blue blue blue ir green green green temperture sensor blck blck blck 33 degrees

9 Szöveg ábrázolás (kódolás): ASCII, Unicode ASCII: krkterek, szimbólumok 7 vgy 8 bites kódolás Unicode: egyre népszerűbb 6 bites kódolás Különböző nyelvek (bc) kódolás Encoding Symbol <spce>! " # $ % & ' ( ) * +,. / Smple ASCII encodings Encoding Symbol A B C D E F G H I J K L M Encoding Symbol N O P Q R S T U V W X Y Z Encoding Symbol b... y z Kérdés: Mit jelent következő ASCII szekvenci? R E S T 9

10 Számok bináris ábrázolás - számrendszerek A helyérték egy dott mennyiséget képvisel (x; x; stb); z dott helyértéken lévő szimbólum = zt dott mennyiség hányszoros Tízes lpú (decimális - deciml) Tízes szimbólumok:,, 2,..., 8, és 9 H K> 9 következő helyértéken ábrázoljuk => minden helyérték htvány A -es számrendszert zért hsználjuk, mert ujjunk vn. (?!) Kettes számrendszer (binry-bináris) 2 szimbólum: és H K> következő helyértéken ábrázoljuk Tehát minden helyérték 2 htvány szerinti Q: How much? + = 4 + = 5

11 Digitális dtok hsznált Digitális Rendszerekben Digitális Hőmérséklet mérés z mérés eredménye bináris A rendszer beolvss hőmérséklet bináris értékét, z eredményt ASCII kódbn ábrázoljuk: F hideg - freezing (-32) B forró - boiling (22 < T) N - normális - norml A kijelző átlkítj (convert) z ASCII kódot megfelelő kijelző szimbólumr Digitl System temperture sensor "33" if (input <= "") // "32" output = "" // "F" else if (input >= "") // "22" output = "" // "B" else output = "" // "N" disply N "N"

12 Konverzió: Bináris szám => Decimális szám Összedjuk súlyozás értékeit hol -es vn 2 = *2, vgy. 2 =*2 2 + *2 + *2, vgy 6. htványr emelés után: *4 + *2 + *, or 6. 2 = *6 + *8 + *4 + *2 + *, vgy 6. 2 = *28 + *4 + *2 + * = 35. Megjegyzés: kihgytuk értékű súlyokt 2 egyenértékű 2 ngyobb helyértéken lévő nem változttj számértéket. Hsznos htványok 2: Gykorlt teszi mestert! Htványozzunk! 2 n

13 Konverzió: Decimális szám => Bináris szám 2 k htványú helyértékre - et írunk. A 2 k htványú összeg = N-el A helyértékeket összegezzük () (b) (c) Decimális szám N: 2 6 > 2, too big; A 2 4 helyérték 8 <= 2, tehát A 2 3 helyérték, Összeg = 8 8+4=2 <= 2, tehát 2 2 helyérték, Összeg = 2 Összeg sum 8 2 Bináris szám (d) Konverzió vége N = 2, 2 = és 2 = vége

14 Konverzió: Decimális szám => Bináris szám Péld egy kompkt ábrázolásr Decimális szám: 23 sum: Bináris szám () 6 (b) 2 (c) 22 (d) 23 (e) 4

15 Péld: DIP-Switch áltl vezérelt cstorn A ventilátor vevőjének címe gyári beállítás szerint 73 Csk kkor érzékel h cím= 73 A vezérlés engedélyezés DIP kpcsoló bináris értékétől függ (73) () "34" chnnel receiver InA Ventilátor vezérlő Q: "73" if (InA = InB) Out = else Out = Out Desired vlue: 73 DIP switch InB sum: (c) (b) 5

16 Hexdecimális számrendszer (6 lpú) 8 A F A F Elönyos 4 bites ábrázolás mitt A Bináris számok tömör ábrázolás hexdeciml, vgy hex hex binry hex binry A B Q: Write in hex 4 5 C D F 6 7 E F Q: Convert hex A to binry 6

17 Konverzió: Decimális szám => Hex szám Módszer: előszőr felírjuk szám bináris értékét, mjd átlkítjuk hex re Péld: 99 =? H. lépés: Bináris konverzió: lépés: Bináris => hex: 6 3 (Ellenőrzés - Quick check: 6*6 + 3* = 96+3 = 99) 7

18 Péld Hex ábrázolásr: RFID bélyeg Elektromágneses tér áltl táplált bélyeg rádiófrekvenciás zonosító RFID Egyedi zonosító számot küld Péld: 32 bites zonosító (id) 8-bit tájegység szám, 8-bit ország szám, 6-bit állt szám A bélyeg binárisn tárolj z dtokt DE progrmozók HEX-et hsználják írásr/olvsásr writing/reding (b) Province # City # Animl # () RFID tg (c) (d) (e) (f) Province: 7 City: 6 Animl: 53 7 A 2 Tg ID in hex: 7A2 8

19 Konverzió: Binris -ról/r: összegezés módszere 6 6 Deciml 26 To binry = = To deciml = 26 Binry To hex = A 6 2 To octl =

20 Áltlános Konverzió: Osztássl Automtikus átlkítási módszer A Hánydost ddig osztjuk kettővel míg null nem lesz Decimális szám konverziój binárisr (péld). Divide deciml number by 2 Insert reminder into the binry number Continue since quotient (6) is greter thn Deciml Binry (current vlue: ) 2. Divide quotient by 2 Insert reminder into the binry number Continue since quotient (3) is greter thn (current vlue: ) 3. Divide quotient by 2 Insert reminder into the binry number Continue since quotient () is greter thn 4. Divide quotient by 2 Insert reminder into the binry number Quotient is, done (current vlue: 4) (current vlue: 2) Note: Works for ny bse N just divide by N insted 2

21 Byte, Kilobyte, Megbytes, és többi Byte: 8 bit Ngyobb egységek: kilo (ezer vgy 3 ), meg (millió vgy 6 ), gig (milliárd vgy 9 ), és ter (trilliárd vgy 2 ), pl.: kilobyte vgy KByte DE!!! A metrikus töbszörösöket helytelenül hsználják mert: 2 6 = = 64 Kbyte Tipikus hsználti hib memóri kpcitás leírásánál Megkülönböztetjük KB = kilobyte és Kb = kilobit foglmkt. FIGYLELJÜNK ODA! 2

22 Digitális Rendszerek megvlósítás: Microprocesszor progrmozás vgy Digitális ármköri tervezés?.3 Feldt: Éjszki mozgásérzékelő Mikroprocesszoros megvlósítás Megvlósítás digitális ármkörrel Mikroprocesszor gykori válsztás digitális feldtok megvlósításábn Könnyű progrmozni olcsó (ár < $) Kereskedelemben kphtó I I I2 I3 I4 I5 I6 I7 P P P2 P3 P4 P5 P6 P7 void min() { while () { P = I &&!I; // F = nd!b, } } b F 6: 7:57:6 9:9: time 22

23 Digitális Tervezés: Amikor Microprocesszor (up) nem jó megoldás up olcsó, elérhető DE: Nem mindig gyors Vgy túl ngy Vgy melegszik (ngy disszipált teljesítmény) Vgy drág Jelőlés: IC integrted Circuit Azz integrált ármkör Feldt: Szárny dőlésszög vezérlő up-vel szükséges számítási idő 5 ms Digitális IC-vel szükséges számítási idő 5 ms H végrehjtási ciklus/s kkor: * 5 ms = 5 ms = 5. s * 5 ms = 5 ms =.5 s A Mikroprocesszor túl lssú, IC JÓ (OK). 23

24 Digitális Tervezés: Amikor Microprocesszor (up) nem jó megoldás Rendszerfeldtok felosztás mikroprocesszor feldtok, digitális ármköri feldtok: Pl. fényképezés () Imge Sensor Memory Microprocessor (Red, Compress, nd Store) Q: How long for ech implementtion option? 5+8+ =4 sec Kép mintvételezési feldt (kép/s) : Tsk Microprocesso r Olvsás 5. Tömörítés 8.5 Tárolás.8 Custom Digitl Circuit (b) (c) Imge Sensor Memory Imge Sensor Memor y Red circuit Red circuit Compress circuit Store circuit Compress circuit Microprocess or (Store) =.4 sec.+.5+ =.6 sec Good compromise 24

25 Összefogllás - Chpter Summry A Digitális rendszerek mindenhol ott vnnk (Sz)ámítógépek Minden elektronikus eszközben ott vnnk (beágyzott rendszerek) A Digitális rendszerek bináris rendszeret hsználják ( és ) Anlóg jelek átlkítás digitálissá elönyök/ hátrányok Pl: udió jobb átviteli minőség tárolás/átvitel, tömörítés, stb. Kódolás és : bináris számok Mikroprocesszorok (digitális gép) ngyon sok digitális rendszert vlósít meg - könnyen és olcsón A up nem mindig jó megoldás felhsználó áltl tervezett ármkörök 25