DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint

Átírás

1 IGITÁLI TECHNIK II r. Lovassy ita r. Pődör álint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet. ELŐÁ 2. félév TEMTIK É IMEETNYG (). orrendi (szekvenciális) hálózatok, általános tulajdonságok. zinkron és aszinkron sorrendi hálózatok. 2. Elemi tárolók (flip-flop) jellemzői és működésük., JK, G- és T típusú flip-flopok. 3. egiszterek jellemzői és működésük. zinkron és aszinkron számlálók kialakítása, működésük, alkalmazásaik. 4. szinkron és szinkron sorrendi hálózatok analízise és szintézise. zinkron sorrendi áramkörök tervezése állapotábra alapján. 5. igitális áramköri alapismeretek. igitális áramkörcsaládok (MO, CMO, TTL, ECL) konstrukciói, jellemzői, működésük, felhasználásuk. 2 TEMTIK É IMEETNYG (2) 6. Kombinációs áramkörök megvalósítása. tatikus és dinamikus jellemzők, terhelés, terhelhetőség, késleltetések, hazárdok, hazárdmentesítés. 7. Műveletvégző egységek (összeadók, összehasonlítók, szorzók, aritmetikai-logikai egység LU). 8. Félvezetős memóriák tulajdonságai. Félvezetős memóriák címzése és szervezésük. 9. Programozható logikai eszközök. TNTEMI GYKOLTOK. Egyszerű és összetett kombinációs áramkörök tervezési példái. 2. Flip-flopok analízise. 3. orrendi áramkörök tervezési példái. 4. egiszterek, számlálók. 5. zámlálókból kialakított áramkörök tervezése. zámlálók tervezése katalógus alapján. 6. igitális alapáramkörök (TTL és CMO) működésének analízise. 7. Félvezetős memóriák analízise, rendszerek összeállítása. 3 4 KÖTELEZŐ IOLOM Zsom Gyula: igitális technika I, Műszaki Könyvkiadó, udapest, 2, (KVK /I) Zsom Gyula (szerk.): igitális technika II, Műszaki Könyvkiadó, udapest 2, (KVK /II) őmer Mária: igitális rendszerek áramkörei, Műszaki Könyvkiadó, udapest, 989, (KVK ) őmer Mária: igitális technika példatár, KKMF 5, udapest 999 rató Péter: Logikai rendszerek tervezése, Kiadó 24, 553 Műegyetemi 5 JÁNLOTT IOLOM Gál Tibor: igitális rendszerek I és II, Műegyetemi Kiadó, 23, 5429 és 5429 műegyetemi jegyzet enesóczky Zoltán: igitális tervezés funkcionális elemekkel és mikroprocesszorokkal, Műegyetemi Kiadó, 22, 5533 zentiday Klára: igitális alapáramkörök (KVK MTI, 23) Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és elektronikai technológia, Műszaki Könyvkiadó, 995 Janovich ándor, Tóth Mihály: logikai tervezés módszerei, Műszaki Könyvkiadó, udapest,

2 Z ELŐÁOK É TNNYG z előadások Zsom Gyula: igitális technika I és II (I. köt old., old., II. köt old., old.) őmer Mária: igitális rendszerek áramkörei (4-45 old., old.) rató Péter: Logikai rendszerek tervezése (39-89 old., old.) Gál Tibor: igitális rendszerek I és II Gyakorlat: LÁÍÁ, VIZG,. gyakorlatokon való részvétel kötelező. Három, vagy több igazolatlan hiányzás esetén nincs aláírás, és nem is pótolható. 2. Kis zárthelyik elégséges szinten való megírása. Ez a gyakorlat követelményeinek teljesítéséhez tartozik, az aláírás megszerzéséhez szintén szükséges. Ez azonban pótolható. Tarnai G.; okor J.; ághi.; aranyi E.; écsi T.: Irányítástechnika I. ME Egyetemi tananyag (32-5 old.) 2. c. könyvein alapulnak. 7 8 Előadás: LÁÍÁ, VIZG,. ELŐÁ: OENI HÁLÓZTOK Egy alkalommal nagy zárthelyi. Terv szerint a 9. héten. zárthelyi az aláírás megszerzésének további feltétele. ÉTÉKELÉ É VIZGJEGY Elégséges (2) jegy alsó határa Kombinációs hálózatok, áttekintés orrendi hálózatok alapjai szinkron sorrendi hálózatok zinkron sorrendi hálózatok 55 % 9 kombinációs logikai hálózat általános modellje KOMINÁCIÓ HÁLÓZTOK övid áttekintés x bemeneti állapot X X 2 X 3 X n KOMINÁCIÓ HÁLÓZT Z Z 2 Z 3 Z m z kimeneti állapot z x bemeneti állapotot leképezi a z kimeneti állapotra. Ugyanahhoz az x i bemenethez mindig ugyanaz a z j kimenet tartozik. (Eltekintve a tranziensektől.) 2 2

3 KOMINÁCIÓ HÁLÓZT kombinációs hálózat emlékezet nélküli hálózat x bemeneti állapot X X 2 X 3 X n KOMINÁCIÓ HÁLÓZT a pillanatnyi x i bemeneti állapot egyértelműen meghatározza a z i kimeneti állapotot, függetlenül attól, hogy korábban milyen x i bemenetei állapotokkal vezéreltük a hálózatot. Z Z 2 Z 3 Z m z kimeneti állapot 3 KOMINÁCIÓ LOGIKI HÁLÓZTOK TULJONÁGI kombinációs hálózatokban minden bemeneti kombináció egyértelműen és kizárólagosan meghatározza a kimeneti kombinációt. kimeneti kombinációból viszont általában nem tudjuk egyértelműen meghatározni az azt előidéző bemeneti kombinációt, mert nem követelmény, hogy különböző bemeneti kombinációk minden esetben más-más kimeneti kombinációt hozzanak létre. 4 KOMINÁCIÓ HÁLÓZT LOGIKI FÜGGVÉNYEI PÉL: TELJE ÖZEÓ Funkciója két bit és az előző helyi értékből származó átvitel összeadása kimenő változók a bemenő változók logikai függvényeivel állíthatok elő C in TÖ C out Y i = F i (,,..., N) i =, 2,... m Három bemenetű és két kimenetű hálózat adat kompresszor 5 6 IGZÁGTÁL É LOGIKI EGYENLETEK C in C out = C in + C in + C in + C in = C in C out = ( )C in + c i x i y i c i- F si (d) x i y i c i- x i y i FULL E (e) c i s i x i y i c i- s i (f) i = x i y i C i- s i C i = x i y i + y i C i- + x i C i- c i i = x i y i C i- 7 c i- (g) 8 3

4 PÉL: C/7-ZEGMENE KIJELZŐ EKÓOLÓ emenet : 4 bit C digit (,, C, ) Kimenet : 7 szegmens vezérlőjele (C-C6) c5 c4 c c6 c3 c c2 c c c2 c3 c4 c5 c6 C to 7 segment control signal decoder Igazságtábla don't care termek Megvalósítási technika megválasztása Ha OM, akkor kész on't care termek PL/PL előnyös lehet kiválasztott technikától függően minimalizálás Karnaugh táblákon FELT NLÍZIE C CCC2C3C4C5C6 C 9 2 HÉT KIMENET MINIMLIZÁLÁ 5 term ha a kimeneteket külön-külön kezeljük X X X C X X C X X X X X X X X X X X C X X C X X X X X X X X C X X X X X X X C X X C X X X X X X C = + + C + ' ' C = C' ' + C + ' C2 = + C' + C3 = ' ' + C ' + C' + ' C C4 = ' ' + C ' C5 = + C' ' + ' + C' C6 = + C ' + C' + ' C on t care termek: erős egyszerűsítések adódnak! X 2 C2 EGYÜTTE MINIMLIZÁLÁ Jobb megoldás is van! 9 különböző szorzat tag (5 helyett) Közös termek z egyes kimenetek nem szükségképen minimális X X C X X X X C = + + C + ' ' C = C' ' + C + ' C2 = + C' + C3 = ' ' + C ' + C' + ' C C4 = ' ' + C ' C5 = + C' ' + ' + C' C6 = + C ' + C' + ' C C2 X X C X X X X C = C' + C + ' ' + C ' + C = ' + C' ' + C + ' ' C2 = ' + C' + C' ' + C + C ' C3 = C' + ' + ' ' + C ' C4 = ' ' + C ' C5 = C' + C' ' + + C ' C6 = ' C + C' + C ' + 22 PL ELIZÁLÁ C C' 'C ' C' C'' C '' C' OENI (ZEKVENCIÁLI) LOGIKI HÁLÓZTOK C C C2 C3 C4 C5 C6 C7 C = ' + C' ' + C + ' '

5 OENI LOGIKI HÁLÓZTOK logikai áramkör kimeneti jele(i) a bemeneten fellépő jelkombinációkon kívül az előzőleg felvett állapotától is, azaz az előzőleg kialakult kimeneti jelkombinációtól is függ. orrendi vagy szekvenciális logikai hálózat. emeneti változók: primer változók. Visszacsatolt kimeneti változók: szekunder változók. PÉL: ÁUÍTÓ UTOMT Pl. egy ital-automatának emlékeznie kell, hogy milyen és hány érmét dobtak bele. z automata válasza nem csak attól függ, hogy éppen milyen érmét dobtak bele, hanem attól is, hogy hány és milyen érmét fogadott be az adott kiszolgálási ciklusban. 25 OENI LOGIKI HÁLÓZTOK TULJONÁGI sorrendi logikai hálózatok, a szekunder kombinációk révén képesek arra, hogy ugyanazon bemeneti kombinációhoz más-más kimeneti kombinációt szolgáltassanak attól függően, hogy a bemeneti kombináció fellépte esetén milyen az éppen érvényes szekunder kombináció. szekunder kombináció pillanatnyi értékét pedig a logikai hálózat bemenetére jutott korábbi bemeneti kombinációk és azok sorrendje is befolyásolja, mivel a szekunder kombinációk a működés során változnak. Innen ered a sorrendi logikai hálózat elnevezés. OENI HÁLÓZT sorrendi hálózat, a kombinációs hálózattal szemben emlékezettel (memóriával) rendelkező hálózat. kimeneti állapotot nemcsak a pillanatnyi bemeneti állapot határozza meg, hanem a korábbi bemeneti állapotok, pontosabban a bemeneti állapotok (nem végtelen) sorozata azaz szekvenciája. Ezért nevezik szekvenciális hálózatnak ZEKVENCIÁLI LOGIK kombinációs hálózatoknak nincs memóriájuk. kimenet mindig szigorúan követi a bemenetet. OENI HÁLÓZT TÖMVÁZLT () zükség van olyan áramkörökre, amik különbözőképpen reagálnak a bemenetre az előző állapotuktól függően. z ilyen gépeket véges (állapotú) gépeknek (automatáknak) (finite state machines) nevezik, mivel csak adott véges számú állapotuk van

6 VÉGE OENI UTOMT KLZIKU MOELL OENI HÁLÓZT TÖMVÁZLT (2) Inputs i o i k Combinational logic unit f o Outputs f m bemeneti változók nem határozzák meg egyértelműen a kimeneti változók értékét, ezért ezeket újabb belső (szekunder) változókkal kell kiegészíteni. tate bits s n n sn ynchronization signal elay elements (one per state bit) 3 belső változók rögzítik (tárolják) a hálózat előző vezérlési állapotait, és a bemenő változókkal együtt egyértelműen meghatározzák a kimenő változókat. 32 ZINKON OENI HÁLÓZT TULJONÁGI ZINKON OENI HÁLÓZT TULJONÁGI z instabil állapotok miatt a szekunder változók száma általában több mint szinkron esetben, ezért logikai tervezésük bonyolultabb működési sebességet csak az építőelemek működési sebessége és a jelterjedési késleltetések korlátozzák. Nem kell szinkronizációs feltételeket biztosítani szinkron hálózatban nem értelmezünk külön instabil és stabil állapotot zekunder változók száma általában kevesebb mint aszinkron esetben ezért egyszerűbb a logikai tervezésük működési sebességet a választott működési frekvencia (órajel) korlátozza Logikai tervezésük után biztosítani kell a szinkronizációs feltételeket, melynek teljesülnie kell a bemeneti változásokra és a kimeneti kombináció értelmezésére is OENI HÁLÓZT: TTIKU MOELL sorrendi hálózat is statikus modellel írható le. statikus modell a hálózat állapotsorozatát, azaz az eseménytörténetét írja le, a tranzienseit nem. z állapotot leíró függvényekben az idő mint változó NEM szerepel. OENI HÁLÓZT EMLÉKEZETE Hogyan emlékezik a sorrendi hálózat? rra kell emlékeznie, hogy a feladat szempontjából mi történt megelőzően a bemenetén. Ezt az éppen aktuális belső állapota tárolja. Ha véges számú megelőző bemeneti állapotra kell csak emlékeznie, akkor véges számú belső állapota van. z ilyen tulajdonságú szekvenciális hálózat az ún. véges (sorrendi) automata (finite digital automata)

7 OENI HÁLÓZT MOELLJEI kimeneti kombinációk előállítása szerint a sorrendi hálózatokat két csoportba oszthatjuk: Mealy modell kimenetek a bemenetek É az állapot közvetlen függvényei Moore modell kimenetek CK az állapot közvetlen függvényei OENI HÁLÓZTOK MŰKÖÉÉNEK LEÍÁ - ÁLLPOTTÁL Tervezés, analízis fontos lépése z állapottábla ábrázolja az egyes állapotok közötti átmenetet, illetve azt, hogy az állapotátmenetek milyen bemeneti kombinációk hatására jönnek létre. táblázat soraiban a lehetséges állapotok vannak ábrázolva, oszlopaiban pedig a lehetséges bemeneti kombinációk. táblázat egyes celláiban pedig az látszik, hogy milyen új belső állapotot vesz fel a rendszer. 39 OENI HÁLÓZTOK MŰKÖÉÉNEK LEÍÁ - ÁLLPOTGÁF Tervezés, analízis fontos lépése, grafikus megjelenítés z állapotgráf (állapotdiagram) a sorrendi hálózat leírási módja, mely csomópontokból és a csomópontokat összekötő irányított szakaszokból (élekből) áll. Csomópont : a hálózat belső állapota. Él: milyen bemeneti kombináció hatására megy át az egyik állapotból a másikba. 4 PÉL: PITÁVIZGÁLÓ Legyen egy sorrendi hálózat feladata egy 8-bites (soros) kódszó bitjei párosságának megállapítása. kárhány bit is érkezett már a bementére a 8 bites sorozatból, csak arra kell emlékeznie, hogy az addigi bitek paritása páros vagy páratlan volt-e. PÉL: KÓZÓ HMMING ÚLY Legyen a sorrendi hálózat feladata egy 8-bites (soros) kódszó Hamming súlyának megállapítása. Hamming súly (a nem elemek száma) -tól 8-ig bármi lehet! z n-edik ütemben emlékeznie kell arra, hogy az addig beérkezett kódszó szakasznak mi volt a Hamming súlya. beérkező bit értékétől függően ezt vagy változatlanul hagyja, vagy -gyel növeli

8 Tarnai G.; okor J.; ághi.; aranyi E.; écsi T.: Irányítástechnika I. ME Egyetemi tananyag 43 Tarnai G.; okor J.; ághi.; aranyi E.; écsi T.: Irányítástechnika I. ME Egyetemi tananyag 44 OENI HÁLÓZTOK sorrendi hálózat működési folyamata : ekapcsoláskor ún. start állapotban van, a hálózatnak előélete nincs, várja, hogy történjen valami. Miután változás lép fel a bemeneteken, a rendszer egy új állapotba kerül. Innen további változások hatására újabb állapotokba ugorhat, vagy akár vissza is térhet egy korábbi helyzetbe. Ha egy sorrendi hálózat egy bizonyos állapotban van, akkor az egyértelműen megadja, hogy mi történt vele az előzőekben. 45 Tarnai G.; okor J.; ághi.; aranyi E.; écsi T.: Irányítástechnika I. ME Egyetemi tananyag 46 TNKÖNYV-IOLOM orrendi hálózatok, flip-flopok stb. z előadás: rató: Logikai rendszerek..., old. Zsom: igitális technika I, old. őmer: igitális rendszerek..., 98-6 old. őmer: igitális... példatár, 3-36 old. Kovács Cs. igitális elektronika 6-67 old. ELEMI OENI HÁLÓZTOK Kombinációs hálózatok: elemi kombinációs hálózatokból azaz kapukból építhetők fel. orrendi (szinkron és aszinkron) hálózatok: felépíthetők elemi sorrendi hálózatokból (is). Elemi sorrendi hálózatok: önmagukban igen egyszerű logikai feladatok megoldására képesek csak, egy szekunder változójuk van. Tehát csak két állapotuk van, bemeneteik száma egy vagy kettő. Nevük billenőkör, bistabil multivibrátor, tároló, vagy flip-flop. irodalom alapján készült

9 legegyszerűbb tároló (flip-flop) kapcsolás három funkcióra alkalmas: 49 FLIP-FLOPOK VEZÉLÉE Vezérlésük szerint megkülönböztethetünk: együtemű (aszinkron, latch) és kétütemű (szinkron) tárolókat. z együtemű vezérlésű tárolóban a bemenetre adott hatásos logikai szinttel azonnal (áramköri késleltetéssel) létrehozható a kimenetek megváltozása. Együtemű vezérlésű tárolók egyszerűen kialakíthatók kapuáramkörökből. kétütemű vezérlésű tárolóknál az adatbemenetekre (, ; J, K; T; ) adott információ csak az un. órajel (clock) meghatározott állapotváltozására válik hatásossá. z órajel szükséges állapotváltozásai alapján megkülönböztetjük: statikus tárolók statikus kapuzott tárolók; master-slave (kétfokozatú) tárolók 5 élvezérelt tároló (edge-triggered flip-flop) FLIP-FLOPOK MŰKÖÉE - z aszinkron működésű tárolók állapotváltozása a bemenetre adott vezérlőjel hatására közvetlenül jön létre a késleltetési idő elteltével. - szinkron (órajellel vezérelt) flip-flopok állapotváltozása csak akkor jön létre, ha a szinkronizáló (óra, CLOCK) bemenetükre megérkezik az órajel. FLIP-FLOPOK: TTIKU É INMIKU VEZÉLÉ FF-ok vezérlése kétféle lehet: statikus vagy dinamikus. - statikus vezérlő bemenetekre a vezérlési táblázat szerint logikai vagy logikai egyenszinteket kell adni az állapotváltozás létrehozására. - inamikus vezérlés: a FF billenése a dinamikus vezérlő bementre adott jel meghatározott irányú változásának hatására jön létre ( élre billenő, edge-triggered) mplitudó ÓJEL É ITMU mplitude Ciklusidő Cycle time = 25 nsnsec Time Idő Pozitív logika: az akció az órajel magas szintje esetén megy végbe. z alacsony szint ideje időt biztosít az egyes részáramkörök közötti jelterjedésre, így azok bemenetei már helyes értékűek és stabilak a következő óraciklus kezdetére. ELEMI ZINKON TÁOLÓELEM (FLIP-FLOP) MŰKÖÉE logikai vezérlés hatása mindaddig nem érvényesül a kimeneten, amíg az órajel el nem indítja a flip-flop belső állapotváltozásait. Ezen tranziens folyamat ideje alatt nem szabad a hálózat logikai vezérlését változtatni. z órajel periódusideje hosszabb legyen mint a leghosszabb tranziens ideje

10 VEZÉLÉ IŐVIZONYI TÁOLÓK JELÖLÉE CK: órajel CK CK >CK >CK (a) (b) (c) (d) mplitude Time Cycle time = 25 ns (a) CK=, (b) CK= szint esetén írja be -t, (c) CK emelkedő, (d) CK lefelé menő élénél. FF biztosítja, hogy a kombinációs hálózatok bemenetén lévő jel ne változzon addig, amíg a KH-n belül az összes jelváltozási folyamat le nem csenget. FLIP-FLOPOK (TÁOLÓK) Kétállapotú billenő elemek, flip-flop-ok (bistabil multivibrátor, billenőkör). Leggyakrabban használt flip-flopok (logikai működés szerint): - (vagy -) flip-flop J-K flip-flop T flip-flop flip-flop -G flip-flop set-reset toggle delay, data gated Mindegyik szinkron módon működik, de az - és a -G flipflopok működhetnek aszinkron módon is. FLIP-FLOP: EVEZETÉ z - (set-reset) flip-flop a digitális rendszerekben használt egyik legegyszerűbb tároló, amely egy kombinációs hálózat direkt visszacsatolásával, azaz aszinkron sorrendi hálózattal valósítható meg. - Két bemenet: et, eset és két kimenet - Visszacsatolt kapcsolás - Három megengedett és egy tiltott állapot - megengedett állapotok stabilak - tiltott állapot instabil lehet ET-EET (-) FLIP-FLOP () Egyszerű igazságtábla n+ n X ET beírás, EET törlés, függetlenül attól, mi volt az előző állapota. efiniált működés: = a FF állapotát -ra állítja be, és - ban is marad = a FF állapotát -re állítja be, a vezérlés megszűnése után is -ben marad Ha egyidejűleg és értéke akkor az állapot nem változik (billenés nem történik), a flip-flop az előző állapotát tárolja, (állapotmegőrzés). - FLIP-FLOP = = EET = = esetén nincs definiálva a kimenet, ezért ez a bemeneti kombináció nem megengedett. Ennek ellenére egy adott implementáció nyilván jól definiált értéket produkál a kimeneteken. Pl. a NO alapú megoldás mindkét kimeneten -át a NN alapú megoldás -t azonban mindkét esetben a két kimenet nem lesz egymás komplemense, mindkettő illetve lesz. Ha és egyidejűleg akkor a FF működése definiálatlan, tehát ez a vezérlési mód logikailag tiltott. 59 6

11 FLIP-FLOP (2) Összetett igazságtábla n n+ tiltott tiltott 6 - FLIP-FLOP: ÁLLPOTTÁL É ÁLLPOTGÁF n+ n X X,, működés mind szinkron, mind aszinkron módon értelmezhető, és ugyanaz. (Piros: stabil állapotok.) 62 ZINKON - FF ELIZÁLÁ KOMINÁCIÓ HÁLÓZTTL z állapottáblát Karnaugh táblázatnak tekintve X n X _ n+ = + n y f(,,y) Y Z n n+ 63 É-VGY KPU ELIZÁLÁ: ELVI LOGIKI JZ _ n+ = + n karakterisztikus egyenlet szerint _ n (y) (Y) n+ (Z) 64 É-VGY ÁTLKÍTÁ NN-NN KPU ELIZÁLÁ Átalakítás a e Morgan tétel szerint É-VGY ÁTLKÍTÁ NN-NN KPU ELIZÁLÁ Átalakítás a e Morgan tétel szerint egyenlet szerint és átrajzolva 65 66