Dr. Oniga István Egyetemi docens DIGITÁLIS TECHNIKA

Átírás

1 Dr. Oniga István Egyetemi docens DIGITÁLIS TECHNIKA

2 Adminisztratív információk Tárgy: Digitális technika Oktató: Dr. Oniga István Kurzuskód: INBMM0209E Félév: 2 Típus: Előadás/Gyakorlat Óraszám/hét: 2E + 2 Gy Kredit: 6 Státusz: Normál Előfeltételek: Elektronika Számonkérés módja: vizsga: írásbeli

3 Az előadás célja A hallgatók alapos és széleskörű, tudást szerezhetnek az alapvető digitális/logikai építőelemek felépítésével, működésével, azok összefüggéseivel kapcsolatban Tárgyleírás: Logikai alapkapcsolások, Boole-algebra, logikai függvények előállítása, kapcsolástechnikai megvalósítás, Áramköri családok jellemzése és típusválaszték. Kombinációs logikai hálózatok (dekódolók, multiplexerek, összeadók, komparátorok), Szekvenciális logikai hálózatok (tárolók, számlálók, regiszterek).

4 Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Dr. Oniga István: Előadási fóliák, segédanyagok: Dr. Arató Péter Logikai rendszerek tervezése (BME tankönyvkiadó) Dr. Göllei Attila, Dr. Holczinger Tibor, Dr. Vörösházi Zsolt - Digitális technika I Dr. Göllei Attila, Dr. Holczinger Tibor, Dr. Vörösházi Zsolt - Digitális technika II Dr. Szittya Ottó:Digitális és analóg technika informatikusoknak, Budapest, 2000 Zalotay Péter: DIGITÁLIS TECHNIKA Vörösházi Zsolt: Digitális Áramkörök, Digitális példatár Link Online Karnaugh módszer Digitális aramkör szimulátor: Digital works Digital Electronics Tutorial Digital Logic

5 Angol nyelvű irodalom Thomas L. Floyd, Digital Fundamentals, Pearson Prentice Hall, 2009 John F. Wakerly, Digital Design, Prentice Hall, M. Morris Mano, Charles R. Kime, Logic and Computer Design Fundamentals - edition 2, Prentice Hall, Richard E. Haskell, Darrin M. Hanna, Introduction to Digital Design using Digilent FPGA Boards - Block Diagram/Verilog Examples, LBE Books, 2009.

6 A Digitális technika (Számítástechnika) története

7 Őskor B. Pascal Számoló gép (+,-) von Leibniz: kettes számrendszeren alapult. A négy alapműveletet és a gyökvonást végezte Charles Babbage bemutatta a világ első speciális célú, mechanikus működtetésű (lyukkártya) digitális számológépének modelljét.

8 Első generáció 1904 : John Fleming feltalálta az elektroncsövet : Neumann János A számítógép felépítésének és működésének elvei (Neumann Architektúra) Elektromechanikus számológépek alkotóelemei - elektromágneses relék: Mark I Az adatokat és utasítá-sokat lyukszalagról vitték fel a gépre. 16,5 m hosszú, 35 tonna tömegű, 3 művelet/másodperc (1.ábra) : ENIAC - elektroncsöves külső vezérlésű - az első teljesen elektronikus - számítógép 30 Tonna / 72 m2. A gépet 16 fajta elektroncső, 70 ezer ellenállás, 7200 kristálydióda, 10 ezer kondenzátor, 4100 relé felhasználásá-val építették. A gép teljesítményfelvétele: 140 kw-os. Elhelyezéséhez egy 30 méternél hosszabb teremre volt szükség. 350 x /s /s (2.ábra).

9 Második generáció 1947 A tranzisztort 1947-ben fedezte fel a Bell Laboratóriumban John Bardeen, Walter Houser Brattan és William Shockley, akik ezért 1956-ban Nobel-díjat kaptak : IBM-1400 típus eladott példány 1965 : Mini számológép PDP 8 1MHz, 790 W, 1m 2. Adatmemória 4096.

10 Harmadik generáció 1961 Integrált áramkör (IC) Fairchild Semiconducteur és Texas Instruments. Műveleti sebességük elérte az 1 millió művelet/másodperc értéket. További magas szintű programnyelvek jelentek meg. Létrejöttek az első operációs rendszerek, a multiprogramozás és az időosztásos technika : Az IBM-360 típusú számítógépe 1965 : Moore törvénye: az IC-k komplexitása x 2 / 1,5 (2) év

11 Negyedik generáció 1971 : INTEL be jelentette a mikroprocesszor megalkotását, i4004 (45 utasítás, utasítás/s, 108 KHz frekvencia, 2300 tranzisztor, 200USD) : Intel 8008 jelzésű egység 1978 : Intel utasítás/s, 1981 : IBM PC - MS-DOS (Bill Gates) : Intel 80386, 1 millió de utasítás/s, tranzisztor 1986 : Első párhuzamos gépek 1990 : Multimédia számítógépek 2000 : Intel Pentium IV

12 MOORE törvénye 100 Millió Tranzisztor 10 Millió x 2 2 évenként Pentium III 1000 MIPS 100 MIPS Pentium II 1 Millió Pentium 10 MIPS MIPS ,1 MIPS 4004 x 2-18 hónaponként ,01 MIPS Év

13 Year Transistors processor DX processor Pentium processor Pentium II processor Pentium III processor Pentium 4 processor Intel processzorok összehasonlítás

14 IC technológiák Az első integrált áramkört Jack Kilby, a Texas Instruments mérnöke készítette 1958-ban. Az integrált áramkör tipikus alkatrésze a tranzisztor. Tipikus technológiai lépések a rétegleválasztás, fotolitográfia, maratás, a diffúzió és az ionimplantáció. 22nm-technology-how-transistors-are-made-

15 Integrált áramkör nagyított belső képe

16 Integrált áramkörök SSI (Small-Scale Integration): kisebb integráltságú elemek; egy-egy részfeladatra készülnek. Tipikus képviselője: logikai kapuk MSI (Medium-Scale Integration): közepes integráltságú elemek; bonyolultabb feladatok megoldására készültek. Például Léptető regiszter, multiplexer LSI (Large-Scale Integration): nagy integráltságú elemek; komplex feladatok ellátására készültek; például szorzók VLSI (Very-large-scale integration): nagy integráltságú elemek; Jellemzőjük, hogy univerzálisan alkalmazhatóra tervezték őket, azaz nem egyetlen részfeladat elvégzésére. Tipikus képviselője: mikroprocesszor

17 Analóg ás digitális rendszerek A világban megfigyelt, mért, rögzítet, feldolgozót és vezérelt mennyiségek analógok vagy digitálisak lehetnek. Ennek megfelelően az elektronikus áramkörök (rendszerek): analóg áramkörök folytonos jelek digitális áramkörök diszkrét jelek Sok rendszer kombinálva alkalmazza az analóg és digitális elektronikai áramköröket, hogy mindkét technológia előnyeit kihasználják. Egy tipikus CD-lejátszó elfogadja a digitális adatokat a CD-meghajtótól, és a digitál-analóg átalakítás után felerősíti az analóg jelet Digitális adatok Digitál-analóg konverter Analóg jel Erősítő Hangszóró

18 Analóg mennyiségek A természetben található legtöbb mennyiség, analóg és ezek folyamatosan változnak. Az analóg rendszerek általában nagyobb teljesítményű jeleket képesek kezelni, mind a digitális rendszerek. 35 Hőmérséklet C Óra Pld. Hőmérséklet változása folytonos. Fontos: Az ilyen analóg mennyiségek értéktartománya folytonos

19 Digitális ábrázolás A diszkrét rendszerek diszkrét jeleket dolgoznak fel. A hőmérsékletet nem folytonos reprezentáljuk hanem csak minden órában. Ekképpen egy új görbét kapunk, diszkrét értékekkel. Fontos: Az ilyen digitális mennyiségek értéktartománya diszkrét 35 Hőmérséklet C Óra

20 A digitális technika előnyei A digitális jelek könnyebben és pontosabban feldolgozhatok és továbbíthatok Könnyebb tervezni Kevésbe zajérzékeny Könnyebb a tárolás. Pld. Digitális zene tárolása Nagyobb pontosság és reprodukálhatóság Numerikus kijelzők A műveletek programozhatók Nagyobb áramkörsűrűség érhető el

21 A digitális technika korlátai A fizikai világ legtöbb mennyisége analóg természetű - ezeknél digitális formára alakítás és analógra visszaalakítás szükséges

22 Digitális hőmérséklet-szabályozó rendszer Temperatura Hőmérséklet (analogic) (analóg) Mérő egység Dispozitiv de masura (analogic) (analóg) Analóg Convertor digitális analogic digital konverter (digitális) (digital) Digitális feldolgozás Procesare digitala (digital) (digitális) Digitális analóg konverter Convertor digital analogic (analogic) (analóg) Dispozitiv Vezérlő egység de comanda (analogic) (analóg) Temperatura Szabályzót controlata hőmérséklet

23 Digitális hullámformák A digitális hullámformák az alacsony (LOW) és magas (HIGH) szintek között váltakoznak. HIGH HIGH Felfutó él Lefutó él Lefutó él Felfutó él LOW LOW t 0 t 1 t 0 t 1 (a) Pozitiv impulzus (b) Negativ impulzus Egy pozitív impulzus L-ből H értéket vesz fel és aztán ismét L értéket

24 Valós impulzusok 90% Amplitúdó Amplitudine 50% t w Neliniarităţi Nem-lineáris 10% t r felfutási idő Rise time Timp de ridicare t f lefutási idő Fall time Timp de coborâre

25 Valós impulzusok 90% Overshoot Ringing Droop Amplitude 50% t W Pulse width 10% Ringing Base line t r t f Undershoot Rise time Fall time

26 Bináris számok és Logikai értékek Digitális rendszerek két állapotú áramköröket használnak ezeknek az állapotoknak a reprezentálására két feszültség szintet használunk: az úgynevezett HIGH és LOW. A bináris számjegyet bit nek nevezzük (binary digit). Egy bit 0 vagy 1 lehet, a feszültség értékének megfelelően (HIGH vagy LOW). V H(max) V H(min) V L(max) HIGH Érvénytelen LOW V L(min)

27 Digitális jelek T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 Perioada T 1 = T 2 = T 3 = T 4 = T 5 a) Periodikus digitális jel. T1=T2=T3=T4=T5=T a) Semnal digital periodic (Impulsuri dreptunghiulare) b) Semnal digital neperiodic Nem-periodikus digitális jel

28 f 1 = vagy T T 1 =. f A digitális jeleknek egy fontos jellemzője a kitöltési tényező, ezt, az impulzus szélesség (t W ) és az impulzus periódus (T) aránya ként számoljuk ki és százalékba adjuk meg: t Kitöltési tényező = W 100%. T Pld. Az ábrán látható digitális jel, periódusa T egyenlő 10 ms. Ennek megfelelően a frekvenciája: f 1 = T =.? Kitöltési tényezője: Kitöltési tényező t = W 100%=? T T t W t (ms) Egy digitális jelnek a Periódus és kitöltési tényezőjének a meghatározása

29 f 1 = vagy T T 1 =. f A digitális jeleknek egy fontos jellemzője a kitöltési tényező, ezt, az impulzus szélesség (t W ) és az impulzus periódus (T) aránya ként számoljuk ki és százalékba adjuk meg: t Kitöltési tényező = W 100%. T Pld. Az ábrán látható digitális jel, periódusa T egyenlő 10 ms. Ennek megfelelően a frekvenciája: Kitöltési tényezője: f 1 1 = = = Hz T 10ms 100. Kitöltési tényező t = W 100%=.? T T t W t (ms) Egy digitális jelnek a Periódus és kitöltési tényezőjének a meghatározása

30 f 1 = vagy T T 1 =. f A digitális jeleknek egy fontos jellemzője a kitöltési tényező, ezt, az impulzus szélesség (t W ) és az impulzus periódus (T) aránya ként számoljuk ki és százalékba adjuk meg: t Kitöltési tényező = W 100%. T Pld. Az ábrán látható digitális jel, periódusa T egyenlő 10 ms. Ennek megfelelően a frekvenciája: Kitöltési tényezője: f 1 1 = = = Hz T 10ms 100. Kitöltési tényező t W 1ms = 100%= = T 10 ms 100%=?. T t W t (ms) Egy digitális jelnek a Periódus és kitöltési tényezőjének a meghatározása

31 f 1 = vagy T T 1 =. f A digitális jeleknek egy fontos jellemzője a kitöltési tényező, ezt, az impulzus szélesség (t W ) és az impulzus periódus (T) aránya ként számoljuk ki és százalékba adjuk meg: t Kitöltési tényező = W 100%. T Pld. Az ábrán látható digitális jel, periódusa T egyenlő 10 ms. Ennek megfelelően a frekvenciája: Kitöltési tényezője: f 1 1 = = = Hz T 10ms 100. Kitöltési tényező t W 1ms = 100%= = T 10 ms 100%=10%. T t W t (ms) Egy digitális jelnek a Periódus és kitöltési tényezőjének a meghatározása

32 Rendszer funkciók ÉS, VAGY, és NEM logikai elemeket lehet kombinálni, különböző logikai funkciók kialakítására. Például: Az összehasonlító funkciók Two binary numbers A B Comparator A > B A = B A < B Outputs Aritmetikai funkciók Adder Two binary numbers Carry in A B C in Σ C out Sum Carry out 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

33 Rendszer funkciók A kódoló funkció HIGH / Calculator keypad Encoder Binary code for 9 used for storage and/or computation A dekódoló funkció Decoder Binary input 7-segment display 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

34 Rendszer funkciók Az adatok kiválasztása funkció A B Multiplexer t 1 Data from A to D Data from B to E Data from C to F Data from A to D t 1 t 2 t 3 t 1 Demultiplexer t 1 D E t 2 t 2 C t 3 t 3 F Switching sequence control input Switching sequence control input 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

35 Rendszer funkciók A számláló funkció Counter Parallel output lines Binary code for 1 Binary code for 2 Binary code for 3 Binary code for 4 Binary code for 5 Input pulses Sequence of binary codes that represent the number of input pulses counted. és egyéb funkciók, mint például kódkonvertáló és tárolás Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

36 Rendszer funkciók Az egyik típusú tárolási funkció a shift regiszter, amely tárolja és lépteti az adatokat minden egyes órajelre. Serial bits on input line Initially, the register contains only invalid data or all zeros as shown here. First bit (1) is shifted serially into the register. Second bit (0) is shifted serially into register and first bit is shifted right. Third bit (1) is shifted into register and the first and second bits are shifted right. Fourth bit (0) is shifted into register and the first, second, and third bits are shifted right. The register now stores all four bits and is full Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

37 Integrált áramkörök DIP (Dual-In-line Pins) tokozás metszett: Chip Plastic case Pins 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

38 Integrált áramkörök DIP és SMD (surface mounted devices) chipek Pin 1 Dual in-line package Small outline IC (SOIC) 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

39 Integrált áramkörök Egyéb SMT tokozások: End view End view End view SOIC PLCC LCCC 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

40 Teszt-és mérőműszerek Oszcilloszkóp VERTIC AL CH 1 CH 2 BOTH HORIZO NTAL TRIG GER SLOPE Ð + POSITION POSITION POSITION LEVEL VOLTS/ DIV VOLTS/ DIV SEC /DIV SOURC E CH 1 CH 2 5 V 2 mv C OUPLING AC-DC-GND 5 V 2 mv C OUPLING AC-DC-GND 5 s 5 ns EXT LINE TRIG COUP DC AC DISPLAY PROBE COMP 5 V CH 1 CH 2 EXT TRIG INTENSITY 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

41 Teszt-és mérőműszerek A logikai analizátor képes megjeleníteni a digitális adatokat több csatornán vagy táblázatos formában Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed

42 Teszt-és mérőműszerek OFF 0.01 V V Hz A DMM három alapvető elektromos mérésre alkalmas. Feszültség Ellenállás Áram 10 A A 40 m A Fused V mv Range Autorange Touch/Hold 1 s 1 s V COM 2009 Pearson Education, Upper Saddle River, NJ All Rights Reserved Floyd, Digital Fundamentals, 10 th ed