Digitális hálózatok: Digitális hálózati elemek struktúrális felépítése, CMOS alkalmazástechnika Somogyi Miklós
Kombinációs hálózatok tervezése A logikai értékek és műveletek Két-értékes rendszerek: Állítások: IGAZ, HAMIS Bináris számrendszer: 1, 0 Kapcsolók: BEKAPCSOLVA, MEGSZAKÍTVA 2
Kombinációs hálózatok tervezése A kapcsoló algebra azonosságai 3
Az összetett digitális egységek csoportjai Multiplexerek, demultiplexerek, amelyek adatút szakaszokat jelölnek ki, a Regiszterek, amelyek adatokat tárolnak, és ezek elérését is biztosítják, Funkciós egységek, amelyek adatok közötti műveleteket végeznek. 4
Multiplexerek, demultiplexerek 5
Logikai függvények megvalósítása bit-szervezésű multiplexerekkel 6
Bővítés a bemenetek számának növelésére 7
Bővítés sínek közötti választás céljából 8
A multiplexerek felépítése 9
A multiplexer, mint programozható logikai hálózat A EXOR függvény megvalósítása 4-1 multiplexerrel 10
Demultiplexerek A demultiplexer, mint dekóder 11
Multiplexerek és demultiplexerek CMOS átvivőkapukkal CMOS kapcsoló(transmission-gate): egy n- és egy p-csatornás MOS tranzisztor párhuzamosan összekapcsolva: A harmadik logikai állapot, a lebegő kimenet lehetősége! 12
Szintvezérelt, statikus regiszter A regiszter a G=1 szint fenállásának idején átlátszó, azaz d változásai késleltetve ugyan, de kijutnak a kimenetre. 13
Szintvezérelt regiszter ponált és negált beírójelekkel 14
Élvezérelt regiszter Az átlátszóság a G jel felfutásának idejére szűkül! Igen sok előny származik ebből. 15
A soros memóriák alapeleme Ez egy két bemenetről beírható élvezérelt D-MS flip-flop, a bemeneten 2-1 multiplexerrel. 16
Nyitott, párhuzamosan is betölthető soros elérésű memória-sor (SHIFT-regiszter) 17
Bit-szervezésű, sorosan rátölthető, párhuzamosan is betölthető soros elérésű memória 18
Szószervezésű memóriák (1), sorosan rátölthető soros elérésű memória 19
Szószervezésű soros memóriák (2) FIFO memóriák (First In First Out) 20
Szószervezésű soros memóriák (3) LIFO memóriák (Last In First Out) LIFO memóriaelem LIFO sor 21
Párhuzamos hozzáférésű memóriák (RAM) (1) RAM alapcella felépítése 22
Párhuzamos hozzáférésű memóriák (RAM) (2) Bit szervezésű RAM hálózat 23
1-bites komparátor 24
4-bites komparátor összeállítása 25
Összeadók. Az 1-bites összeadó (1) A teljes összeadó szimbóluma A B Ci S Co 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 Igazságtábla 26
Összeadók. Az 1-bites összeadó (2) S ( A B) C C C o o AB BC ( A B) C i i i AC i AB (1) (2) 27
Soros átvitelképzésű bit-vektor összeadó 28
29 Párhuzamos átvitelképzésű bit-vektor összeadó Összetett digitális egységek k k o k k k ik k k ok k o k ik k k k k k k k k k G P C B A C B A C C P C B A S B A G B A P 1) ( 1) ( ) ( ) (
Kivonás? 30
Kivonás kettes komplemens kódban Vegyük a kivonandó kettes komplemensét, és a kissebítendőhöz adjuk hozzá! 31
A kettes-komplemens kódú számábrázolás A :szám, súlyozott bináris kóddal KK(A) : a szám kettes komplemense, adott szabály szerint előállítva. Egy kettes komplemens kódú szám (-1) szerese a szám kettes komplemense A + KK(A) = 0! A kettes komplemens kód: MSB : előjel (MSB-1) LSB : számérték Ha a szám pozitív, előjele 0, a számérték pedig a szám binárisan súlyozott abszolút értéke Ha a szám negatív, előjele 1, és az abszolút érték a kettes komplemens, előállításával határozható meg 32
A kettes komplemens előállítása 1. lépés : bitenkénti negálás (egyes komplemens) 2. lépés : 000.1 hozzáadása az egyes komplemenshez Példa: 0 1 0 1 pozitív szám, abszolút értéke 5, ez tehát a (+5) kettes komplemens kóddal Ennek 2-es komplemense -5 kell hogy legyen: 1-es komplemens : 1 0 1 0 2-es komplemens : 1 0 1 1 Próba : 0 1 0 1 + 1 0 1 1 ------------ (1)0 0 0 0 33
Kivonók megvalósítása (1), kettes-komplemens képző egységek Kettes-komplemens képző egység Vezérelhető kettes-komplemens képző egység 34
Kivonók megvalósítása (2) Abszolút érték-képző egység Kivonás mikroprocesszorok aritmetikai egységében 35
Szorzók. 4-bites array-szorzó 36
8-bites szorzó 4-bites egységekből 37
Számlálók. A J-K MS tároló, mint a számlálók alapeleme. A kettes osztó funkció 38
Szinkron számlálók általános séma Prioritási rend a vezérlők között: R, L, E mod 16 (4-bites) számláló 39
Adott modulusú számláló átalakítása más modulusúvá m < m 40
Számláló nullától különböző kezdő értékének beállítása 41
Modulo-256-os számláló mod-16 számlálókból 42
CÉLARCHITEKTÚRA SZINKRON SORRENDI HÁLÓZATOK SZÁMLÁLÓS MEGVALÓSÍTÁSÁRA 43
Aszinkron számlálók Kettes osztók kaszkádja 44
Aszinkron számlálók kaszkádja. Mod-256 mod-16 aszinkron számlálókkal 45
Vezérlők: A digitális egység felbontása adat- és vezérlő-alegységre 46
Számláló-típusú vezérlők A struktúra hazárdmentes vezérlés 47
Példa számláló típusú vezérlő egység tervezésére folyamat-ábra állapotgráf és vezérlési akciók 48
A MOSFET struktúrája (a) és szimbólumai (b, c ) 49
MOSFET technológiák planár FET ------------------------------------------------------------------------------------------------- FinFET 50
MOS eszközök, mint kapcsolók: az átvivő kapu (TG) A TG a modern CMOS technika alapvető eleme, nemcsak digitális áramkörökben, de analóg kapcsolóként is gyakran alkalmazzák. Digitális technikában főleg a CMOS tároló-elemek felépítéséhez használják leginkább. 51
Duális ágú CMOS kapuk LAYOUT szintézise (1) Az Y = (A B ) függvény megvalósítása duális ágakkal 52
Duális ágú CMOS kapuk LAYOUT szintézise (2) Az Y = ( A B + C) függvény megvalósítása duális ágakkal 53
A HC(T)7474 D-MS flip-flop funkciótáblázata 54
A HC(T)173 4-bites, törölhető, három-állapotú, felfutóélre beírható regiszter kvázi-igazságtáblája 55
NOR és NAND flash memóriák (1) 56
NOR és NAND flash memóriák (2) 57
NOR és NAND flash memóriák (3) 58
MEMRISZTOR egy új dimenzió emlékező ellenállás (memory resistor) az átfolyó áram irányától és erősségétől függően változtatja az ellenállását kikapcsolás után megőrzi ezt az értéket: memória funkció lehetősége egyszerű kialakítás sok előny... 59