View
81
Download
2
Category
Preview:
DESCRIPTION
I207 Digitaalloogika ja -süsteemid. http://www. itcollege .ee/ ~ lrv/I207/ Peeter Ellervee TTÜ - ICT-526620 2258511 3631LRV@ati.ttu.ee http://www. itcollege .ee/ ~ lrv/ http:// www .ati.ttu.ee/~lrv/. Sissejuhatuse asemel. Me kõik teame, et vanasti. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
I207I207Digitaalloogika ja Digitaalloogika ja
-süsteemid-süsteemidhttp://www.itcollege.ee/~lrv/I207/
Peeter Ellervee
TTÜ - ICT-526 620 2258 511 3631 LRV@ati.ttu.eehttp://www.itcollege.ee/~lrv/ http://www.ati.ttu.ee/~lrv/
2I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Sissejuhatuse asemelSissejuhatuse asemel
Me kõik teame, et vanasti ...
… oli lumi valgem, taevas sinisem, varblased suuremad, …
Tegelikkus on aga veelgi huvitavam
Ka transistor oli vanasti palju suurem!Ka transistor oli vanasti palju suurem!
3I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost ...Ajaloost ...
“Digitaalarvuti” - ~500 e.m.a. - abakus (abacus)
“Analoogarvuti” - 1625 - lükati (slide rule)
4I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost ...Ajaloost ...
Analoogarvutid
astrolaab[16. saj.]
pommitus-arvuti
Norden
vesiarvuti[NSLV 1936]
differentsiaal-analüsaator[University of Pensylvania, ca 1942]
5I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost ...Ajaloost ...
1642 – Blaise Pascal (1623-1662) liitmismasin
1834 – Charles Babbage (1792-1871) analüütiline masin (analytical engine)
1906 valmistati osa protsessorist (töötas!)
1874 või 1885 Aritmomeeter
Frank S. Baldwin (US) Willgodt T. Odhner (RU)
6I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost ...Ajaloost ...
Elektromehhaaniline relee – 19. saj.
Elektronlamp – 20. saj. algus 1904 - diood - J. A. Fleming [UK] 1906 - triood - L. De Forest [US]
1941 (dets.) – V3 (hilisem Z3) [D] Konrad Zuse (1910-1995) elektromehhaaniline (releed) esimene programmeeritav kalkulaator
7I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost – Colossus [UK]Ajaloost – Colossus [UK]
1943 (dets.) varaseim
programmeeritav elektronarvuti
2400 lampi,
5000 süm./sek.
“Enigma” koodi dešifreerimine
8I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost – ENIAC [US]Ajaloost – ENIAC [US]
1946Electronic Numerical Integrator and Computer
18000 lampi
~5000 liitm./sek.
30 tonni, 25 kW ballistika,
vesinikupomm
9I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost ...Ajaloost ...
1947. a. lõpp – transistor [Bell Labs] W.B. Shockley, J. Bardeen & W.H. Brattain
Teise põlvkonna arvutid
Nairi Minsk 32
10I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost ...Ajaloost ...
Esimene mikroskeem 12.09.1958 - TI Jack St. Clair Kilby
Esimene mälukiip 1970 - Intel - 1Kb
Esimene mikroprotsessor 15.11.1971 - Intel - i4004 4-bitti, 2300 transistori ~60 kOPs (108 kHz)
TRS-80
PDP-8
11I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost – VAX 780Ajaloost – VAX 780
3. põlvkonna arvutid mikroskeemid pooljuhtmälud magnetlindid kõvakettad terminalid arvutivõrgud
CAD/CAE
12I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost – EC seeriaAjaloost – EC seeria
protsessor ketasmälu printer
13I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Ajaloost ...Ajaloost ...
1950 – pehmeketas – Y. Nakamats 1965 – hiir – D. Englebart 1979 – CD
Neljanda põlvkonna arvutid personaalarvutid, tööjaamad jne.
A Brief History of Computing http://www.ox.compsoc.net/~swhite/history/
14I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
TänapäevTänapäev
Gordon Moore seadus (1965) kahekordistumine iga 18 kuuga
Head jõudlus, odavus, töökindlus, energiasäästlikkus
Vead (?) projekteerimise ja valmistamise maksumus muutmise ja parandamise keerukus
SoC – System-on-a-Chip (kiipsüsteem) NoC – Network-on-a-Chip (kiipvõrk) SoP – System-on-a-Package M500
15I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Arvutisüsteemid tänapäevalArvutisüsteemid tänapäeval
Sardsüsteem = programm + mikroskeem == [rakendus + OS] + [digitaal + analoog]
programmeerimine & digitaal-loogika & elektroonika
I/O
ROM
CPU
RAM
DSP
siinid / loogika
ADC
DAC
16I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
digitaal-süsteemid
DigitaalsüsteemDigitaalsüsteem
Alamhulk süsteemidest
süsteemid
elektroonilised alamsüsteemid
integraal-skeemid
EDA
I/O
ROM
CPU
RAM
DSP
siinid / loogika
ADC
DAC
17I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Arvuti == mälu & protsessorArvuti == mälu & protsessor
Von Neumanni arhitektuur mälu protsessor
juhtseade ALU
Asu
s a8
n V
MC
SM
02
Bab
y A
T (
IBM
, 198
5)
18I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Mälu & ProtsessorMälu & Protsessor
ASRock K7VT4A Pro
19I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Mälu & ProtsessorMälu & Protsessor
Mälu
Protsessor
aadress andmed
CU
0306PC IR
ALU
RF2r/1w
2.3.4.1
aadress andmed
. . . n=k+l; . . .
kompilaator
add r3,r4,r2
0010001101000001
linker
OSteegid
0010.0011.0100.00010306
programm
OS funktsioonid
andmed
20I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Algoritm & realisatsioonAlgoritm & realisatsioon
Ülesanne → algoritm → realisatsioon
Neli kahend-sisendit ja -väljundit nt. 4 lülitit (S1-S4) ja
4 valgusdioodi (L1-L4) Sisendite muutumine
muudab väljundeid kui S1=1 & S2=0, siis
L1←1, muidu L1←0 kui S1=0 & S3↑, siis
V++ (V[1]≡L2, V[0]≡L3) kui S1=1 & S2=1 & S4↓,
siis L4← ┐L4 Realisatsioon – “must kast” &
4 nuppu, 4 lampi mikrokontroller & programm loogikaskeem & juhtautomaat
Võimalik programm
int s3p=0, s4p=0, v=0; l4=0;while (1) { if (s1&!s2) l1=1; else l1=0; if (!s1&((s3^s3p)&s3)) v++; if (v>3) v=0; l2=v/2; l3=v%2; if (s1&s2&((s4^s4p)&!s4)) l4~=l4; s3p=s3; s4p=s4; wait_100ms();}
Protsessor e. täitur muutujate salvestamine
registrid operatsioonide täitmine
kombinatoorsed funktsioonid operatsioonide järjestamine
juhtosa
21I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
ProtsessorProtsessor
(C)PU – (Central) Processing Unit sisendid/väljundid (lülitid, lambid, releed, ...) vahetulemused (nt. muutujad registrites/mälus) töötlus- e. arvutus-sõlm (nt. aritmeetika-loogikaseade) juhtosa (käsuloendur ja -register, juhtautomaat, ...)
juhtautomaat
aritmeetika-loogikaseade
registrid sisend/väljund
22I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Protsessor kui digitaalsüsteemProtsessor kui digitaalsüsteem
Java Applet on RT-Level Design – http://www.pld.ttu.ee/applets/rtl/
The Central Processing Unit – http://courses.cs.vt.edu/~csonline/MachineArchitecture/Lessons/CPU/index.html
23I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
ProjekteerimineProjekteerimine
Programmist skeemini? Millised käsud on olemas? Kuidas järjestada käsud? Mis töötleb käske?
Tulemuseks moodulid ehk struktuur-skeem
Skeemist transistorini? Millest koosnevad moodulid? Kuidas komponente siduda ja paigutada?
Tulemuseks trükkplaat / mikroskeem
24I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Turg e. $$$Turg e. $$$
Projekteerimise maksumus projekteerimisaeg, kapitalimahutused,
parandatavus
Muudatuste kõrge hind tootmismahud, null-defekti, turusuundumused
Hind pöördvõrdeline tootmismahuga üldotstarbelised protsessorid << ASIC <<
prototüübid << spetsrakendused
Rekonfigureeritavus paindlikud tooted
25I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Automatiseerimine?Automatiseerimine?
SoovunelmSoovunelm TegelikkusTegelikkus
26I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
kahendarvud /kahendarvud /kahendloogikakahendloogika
süm
bolid
/
süm
bolid
/
küm
nend
arvu
dkü
mne
ndar
vud
reaa
larv
udre
aala
rvud
AbstraktsioonitasemedAbstraktsioonitasemed
Arvutisüsteem:CPU + RAM
Loogika-funktsioonid
ProtsessorRTL:
ALU & Co
Assembler /binaarkood
Rakendus-programmid
Progr.keeled
KasutajaliidesOperatsiooni-
süsteem
Loogika-elemendid
Transistorid /traadid
Pooljuhid:Si, GaAs & Co
27I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Kursuse sisuKursuse sisu
Loengud - 40 h [ 20 x 2 ] Harjutustunnid - 16 h [ 8 x 2 ] Praktikumid - 16 h [ 8 x 2 ]
Kirjandus: John F. Wakerly, “Digital Design: Principles and Practices”. Dirk Jansen et al. (editors), “The electronic design
automation handbook”. Harri Lensen, Margus Kruus, “Diskreetne matemaatika”. Kalle Tammemäe, “Riistvara kirjeldamiskeel VHDL”.
28I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Kursuse sisuKursuse sisu
L1. Sissejuhatus L2-L3. Loogikafunktsioonid, teisendamine L4. Digitaalsüsteem, struktuur L5-L6. Riistvara kirjelduskeel VHDL L7-L11. Kombinatsioonskeemide disain
Loogikafunktsioonide süsteemid L12-L15. Mäluga süsteemide disain
Juht- ja operatsiooni-automaadid, süntees
L16-17. Loogikaelemendid & digitaalaritmeetika
L18-L20. Kompleksed digitaalsüsteemid
29I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Kursuse sisuKursuse sisu
Harjutustunnid H1-H3. Kahendloogika, avaldised ja - funktsioonid H4. Loogikaskeemide koostamine H5, H6. Heuristiline ja täpne minimeerimine H7, H8. Automaadid, realiseerimine
Praktikumid Loogikafunktsioonide modelleerimine & minimeerimine Kombinatsioon- ja mäluga skeemide modelleerimine VHDL-s
Hindamine Kodutöö – loogikafunktsiooni minimeerimine, realisatsioon ja
modelleerimine (40%) Praktikumide ülesannete kaitsmine (30%) Kirjalik eksam (30%) – teoreetilised ja praktilised erineva
keerukusega ülesanded, kestus 1 1/2 tundi
30I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Lõpetuseks...Lõpetuseks...
Ka see on ajalugu ... 1899 – “Everything that can be invented has already
been invented” “Kõik, mis võimalik, on juba leiutatud”
C. H. Duell, USA Patendiameti direktor
1943 – “I think there is a world market for maybe five computers” “Arvan, et ilmaturg vajab ehk viit arvutit”
Thomas Watson, IBM esimees
31I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Lõpetuseks...Lõpetuseks...
1949 – “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons” “Tulevikus võivad arvutid kaaluda vähem kui poolteist tonni” ajakirja “Popular Mechanics” ennustus
1968 – “But what ... is it good for?” “Jah aga, … milleks see ka kõlbab?” IBM’I insener mikroskeemi kohta
(Advanced Computing Systems Division)
1977 – “There is no reason anyone would want a computer in their home” “Pole olemas põhjust, et keegi sooviks koju arvutit” Ken Olson, DEC (Digital Equipment Corporation) president,
esimees ja asutaja
32I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee
Koduarvuti?Koduarvuti?
http://urbanlegends.about.com/library/bl_rand_home_computer.htm
Recommended