Upload
scot
View
57
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Digitális technika II. Rész: Sorrendi hálózatok. Dr. Turóczi Antal [email protected]. Sorrendi hálózatok. Bevezető A hálózatban visszacsatolás van A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Sorrendi hálózatok• Bevezető
– A hálózatban visszacsatolás van• A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is
– A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is• A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső
változóra és a kimenetre is• Tegyük fel, hogy kezdetben
A B Q Y 0 0 0 0
2
A
B QY
00
0
0
0
10
0
A
B
YQ
Sorrendi hálózatok• Bevezető
– A hálózatban visszacsatolás van• A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is
– A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is• A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső
változóra és a kimenetre is• Tegyük fel, hogy kezdetben
A B Q Y 0 0 0 0 0 1 0 1
3
A
B QY
10
0
0
0
11
1
A
B
YQ
Sorrendi hálózatok• Bevezető
– A hálózatban visszacsatolás van• A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is
– A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is• A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső
változóra és a kimenetre is• Tegyük fel, hogy kezdetben
A B Q Y 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0
4
A
B QY
10
1
0
0
11
11
1
1 00
A
B
YQ
Sorrendi hálózatok• Bevezető
– A hálózatban visszacsatolás van• A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is
– A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is• A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső
változóra és a kimenetre is• Tegyük fel, hogy kezdetben
A B Q Y 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0
• Azonos bemenő jel, mégis különböző kimeneti érték• A kimenet a belső állapotváltozótól is függ
5
A
B QY
11
0
1
1
01
0
A
B
YQ
Sorrendi hálózatok• Bevezető
– Az előző példában a bemeneti (primer) változókon kívül szükség volt köztes változóra • Belső változó• Szekunder változó
– Két egyenlet szükséges a működés leírásához• Belső állapot függvény
Q’ = FQ(A,B,Q)
• Kimeneti függvényY = FY(A,B,Q)
– A hálózat működése a bemeneti logikai értékek időbeli sorozatától is függ• Sorrendi hálózat• Szekvenciális hálózat
– A hálózat működését befolyásolja a belső változó kezdeti értéke is
6
Logikai hálózatok• Logikai hálózatnak nevezzük azokat a rendszereket
– melyeknek bemeneti illetve kimeneti jelei logikai jelek, – a kimeneti jeleket a bemeneti jelek függvényében többé-kevésbé bonyolult logikai
műveletsorozat eredményeként állítják elő.
• A logikai hálózatok két nagy csoportja– Kombinációs hálózatok
• Kombinációs hálózatoknak nevezzük azokat a logikai hálózatokat, melyeknek kimeneti jelei csak a bemeneti jelek pillanatnyi értékétől függnek
• „Emlékezet” nélküli hálózat
– Sorrendi hálózatok• Sorrendi (szekvenciális) hálózatoknak nevezzük azokat a logikai hálózatokat, melyek kimeneti jelei nemcsak a
pillanatnyi bemeneti jelkombinációtól függnek, hanem attól is, hogy korábban milyen bemeneti jelkombinációk voltak
• „Emlékezettel” (memóriával) rendelkező hálózat• Ugyanazon bemeneti kombinációhoz más-más kimeneti kombináció tartozhat, a szekunder változók aktuális
értékétől függően.• A szekunder változók értékét a korábbi bemeneti kombinációk és azok sorrendje is befolyásolja• Előző állapotuktól függően különböző módon reagálnak a bemenetükre
– Véges állapotú automaták (Finite State Machines)
7
Sorrendi hálózatok• Információ tárolás
– A sorrendi hálózatnak tehát emlékeznie kell ezekre a bemeneti jelkombinációkra• Általában elegendő korlátozott mennyiségű korábbi jelkombinációt megjegyeznie• Az emlékezéshez a sorrendi hálózatnak külön „memóriával”, tárolóegységgel kell rendelkeznie
– A sorrendi hálózat leglényegesebb és legbonyolultabb része a tárolóegység.• A tárolóegység tároló elemekből áll• Egy tároló elem 1 bit információ tárolását végzi
– Sorrendi hálózat memória elemekkel (tárolókkal) kiegészített kombinációs hálózatból építhető fel• A tároló elemek tartalma (a szekunder változók) a hálózat előéletéről őriznek információt• A bemenetek és a hálózat előélete együttesen, és egyértelműen meghatározzák a kimeneti jelet (jeleket)
8
Kombinációs hálózat
Memória
Bemenet Kimenet
Sorrendi hálózatok• Információ tárolás
– A kombinációs hálózatnál tapasztalt be- és kimenetek közötti késleltetés a tárolási képesség alapja
• A tranziens lezajlásáig a kapuk kimenetén az előző bemeneti kombinációk hatására kialakult logikai szint van
9
Ideális Kombinációs
hálózat
(késleltetés nélküli)
A Y1
r
B
NYm
…
…
…
Q’1
Q’2
Q’r
Q1
Q2
Qr
Szekunder változók
Bemeneti (primer) változók Kimenetek
…
Sorrendi hálózatok• Bevezető
– A hálózatban visszacsatolás van• A kimenet nem csak a bemenetektől függ, hanem a VAGY kapu kimenetén előzőleg észlelt logikai értéktől is
– A hálózat egyenletének felírásához szükség van egy közbenső (belső) változóra is• A Q’-vel jelölve a belső változó aktuális, és Q-val az előző értékét logikai függvénykapcsolat írható fel a közbenső
változóra és a kimenetre is• Tegyük fel, hogy kezdetben
A B Q Y 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0
10
A
B QY
10
1
0
0
11
11
1
1 00
A
B
YQ
tpd
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat modelljei
– Mealy modell
– A kimenetek a bemenetek és az előző állapot (szekunder változók) függvénye
Q’ = FQ(X,Q)
Y = FY(X,Q)
11
Kombinációs hálózat
Memória
Bemenetek Kimenetek
Szekunder változók
X Y
Q Q’
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat modelljei
– Moore modell
– A kimenetek csak az előző állapot (szekunder változók) függvényei
Q’* = FQ*(X,Q*)
Y = FY*(Q*)
12
Kombinációs hálózat
Memória
Bemenetek
Kimenetek
Szekunder változók
X
Y
Q*Q’*
Kombinációs hálózat
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat modelljei
– Bebizonyítható• Minden Mealy modellnek előállítható egy Moore ekvivalense• Minden Moore modellnek előállítható egy Mealy ekvivalense
– Bármely modellt is használjuk• Egy sorrendi hálózat működése két logikai függvénnyel írható le
– Szekunder változók függvénye– Kimeneti függvény (függő változók függvénye)
• A két függvény együttesen határozza meg a sorrendi hálózat működését– A belső (szekunder) változók tárolják a hálózat előző vezérlési állapotait– A bemenő (primer) és belső (szekunder) változók együtt egyértelműen meghatározzák a kimeneteket
– A hálózat modellje, függvényei nem írják le a tranzienseket• A függvényekben az idő nem szerepel változóként• Az állapotváltások között azonban rövid átmeneti jelenségek játszódnak le
13
n-edik állandósult állapot tranziens állapot (n+1)-edik állandósult állapot
idő
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– A működés folyamata• A hálózat belső állapotát a szekunder változók értéke határozza meg
– A szekunder változók száma megadja a lehetséges állapotok maximális számát» Nem feltétlenül jön létre minden lehetséges belső állapot
– A példában 1 változó (Q) 21 = 2 lehetséges állapot
• Bekapcsoláskor a sorrendi hálózat a szekunder változók kezdeti értékeinek megfelelő állapotban van
• A bemenő kombinációk változásának hatására a rendszer újabb állapotba kerülhet• További bemeneti változások hatására újabb, vagy akár korábbi állapotokba ugorhat
– Azonos bemenő jelre más-más szekunder változó és kimeneti kombináció tartozhat
• A sorrendi hálózat aktuális állapota megadja a rendszer előéletét– Mi történt vele az előzőekben
– Egy n hosszúságú bemeneti sorozat (szekvencia hatására)• n hosszúságú belső állapot (szekunder változó) szekvencia jön létre• n hosszúságú kimeneti szekvencia generálódik• Ha n véges: véges sorrendi automatáról beszélünk
14
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Állapot gráf• Grafikus szemléltetés• A sorrendi hálózat belső állapotait a gráf csomópontjai szemléltetik• A csomópontokat összekötő irányított élek (nyilak) az egyik állapotból a másikba történő
átmenetet reprezentálják– Ha nem teljesül semmilyen továbblépési feltétel, marad az előző állapotban– Több feltétel is kielégítheti a továbblépés feltételét– Egy állapotból visszafelé, egy előző állapotba is lehetséges állapotátmenet– Az éleken az átmenetet előidéző bemeneti x kombináció szerepel– Emellett az y kimeneti értékeket is gyakran fel szokás tüntetni
15
qi qj
Egyik továbblépési feltétel sem teljesül
Xi2/yi2
qk
qm
Xj1/yj1 Xm1/ym1
Teljesül valamely továbblépési feltétel
Xi1/yi1
Xj2/yj2
Xm2/ym2
Xk2/yk2
Xk1/yk1
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Állapot gráf• Grafikus szemléltetés• A sorrendi hálózat belső állapotait a gráf csomópontjai szemléltetik• A csomópontokat összekötő irányított élek (nyilak) az egyik állapotból a másikba történő
átmenetet reprezentálják– Az előző példa állapot gráfja– Két belső állapot, két csomópont
16
q1 q2
A
B QY
X0/y0
X2/y0
X1/y1
X3/y1
X0/y0
X1/y0
X3/y0
X2/y0
0 100/0
10/0
01/1
11/1
00/0
01/0
11/010/0
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Állapottábla• Táblázatos formában adja meg, hogy adott bemeneti kombinációk hatására mely állapotból
mely állapotba ugrik a rendszer• A kimenet alakulását is ebben a táblázatban írhatjuk fel• A kombinációs hálózatoknál használt igazságtáblázathoz hasonló
17
0 100/0
10/0
01/1
11/1
00/0
01/0
11/010/0
Q A B Q’ Y0 0 0 0 00 0 1 0 10 1 0 1 00 1 1 1 11 0 0 0 01 0 1 1 01 1 0 1 01 1 1 1 0
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Példa (Lovassy, Pődör: Digitális Technika II. előadás)– Italautomata
• 150 Ft egy üdítő• A gép 50 és 100 Ft-os érmét fogad el, és visszaad• Belső állapotok száma 3
18
0
2
1
50Ft be
50Ft be
50Ft be üdítő ki
100Ft be üdítő, 50Ft ki100Ft be
üdítő ki
100Ft be
START állapot
50 Ft bedobva
100 Ft bedobva
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Példa (Lovassy, Pődör: Digitális Technika II. előadás)– Italautomata állapot gráf, állapottábla
• x1: 100Ft; x0: 50 Ft
• y1: üdítő ki; y0: 50 Ft ki
• Belső állapotok 00,01,10
19
0
2
1
01,00
01/00
00/00
10/11
10,10
10,00
01,10
00,0000,00
Előző állapot
Bemenet (x1x0) 100/50Ft
00 01 10 11
0 (0 Ft) 0 2 1 x1 (100 Ft) 1 0 0 x2 (50 Ft) 2 1 0 x
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Vezérlési táblázat• Az állapottábla célszerűen átalakított formája
– Az oszlopok a bemenő jelek– A sorok a visszacsatolt jelek (a késleltetés után előállt)– A cellákba a bemenő jel hatására keletkező Q’ jelet írjuk– Stabil állapotokat bekarikázzuk
» Ahol Q = Q’ nincs állapotváltozás a visszacsatoló hurokban» Ahol Q ≠ Q’ instabil állapot, állapotváltozás zajlik a
visszacsatoló hurokban (a jel még nem „ért át” a késleltetőn)– Pl.
» kiindulás: Q = A = B = 0» bemeneti szekvencia: 01, 11, 01, 00
20
Q A B Q’ Y0 0 0 0 00 0 1 0 10 1 0 1 00 1 1 1 11 0 0 0 01 0 1 1 01 1 0 1 01 1 1 1 0
A
B QY
QAB
1111
1
0 00
0 1 23
4 5 67
i
0
1
2
3
4
5
6
7
Vezérlési táblázat Átmeneti táblázat
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Karnaugh táblás leírás• Példa két belső (szekunder) változóra
– Kiindulás: Q2Q1 = AB = 00 stabil állapot
– AB bemenet változzon AB = 01-re» Mindkét belső változó 0-ról 1-re vált» Mi történik, ha eltérő késleltetések vannak
– Általában nem tudjuk előre melyik hurok a gyorsabb» Nem egyértelmű működés
21
00 11
11
11 11
11
11
00
00
00
0000
01
01
10
00
ABQ2Q1 • Versenyfutás jelenség
– Ha két szekunder változónak egyszerre kell változnia
– Kritikus versenyfutásról beszélünk, ha az eltérő késleltetések miatt a hálózat eltérő stabil állapotokba kerülhet (példában)
– Azaz ha a vezérlési táblázat versenyfutást tartalmazó oszlopában több stabil állapot is van
– Nem kritikus, ha egy oszlopban csak egy stabil állapot van (utolsó oszlop)
Sorrendi hálózatok• Sorrendi hálózat működésének leírása
– Karnaugh táblás leírás• Példa két belső (szekunder) változóra
– Kiindulás: Q2Q1 = 0; AB = 10 stabil állapot
– AB bemenet változzon AB = 11-re» Csak az Q1-hez tartozó hurok kell változzon» Nincs versenyfutás de instabil állapot» Újabb és újabb instabil állapotokba lépünk
22
00 11
11
11 11
11
11
00
00
00
0000
01
01
10
00
ABQ2Q1 • Oszcilláció jelenség
– A hálózat instabil állapotokat vesz fel egymás után– Ha nincs stabil állapot a vezérlési tábla egy
oszlopában, az adott bemeneti kombináció esetén a rendszer biztosan oszcillálni fog
Sorrendi hálózatok• Aszinkron és szinkron sorrendi hálózatok
– Az ideális esettől eltérően• A valóságban a hálózat különböző pontjain eltérő, és akár időben változó késleltetést tapasztalhatunk
(pl. hőmérséklet változás miatt)• Ezek a tulajdonságok nehezen kézben tarthatók
23
– Aszinkron sorrendi hálózatok• Az eddigi példákban a hálózat jeleinek terjedését külső
tényezők nem befolyásolták• A kimenetek és a szekunder változók kizárólag a
bemenetek és a belső változók pillanatnyi értékétől függenek
• Az állapotváltozást a bemeneti kombinációk változása okozza, a változások bármely időpontban bekövetkezhetnek
• A zavaró késleltetések miatt instabil állapotok, egyszeri vagy többszörös állapotátmenetek, oszcilláció jöhet létre
• A tervezésnél ezekre különös tekintettel kell lenni• Az ilyen sorrendi hálózatokat aszinkron hálózatoknak
nevezzük
Sorrendi hálózatok• Aszinkron és szinkron sorrendi hálózatok
– Szinkron sorrendi hálózatok• A zavaró késleltetések szempontjából jobban kézben tartható megoldás jelent a szinkronizáló jelek
használata, vagyis szinkron sorrendi hálózat építése• A szinkron sorrendi hálózatok működése ütemezett, az ütemező (szinkronizáló) jel az órajel
• Állapotváltozás csak az órajel által meghatározott ütemekben jöhet létre• A bemenő és a visszacsatolt jelek hatása nem azonnal érvényesül, csak a következő ütemben, a
következő órajel beérkezésekor– Az ütemezési időt úgy kell megválasztani, hogy a következő órajel előtt minden zavaró tranziens véget érjen
• Az órajel szünetében a primer és szekunder változók csak „előkészülnek” a következő ütemre– A jelek már statikusak, nem változnak, így a tranziensek okozta problémák kiküszöbölhetők
24
Kombinációs hálózat
Tárolóegység
Bemenet Kimenet
Órajel
Sorrendi hálózatok• Aszinkron és szinkron sorrendi hálózatok
– Szinkron sorrendi hálózatok• Minden változás az órajellel időzítve, azzal szinkronizálva megy végbe, előre pontosan definiált
időpillanatban, az órajel fel- vagy lefutó élének megérkezését követően
• A szinkronizáció lehet– Szintvezérelt (statikus)
» „0” vagy „1” logikai szintre– Élvezérelt (dinamikus)
» Felfutó élre, 0 → 1 átmenetre » Lefutó élre, 1 → 0 átmenetre
25
„1”
„0”
1 Ciklusidőidő
Felfutó él Lefutó él
Sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózatok
– Két fő eleme• Tárolóegység (Memória)
– A korábbi bemeneti kombinációkra vonatkozó információ tárolására
• Bemeneti kombinációs hálózat– A kimeneti jel előállítása– A tárolandó információ előállítása
» A bemeneti kombinációkból és az előzőleg eltárolt információk együtt határozzák meg a következő ciklusban eltárolandó információt
– Fontos különbség az aszinkron sorrendi hálózatokhoz képest• A jelváltozások nem futnak rögtön végig a hálózaton, csak a következő ciklusban hatnak
26
Kombinációs hálózat
Tárolóegység
Bemenet Kimenet
Órajel
Sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózatok
– A kimeneti jel előállítása itt is két féle modellel adható meg
27
Qn+1Q*n+1
Qn
Q*n
Mealy modell Moore modell
Qn+1 = FQ(Xn,Qn)
Yn = FY(Xn,Qn)
Órajel Órajel
Q*n+1 = FQ(Xn,Q*n)
Yn = FY(Q*n)
Sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózatok
– A tárolóegység, memóriaegység tároló elemekből épül fel• Feladata: információ tárolás• Egy tároló elem 1 bit információt tárol
– Tároló alapelemek, elemi sorrendi hálózatok • Kétállapotú (bistabil) billenő elemek (Flip-Flopok)• Mindaddig megtartják előző állapotukat míg külső jel ennek megváltoztatására nem kényszeríti
– Készítsünk Set-Reset tárolót• Az S(Set) bemenetre adott „1”-es a kimenetet „1”-be állítja• Az R(Reset) bemenetre adott „1”-es a kimenetet „0”-ba állítja
28
.Qn+1
Qn
SR Qn+1 = FQ(S,R,Qn)
Yn = Qn
R S Qn Qn+1 0 0 0 0
Változatlan0 0 1 10 1 0 1
Beírás0 1 1 11 0 0 0
Törlés1 0 1 01 1 0 X
Tiltott1 1 1 X
Sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– Készítsünk Set-Reset tárolót• Az S(Set) bemeneten „1”-es a kimenetet „1”-be állítja• Az R(Reset) bemeneten „1”-es a kimenetet „0”-ba állítja
– Állapot gráf
– Állapottábla• Nincs versenyfutás vagy oszcilláció - aszinkron működés is stabil• Vannak érdektelen (Don’t care állapotok)
• Az állapottáblát Karnaugh-táblának tekintve, Qn+1-re elvégezve az összevonásokat az egyszerűsített logikai függvény:
29
0 1
01/1X0/0
10/0
0X/1
Qn
RS
1
10
0 0
X X
1
R S Qn Qn+1 0 0 0 0
Változatlan0 0 1 10 1 0 1
Beírás0 1 1 11 0 0 0
Törlés1 0 1 01 1 0 X
Tiltott1 1 1 X
Qn+1
Sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– RS tároló (Filp-flop) megvalósítása• A Qn+1-et és Qn+1 -et megvalósító kombinációs hálózat logikai függvénye• NAND kapus megvalósítás
– Külön jelképi jelölés
– Az RS tároló ebben a formájában még aszinkron működésű
30
_
R S Qn+1 0 0 Qn 0 1 1 1 0 0 1 1 X Tiltott
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása• Az R és S bemenetek hatása a szinkronjel (órajel) megérkezésekor érvényesüljön
– Statikus vezérlés (Szint vezérlés)• A flip-flop csak akkor billen át, ha az órajel „1” értékű• Ez a megoldás nem használható szinkron hálózat építésére – „átlátszó”• Az órajel „1” értékénél az esetleges többszöri változás a bemeneten a kimenetet is többször
átbillentheti, és ez tovább is terjed a flip-flopon keresztül• Ez idő alatt az ilyen elemekből felépített hálózat teljes egésze aszinkron módon viselkedne• Ez szinkron hálózatban nem megengedhető – egy szinkron jel, egy változás
31
(Órajel) C
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása• Élvezérlés (Dinamikus vezérlés)
– Nem engedjük folyamatosan az órajel „1” értéke alatt hatni a bemeneteket– Csak egy rövid időre, amíg a tároló át tud billeni, ez után elvesszük a beíró (óra) jelet– Lerövidítjük az órajel „1” értékét– Szándékosan hazárdos órajel formáló hálózatot „csinálunk”
32
C
tpd
tpd
AB
Y
A
B
Y
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása• Kétfokozatú tároló (Master-Slave flip-flop)• Az élvezérlésnél bonyolultabb megoldás
– Az órajel „1” értékénél a beíró kapuk engedélyezik a Master-t, ezalatt a Slave letiltva– Az órajel „0” értékénél az átíró kapuk engedélyezik a Slave-et, ezalatt a Master letiltva– A bemeneten lévő esetleges zavaró tranziensek nem jutnak át a letiltott Slave-en– Bár aszinkron működésű, de nem átlátszó
33
Beíró kapuk Átíró kapukMaster Slave
C
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– Szinkron RS tároló (Filp-flop) megvalósítása• Kétfokozatú tároló (Master-Slave flip-flop)
– A Master-be írás alatt lehet tranziens– De az átírás előtt már lecseng– Átírás alatt Master kimenete állandó
34
Beíró kapuk nyitnakÁtíró kapuk zárnak
Átíró kapuk nyitnakBeíró kapuk zárnak
Beírás Master-baÁtírás Slave-beMaster kimenete már nem változhat
„1”
„0”
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– Szinkron hálózatokban csak nem átlátszó tároló elemek használhatók• Dinamikus vezérlésű (élvezérelt)• Kétfokozatú (Master-Slave)• Nincsenek instabil állapotok
– A legfontosabb alap tároló elemek a bemenetek számában és a bemeneti jel hatására történő kimeneti jelváltozásban térnek el
• RS tároló• JK tároló• T tároló• D tároló
35
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– RS tároló• Működést leíró táblázat
– Az aktuális órajel előtti kimenet Qn
– Az aktuális órajel utáni kimenet Qn+1
• Állapottábla– Karnaug-táblaként is értelmezhető– Felírható a kimenet logikai függvénye
» A következő órajel megérkezésekor
Állapot gráf
36
R S Qn+1 0 0 Qn 0 1 1 1 0 0 1 1 X Tiltott
R S Qn Qn+1 0 0 0 0
Változatlan0 0 1 10 1 0 1
Beírás0 1 1 11 0 0 0
Törlés1 0 1 01 1 0 X
Tiltott1 1 1 X
0 1
10/1X0/0
01/0
0X/1
Qn
RS
1
10
0 0
X X
1
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– JK tároló• Kiküszöböli az RS tároló hátrányát
– Nincs tiltott bemeneti kombináció
• Működést leíró táblázat– Az aktuális órajel előtti kimenet Qn
– Az aktuális órajel utáni kimenet Qn+1
• Állapottábla– Karnaug-táblaként is értelmezhető– Felírható a kimenet logikai függvénye
Állapot gráf
37
K J Qn+1 0 0 Qn 0 1 1 1 0 0 1 1 Qn
K J Qn Qn+1 0 0 0 0
Változatlan0 0 1 10 1 0 1
Beírás0 1 1 11 0 0 0
Törlés1 0 1 01 1 0 1
Billentés1 1 1 0
0 1
01/1
00/0
10/0
00/1
Qn
KJ
1
10
0 0
1 0
1
_
11/1
11/0
10/0 01/1
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– JK tároló• Kétfokozatú (Master-Slave) megvalósítás• RS tárolóból külön visszacsatolásokkal• A Master-ba írást az előző állapot is vezérli
– A visszacsatoláson keresztül
38
K J Qn+1 0 0 Qn 0 1 1 1 0 0 1 1 Qn
C
J
K
Q
Q_
_
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– T tároló• Csak egy bemenet• Működést leíró táblázat
– Az aktuális órajel előtti kimenet Qn
– Az aktuális órajel utáni kimenet Qn+1
• Állapottábla– Karnaug-táblaként is értelmezhető– Felírható a kimenet logikai függvénye
Állapot gráf
39
T Qn+1 0 Qn 1 Qn
T Qn Qn+1 0 0 0
Változatlan0 1 11 0 1
Billentés1 1 0
0 1
1/1
0/0
1/0
0/1
Qn
T
0
10
0 0
1 0
1
_
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– D tároló• Csak egy bemenet
– Átmeneti információtárolásra
• Működést leíró táblázat– Az aktuális órajel előtti kimenet Qn
– Az aktuális órajel utáni kimenet Qn+1
• Állapottábla– Karnaug-táblaként is értelmezhető– Felírható a kimenet logikai függvénye
Állapot gráf
40
D Qn+1 0 01 1
D Qn Qn+1 0 0 0
Törlés0 1 01 0 1
Beírás1 1 1
0 1
1/1
0/0
Qn
T
1
00
0 0
1 0
1
0/0 1/1
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– Alapállapotba állítás• A berendezések bekapcsolásakor biztosítani kell a stabil, ismert alapállapot
– Általában aszinkron bemenetek– A tároló kiindulási állapota lehet „0” vagy „1”
• Clear (Reset) bemenet - A tároló törlése, „0”-ába állítása
• Preset (Set) bemenet - A tároló beállítása, „1”-be állítása
41
C
J
K
Q
Q_
Preset
Clear
Szinkron sorrendi hálózatok• Tároló elemek
– T és D tároló megvalósítása• JK tárolóval
42
T Qn+1 0 Qn 1 Qn
D Qn+1 0 01 1
K J Qn+1 0 0 Qn 0 1 1 1 0 0 1 1 Qn
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– A szinkron sorrendi hálózat állapotai• Minden tároló elem két állapotot vehet fel: „0” vagy „1”• Ha n tárolóelem van, a teljes hálózatnak 2n állapota lehet
– Működés közben ezek közül nem feltétlenül valósul meg mindegyik (tiltott állapotok)
• Egyik állapotból a másikba csak egy újabb órajel hatására kerülhet a rendszer– A bemeneti jelek és a tároló elemek tartalma együttesen határozzák meg a következő (Qn+1) állapotot– A tároló elemek az előző órajel hatására létrejött belső (Qn) állapotot tárolják
• Az aszinkron hálózatokhoz hasonlóan többféle leírás mód– Kapcsolási rajz– Állapot gráf– Állapottáblázat
43
Kombinációs hálózat
Tárolóegység
Bemenet Kimenet
Órajel
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– Kapcsolási rajz
• Két tároló elem (T tárolók)• Bemeneti és kimeneti kombinációs hálózat
• Sorrendi hálózatoknál a tároló elemek és visszacsatolások nehezítik a megértést– Még ennél a viszonylag egyszerű hálózatnál is– Bonyolultabb esetben átláthatatlanná válhat a kapcsolási rajz– Az összeköttetéseket gyakran összekötő vonalak helyett azonos elnevezéssel helyettesítik
44
Q1
Q1
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– Állapot gráf• Szemléletes, könnyen áttekinthető• Két (belső) szekunder változó• Négy lehetséges állapot
– A lehetséges állapotokat a tároló elemek kimeneti jelével kódoljuk
– Q2Q1 = 00, 01, 10, 11
– Egyik sem tiltott– Ha X = 1 állapotváltozás következik be
45
00 010/0 0/0
Q2
Q1
Q2 Q1
10 0/0110/1
1/0
1/1
1/0 1/0
X Y
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– Állapottáblázat• Az állapot gráfból könnyen felírható
46
Q2n Q1
n X Q2n+1 Q1
n+1 Y
0 0 0 0 0 00 0 1 0 1 00 1 0 0 1 00 1 1 1 0 01 0 0 1 0 01 0 1 1 1 01 1 0 1 1 11 1 1 0 0 1
00 010/0 0/0
10 0/0110/1
1/0
1/1
1/0 1/0
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– Állapotegyenletek• Egy sorrendi hálózat elvi működése két logikai függvénnyel írható le
– Állapotegyenlet (szekunder változók függvénye)– Kimeneti függvény (függő változók függvénye)
– Annyi állapotegyenlet ahány szekunder változó (ahány tároló elem)– Annyi kimeneti egyenlet, ahány kimenet– A hálózat tényleges felépítésére nem ad információt
» JK, T vagy D tárolóval, NAND, NOR … ?
47
Qn+1 = FQ(Xn,Qn)
Yn = FY(Xn,Qn)
Q2n Q1
n X Q2n+1 Q1
n+1 Y
0 0 0 0 0 00 0 1 0 1 00 1 0 0 1 00 1 1 1 0 01 0 0 1 0 01 0 1 1 1 01 1 0 1 1 11 1 1 0 0 1
XQ2
nQ1n
1
00
1 1
1 0
0
Q2n+1 X
Q2nQ1
n
0
10
0 1
1 0
1
Q1n+1
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– Gyakorló feladatok– Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok tervezése
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– VHDL (VHSIC Hardware Description Language)• VHSIC : very-high-speed integrated circuits
– Hardver leíró nyelv• Logikai áramkörök egyszerű szöveges leírására fejlesztették ki (USA 1987)
– A logikai áramkörökre jellemző párhuzamosság kezelésére, leírására» Konkurens» Szekvenciális utasítások
– Logikai hálózatok» Modellezésére» Szimulációjára (testbench)» Szintetizálására (hardver megvalósítás)
– IEEE szabvány» IEEE Std 1076-1987» IEEE Std 1076-1993
• A programozási nyelvekhez hasonló felépítés– Automatizálható feldolgozás (text)– Integrált áramkörök gyártásánál– Programozható logikai áramkörök (CPLD, FPGA) fejlsztéséhez
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– VHDLHasznált könyvtárak
(hasonló: #include)Be- kimenetek
definíciója (portok)
Belső jelek, konstansok stb..
definíciója, inicializálása
Működést leíró utasítások
in0in1
inBus outBus
out0out1
clk
logic
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– VHDL• Értékadás
signal a : STD_LOGIC;
signal b : STD_LOGIC;
signal c : STD_LOGIC;
signal d : STD_LOGIC;
…
…
begin
a <= ’0’;
b <= ’1’;
c <= a and b;
d <= c or b when a = ’1’ else
a nor b when a = ’0’;
…
…
end Behavioral
• Konkurens utasítások– Az utasítások egyszerre hajtódnak végre, a leírás sorrendjétől függetlenül – Általában kombinációs hálózatot ír le
ba c
d
Szinkron sorrendi hálózatok• Szinkron sorrendi hálózat működése
– VHDL• Értékadás
signal d : STD_LOGIC;
signal q : STD_LOGIC;
signal qn : STD_LOGIC;
signal reset : STD_LOGIC;
signal clk : STD_LOGIC;
…
begin
…
qn <= not q;
process
begin if (reset = ’1’) then
q <= ’0’;
elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= d; end if;end process;
…
end Behavioral;
• Szekvenciális utasítások– A leírás sorrendjében hajtódnak végre – Szekvenciális hálózatot lehet leírni
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Tárolóegységek összekapcsolásával, egyszerű bemeneti kombinációs hálózattal kiegészítve
– Átmeneti tárolás– Léptetés– Vezérlési feladatok– Soros-párhuzamos, párhuzamos-soros átalakítás
53
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Átmeneti tárolás
– Azonos órajelű D tárolókból épül fel– Több bites adatok átmeneti tárolására
» Vezérlő információk» Műveletek operandusainak és eredményének tárolása
signal d : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);signal q : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);signal clk: STD_LOGIC;…processBegin
if (clear = ’1’) thenq <= ”0000”;
elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= d;end if;
end process;
54
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Léptetés
– Azonos órajelű D tárolókból épül fel– A tárolók kimenete egy másik tároló bemenetére csatlakozik
» Az órajel hatására az információ az egyik tárolóból a másikba íródik» Léptetőregiszter, shift-regiszter
– Léptetés jobbra
Process
Begin
if (clear = ’1’) then
q <= ”0000”;
elsif (clk`event and clk = ’1’) then
q(2 downto 0) <= q(3 downto 1);
q(3) <= qin; end if;
end;
55
Q0Q1Q2Q3
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Léptetés
– Azonos órajelű D tárolókból épül fel– A tárolók kimenete egy másik tároló bemenetére csatlakozik
» Az órajel hatására az információ az egyik tárolóból a másikba íródik» Léptetőregiszter, shift-regiszter
– Léptetés balra
Process
Begin
if (clear = ’1’) then
q <= ”0000”;
elsif (clk`event and clk = ’1’) then
q(3 downto 1) <= q(2 downto 0);
q(0) <= qin; end if;
end;
56
Q3 Q0Q1Q2
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Léptetés
– Jobbra, balra léptetés– Párhuzamos be- kimenet– Soros be- kimenet– Alkalmas soros/párhuzamos átalakításra
– SLI: baloldali soros bemenet – SRI: jobboldali soros bemenet – D: párhuzamos bemenetek– Q: párhuzamos kimenetek– CE: órajel engedélyező bemenet– C: órajel– L: beírás engedélyezés– LEFT: balra/jobbra léptetés– R: szinkron törlés
57
Párhuzamos bemenetek
Soros bemenet
Párhuzamos kimenetek
Soros kimenet
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Léptetés
– Jobbra, balra léptetés– Párhuzamos be- kimenet– Soros be- kimenet– Alkalmas soros/párhuzamos átalakításra
– SLI: baloldali soros bemenet – SRI: jobboldali soros bemenet – D: párhuzamos bemenetek– Q: párhuzamos kimenetek– CE: órajel engedélyező bemenet– C: órajel– L: beírás engedélyezés– LEFT: balra/jobbra léptetés– R: szinkron törlés
58
Inputs Outputs
R L CE LEFT SLI SRI D3 : D0 C Q0 Q3 Q2 : Q1
1 X X X X X X ↑ 0 0 0
0 1 X X X X D3 : D0 ↑ D0 D3 Dn
0 0 0 X X X X X No Change
No Change
No Change
0 0 1 1 SLI X X ↑ SLI q2 qn-1
0 0 1 0 X SRI X ↑ q1 SRI qn+1
qn-1 or qn+1 = state of referenced output one setup time prior to active clock transition
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Speciális számlálók
– Gyűrűs-számláló– A LOAD bemenettel a D3-D0 bemeneteket 0001 alaphelyzetbe állítjuk– Az órajel engedélyezése után minden órajel ciklusban az 1-es továbblép a következő helyi értékre– A visszacsatolás miatt 4 ciklus után újra kezdődik a folyamat – A 2n (16) lehetséges állapotból csak n (4) valósul meg (12 tiltott állapot)
59
Q3Q2Q1Q0
0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 …
0001
0010
0100
1000 CE = 1
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Álvéletlen szám generátor léptetőregiszterrel (LFSR (Linear Feedback Shift Register)
– Bitminta generálás– Titkosítás– Hibavédelem
– Ha a regiszterek tartalma 0 ez az állapot marad– Nem nulla kezdőállapot után véges hosszúságú periodikus jelet állít elő a kimeneten– A periódus hossz maximum 2n-1 (n a regiszterek száma)
60
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Álvéletlen szám generátor léptetőregiszterrel (LFSR (Linear Feedback Shift Register)
61
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Regiszterek• Álvéletlen szám generátor léptetőregiszterrel (LFSR (Linear Feedback Shift Register)
62
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Bináris felfelé számláló
– Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)– A hálózat 23 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot
– A Q0 bit minden órajelre billen
» T-tároló T = 1 állandó bemenettel– A Q1 bit akkor billen a következő órajelre ha Q0 = 1
» T-tároló T = Q0 állandó bemenettel
– A Q2 bit akkor billen a következő órajelre ha Q1Q0 = 11
» T-tároló T = (Q0 ÉS Q1) állandó bemenettel
63
Q2Q1Q0
0 0 0 (0) 0 0 1 (1) 0 1 0 (2) 0 1 1 (3) 1 0 0 (4) 1 0 1 (5) 1 1 0 (6) 1 1 1 (7)
000
010
100
110
001111
101 011
„1”
Q0
Q1 Q2
Q1
Q0
Q0
T2
T1
T0
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Bináris felfelé számláló
– Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)– A hálózat 23 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot– VHDL:
use IEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
…
signal q : STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);
signal clk: STD_LOGIC;
signal clear: STD_LOGIC;
…
process
Begin
if (clear = ’1’) then
q <= ”000”;
elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= q+1;end if;
end process;
64
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Bináris lefelé számláló
– Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)– A hálózat 23 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot
– A Q0 bit minden órajelre billen
» T-tároló T = 1 állandó bemenettel– A Q1 bit akkor billen a következő órajelre ha Q0 = 0
» T-tároló T = Q0 állandó bemenettel
– A Q2 bit akkor billen a következő órajelre ha Q1Q0 = 00
» T-tároló T = (Q0 ÉS Q1) állandó bemenettel
65
Q2Q1Q0
1 1 1 (7) 1 1 0 (6) 1 0 1 (5) 1 0 0 (4) 0 1 1 (3) 0 1 0 (2) 0 0 1 (1) 0 0 0 (0)
000
010
100
110
001111
101 011
„1”
Q0
Q1 Q2
Q1
Q0
Q0
__
_
__
T2
T1
T0
_
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Bináris lefelé számláló
– Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)– A hálózat 23 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot– VHDL:
use IEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
…
signal q : STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);
signal clk: STD_LOGIC;
signal clear: STD_LOGIC;
…
process
Begin
if (clear = ’1’) then
q <= ”000”;
elsif (clk`event and clk = ’1’) then q <= q-1;end if;
end process;
66
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Bináris fel-le számláló
– Az számlálási irányt megadó X bemenet függvényében» Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)» Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)
67
Q2
Q1
Q0
T2
T1
T0
000
010
100
110
001111
101 011
0
0
0
0
0
0
0
0
1
11
1
1 1
1 1
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Bináris fel-le számláló
– Az számlálási irányt megadó X bemenet függvényében» Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)» Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)
68
„1”
Q0Q2
Q1
Q0
Q1
X
Q0
Q1
X
Q0
X
Q0
X
T2
T1
T0
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Bináris fel-le számláló
– Az számlálási irányt megadó X bemenet függvényében» Pl. 7-től 0-ig (111b – 000b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)» Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)
– VHDL:
use IEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
…
signal q : STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);
signal x: STD_LOGIC;
signal clk: STD_LOGIC;
signal clear: STD_LOGIC;
…
process
Begin
if (clear = ’1’) then
q <= ”000”;
elsif (clk`event and clk = ’1’) then if (x = ’0’) then q <= q+1;
else q <= q-1;
end if; end if;
end process;
69
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Decimális felfelé számláló
– Pl. 0-tól 9-ig (0000b – 1001b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (4-bites BCD kód)– A hálózat 24 = 16 állapotot vehet fel, ebből 6 tiltott állapot– 1001b-ig úgy működik mint egy bináris számláló, de 1001b után 0000b kell következzen– A bemeneti kombinációs hálózat a bináris számlálótól különböző lesz
70
Q3Q2Q1Q0
0 0 0 0 (0) 0 0 0 1 (1) 0 0 1 0 (2) 0 0 1 1 (3) 0 1 0 0 (4) 0 1 0 1 (5) 0 1 1 0 (6) 0 1 1 1 (7) 1 0 0 0 (8) 1 0 0 1 (9)
0000
0010
0101
1000
00011001
0110 0100
00110111
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Decimális felfelé számláló
– Pl. 0-tól 9-ig (0000b – 1001b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (4-bites BCD kód)
– A hálózat 24 = 16 állapotot vehet fel, ebből 6 tiltott állapot
71
0000
0010
0101
1000
00011001
0110 0100
00110111
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Számlálók• Decimális felfelé számláló
– Pl. 0-tól 9-ig (0000b – 1001b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (4-bites BCD kód)
– A hálózat 24 = 16 állapotot vehet fel, ebből 6 tiltott állapot
– Q3 kimenet billen ha
» Q0 = Q1 = Q2 = 1 vagy
» Q3Q2Q1Q0 = 1001
– Q2 kimenet billen ha
» Q0 = Q1 = 1
– Q1 kimenet billen ha
» Q0 = 1 és
» Q3Q2Q1Q0 ≠ 1001
– Az ”1001” állapot jelzéséhez BCD kódban elég ha Q3 = Q0 = 1
72
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű szinkron sorrendi hálózatok
– Frekvenciaosztás• n bites számláló frekvenciaosztása: 2n
73
1
0
f0
f0/4
f0
f0/8
f0/16
f0/2
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű aszinkron sorrendi hálózatok
– Aszinkron számlálók• Bináris felfelé számláló
– Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)– A hálózat 23 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot
– A T tárolók kimenete a következő tároló órajel bemenetére csatlakozik– A tárolók kimeneti jelének frekvenciája fele a bemeneti órajel frekvenciájának– Előny:
» Nem kellenek kiegészítő kapuáramkörök– Hátrány:
» A késleltetések miatt a tárolók nem egyszerre billennek» Az órajel változásakor rövid időre határozatlan kimeneti jel
74
Q2Q1Q0
0 0 0 (0) 0 0 1 (1) 0 1 0 (2) 0 1 1 (3) 1 0 0 (4) 1 0 1 (5) 1 1 0 (6) 1 1 1 (7)
Q1
Q2Q1Q0
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű aszinkron sorrendi hálózatok
– Aszinkron számlálók• Bináris felfelé számláló
– Pl. 0-tól 7-ig (000b – 111b) egyesével számlál minden órajel ciklusban (3-bites)– A hálózat 23 = 8 állapotot vehet fel, nincs tiltott állapot
75
Q2Q1Q0
0 0 0 (0) 0 0 1 (1) 0 1 0 (2) 0 1 1 (3) 1 0 0 (4) 1 0 1 (5) 1 1 0 (6) 1 1 1 (7)
Q1
Q2Q1Q0
Szinkron sorrendi hálózatok• Egyszerű aszinkron sorrendi hálózatok
– Diszkrét áramkörök• D flip-flop
– 74AC11074
• J-K tároló– CD54AC112
• Léptető regiszter– CD4015
• Számláló– CD40193
Texas Instruments
76
Memóriák• Memóriák (tárolók)
– Nagyobb mennyiségű információ átmeneti vagy tartós tárolására szolgáló egységek• Regiszterek
– Néhány bit, vagy bitcsoport (4, 8, 16, 32 …stb.) tárolására
• Több regiszterből nagyobb tárolókapacitású tárolók építhetők– Kiegészítő és vezérlő egységek szükségesek
» A tárolt információ célszerű kezeléséhez» Más áramkörökkel való együttműködés, illeszthetőség» foglaltság, készenlét stb…
77
Memória
Cím
Vezérlés
Adat
• Memóriák működése– A „Cím” bemenetre érkező információval jelöljük ki
» az „Adat” csatlakozóra érkező, tárolandó» az „Adat” csatlakozón távozó, kiolvasandó
információ memórián belüli helyét (memória rekeszt)– A „Vezérlés” csatlakozásokon keresztül adhatunk
utasításokat» beírás, kiolvasás stb…
vagy nyerhetünk információkat a memória működésére vonatkozólag
» foglaltság, készenlét stb…
Memóriák• Működés
– Általános memória felépítése• 1 db cella 1 bit tárolására képes• 1 rekesz (sor) K db cellából épül fel. 1 sor
mérete K bit. Ettől függően léteznek:– Byte szervezésű (K = 8)– Szó szervezésű (K = 16)– Duplaszó szervezésű (K = 32)
• A párhuzamos hozzáférésű memóriáknál az adatbusz hozzávezetéseinek számát K adja meg
• A memória tömb N = 2L db rekeszből épül fel – A párhuzamos címzésű memóriáknál a
címbusz hozzávezetéseinek száma L
• Memória tárolókapacitása – tárolt bitek száma = 1 rekesz mérete *
rekeszek darabszáma = K * N bit
• Vezérléstől függően 3 féle állapot:– Írás: R = 1, W = 0– Olvasás : R = 0, W = 1– Üresjárat / tárolás: R = 1, W = 1
78
Cím(Address)
N db m
emória
rekesz
TömbRekesz
Cella
Vezérlés
WR CLK
Memóriák• Működés
– Általános memória felépítése• Cella
– RS tároló + logika
• Rekesz– Regiszterhez hasonlóan, tároló cellák párhuzamosan kapcsolva
79
I
W R S Qn+1 0 0 Qn 0 1 1 1 0 0 1 1 X
O
0 1 2 K-1
I0 I1 I2 IK-1
O0 O1 O2 OK-1
W
Memóriák• Működés
– Általános memória felépítése• Rekeszek memória tömbbé szervezése
80
Memóriák• Működés
– Általános memória felépítése• Rekeszek memória tömbbé szervezése
– IS65C256AL
81
Memóriák• Működés
– Olvasás, párhuzamos független adat és címvezetékekkel• CE: Chip Enable• OE : Output Enable
82
Memóriák• Működés
– Írás, párhuzamos független adat és címvezetékekkel• CE: Chip Enable• WE : Write Enable
• Olvasás
83
Memóriák• Csoportosítás
• A megcímzett rekesz hozzáférési módja szerint– Tetszőleges (véletlen) hozzáférésű memória (RAM: Random Access Memory)
» Bármely adat a címtől függetlenül azonos idő alatt elérhető– Soros hozzáférésű memória (SAM: Serial Access Memory)
» Az adat címétől függő elérési idő» Pl. Mágnesszalagos tárolás
– Asszociatív memória (CAN : Content Addressable Memory)» Megadja, hogy az adott információ a memória mely címén található
• Az információ beírhatósága szempontjából– Csak olvasható memória (ROM: Read Only Memory)– Módosítható memória (RWM: Read Write Memory)
» RAM
• A tárolás időbeli módja– Statikus (pl.: SRAM)
» Tápfeszültség esetén az információt korlátlan ideig megőrzi– Dinamikus (pl.: DRAM)
» A memória tartalma időnként frissítésre szorul (ez hátrány)» (De) nagy tároló kapacitás érhető el
84
Memóriák
– Pl.:• 216 bit tárolása (64 Kibit), 216 cella• 8 bit (byte) szervezés: 8 KiByte, 213 rekesz• Párhuzamos szervezéssel
– 8 adatvezeték– 13 cím vezeték
• Soros szervezéssel csökkenteni lehet a kivezetések számát– Egy 32 bites 2GiByte-os memóriának
» 32 adatvezetés» 29 címvezeték
– Párhuzamos memória + soros-párhuzamos átalakítás
85
• Csoportosítás
Memóriák
Hozzáférés
Párhuzamos Soros
Független cím-és adatbusz
Univerzális (egyesített)Cím- és adatbusz
Független cím-és adatbusz
UniverzálisCím- és adatbusz
86
Address
Data
WR
RE
CLK
Address/
Data
ALE
WR
RE
CLK
Address
Data
WR
RE
CLK
Address/
Data
WR
RE
CLK
512M x 32 (K =29, L=32) tömb esetén M: chip lábainak száma Q: 1 művelethez szükséges órajel periódusok száma
M = 66Q = 1 + 1
M = 38Q = 1 + 1
M = 7Q = 29+32
M = 6Q = 29 + 32
Memóriák• Soros hozzáférésű memória
– Párhuzamos memóriából, soros-párhuzamos, párhuzamos-soros átalakítókkal
87S
→ P
A0
A1
A2
AL-1
S ↔ P
D1 D0D2 DK
DA CLK W R
Memóriák• Bővítés
– Szóhossz bővítés
88
D0
D1
D2
DK
-1
DK
cswR
Data
Adrr cswR
Data
AdrrD
0
D1
D2
DK
-1
DK
DK
+1
DK
+2
D2K
-1
cswR
Adrr2 x 8k * 8 = 8k * 16
Memóriák• Bővítés
– Kapacitás bővítés
89
Memóriák• Írás,olvasás, törlés
90
MEMÓRIÁK
ROM RAM
ROM PROM UVEPROM EEPROM Statikus RAM Dinamikus RAM
Egyéb
• Írás a gyárban• Törlés nem
lehetséges
• 1x felhasználó által is írható (beégethető)
• Törlés nem lehetséges
• Felhasználó által is írható
• Törlés 10”-es UV-s levilágítással
• Felhasználó által is írható
• Elektromosan törölhető
• Tápfesz nélkül elveszti a tartalmát
• Gyors• Nem kell
frissíteni
• Tápfeszültség alatt is néha frissíteni kell
• Lassú
Nem illékonyIllékony
Mikroprocesszoros rendszerek• Algoritmusok megvalósítása
– Műszaki rendszereket mindig valamilyen feladat megoldása érdekében építünk– A feladatmegoldás általában valamilyen algoritmus szerint történik
• Mérésadatgyűjtés• Adatok elemzése (pl. összehasonlítás)• Aritmetikai, logikai műveletek végzése az adatokon• Döntéshozatal stb.
– Az információfeldolgozás menetét (programját) építjük be a rendszerbe• 1. megoldás:
– A rendszer összetevői és egymáshoz való kapcsolódásuk, sorrendiségük a hardverben fixen „behuzalozva” jelennek meg
• 2. megoldás– Az algoritmusnak megfelelő sorrendben, előre letárolt program szerint, egy
vezérlő berendezés segítségével aktivizáljuk az egyes műveletvégző egységeket
91
Mikroprocesszoros rendszerek• Algoritmusok megvalósítása
1. megoldás: Huzalozott program• A rendszer összetevői és egymáshoz való kapcsolódásuk, sorrendiségük a hardverben fixen
„behuzalozva” jelennek meg– Előny
» Egyes részfeladatok párhuzamosanis végrehajthatók (gyors működés)
– Hátrány» A hardver a rögzített struktúra miatt
csak az adott feladat megoldásáraalkalmas
2. megoldás: Tárolt program• Az algoritmusnak megfelelő sorrendben, előre letárolt program szerint, egy vezérlő berendezés
segítségével aktivizáljuk az egyes műveletvégző egységeket– Előny
» Ha megváltoztatjuk a memória tartalmát(a programot) más-más feladatrahasználhatjuk
– Hátrány» A részfeladatok nehezen
párhuzamosíthatók (lassúbb működés)» Szekvenciális utasítás végrehajtás
Hardverben rögzített algoritmus
Bemenet Kimenet
Bemenet KimenetMemória Vezérlő
További rendszerösszetevők
92
Mikroprocesszoros rendszerek• Algoritmusok megvalósítása tárolt program alapján
– Vezérlő egység• A vezérelt rendszer kívánt algoritmus szerinti működését
– Felügyelik– Szervezik
• A vezérlő működési programja lehet– Fázisregiszteres
» Kötött struktúrájú» A fázisregiszter (ez lehet egy számláló is) tárolja a vezérlő belső állapotát» A belső állapotnak megfelelően kell előállítani a kimeneti vezérlő jeleket» A módosítás nehézkes
– Mikroprogramozott» A vezérlőt működtető utasítások sorozata (a program) egy memóriában van tárolva» Az aktuális utasítás megadja az adott fázisban végrehajtandó műveletet és a következő utasítás
memórián belüli címét
Bemenet KimenetMemória Vezérlő
További rendszerösszetevők
93
Mikroprocesszoros rendszerek• Algoritmusok megvalósítása tárolt program alapján
– Memória• A rendszer működése hatékonyabb, ha a memóriában
nem csak az utasítások hanem adatok is tárolhatók későbbi felhasználás céljából– Programmemória– Adatmemória
• Lehet közös memória (Neumann architektúra)• Vagy fizikailag külön adat és programmemória (Harvard architektúra)
– Bemenetek- Kimenetek• A bementi adatok fogadására• A kimeneti adatok megjelenítésére• A külvilággal való kommunikációra, illesztésre
Bemenet KimenetMemória Vezérlő
További rendszerösszetevők
94
Mikroprocesszoros rendszerek• Algoritmusok megvalósítása tárolt program alapján
– Műveletvégző egységek• A gyakran használt aritmetikai és logikai műveletek végrehajtását célszerű külön erre a célra
tervezett egységre bízni– ALU (Arithmetic Logic Unit)
• A vezérlési, aritmetikai és logikai, illetve egyéb feldolgozási műveleteket elvégző központi egységet CPU-nak ( Central Processing Unit, központi feldolgozó egység) hívjuk
Bemenet KimenetMemória Vezérlő
További rendszerösszetevők
95
Mikroprocesszoros rendszerek• CPU
– Az utasítások alapján előállítja a processzoron belüli és a processzorhoz kapcsolt külső egységek működéséhez szükséges vezérlőjeleket
• Belső vezérlő jelek– ALU működtetése– Regiszterek és a belső sínrendszer közötti adatátvitel
• Külső vezérlőjelek– A memória – CPU közötti adatátvitel– A perifériák – CPU közötti adatátvitel
– A művelet-végrehajtás elemi lépéseit mikroprogram írja le, amely a programtárban (memória) helyezkedik el
• A mikroprogram mikroutasításokból áll– Műveleti kód
» Az adott fázisban elvégzendő feladathoz rendelt vezérlővonal állapotokat adja meg– Címzésmód
» A mikroprogram végrehajtása hogyan folytatódik a következő utasítással a tárban , feltétel nélküli vezérlésátadással (INC) vagy egy külső feltételtől függő vezérlésátadással (JMP)
– Következő mikroutasítás címe» Automatikus inkrementálásnál lényegtelen
– Operandus(ok) cime(i)» A memória mely elemeivel akarunk műveletet végezni» Pl: A = A+B (A és B a memóriában tárolt adatok címei)
96
Mikroprocesszoros rendszerek• CPU
– Cím- adat- és vezérlősínek (buszrendszer)• CPU a hozzá csatlakoztatott memóriaegységekkel, be- és kimeneti egységekkel, regisztertárakkal ezeken
keresztül tart kapcsolatot. • Több párhuzamos vezeték, melyeken az adatok, a memóriák egyes rekeszeit kiválasztó címek, és egyéb
vezérlőjelek utaznak• A síneken általában több eszköz osztozik, de egyszerre csak egy használhatja őket
97
Mikroprocesszoros rendszerek• CPU
– Utasítás dekódoló és végrehajtó egység• Irányítja és ütemezi az összes többi egység működését • Az adatokat vagy címeket a megfelelő útvonalon vezeti
végig, hogy a kívánt helyre eljussanak• Ha szükséges, beindítja az ALU valamelyik műveletvégző
áramkörét
– PC (Program Counter Register)programszámláló regiszter
• A következő utasítás memóriacímét tartalmazza• Minden utasítás végrehajtása során egyel nő az értéke
– IR (Instruction Register) utasítás regiszter • A memóriából kiolvasott utasítást tartalmazza• A dekódoló egység értelmezi a tartalmát és ennek megfelelően ad ki vezérlő jeleket a többi egységnek• Ugrás esetén innen kerül a következő utasítás címe a PC-be, memória íráskor illetve olvasáskor ebből a regiszterből
jut el a kívánt cím a memóriához (az MA regiszteren keresztül)
– MA (Memory Address Register) memória címregiszter• Az MA és MD regiszterek tartják a közvetlen kapcsolatot a memóriával • Az MA-ból jut a memória bemeneteire a kiválasztott rekesz címe (adatírás, -olvasás, utasításbeolvasás esetén)
– MD (Memory Data Register) memória adatregiszter• A memóriából kiolvasott adat közvetlenül ide kerül, illetve a memóriába innen töltjük az adatokat
98
Mikroprocesszoros rendszerek• CPU
– ALU (Arithmetic Logic Unit)• CPU "kalkulátora”• Néhány alapvető műveletet képes végrehajtani
– Összeadás, kivonás, átvitel bitek kezelése– Fixpontos szorzás osztás– Logikai műveletek– Léptetések, bitek mozgatása jobbra/balra– Lebegőpontos aritmetikai műveletek
– Akkumulátor• Ideiglenes tárolást (munkamemóriát) biztosít(anak)
az ALU számára
– Egyéb regiszterek• A CPU belső tárolóelemei• Írásuk és olvasásuk sokkal gyorsabb a memóriákénál• Segítik a címképzést, tárolnak állapotjellemzőket,
státusokat (ezzel a vezérlést segítik)• Tartalmuk gyorsan és egyszerűen elérhető a CPU
elemei számára
99
Mikroprocesszoros rendszerek• CPU
– Pl. Adat beírása az akkumulátor regiszterbe1. lépés: A PC-ből az MA-n keresztül a memória bemeneteire jut az utasítás címe. A memória adatvezetékein megjelenik
a rekesz tartalma (vagyis a műveleti kód), az MD-n keresztül az IR-be kerül2. lépés: Az utasítás dekódoló és végrehajtó egység beolvassa a műveleti kódot, és értelmezi azt3. lépés: A PC értéke eggyel nő (így az operandus címére mutat)
100
Mikroprocesszoros rendszerek• CPU
– Pl. Adat beírása az akkumulátor regiszterbe1. lépés: A PC-ből az MA-n keresztül a memória bemeneteire jut az utasítás címe. A memória adatvezetékein megjelenik
a rekesz tartalma (vagyis a műveleti kód), az MD-n keresztül az IR-be kerül2. lépés: Az utasítás dekódoló és végrehajtó egység beolvassa a műveleti kódot, és értelmezi azt3. lépés: A PC értéke eggyel nő (így az operandus címére mutat)4. lépés: Az operandus címe a PC-ből a memória bemeneteire jut, majd tárolt érték az MD-n keresztül az akkuba kerül5. lépés: A PC értéke megint eggyel nő, vagyis a következő utasításra mutat: elkezdődhet annak a végrehajtása.
101
Mikroprocesszoros rendszerek• Mikroprocesszorok (P), mikroszámítógépek (C)
Mikroprocesszoros rendszerek• Mikroprocesszorok (P), mikroszámítógépek (C)
ATmega168TMS320C28xTMS320C6416T