Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση

Transcript

1 Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών 25-6 Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση (στοιχεία και μέθοδοι χρονισμού) Μ.Στεφανιδάκης

2 Πέρα από τη συνδυαστική Βασικά ερωτήματα Πώς εισάγω την έννοια της κατάστασης ενός λογικού τμήματος; Που φυλάσσεται η κατάσταση; Πότε ενημερώνεται; Πώς συγχρονίζονται τα διάφορα τμήματα ς; Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 2

3 Ακολουθιακή είσοδοι Α..Α N Λογικό Μπλοκ (συνδυαστικό) έξοδοι Υ..Υ Μ Στοιχείο επόμενη κατάσταση ; Πότε τελειώνει η τρέχουσα και πότε αρχίζει η επόμενη κατάσταση; Η έννοια της κατάστασης: οι έξοδοι εξαρτώνται από τις εισόδους ΚΑΙ από την προηγούμενη κατάσταση Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 3

4 Χρονισμός σε ακολουθιακή Στοιχείο Λογικό Μπλοκ (συνδυαστικό) Στοιχείο Σήμα χρονισμού (clock)! Το clock καθορίζει τη χρονική στιγμή αποθήκευσης στα στοιχεία περίοδος Τ σήματος ρολογιού Η πλειοψηφία των ψηφιακών κυκλωμάτων χρησιμοποιεί ένα περιοδικό σήμα συγχρονισμού (ρολόι - clock) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 4

5 Χρονισμός στις ακμές του ρολογιού είσοδος Στοιχείο έξοδος Σήμα χρονισμού (clock)! Η είσοδος πρέπει να είναι σταθερή λίγο πριν (setup) και λίγο μετά (hold) την ακμή του ρολογιού Η απλούστερη λύση: αποθήκευση στην ανερχόμενη (ή κατερχόμενη) ακμή του ρολογιού Τη στιγμή αυτή η είσοδος αποθηκεύεται στο στοιχείο Και εμφανίζεται στην έξοδο μετά από την καθυστέρηση διάδοσης του στοιχείου. Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 5

6 Χρονισμός και διάδοση σημάτων Στοιχείο Λογικό Μπλοκ (συνδυαστικό) Στοιχείο ; Μπορεί η περίοδος του ρολογιού να γίνει όσο μικρή θέλουμε; Οι είσοδοι περνούν στο στοιχείο Και εμφανίζονται στις εισόδους του λογικου μπλοκ Προκαλώντας αλλαγές στις εξόδους του μπλοκ Στην επόμενη ακμή αποθηκεύονται στο δεύτερο στοιχείο Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 6

7 Ανάδραση και στοιχεία Στοιχείο Λογικό Μπλοκ (συνδυαστικό) clock Απολύτως επιτρεπτή συνδεσμολογία! Λόγω του σήματος ρολογιού δεν δημιουργείται πρόβλημα με την ανατροφοδότηση του σήματος εξόδου στην είσοδο Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 7

8 Συγχρονισμός τμημάτων Σύγχρονο σύστημα Κοινή πολιτική χρονισμού Κοινό ρολόι Σχεδίαση τήρησης χρόνων διάδοσης Τμήματα με διαφορετικά ρολόγια (ή ασύγχρονες είσοδοι) Αδυναμία τήρησης χρόνων setup hold Τα στοιχεία μπορούν να περιέλθουν σε απροσδιόριστη κατάσταση (metastability) Ειδικά κυκλώματα συγχρονισμού Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 8

9 Στοιχεία Στοιχεία Μαζί με λογικά κυκλώματα Για αποθήκευση ενδιάμεσης κατάστασης μεταξύ συνδυαστικών συναρτήσεων Μικρή χωρητικότητα Παράδειγμα: οι καταχωρητές της ΚΜΕ Σε μεγάλες συστοιχίες Κύρια μνήμη συστήματος Μεγάλη χωρητικότητα Μεγαλύτερη ολοκλήρωση κυκλωμάτων Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 9

10 Απλά στοιχεία χωρίς ρολόι Στοιχεία S R S! R Τα S και R δεν επιτρέπεται να είναι ταυτόχρονα Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση

11 Ο μανδαλωτής (latch) Στοιχεία G G! G Το latch περνά την είσοδο στην έξοδο ανάλογα με τη στάθμη του G x Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση

12 flip-flop Στοιχεία G latch G latch CLK ; Αποθήκευση εισόδου στην ακμή του σήματος ρολογιού Σε ποια ακμή του CLK αποθηκεύεται η είσοδος ; SET συμβολα flip-flop SET CLR CLR Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 2

13 Καταχωρητές (registers) Στοιχεία flip-flop flip-flop ; n flip-flop n Ποιο το μήκος της λέξης που αποθηκεύεται σε έναν καταχωρητή; CLK Ομάδα στοιχείων flip-flop με κοινό σήμα ρολογιού αποθήκευση λέξης n bits (n = 8, 6, 32, 64...) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 3

14 Register file Στοιχεία Register File Καταχωρητής Καταχωρητής Καταχωρητής 2 i Οι σύγχρονες ΚΜΕ διαθέτουν τουλάχιστον 32 καταχωρητές γενικού σκοπού Καταχωρητής Ν Ομάδα καταχωρητών, βασικό στοιχείο μιας ΚΜΕ Ανάγνωση και εγγραφή Δυνατότητα ταυτόχρονης λειτουργίας σε περισσότερους από έναν καταχωρητές Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 4

15 Register file: ανάγνωση Στοιχεία Register File Καταχωρητής επιλογή καταχωρητή Καταχωρητής Καταχωρητής 2 MUX ; Πώς μπορούμε να διαβάσουμε ταυτόχρονα 2 καταχωρητές (σε διαφορετικές εξόδους); Καταχωρητής Ν Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 5

16 Register file: εγγραφή Στοιχεία Register File CLK δεδομένα εγγραφής Καταχωρητής επιλογή καταχωρητή αποκωδικο ποιητής Καταχωρητής Καταχωρητής 2! Τα δεδομένα προς εγγραφή θα πρέπει να είναι σταθερά κατά τους χρόνους setup και hold! Καταχωρητής Ν Προσοχή: ακαδημαϊκή σχεδίαση! Το clock gating δεν συνιστάται σε πραγματικές εφαρμογές Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ψηφιακή Λογική και Σχεδίαση 6