Συνδυαστική λογική και βασικά λογικά κυκλώματα. URL:

Transcript

1 DeÔtero Ex mhno FoÐthshc Συνδυαστική λογική και βασικά λογικά κυκλώματα Ge rgioc Q. Alexandrìpouloc Lèktorac P.D. 47/8 URL: Tm ma Epist mhc kai TeqnologÐac Thlepikoinwni n

2 Perieqìmena Ανάλυση και Σχεδίαση Συνδυαστικών Κυκλωμάτων Ανάλυση Κυκλωμάτων Σχεδίαση Κυκλωμάτων 2 Βασικά Λογικά Κυκλώματα 2-δικός Αθροιστής -δικός Αθροιστής/Αφαιρέτης 2-δικός Πολλαπλασιαστής Συγκριτής Μεγέθους Αποκωδικοποιητής/Κωδικοποιητής Πολυπλέκτης

3 Eisagwg Συνδυαστικά λογικά κυκλώματα x x 2 x 3 x n Συνδυαστικό κύκλωμα y y 2 y 3 y m Ακολουθιακά λογικά κυκλώματα x x n Συνδυαστικό κύκλωμα Στοιχεία μνήμης y y m

4 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn An lush kai SqedÐash Yhfiak n Kuklwm twn 2-δικοί αριθμοί και 2-δικοί κώδικες αναπαράσταση διακριτής πληροφορίας Άλγεβρα Boole αλγεβρικός τρόπος έκφρασης λογικών συναρτήσεων Χάρτης Karnaugh απλοποίηση λογικών/ψηφιακών κυκλωμάτων Ανάλυση ψηφιακού κυκλώματος Προσδιορισμός των συναρτήσεων Boole των εξόδων του Σχεδίαση ψηφιακού κυκλώματος Σύνθεση κυκλώματος με προδιαγεγραμμένη συμπεριφορά

5 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn An lush Sunduastik n Kuklwm twn Βήμα : Βεβαιώνω ότι το κύκλωμα είναι συνδυαστικό (απουσία βρόγχων ανάδρασης ή στοιχείων μνήμης) κι όχι ακολουθιακό Βήμα 2: Ονομάζω τις εξόδους των πυλών με εισόδους τις μεταβλητές εισόδου κι υπολογίζω τις συναρτήσεις Boole που τις περιγράφουν. Επαναλαμβάνω τη διαδικασία μέχρι να προσδιορίσω τις συναρτήσεις Boole όλων των εξόδων του κυκλώματος Βήμα 3: Με επανειλημμένες αντικαταστάσεις, από το τέλος προς την αρχή, των αλγεβρικών μορφών των συναρτήσεων του προηγούμενου βήματος προκύπτουν οι συναρτήσεις Boole των εξόδων του κυκλώματος ως προς τις μεταβλητές εισόδου του

6 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Par deigma An lushc SunduastikoÔ Kukl matoc A B C T 2 f T T 3 f 2 f =A BC +A B C+AB C +ABC f 2 =AB+AC+BC

7 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn PÐnakac AlhjeÐac Sunduastik n Kuklwm twn Βήμα : Για n μεταβλητές εισόδου σχηματίζω τους 2 n πιθανούς συνδυασμούς τιμών τους Βήμα 2: Ονομάζω τις εξόδους των ενδιάμεσων πυλών Βήμα 3: Προσδιορίζω, αρχικά, τον πίνακα αληθείας των εξόδων των πυλών εκείνων που εξαρτώνται από τις μεταβλητές εισόδου Βήμα 4: Προσδιορίζω τον πίνακα αληθείας για τις εξόδους των πυλών των υπολοίπων επιπέδων μέχρι να προσδιορίσω τους πίνακες αληθείας όλων των εξόδων

8 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn PÐnakac AlhjeÐac Sunduastik n Kuklwm twn A B C T2 f T T3 f2 A B C f 2 f 2 T T 2 T 3 f

9 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn SqedÐash Sunduastik n Kuklwm twn Βήμα : Με βάση τις προδιαγραφές του προς σχεδίαση κυκλώματος, καθορίζω τον απαιτούμενο αριθμό εισόδων κι εξόδων δίνοντάς τους κατάλληλα ονόματα Βήμα 2: Κατασκευάζω τον πίνακα αληθείας που περιγράφει τη σχέση μεταβλητών εισόδου κι εξόδου Βήμα 3: Υπολογίζω τις απλοποιημένες συναρτήσεις Boole συναρτήσει των μεταβλητών εισόδου Βήμα 4: Σχεδιάζω το λογικό διάγραμμα των συναρτήσεων κι επαληθεύω την ορθότητα της σχεδίασης

10 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn SqedÐash Sunduastik n Kuklwm twn Πιθανοί περιορισμοί σχεδίασης πρακτικού κυκλώματος: Πλήθος πυλών και το πλήθος είσοδων τους Καθυστέρηση διάδοσης σήματος Πλήθος διασυνδέσεων ανάμεσα στις πύλες Ικανότητα οδήγησης των πυλών κ.ά.

11 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn ParadeÐgmata SqedÐashc Sunduastik n Kuklwm twn Σχεδιάστε ένα συνδυαστικό κύκλωμα τριών εισόδων με μια έξοδο, η οποία θα είναι όταν στις μεταβλητές εισόδου υπάρχουν περισσότερα από, αλλιώς θα είναι (κύκλωμα πλειοψηφίας) Σχεδιάστε ένα συνδυαστικό κύκλωμα τριών εισόδων με μια έξοδο, η οποία θα είναι όταν ο συνδυασμός των 2-δικών τιμών των εισόδων (ως μια δυαδική λέξη) είναι μικρότερος του 3, αλλιώς θα είναι

12 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Kukl mata Metatrop c Kwdik n Μετατροπέας Κώδικα Το κύκλωμα εκείνο που αποκαθιστά τη συμβατότητα ανάμεσα σε δύο συστήματα που χρησιμοποιούν διαφορετικούς κώδικες για την αναπαράσταση της 2-δικής πληροφορίας Παραδείγματα: Κώδικας BCD σε Excess-3 Κώδικας BCD σε 84 2

13 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se Excess-3 BCD Excess-3 A B C D w x y z d(w, x, y, z) = (,, 2, 3, 4, 5) w = (5, 6, 7, 8, 9) x = (, 2, 3, 4, 9) y = (, 3, 4, 7, 8) z = (, 2, 4, 6, 8)

14 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se Excess-3 C AB CD C AB CD B B A A D w =A+BC+BD D x =B C+B D+BC D

15 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se Excess-3 C AB CD C AB CD A B A B D y =CD+C D D z =D

16 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se Excess-3 z D C y B x A w

17 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se 84 2 BCD A B C D w x y z d(w, x, y, z) = (,, 2, 3, 4, 5) w = (5, 6, 7, 8, 9) x = (, 2, 3, 4, 9) y = (, 2, 5, 6, 9) z = (, 3, 5, 7, 9)

18 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se 84 2 C AB CD C AB CD B B A A D w =A+BC+BD D x =B C+B D+BC D

19 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se 84 2 C AB CD C AB CD A B A B D y =CD +C D D z =D

20 An lush Kuklwm twn SqedÐash Kuklwm twn Metatropèac BCD se 84 2 z D C y B x A w

21 Eisagwg An lush kai SqedÐash Αρκετά συνδυαστικά κυκλώματα είναι διαθέσιμα ως MSI ICs, αποτελούν δηλαδή τυπικά υλικά σύνθεσης ψηφιακών κυκλωμάτων και χρησιμοποιούνται αρκετά συχνά στη σχεδίαση ψηφιακών συστημάτων: Αθροιστές/αφαιρέτες Πολλαπλασιαστές Συγκριτές Αποκωδικοποιητές/κωδικοποιητές Πολυπλέκτες Βασικά ψηφιακά κυκλώματα σε τυποποιημένα κύτταρα Τα παραπάνω κυκλώματα χρησιμοποιούνται σε δομή πολυσύνθετων VLSI κυκλωμάτων

22 Domik StoiqeÐa Ajroist n Ημιαθροιστής: το συνδυαστικό κύκλωμα που υλοποιεί την πρόσθεση δύο bits x y HA S C Πλήρης αθροιστής: το συνδυαστικό κύκλωμα που υλοποιεί την πρόσθεση τριών bits x y HA HA FA S C z

23 Hmiajroist c An lush kai SqedÐash x y C S x y HA S C S = x y + xy C = xy

24 Pl rhc Ajroist c An lush kai SqedÐash x y z C S S = x y z + x yz + xy z + xyz C = xy + xz + yz

25 Pl rhc Ajroist c me DÔo Hmiajroistèc x y HA HA FA S C z x y S =(x y) z C =(x y)z + xy C FA z S

26 2-dikìc Ajroist c An lush kai SqedÐash Ο 2-δικός αθροιστής είναι το ψηφιακό κύκλωμα που υλοποιεί το άθροισμα δύο 2-δικών αριθμών 2-δικός Αθροιστής Υλοποιείται εύκολα τοποθετώντας σε σειρά FAs: το κρατούμενο εξόδου κάθε FA συνδέεται στο κρατούμενο εισόδου του επόμενου FA Για την κατασκευή ενός n-bit 2-δικού αθροιστή χρειάζονται n FAs σε μια διάταξη κατά την οποία κάθε κρατούμενου εξόδου συνδέεται με το κρατούμενο εισόδου του FA της αμέσως μεγαλύτερης τάξης

27 3-bit 2-dikìc Ajroist c Rip c Kratoumènou 3-bit 2-δικός αθροιστής ριπής κρατουμένου των A 2 A A και B 2 B B : B 2 A 2 B A B A FA C 2 FA C FA C C 3 S 2 S S Η πρόσθεση των A 2 A A και B 2 B B γίνεται σειρακά Οταν παραχθούν όλα τα κρατούμενα, οι έξοδοι του κυκλώματος περιέχουν τα σωστά ψηφία του αθροίσματος C 3 S 2 S S

28 Ajroist c Prìbleyhc Kratoumènou Σε έναν n-bit παράλληλο αθροιστή υπάρχουν 2n επίπεδα πυλών ανάμεσα στην είσοδο και στην έξοδο, μέσα από τα οποία διαδίδονται τα κρατούμενα Ο χρόνος διάδοσης των κρατουμένων αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό ενός αθροιστή ριπής κρατουμένου Αθροιστής Πρόβλεψης Κρατουμένου Με τον αθροιστή πρόβλεψης κρατουμένου αυξάνεται μεν η πολυπλοκότητα του κυκλώματος της άθροισης αλλά μειώνεται ο συνολικός χρόνος καθυστέρησης διάδοσης των κρατουμένων, τα οποία πλέον υπολογίζονται ταυτόχρονα

29 3-bit Ajroist c Prìbleyhc Kratoumènou A 2 B A B A B 2 C G 2 P 2 G P G 4-bit Carry Lookahead Adder P C 3 C 2 C P 2 P P C 3 S2 S S S i = P i C i C i+ = G i + P i C i

30 2-dikìc Afairèthc An lush kai SqedÐash Η 2-δική αφαίρεση επιτυγχάνεται εύκολα με πρόσθεση στο μειωτέο του συμπληρώματος ως προς 2 του αφαιρετέου Για την υλοποίηση της 2-δικής αφαίρεσης χρειάζονται: Αντιστροφείς για την υλοποίηση του συμπληρώματος ως προς Η πρόσθεση ενός ακόμα (ώστε να προκύψει το συμπλήρωμα ως προς 2), η οποία μπορεί να λάβει χώρα στο τελικό άθροισμα μέσω του κρατουμένου εισόδου

31 3-bit 2-dikìc Ajroist c/afairèthc B 2 B B M A 2 A A C C 3 FA C 2 FA C FA C V S 2 S S M = Πρόσθεση M =(C =) Αφαίρεση Οταν V =για προσημασμένους Υπερχείλιση

32 -dikìc Ajroist c/afairèthc Για την εκτέλεση αριθμητικών πράξεων στο -δικό σύστημα σε ένα ψηφιακό σύστημα χρησιμοποιούνται 2-δικοί κώδικες για την αναπαράσταση των -δικών αριθμών Ενα στοιχειώδες κύκλωμα πρόσθεσης δύο -δικών αριθμών θα έχει εννέα εισόδους και πέντες εξόδους Υπάρχει μεγάλη ποικιλία -δικών αθροιστών ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο κώδικα αναπαράστασης των -δικών αριθμών προς πρόσθεση

33 Ajroist c BCD An lush kai SqedÐash B 3 B 2 B B A 3 A 2 A A K 4-bit FA Z Z 2 Z 8 Z 4 C in C out 4-bit FA S 8 S 4 S 2 S

34 2-dikìc Pollaplasiast c A B B B B xa A = C 3 C 2 C C A B B 4 πύλες AND 2 HAs HA HA C3 C2 C C 2-δικός Πολλαπλασιαστής Για m-bit πολλαπλασιαστή και n-bit πολλαπλασιαστέο χρειάζονται mn πύλες AND και m n-bit αθροιστές ώστε να παραχθεί το (m + n)-bit γινόμενο

35 4-bit epð 3-bit 2-dikìc Pollaplasiast c B 3 B 2 B B A B 3 B 2 B B A 4-bit FA Output Sum and Carry B 3 B 2 B B A 2 4-bit FA Output Sum and Carry C 6 C 5 C 4 C 3 C 2 C C

36 2-bit 2-dikìc Sugkrit c Megèjouc A x A=B B A>B A x A<B B (A = B) (A B + A B )(A B + A B ) (A >B) A B +(A B + A B )A B (A <B) A B +(A B + A B )A B

37 Ο αποκωδικοποιητής είναι το συνδυαστικό κύκλωμα μετατροπής της n-bit κωδικοποιημένης πληροφορίας εισόδου σε ισοδύναμη έως και 2 n bits πληροφορία στην έξοδό του Για n-bit είσοδο και m-bit (m 2 n ) έξοδο το κύκλωμα ονομάζεται αποκωδικοποιητής n-σε-m Ο κωδικοποιητής είναι το συνδυαστικό κύκλωμα που εκτελεί την ανάστροφη λειτουργία από αυτή του αποκωδικοποιητή Ο κωδικοποιητής μετατρέπει τη m-bit (m 2 n ) πληροφορία εισόδου σε κωδικοποιημένη n-bit πληροφορία στην έξοδό του

38 Apokwdikopoiht c 3-se-8 Αποκωδικοποίηση 3 εισόδων σε 8 (πχ αποκωδικοποίηση 2-δικού αριθμού σε 8-δικό) x y z D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D D

39 Apokwdikopoiht c 3-se-8 Ο αποκωδικοποιητής 3-σε-8 αντιστοιχίζει τις εισόδους του στους ελαχιστόρους τους x y z D D D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7

40 Apokwdikopoiht c 2-se-4 me EÐsodo EpÐtreyhc Οι αποκωδικοποιητές κατασκευάζονται μόνο με πύλες NAND και συνήθως περιλαμβάνουν τουλάχιστον μια είσοδο επίτρεψης A B E D D D 2 E A B D D D 2 D 3 D 3

41 Apokwdikopoiht c/apoplèkthc Ως αποπλέκτης είναι γνωστό το κύκλωμα εκείνο που λαμβάνει πληροφορία από μια γραμμή εισόδου και την προωθεί σε μια από τις έως και 2 n γραμμές εξόδου Ποια γραμμή εξόδου θα επιλεγεί εξαρτάται από συνδυασμό τιμών των εισόδων (γραμμές ή είσοδοι επιλογής) A B E D D D 2 A B D D D 2 D 3 E E E E D 3

42 DiasÔndesh Apokwdikopoiht n Αποκωδικοποιητής 4-σε-6 από δύο αποκωδικοποιητές 3-σε-8: E x y z Decoder 3-to-8 E D -D 7 Decoder 3-to-8 E D 8 -D 5

43 Sunduastik Kukl mata me Apokwdikopoihtèc Η βασική μορφή του αποκωδικοποιητή παράγει στην έξοδό του τους 2 n ελαχιστόρους των n μεταβλητών εισόδου Κάθε συνάρτηση Boole εκφράζεται σε μορφή αθροίσματος ελαχιστόρων, συνεπώς, μπορώ να την υλοποιήσω χρησιμοποιώντας έναν αποκωδικοποιητή και πύλες OR Κάθε συνδυαστικό κύκλωμα n εισόδων και m εξόδων δύναται να υλοποιηθεί με έναν αποκωδικοποητή n-σε-2 n και m πύλες OR

44 Sunduastik Kukl mata me Apokwdikopoihtèc Υλοποιείστε με αποκωδικοποιητή τις συναρτήσεις: f(x, y, z) = (,, 6, 7) g(x, y, z) = (2, 4, 7) x y z Decoder 3-to-8 D D D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 f g

45 Kwdikopoiht c 8-se-3 Ο κωδικοποιητής μετατρέπει τη m-bit (m 2 n ) πληροφορία εισόδου σε κωδικοποιημένη n-bit πληροφορία στην έξοδό του D D D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 x y z

46 Kwdikopoiht c 8-se-3 Ο κωδικοποιητής αυτός υλοποιείται εύκολα από τον πίνακα αληθείας του, χρησιμοποιώντας πύλες OR: x = D 4 + D 5 + D 6 + D 7 y = D 2 + D 3 + D 6 + D 7 z = D + D 3 + D 5 + D 7 Η έξοδος αυτού του κωδικοποιητή έχει νόημα μόνο όταν μία εκ των εισόδων είναι Συνήθως, χρησιμοποιείται σειρά προτεραιότητας των εισόδων για να αποφευχθεί αυτή η ασάφεια

47 Kwdikopoiht c 8-se-3 Ο κωδικοποιητής 8-σε-3 υλοποιείται κυκλωματικά ως ακολούθως: e D D D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 x y z Οταν η έξοδος e είναι, ο κωδικοποιητής παράγει ένα 2-δικό αριθμό στην έξοδό του με τουλάχιστον ένα στην είσοδό του

48 Kwdikopoiht c Proteraiìthtac Πρόκειται για τον κωδικοποιητή εκείνο που χρησιμοποιεί την έννοια της προτεραιότητας στις εισόδους του Εάν μία ή περισσότερες είσοδοι είναι ταυτόχρονα, κωδικοποιείται η είσοδος με τη μεγαλύτερη προκαθορισμένη προτεραιότητα Εκτός των ζητουμένων εισόδων, ο κωδικοποιητής προτεραιότητας περιέχει και μια επιπλέον έξοδο ενδεικτική της εγκυρότητας των εισόδων

49 Kwdikopoiht c Proteraiìthtac Tess rwn Eisìdwn D D D 2 D 3 x y V D 3 D 2 D D x y V

50 Kwdikopoiht c Proteraiìthtac Tess rwn Eisìdwn Από τον πίνακα αληθείας και χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του χάρτη Karnaugh προκύπτει η ακόλουθη κυκλωματική υλοποίηση: D D D 2 D 3 y x V x = D 2 + D 3 y = D 3 + D D 2 V = D + D + D 2 + D 3

51 An lush kai SqedÐash Πρόκειται για το συνδυαστικό κύκλωμα που επιλέγει δυαδική πληροφορία από μία από τις πολλές γραμμές εισόδου του και την κατευθύνει σε μια και μόνο γραμμή εξόδου του Ενα σύνολο γραμμών επιλογής είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο της επιλογής μιας συγκεκριμένης γραμμής εισόδου Οι συνδυασμοί τιμών των 2 n γραμμών εισόδου και των n γραμμών επιλογής καθορίζουν την είσοδο του πολυπλέκτη που επιλέγεται στην έξοδό του

52 /Apoplèkthc Σχηματικό διάγραμμα πολυπλέκτη 4-σε-: Σχηματικό διάγραμμα αποπλέκτη -σε-4: S S D D D 2 D 3 MU 4-σε- Υ Υ DEMU -σε-4 D D D 2 D 3 S S

53 4-se- (Epilogèac Dedomènwn) I I I 2 I 3 Y S S Y I I I 2 I 3 S S

54 Tetraplìc 2-se- Y Y Y 2 Y 3 A A A 2 A 3 B B B 2 B 3 S E S Y Y Y 2 Y 3 A A A 2 A 3 B B B 2 B 3

55 Sunduastik Kukl mata me Poluplèktec Υλοποίηση συνάρτησης Boole με πολυπλέκτη Οποιαδήποτε συνάρτηση Boole n μεταβλητών δύναται να υλοποιηθεί με έναν πολυπλέκτη n εισόδων επιλογής και 2 n εισόδων δεδομένων Βήμα : Υπολογίζω τον πίνακα αληθείας της συνάρτησης Boole Βήμα 2: Συνδέω τις n MSBεισόδους της συνάρτησης με τις εισόδους επιλογής του πολυπλέκτη Βήμα 3: Για κάθε συνδυασμό τιμών των μεταβλητών επιλογής υπολογίζω την επιθυμητή έξοδο της συνάρτησης ως αλγεβρική έκφραση είτε της εναπομείνασας μεταβλητής είτε του είτε του Βήμα 4: Τις τιμές του βήματος 3 τις τοποθετώ στις αντίστοιχες εισόδους δεδομένων του πολυπλέκτη

56 UlopoÐhsh sun rthshc Boole me poluplèkth Παράδειγμα: Υλοποίηση της f(x, y, z, w) = (, 3, 4, 5, 7, 3, 4) με πολυπλέκτη x y z w f f=w f=w f= f=w f= f= f=w f=w' w x y z x MU f

57 Tèloc Jematik c Enìthtac Euqarist gia thn prosoq sac Ge rgioc Q. Alexandrìpouloc alexandg@uop.gr URL: eclass: