Περιεχόµενα. Πρόλογος Εισαγωγή 21

Transcript

1 Περιεχόµενα Πρόλογος 11 Σκοπός αυτού του βιβλίου 11 Σε ποιους απευθύνεται αυτό το βιβλίο 12 Βασικά χαρακτηριστικά του βιβλίου 12 Κάλυψη συστηµάτων CAD 14 Εργαστηριακή υποστήριξη 14 Συνοπτική παρουσίαση των κεφαλαίων 15 Προτεινόµενα προγράµµατα διδασκαλίας 18 Ευχαριστίες 19 0 Εισαγωγή Ιστορία των υπολογιστών Η αρχή: Μηχανικοί υπολογιστές Οι πρώτοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές Οι πρώτες τέσσερις γενιές υπολογιστών Η πέµπτη γενιά και η συνέχεια Ψηφιακά συστήµατα Ψηφιακά και αναλογικά συστήµατα Ιεραρχία της σχεδίασης ψηφιακών συστηµάτων Οργάνωση ενός ψηφιακού υπολογιστή αποθηκευµένου προγράµµατος Εντολές υπολογιστών Παράσταση πληροφοριών σε υπολογιστές Υλικό ψηφιακών υπολογιστών Λογισµικό ψηφιακών υπολογιστών Ανακεφαλαίωση 43 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 44

2 2 Περιεχόµενα 1 Συστήµατα αρίθµησης και κώδικες Συστήµατα αρίθµησης Θεσιακή αναπαράσταση αριθµών Συνηθισµένα συστήµατα αρίθµησης Αριθµητικές πράξεις υαδική αριθµητική Οκταδική αριθµητική εκαεξαδική αριθµητική Αλλαγή συστήµατος αρίθµησης Μέθοδοι µετατροπής Γενικοί αλγόριθµοι µετατροπής Μετατροπή όταν Β = Αk Αναπαράσταση αριθµών µε πρόσηµο Παράσταση της απόλυτης τιµής Συµπληρωµατική αναπαράσταση αριθµών Κώδικες υπολογιστών Αριθµητικοί κώδικες Αλφαριθµητικοί και άλλοι κώδικες Κώδικες ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλµάτων Ανακεφαλαίωση 112 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 112 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Αλγεβρικές µέθοδοι ανάλυσης και σύνθεσης λογικών κυκλωµάτων Βασικές έννοιες της άλγεβρας του Boole Βασικά αξιώµατα ιαγράµµατα του Venn για τα αξιώµατα υϊκότητα Θεµελιώδη θεωρήµατα της άλγεβρας Boole Λογικές συναρτήσεις Πίνακες αληθείας Αλγεβρικές µορφές λογικών συναρτήσεων Υπολογισµός των κανονικών µορφών Μερικά καθορισµένες συναρτήσεις Κυκλώµατα διακοπτών Ηλεκτρονικές λογικές πύλες Βασικά λειτουργικά στοιχεία Ανάλυση συνδυαστικών κυκλωµάτων Αλγεβρική µέθοδος Ανάλυση διαγραµµάτων χρονισµού 170

3 Περιεχόµενα Σύνθεση συνδυαστικών κυκλωµάτων Κυκλώµατα AND-OR και NAND Κυκλώµατα OR-AND και NOR Κυκλώµατα δυο επιπέδων Κυκλώµατα AND-OR-αντιστροφής (AOI) Παραγοντοποίηση Εφαρµογές Σχεδίαση λογικών κυκλωµάτων µε τη βοήθεια υπολογιστή Ο κύκλος της σχεδίασης Μοντελοποίηση ψηφιακών κυκλωµάτων Σύνθεση σχεδίου και εργαλεία σχεδίασης Λογική προσοµοίωση Ανακεφαλαίωση 223 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 223 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Απλοποίηση λογικών συναρτήσεων Στόχοι της απλοποίησης Χαρακτηριστικά των µεθόδων απλοποίησης Χάρτες Karnaugh Σχέση µεταξύ πινάκων αληθείας και διαγραµµάτων Venn Χάρτες Karnaugh τεσσάρων ή περισσότερων µεταβλητών Κανονική µορφή συνάρτησης σε χάρτη Karnaugh Απλοποίηση συναρτήσεων µε χάρτες Karnaugh Βασικές αρχές για την απλοποίηση λογικών συναρτήσεων µε χάρτες Karnaugh Γενική ορολογία για την απλοποίηση λογικών συναρτήσεων Αλγόριθµοι υπολογισµού του ελάχιστου αθροίσµατος γινοµένων από χάρτη Karnaugh Γινόµενα αθροισµάτων και χάρτες Karnaugh Γενική ορολογία για την απλοποίηση γινοµένου αθροισµάτων Αλγόριθµοι υπολογισµού του ελάχιστου γινοµένου αθροισµάτων από χάρτη Karnaugh Ατελώς καθορισµένες συναρτήσεις Χάρτες Karnaugh και πρόληψη ανωµαλιών χρονισµού 273

4 4 Περιεχόµενα 3.9 Ελαχιστοποίηση µε πίνακες Quine McCluskey ιαδικασία κάλυψης Ατελώς καθορισµένες συναρτήσεις Συστήµατα µε πολλαπλές εξόδους Αλγόριθµος του Petrick Ελαχιστοποίηση µε τη βοήθεια υπολογιστή Παράσταση λογικών συναρτήσεων µε τη µορφή κύβων Αλγεβρικές µέθοδοι για τον καθορισµό των πρωτευόντων υπερσυνόλων Αναγνώριση των ουσιωδών πρωτευόντων υπερσυνόλων Συµπλήρωση µιας ελάχιστης κάλυψης Άλλοι αλγόριθµοι ελαχιστοποίησης Ανακεφαλαίωση 308 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 309 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Αρθρωτή σχεδίαση κυκλωµάτων Ιεραρχική σχεδίαση Αποκωδικοποιητές οµές κυκλωµάτων αποκωδικοποιητή Υλοποίηση λογικών συναρτήσεων µε αποκωδικοποιητές Σήµατα ελέγχου (enable) Τυποποιηµένοι αποκωδικοποιητές MSI Εφαρµογές αποκωδικοποιητών Κωδικοποιητές οµές κυκλωµάτων κωδικοποιητή Τυποποιηµένοι κωδικοποιητές MSI Πολυπλέκτες / επιλογείς δεδοµένων οµές κυκλωµάτων πολυπλέκτη Τυποποιηµένοι πολυπλέκτες MSI Εφαρµογές πολυπλεκτών Αποπολυπλέκτες / διανοµείς δεδοµένων Στοιχεία δυαδικής αριθµητικής Βασικά κυκλώµατα δυαδικού αθροιστή Τυποποιηµένα κυκλώµατα αθροιστών MSI Αθροιστές υψηλής ταχύτητας Κυκλώµατα δυαδικής αφαίρεσης Ανίχνευση αριθµητικής υπερχείλισης Συγκριτές Παράδειγµα: αριθµητική-λογική µονάδα υπολογιστή 389

5 Περιεχόµενα Σχεδίαση αρθρωτών κυκλωµάτων µε τη βοήθεια υπολογιστή Βιβλιοθήκες σχεδίων Σχεδίαση ιεραρχικών διαγραµµάτων Προσοµοίωση ιεραρχικών συστηµάτων Ανακεφαλαίωση 407 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 407 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Σχεδίαση συνδυαστικών κυκλωµάτων µε συσκευές προγραµµατιζόµενης λογικής Ηµιτυποποιηµένες λογικές συσκευές Κυκλώµατα λογικών διατάξεων ίοδοι σε ψηφιακά κυκλώµατα Λογικές διατάξεις AND και OR Λογικές διατάξεις AND OR δυο επιπέδων Προγραµµατιζόµενες διατάξεις πεδίου AND OR Πολικότητα σηµάτων εξόδου Αµφίδροµοι ακροδέκτες και γραµµές ανατροφοδότησης Εµπορικές συσκευές PLA Προγραµµατιζόµενες λογικές διατάξεις πεδίου (FPLA) οµές κυκλωµάτων FPLA Υλοποίηση λογικών συναρτήσεων µε FPLA Προγραµµατιζόµενη µνήµη µόνο για ανάγνωση PROM οµές κυκλωµάτων PROM Υλοποίηση λογικών συναρτήσεων µε PROM Πίνακες αντιστοίχισης Γενικές εφαρµογές µνήµης ROM Τεχνολογίες µνήµης ROM Προγραµµατιζόµενες διατάξεις λογικής (PAL) οµές κυκλωµάτων PAL Υλοποίηση λογικών συναρτήσεων µε PAL Πολικότητα εξόδου και ανατροφοδότηση συσκευών PAL Σχεδίαση PLD µε τη βοήθεια υπολογιστή Περιγραφή σχεδίων στη γλώσσα PDL Επεξεργασία ενός σχεδίου σε γλώσσα PDL Ανακεφαλαίωση 476 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 476 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ 477

6 6 Περιεχόµενα 6 Εισαγωγή στις ακολουθιακές συσκευές Μοντέλα ακολουθιακών κυκλωµάτων Σχηµατική παράσταση Πίνακες καταστάσεων και διαγράµµατα Συσκευές µνήµης Μάνδαλα Μάνδαλο SR ή διπλής κατεύθυνσης (set-reset latch) Φυλασσόµενο µάνδαλο SR (gated SR latch) Μάνδαλο καθυστέρησης (delay latch) Φλιπ-φλοπ Φλιπ-φλοπ SR δυο επιπέδων (master-slave) Φλιπ-φλοπ D δυο επιπέδων (master-slave) Φλιπ-φλοπ JK δυο επιπέδων (master-slave) Φλιπ-φλοπ D οδηγούµενο από τις αλλαγές του ρολογιού (edge-triggered) Φλιπ-φλοπ JK οδηγούµενο από τις αλλαγές του ρολογιού (edge-triggered) Φλιπ-φλοπ τύπου T Ανακεφαλαίωση µανδάλων και φλιπ-φλοπ Άλλες συσκευές µνήµης Κυκλώµατα χρονισµού Κυκλώµατα χρονοκαθυστέρησης (one-shot) Κύκλωµα χρονοµέτρησης Σχεδίαση πρωτότυπων ακολουθιακών κυκλωµάτων Ανακεφαλαίωση 533 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 533 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ οµικά στοιχεία ακολουθιακών κυκλωµάτων Καταχωρητές ολίσθησης (shift register) Γενικός καταχωρητής ολίσθησης Τυποποιηµένοι καταχωρητές ολίσθησης TTL Παραδείγµατα σχεδίασης µε καταχωρητές Μονάδα σειριακού αθροιστή Σειριακοί συσσωρευτές Παράλληλοι συσσωρευτές Μετρητές Σύγχρονοι δυαδικοί µετρητές Ασύγχρονοι δυαδικοί µετρητές Μετρητές µείωσης Μετρητές αύξησης/µείωσης 576

7 Περιεχόµενα Μετρητές MODULO-N Σύγχρονοι µετρητές BCD Ασύγχρονοι µετρητές BCD Μετρητές MODULO-6 και MODULO Μετρητές MODULO-N µε ασύγχρονη επαναφορά Μετρητές MODULO-N µε σύγχρονη επαναφορά Καταχωρητές ολίσθησης ως µετρητές Κυκλικοί µετρητές Ανεστραµµένοι κυκλικοί µετρητές Μετρητές πολλαπλής ακολουθίας Πολλαπλασιαστές κλασµατικής συχνότητας Συσκευές TTL Αλυσιδωτή σύνδεση πολλαπλασιαστών κλασµατικής συχνότητας Ανακεφαλαίωση 615 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 615 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ανάλυση και σύνθεση σύγχρονων ακολουθιακών κυκλωµάτων Μοντέλα σύγχρονων ακολουθιακών κυκλωµάτων Μοντέλο Mealy Μοντέλο Moore Ανάλυση ακολουθιακών κυκλωµάτων Ανάλυση διαγράµµατος καταστάσεων Ανάλυση σχηµατικού διαγράµµατος Ανακεφαλαίωση της ανάλυσης ακολουθιακών κυκλωµάτων Σύνθεση ακολουθιακών κυκλωµάτων ιαδικασία σύνθεσης Πίνακες εισόδων φλιπ-φλοπ Μέθοδος της χαρακτηριστικής εξίσωσης για φλιπ-φλοπ JK Παραδείγµατα σχεδίασης Αλγοριθµικά διαγράµµατα Ένα φλιπ-φλοπ ανά κατάσταση Ατελώς καθορισµένα κυκλώµατα Ανάθεση καταστάσεων και υλοποίηση του ατελώς καθορισµένου κυκλώµατος Σχεδίαση ακολουθιακών κυκλωµάτων µε τη βοήθεια υπολογιστή Σχεδίαση και σύνθεση Ανάλυση και επαλήθευση 691

8 8 Περιεχόµενα 8.6 Ανακεφαλαίωση 695 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 696 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Απλοποίηση ακολουθιακών κυκλωµάτων Πλεονάζουσες καταστάσεις Ισοδυναµία καταστάσεων Σχέσεις ισοδυναµίας και σχέσεις συµβατότητας Ελαχιστοποίηση πλήρως ορισµένων κυκλωµάτων ιπλές καταστάσεις ιαµερισµός Πίνακας συνεπαγωγής Ελαχιστοποίηση ατελώς καθορισµένων κυκλωµάτων Συµβατότητα καταστάσεων ιαδικασία ελαχιστοποίησης Βελτιστοποίηση της ανάθεσης καταστάσεων Μοναδικές αναθέσεις καταστάσεων Κριτήρια ανάθεσης καταστάσεων ιαµερισµός Βέλτιστη ανάθεση καταστάσεων Ανακεφαλαίωση 762 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 762 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ασύγχρονα ακολουθιακά κυκλώµατα Τύποι ασύγχρονων κυκλωµάτων Ανάλυση παλµοκίνητων ασύγχρονων κυκλωµάτων Σύνθεση παλµοκίνητων ασύγχρονων κυκλωµάτων ιαδικασία σχεδίασης παλµοκίνητων ασύγχρονων κυκλωµάτων Ανάλυση θεµελιωδών ασύγχρονων κυκλωµάτων Εισαγωγή Πινακοποιηµένη παράσταση ιαδικασία ανάλυσης Σύνθεση θεµελιωδών ασύγχρονων κυκλωµάτων ιαδικασία σύνθεσης Ανταγωνισµός, κύκλος και ανωµαλίες χρονισµού Ανταγωνισµός και κύκλος Αποφυγή συνθηκών ανταγωνισµού υαδική κωδικοποίηση καταστάσεων για την αποφυγή κρίσιµων συνθηκών ανταγωνισµού Ανωµαλίες χρονισµού Ανάλυση 828

9 Περιεχόµενα Ανακεφαλαίωση 828 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 829 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ακολουθιακά κυκλώµατα µε συσκευές προγραµµατιζόµενης λογικής Ακολουθιακές συσκευές προγραµµατιζόµενης λογικής FPLS Ακολουθιακές συσκευές PAL Προγραµµατιζόµενες µακροσυσκευές Προγραµµατιζόµενες διατάξεις λογικών πυλών Συσκευές LCA Συσκευές ACT Σχεδίαση ακολουθιακών κυκλωµάτων µε PLD Παραδείγµατα σχεδίασης ακολουθιακών κυκλωµάτων µε PLD Σχεδίαση ακολουθιακών PLD µε τη βοήθεια υπολογιστή Παράσταση ακολουθιακών κυκλωµάτων στη γλώσσα PDL Επεξεργασία ενός σχεδίου σε γλώσσα PDL Ανακεφαλαίωση 895 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 896 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Σχεδίαση λογικών κυκλωµάτων για ελεγξιµότητα Έλεγχος κυκλωµάτων ψηφιακής λογικής Μοντέλα σφαλµάτων Έλεγχος κυκλωµάτων συνδυαστικής λογικής Παραγωγή ελέγχων Μη ελέγξιµα σφάλµατα Κυκλώµατα πολλαπλών εξόδων FDTS Εντοπισµός και διάγνωση σφαλµάτων Τυχαίος έλεγχος Έλεγχος ακολουθιακών κυκλωµάτων Σχεδίαση για ελεγξιµότητα Σχεδίαση διαδροµής σάρωσης 939

10 10 Περιεχόµενα 12.6 Ενσωµατωµένος αυτο-έλεγχος Ψευδοτυχαία διανύσµατα ελέγχου Ανάλυση υπογραφής BILBO Έλεγχος σύνθετων συσκευών και συστηµάτων Ανακεφαλαίωση 961 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 961 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Παραδείγµατα σχεδίασης Ηλεκτρονικός κουλοχέρης Ορισµός του προβλήµατος Απαιτήσεις του συστήµατος και σχέδιο λύσης Λογική σχεδίαση Αυτοκίνητο που ξεκλειδώνει χωρίς κλειδιά Ορισµός του προβλήµατος Απαιτήσεις του συστήµατος Σχεδίαση Ελεγκτής αµφίδροµης κυκλοφορίας σε µια λωρίδα Απαιτήσεις του συστήµατος Σχεδίαση Ταµειακή µηχανή Απαιτήσεις του συστήµατος Σχεδίαση 1010