8 η Θεµατική Ενότητα : Εισαγωγή Ησχεδίαση ενός ψηφιακού συστήµατος µπορεί να διαιρεθεί σε δύο µέρη: τα κυκλώµατα επεξεργασίας δεδοµένων και τα κυκλώµατα ελέγχου. Το κύκλωµα ελέγχου δηµιουργεί σήµατα για τον έλεγχο της λειτουργίας του επεξεργαστή. Είναι ένα ακολουθιακό κύκλωµα του οποίου οι εσωτερικές καταστάσεις καθορίζουν τις εντολές ελέγχου. Κυκλωµατικός Αλγόριθµος: είναι η λύση ενός προβλήµατος µέσω κυκλώµατος. ιάγραµµα Αλγοριθµικής Μηχανής : ένα ειδικό διάγραµµα ροής που έχει αναπτυχθεί για την περιγραφή κυκλωµατικών αλγορίθµων. Περιγράφει την σειρά των γεγονότων και την χρονική σχέση µεταξύ των καταστάσεων ενός ακολουθιακού ελεγκτή, καθώς και τα γεγονότα που συµβαίνουν κατά την εναλλαγή καταστάσεων 2
ιαγράµµατα ASM Κουτί Κατάστασης: Συµβολίζει µία κατάσταση (πράξεις καταχ.-σήµατα εξόδου) Κουτί Απόφασης: Περιγράφει το αποτέλεσµα µίας εισόδου στο υποσύστηµα ελέγχου. Κουτί Υπό Συνθήκη: Τοποθετείται πάντα σε µία από τις εξόδους ενός κουτιού απόφασης και υποδεικνύει πράξεις καταχωρητών και εξόδους 3 Μπλοκ ASM Μπλοκ ASM: To δίκτυο που αποτελείται από ένα κουτί κατάστασης και όλα τα κουτιά απόφασης και υπό-συνθήκη που συνδέονται στην έξοδό του. Έχει µία είσοδο και οσεσδήποτε εξόδους. Ένα διάγραµµα ASM αποτελείται από ένα ή περισσότερα αλληλοσυνδεόµενα µπλοκ. Κάθε µπλοκ περιγράφει τις λειτουργίες του συστήµατος σε ένα παλµό ρολογιού. Τα διαγράµµατα ASM µοιάζουν πολύ µε τα διαγράµµατα καταστάσεων: Κουτί Απόφασης = δυαδικές τιµές κατά µήκος βελών, Μπλοκ ASM = κατάσταση ακολουθιακού κυκλώµατος 4
Πράξεις Καταχωρητών Ένα ψηφιακό κύκλωµα µπορεί να οριστεί από τους καταχωρητές που περιέχει και τις πράξεις που εκτελούνται πάνω στα δεδοµένα. Οόρος καταχωρητής µε την ευρύτερη του έννοια περιλαµβάνει καταχωρητές αποθήκευσης, καταχωρητές ολίσθησης, µετρητές και τα µεµονωµένα flip flops. 5 Θέµατα Χρονισµού Ηκύρια διαφορά ανάµεσα στα συµβατικά διαγράµµατα ροής και τα διαγράµµατα ASM είναι στην ερµηνεία των χρονικών σχέσεων των διαφόρων πράξεων. Ένα µπλοκ ASM θεωρείται ότι εκτελείται σε µία µονάδα χρόνου (περίοδο ρολογιού). Πράξεις στα Κουτιά Κατάστασης = Υποσύστηµα επεξερ. δεδοµένων Μετάβαση Κατάστασης = Υποσύστηµα ελέγχου 6
Θέµατα Χρονισµού ιαφορά ιαγράµµατος ροής - ιαγράµµατος ASM: Οι πράξεις πάνω στο Ε είναι καθυστερηµένες κατά µία περίοδο ρολογιού. 7 Θέµατα Χρονισµού 8
Υλοποίηση Ελέγχου Το τµήµα ελέγχου είναι ακολουθιακό κύκλωµα και µπορεί να σχεδιαστεί µε τις γνωστές µεθόδους. Για µεγάλα κυκλώµατα (πολλές καταστάσεις) οι µέθοδοι αυτές δεν είναι πρακτικές. Πίνακας : Ένα διάγραµµα καταστάσεων µπορεί να µετατραπεί σε πίνακα καταστάσεων µε κωδικοποίηση των καταστάσεων. Τ 0 =00 Τ 1 =01 Τ 2 =11 ιαφορές Έχει πολλούς αδιάφορους όρους στις στήλες εισόδου Το πλήθος των γραµµών ισούνται µε το πλήθος των διαφορετικών δρόµων στο διάγραµµα ASM από κατάσταση σε κατάσταση 9 Υλοποίηση µε JK JG 1 =G 2 A 3 A 4 JG 2 =S KG 1 =1 KG 2 =G 1 Τ 0 =G 2 Τ 1 =G 1 G 2 Τ 2 =G 1 10
Υλοποίηση µε D και Αποκωδικοποιητή Όταν ο αριθµός των flip flop είναι µεγαλύτερος του 5, τότε οι συναρτήσεις εισόδου τους απλοποιούνται πολύ δύσκολα. Μία εναλλακτική είναι να χρησιµοποιήσουµε D ffs και να βρούµε τις συναρτήσεις εισόδου τους από τον πίνακα καταστάσεων χωρίς την χρήση πίνακα διεγέρσεων. DG 1 =G 1 G 2 A 3 A 4 DG 2 =G 1 G 2 S+G 1 G 2 DG 1 =A 3 A 4 Τ 1 DG 2 =SΤ 0 +Τ 1 11 Υλοποίηση µε 1 ff/κατάσταση Χρησιµοποιούνται τόσα ffs όσες οι καταστάσεις. Ένα µόνο ff είναι 1 κάθε χρονική στιγµή. Κωδικοποίηση κατάστασης : (00 010 00) - One Hot. Έχει µεγάλο κόστος σε χρήση ffs αλλά πολύ απλό τρόπο σχεδίασης του κυκλώµατος. DΤ 0 =Τ 2 +S Τ 0 DΤ 1 = SΤ 0 +Α 3 Τ 1 +Α 3 Α 4 Τ 1 = SΤ 0 +(Α 3 Α 4 ) T 1 DΤ 2 =A 3 A 4 Τ 1 Η κωδικοποίηση αυτή χρησιµοποιείται σε αρκετούς µικροεπεξεργαστές όπου η πολυπλοκότητα των µονάδων ελέγχου απαιτεί απλή υλοποίηση. 12
Υλοποίηση µε 1 ff/κατάσταση 13 Υλοποίηση µε Πολυπλέκτες Με χρήση πολυπλεκτών µπορούµε να δηµιουργούµε κύκλωµα το οποίο θα δείχνει την ακολουθία καταστάσεων. Τα flip flops τα αντικαθιστούµε µε καταχωρητή και οι πύλες που καθορίζουν την επόµενη κατάσταση αντικαθιστούνται µε πολυπλέκτες 14
Υλοποίηση µε Πολυπλέκτες 15 Υλοποίηση µε Πολυπλέκτες 16
Παράδειγµα Σχεδίασης Χρ. Καβουσιανός 17 Παράδειγµα Σχεδίασης 18
Παράδειγµα Σχεδίασης 19 Υλοποίηση Ελέγχου µε PLA Τα κυκλώµατα ελέγχου είναι ακολουθιακά κυκλώµατα οπότε µπορούν να κατασκευαστούν µε τις µεθόδους ακολουθιακής λογικής (πχ καταχωρητής συνδεδεµένος σε PLA) 20
Υλοποίηση Ελέγχου µε PLA 21 Υλοποίηση Ελέγχου µε PLA 22
Υλοποίηση Ελέγχου µε PLA 23