ΗΥ220 Εργαστήριο Ψηφιακών Κυκλωμάτων Χειμερινό Εξάμηνο 2017-2018 Λογικές Πύλες, Στοιχεία Μνήμης, Συνδυαστική Λογική και Κυματομορφές ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 1
Τα βασικά της Ψηφιακής Σχεδίασης Λογικές Πύλες ND, OR, NOT, NND, NOR, XOR, XNOR Στοιχεία μνήμης Μανταλωτής RS, Μανταλωτής D, Ακμοπυροδότητο D Flip-Flop Συνδυαστική Λογική Απλή Λογική με Ρολόι Κυματομορφές ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 2
Πύλη ΚΑΙ (ND) Πύλη ΚΑΙ (ND) = ή = Πίνακας Αληθείας (Truth Table) 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Πύλη ND 2 εισόδων Πύλη ND 3 εισόδων ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 3
Πύλη Ή (OR) Πύλη Η (OR) = + Πίνακας Αληθείας 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Πύλη OR 2 εισόδων Πύλη OR 3 εισόδων ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 4
Πύλη ΟΧΙ (ΝΟΤ) Πύλη ΟΧΙ (NOT) ή Αντιστροφέας (Inverter) = Πίνακας Αληθείας 0 1 1 0 ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 5
Πύλη ΟΧΙ-ΚΑΙ (NND) Πύλη ΟΧΙ-ΚΑΙ (NND) = () Πίνακας Αληθείας 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Πύλη NND 2 εισόδων Πύλη NND 3 εισόδων ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 6
Πύλη ΟΥΤΕ (NOR) Πύλη ΟΥΤΕ (NOR) = (+) Πίνακας Αληθείας 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Πύλη NOR 2 εισόδων Πύλη NOR 3 εισόδων ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 7
Πύλη Αποκλειστικού-Ή (XOR) Πύλη Αποκλειστικού- Η (XOR Exclusive OR) = Å = + Πίνακας Αληθείας 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Πύλη XOR 2 εισόδων Πύλη XOR 3 εισόδων ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 8
Πύλη Αποκλειστικού-ΟΥΤΕ (XNOR) Πύλη Αποκλειστικού-ΟΥΤΕ (XNOR Exclusive NOR) ή Πύλη Ισότητας = = + Πίνακας Αληθείας 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Πύλη XNOR 2 εισόδων Πύλη XNOR 3 εισόδων ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 9
Μανταλωτής RS (RS Latch) Στοιχείο μνήμης (Flip-Flop) Latch Set and Reset inputs Πίνακας Αληθείας S R Q Q S R Q Q 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 Q t-1 Q t-1 1 1?? ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 10
Μανταλωτής D (D Latch) Στοιχείο μνήμης (Flip-Flop) Latch Data and Load inputs Πίνακας Αληθείας D (Data) Q Q D Ld Q Q 0 0 Q t-1 Q t-1 0 1 0 1 Ld (Load) 1 0 Q t-1 Q t-1 1 1 1 0 ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 11
Ακμοπυροδότητο D Flip-Flop Στοιχείο μνήμης (Flip Flop) D Flip Flop Master Slave Latches Εσωτερικά Ακμοπυροδότητο (edge-triggered) Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο Data and lock inputs Αποθηκεύει την τιμή του D μόνο κατά την ακμή του ρολογιού (συνήθως τη θετική) Q t+1 = D t Απαιτεί χρόνο αποκατάστασης (Setup) και συγκράτησης (Hold) των δεδομένων εισόδου D lk (lock) Q Η λέξη Flip-Flop είναι ταυτισμένη με το ακμοπυροδότητο D Flip-Flop ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 12
Περιορισμοί Setup και Hold T c2q lk T su T hd D Q Η είσοδος D πρέπει να μείνει σταθερή τουλάχιστον για χρόνο T su (setup time) πριν την ακμή του ρολογιού και τουλάχιστον T hd (hold time) μετά την ακμή. Η έξοδος Q αλλάζει λίγο μετά την ακμή του ρολογιού (Τ c2q ) Αναλυτικότερα για το D Flip-Flop σε επόμενες διαλέξεις ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 13
Συνδυαστική Λογική (ombinational Logic) Οι έξοδοι εξαρτώνται μόνο από τις τρέχουσες εισόδους Δεν περιέχουν στοιχεία μνήμης (flip-flops) Χρησιμοποιούνται κυρίως οι βασικές λογικές πύλες που είδαμε (ND, OR, NOT, NND, XOR κτλ) και συνδέονται μεταξύ τους με καλώδια. Οι πύλες και τα καλώδια έχουν χρονική καθυστέρηση Στην τεχνολογία MOS τα υλικά και τα καλώδια έχουν αντιστάσεις και χωρητικότητες ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 14
Παράδειγμα Συνδυαστικής Λογικής 2 πύλες ND, 1 OR και 1 αντιστροφέας = + Σας θυμίζει τίποτα? Α Β Ένας απλός πολυπλέκτης 2 σε 1 0 1 ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 15
Οι πύλες έχουν καθυστέρηση!!! Α Β tmp Α Β 0 5 10 15 20 25 ns tmp Έστω καθυστερήσεις: T and = 2ns και T or = 1ns έστω ότι τα καλώδια δεν έχουν καθυστέρηση 3 μονοπάτια (paths) προς την έξοδο: è, ( 1 ns ) è tmp è ( 3 ns ) è tmp è ( 3 ns ) Η συμπεριφορά του κυκλώματος φαίνεται στις κυματομορφές (waveforms) ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 16
Απλή Λογική με ρολόι Α Β lk Q lk Α Β 0 5 10 15 20 25 ns Q T clk = 10 ns Τ and = 2 ns, T or = 1 ns T c2q = 2 ns, T su = 1 ns, T hd = 0.5 ns Ικανοποιούνται οι περιορισμοί Setup και Hold του Flip-Flop? ΟΚ Παραβίαση Άγνωστη Τιμή ΗΥ220 - Βασίλης Παπαευσταθίου & Γιώργος Καλοκαιρινός 17