Βασικές Αρχές Ψηφιακής Τεχνολογίας Κεφάλαιο 4

134
Κεφάλαιο 4 ο Βασικές Αρχές Ψηφιακής Τεχνολογίας ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ - ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 4.1. ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 4.1.1 Συνδυαστικά και ακολουθιακά κυκλώµατα Τα λογικά κυκλώµατα µπορούν να χωρισθούν σε δύο µεγάλες κατηγορίες, ανάλογα µε την εξάρτηση της εξόδου τους από τις εισόδους. 1. Η πρώτη κατηγορία είναι τα συνδυαστικά (combinational) κυκλώµατα και 2. η δεύτερη είναι τα ακολουθιακά (sequential) κυκλώµατα. 2. η δεύτερη είναι τα ακολουθιακά (sequential) κυκλώµατα.

description

Βασικές Αρχές Ψηφιακής Τεχνολογίας Κεφάλαιο 4ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ BOOLEΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ- Συνδυαστικά και ακολουθιακά κυκλώματαΑθροιστέςFlip-flopsΑπαριθμητέςΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣΛογικές πύλες Συναρτήσεις Boole και υλοποίηση τους με λογικές πύλεςΣυναρτήσεις Boole και υλοποίηση τους με λογικές πύλεςΆλλες λογικές πράξειςΣπύρος Ζυγούρης Καθηγητής Πληροφορικής(ΠΕ 19)

Transcript of Βασικές Αρχές Ψηφιακής Τεχνολογίας Κεφάλαιο 4

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    , .

    1. (combinational) 2. (sequential) . 2. (sequential) .

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    .

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    F x,y z .

    x,y,z, ( ) F x,y,z.

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    ( ), 0 1.

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    , .

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    ( ) , .

    , , .

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    4-2.

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    , ,

    3 9 1 7 5 2 9 2 7 43 9 1 7 5 2 9 2 7 4

    .

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    3 9 1 7 5 2 9 2 7 4

    , .

    3 9 1 7 5 2 9 2 7 4

    3 9 1 7 5 2 9 2 7 4

    , .

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    : 1. (synchronous), , . (clock pulse), 4-3.

    01

  • 4

    - 4.1. 4.1.1

    (asynchronous),

    ( ),

    . , flip-flops , .

  • 4

    - 4.1. 4.1.2

    , , ( bit). 1..3.2. , : 1..3.2. , :

    0+0= 00+1= 11+0= 11+1= 01

    , bit,

    bits , ( ) bit ( 1) (carry).carry

  • 4

    - 4.1. 4.1.2

    bit , bits , .

    101 101+ 101

    1+1= 01

    0

    0+0= 0

    01

    1+1= 01

    01

  • 4

    - 4.1. 4.1.2

    bits (half adder).

    To

    bits ( ) (full -adder).

    To () .

  • 4

    - 4.1. 4.1.3

    , ( ) ( ).

    x

    y+

    S

    C

    ( ). , 4-1. x y S (Sum ) C (carry-).

    x y

    0 00 11 01 1

    C

    0001

    S

    0110

  • 4

    - 4.1. 4.1.3

    x

    y+

    S

    C

    , 0, 1. bit S.

    x y

    0 00 11 01 1

    bit S. Boole :

    C

    0001

    S

    0110

    S =x y+x y

    C =x y

  • 4

    - 4.1. 4.1.3

    x

    y+

    S

    C

    , 4-4. . AND OR.

    x y

    0 00 11 01 1

    C

    0001

    S

    0110

    S =x y+x y

    C =x y

    x

    y

    y

    x

    S = xy + x y

    y

    x C= x y

    x

    y

  • 4

    - 4.1. 4.1.4

    ()( ) bit,

    x

    yz

    SC

    . ( x,y,z) (S C).

  • 4

    - 4.1. 4.1.4

    4-2

    x

    yz

    SC

    x y

    0 0

    z

    00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

    C

    00010111

    S

    01101001

    S 1,

    1. C 1,

    1.

  • 4

    - 4.1. 4.1.4

    x

    yz

    SC

    Boole - .

    S = x y z+x y z +x y z +x y zx y

    0 0

    z

    00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

    C

    00010111

    S

    01101001

    C = x y z+x y z +x y z +x y z

  • 4

    - 4.1. 4.1.4

    x

    yz

    SC

    , - 4-5.

    S = x y z+x y z +x y z +x y zx y

    0 0

    z

    00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

    C

    00010111

    S

    01101001

    C = x y z+x y z +x y z +x y z

    S

    C

    xyz

    xyz

    xyz

    xyz

    xyz

    xyz

    xyz

  • 4

    - 4.1. 4.1.5 Flip-flops

    To flip-flop

    ,

    (0 1) '

    .

  • 4

    - 4.1.

    S Q

    RS FLIP FLOP R S Q(n+1) : S=0 R=0, (Q(n+1)) , Q(n).

    4.1.5 Flip-flops

    R Q

    , Q(n). S=0 R=1, Q(n+1)=0. S=1 R=0, Q(n+1)=1. S=1 R=1, . .

    R S Qn+10 00 1 11 0 01 1 x

    Qn tn tn+1Qn Qn+1

  • 4

    - 4.1. 4.1.5 Flip-flops

    flip-flops

    .

    S Q

    .

    flip-flop NOR : R Q

    S R Q1 0 10 0 10 1 00 0 01 1 0

    Q00110

    S=1 , R=0

    S=0 , R=1

    4-3.

  • 4

    - 4.1.

    , flip-flop, Q Q ( Q) a S (set, ) R (reset, ).

    4.1.5 Flip-flops

    S Q

    S (set, ) R (reset, ). flip-flop RS flip-flop SR latch.

    R Q

    S R Q1 0 10 0 10 1 00 0 01 1 0

    Q00110

    S=1 , R=0

    S=0 , R=1

    To flip-flop , . Q=1 ( Q=0) , flip-flop (set). Q=0 ( Q=1) (clear).

    SET

    CLEAR

  • 4

    - 4.1.

    RS flip-flop

    .

    4.1.5 Flip-flops

    S Q

    R Q

    S R Q1 0 10 0 10 1 00 0 01 1 0

    Q00110

    S=1 , R=0

    S=0 , R=1

    SET

    CLEAR

    (asynchronous),

    ( ),

    .

  • 4

    - 4.1.

    flip-flops . flip-flops D,T JK D flip-flop flip-flop ,

    4.1.5 Flip-flops .

    ck . flip-flop ,

    ck

    D Q

    Q

    4-7 D flip- flop Qn D

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

    ck

    T Q

    Q

    4-8T flip- flop Qn T

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

  • 4

    - 4.1.

    D FLIP-FLOP D .

    4.1.5 Flip-flops T flip-flop T=0, flip-flop . T=1, flip-flop , .

    ck

    D Q

    Q

    4-7 D flip- flop Qn D

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

    ck

    T Q

    Q

    4-8T flip- flop Qn T

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

  • 4

    - 4.1.

    4-7 4-8,

    Qn flip-flop tn, Qn+1 tn+1, .

    4.1.5 Flip-flops

    tn tn+1Qn Qn+1

    .

    ck

    D Q

    Q

    Qn D

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

    4-7 D flip- flop

    ck

    T Q

    Q

    4-8T flip- flop Qn T

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

  • 4

    - 4.1.

    To D (Delay) flip-flop , D, Q . To D flip-flop bit .

    4.1.5 Flip-flops

    To D flip-flop bit .

    ck

    D Q

    Q

    4-7 D flip- flop

    Qn D

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

    ck

    T Q

    Q

    4-8T flip- flop Qn T

    0 00 11 01 1

    Qn+1

    0101

  • 4

    - 4.1.

    (counter) va

    .

    4.1.6

    ck

    . . n bits n flip-flops

    0 2n-1. 2n-1 , 0.

  • 4

    - 4.1. 4.1.6

    flip-flops

    bits (Q0 , Q1 , Q2), 0 7 (7 = 23-1) 4-9.

    ckT Q

    Q

    T Q

    Q

    T Q

    QT Q

    Q

    Q2 Q1 Q0

    1

    (3 bit) 4-4,

    0 (000) 7 (111). 7 (111) (000).

  • 4

    - 4.1. 4.1.6

    flip-flops

    bits (Q0 , Q1 , Q2), 0 7 (7 = 23-1) 4-9.

    ckT Q

    Q

    T Q

    Q

    T Q

    QT Q

    Q

    Q2 Q1 Q0

    1

    (3 bit) 4-4,

    0 (000) 7 (111). 7 (111) (000).

  • 4

    - 4.2.

    (Integrated Circuits, C).

    ,

    chip.

  • 4

    - 4.2.

    :

  • 4

    - 4.2.

    ,

    transistors,

    ,

    .

  • 4

    - 4.2.

    , .

    chip , , (pins), .

  • 4

    - 4.2.

    , ,

    . .

  • 4

    - 4.2.

    ,

    transistors .

  • 4

    - 4.2.

    , ).

    , (Medium Scale Integration, MSI).

    , (Large Scale Integration, LSI).

    (Very Large Scale Integration, VLSI).

    , (Ultra Large Scale Integration, ULS), 1 transistors .

  • 4

    - 4.2.

    , . , , , .

  • 4

    - 4.2.

    ,

    . 5-6 250 1 11/2 . 100 , 5 .

  • 4

    - 4.2.

    . 0 ( ) PC IBM 1984 , .

    2-3 , .

  • 4

    - 4.3.

    ( 4 ), :

    1. - (Central processing Unit, CPU). (Central processing Unit, CPU). , .

  • 4

    - 4.3.

    ( 4 ), :

    2. ( ). 2. ( ).

    , ,

    .

  • 4

    - 4.3.

    ( 4 ), :

    3. /. 3. /. .

    , .

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

    , (microprocessor) . :

    C.P.U.

  • 4

    - 4.3.

    1. ...(A.L.U). , . , .

    xyz

    SC

    .

    C.P.U.

    ANDxy x y.

    ORxy x y+

    NOTx x

    >

  • 4

    - 4.3.

    2. . . , , . , (accumulator), . , (accumulator), .

    C.P.U.

  • 4

    - 4.3.

    3 . , () .

    C.P.U.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

    4 (data bus). .

  • 4

    - 4.3.

    5 (address bus). .

  • 4

    - 4.3.

    6 (control bus). .

  • 4

    - 4.3.

    (instruction set)

    .

    C.P.U.

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

    :1. ( bits).

    8 64 bits .

  • 4

    - 4.3.

    :2 ( bits).

    16 64 bits .

  • 4

    - 4.3.

    :3 ( bits).

    8 64 bits .

    C.P.U.

  • 4

    - 4.3.

    :4 ( MHz).

    . 800 MHz.

  • 4

    - 4.3.

    (LSI ULSI),

    .

  • 4

    - 4.3.

    4-5 Intel, .

    Data Address transistors

    Data Bus

    AddressBus

    4004808080868088802868038680486PentiumPentium ProPentium IIPentium III

    19711973197819791982198519891993199519981999

    4816816323264646464

    1216202024323232323232

    2.3004.50029.00029.000134.000275.0001.200.0003.100.0005.500.0007.500.0009.500.000

  • 4

    - 4.3.

    4004 1971 2.300 transistors (MSI),

    Data Address

    (!!!!!!) Pentium III 9,5 . transistors (ULSI). Intel 2011 1 . transistors chip.

    transistors

    Data Bus

    AddressBus

    4004808080868088802868038680486PentiumPentium ProPentium IIPentium III

    19711973197819791982198519891993199519981999

    4816816323264646464

    1216202024323232323232

    2.3004.50029.00029.000134.000275.0001.200.0003.100.0005.500.0007.500.0009.500.000

  • 4

    - 4.3.

    transistors

    Data Bus

    AddressBus

    4004 1971 4 12 2.3004004808080868088802868038680486PentiumPentium ProPentium IIPentium III

    19711973197819791982198519891993199519981999

    4816816323264646464

    1216202024323232323232

    2.3004.50029.00029.000134.000275.0001.200.0003.100.0005.500.0007.500.0009.500.000

    4-5. Intel

  • 4

    - 4.3.

  • 4

    - 4.3.

    . (, , , , , )

    , , ( ) . , , , , , .

  • 4

    -

    () , . . (- ), flip-flop ( RS) (flip-flop D ). , . , , ,