mäluga süsteemide disain
DESCRIPTION
Mäluga süsteemide disain. L8. Mäluga süsteemid, abstraktne automaat L9. Automaatide realiseerimine. L10. Automaatide realiseerimine , minimeerimine ja tükeldamine. Juhtautomaat. Digitaalsüsteem = operatsioonosa + juhtosa. Operatsioonosa. Operatsioonosa (operatsioonautomaat) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Mäluga süsteemide disainMäluga süsteemide disain
L8. Mäluga süsteemid, abstraktneL8. Mäluga süsteemid, abstraktne automaatautomaat L9. Automaatide realiseerimine. L10. Automaatide realiseerimine, minimeerimine ja tükeldamine
2I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
JuhtautomaatJuhtautomaat
Digitaalsüsteem = operatsioonosa + juhtosa
3I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
OperatsioonosaOperatsioonosa
Operatsioonosa (operatsioonautomaat) andmete töötlus (arvutamine) - operatsioonid
(loogikafunktsioonid) andmete salvestamine (mälu) - registrid
(mäluelemendid) taktsignaal
operatsioonid: registri väljund -> registri sisendregister: salvestab tulemusi
• frondil - flip-flop, master-slave
• aktiivsel nivool - latch
4I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
JuhtosaJuhtosa
J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” -- 7.3 - 7.7
Juhtosa (juhtautomaat) operatsioonide järjestamine tingimuslik järjestamine
(eelmiste) operatsioonide tulemusedvälised tingimused (sisendsignaalid)
Algoritm operatsioonide järjestus mikroprogramm
5I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Diskreetne aegDiskreetne aeg
Rangelt järjestatud sündmuste jada(ajamomentide jada) üksiksündmuse kestus on 0 sündmuste vaheline ajavahemik pole oluline
diskreetne aeg taktsignaal
6I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Diskreetne aegDiskreetne aeg
Taktsignaal (clock) reaalne diskreetse aja esitusviis üksiksündmus == taktsignaali front
tõusev või langev front - ühefaasiline taktsignaal (single phased clock)
tõusev ja langev front - kahefaasiline taktsignaal (double phased clock)
7I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Diskreetne aegDiskreetne aeg
Taktsignaal (clock) varasem mitmefaasiline taktsignaal -
eri faasid tüürisid eri mäluelemente
8I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Kombinatoorne skeemKombinatoorne skeem
Skeemi väljund sõltub ainult skeemi sisendist
Atsüklilise topoloogiaga skeem on kombinatoorne
Tsükliga (tagasisidega) skeemid võivad olla kombinatoorsed
9I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Mäluga skeemMäluga skeem
Eksisteerivad mäluelemendidAsünkroonsetes skeemis võib
mäluelement olla mitteilmutatud kujulTagasiside on vajalik
10I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
AutomaatAutomaat
Mäluga skeemi erijuht
Sisendid, väljundid ja olekud - lõplikud hulgad
Abstraktne automaat, lõplik automaatautomaton (pl. automata), sequential
machine, finite state machine (FSM)
11I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
NäideNäide
Õppejõu käitumine eksamil kui õppejõud on heas tujus ja tudeng oskab, siis
tudeng saab 5 ning õppejõu hea tuju säilub kui õppejõud on heas tujus ja tudeng ei oska, siis
tudeng saab 3 ning õppejõu tuju läheb halvaks kui õppejõud on halvas tujus ja tudeng ei oska, siis
tudeng saab 2 ning õppejõu halb tuju säilub kui õppejõud on halvas tujus ja tudeng oskab, siis
tudeng saab 4 ning õppejõu tuju läheb heaks
12I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Näide - Näide - õppejõudõppejõud
Õppejõu käitumine eksamil
sisend olek väljund uus olek
tudeng õppejõud hinne õppejõud
oskab hea tuju 5 hea tuju
ei oska hea tuju 3 halb tuju
ei oska halb tuju 2 halb tuju
oskab halb tuju 4 hea tuju
hea halb
oskab / 5
oskab / 4ei oska / 2
ei oska / 3
13I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Näide - Näide - õppejõudõppejõud
Realisatsioon riistvaras
Efektiivsus sõltub kodeeringust! Sisend- ja väljundkodeering üldjul teada Olekute kodeerimine oluline
pindala - loogikalülide arvviide - funktsioonide keerukusvõimsustarve - lülituste arv ajaühikus
14I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Näide - Näide - õppejõudõppejõud
Realisatsioon #1 sisend: ei oska - 0, oskab - 1 väljund: 2 - 0001, 3 - 0010, 4 - 0100, 5 - 1000 olek: hea - 0, halb - 1
15I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Näide - Näide - õppejõudõppejõud
Realisatsioon #2 sisend: ei oska - 0, oskab - 1 väljund: 2 - 00, 3 - 01, 4 - 10, 5 - 11 olek: hea -1, halb - 0
16I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Abstraktne automaatAbstraktne automaat
Automaat on viisik (quintuple) - M = (S,I,O,,) S: (sise)olekute hulk (states) I: sisendite hulk (inputs) O: väljundite hulk (outputs) : siirdefunktsioon (transition) - : S I S : väljundfunktsioon - : S I O
Hulgad on lõplikud ja (üldjuhul) mittetühjad hulkade ja funktsioonide erijuhud -- automaatide
erijuhud
Lähteolek s0 -- M = (S,I,O,,,s0)
17I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Automaatide erijuhudAutomaatide erijuhud
Mealy automaat - M = ( S, I, O, , ) S, I, O, :SIS, :SIO
Moore automaat - M = ( S, I, O, , ) S, I, O, :SIS, :SO väljundfunktsioon ei sõltu sisenditest
Primitiivne automaat - M = ( S, I, ) S, I, O= (OS), :SIS, olek on väljundiks
18I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Automaatide erijuhudAutomaatide erijuhud
Generaator - M = ( S, O, , ) S, I=, O, :SS, :SO sisendid puuduvad
Loogikafunktsioon - M = ( I, O, ) S=, I, O, =, :IO siseolek puudub
19I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Automaatide erijuhudAutomaatide erijuhud
Mikroprogramm automaat - M = (S,I,O,,) S, I={0,1}L, O{0,1}M, :SIS, :SIO kahendkodeeritud sisendid ja väljundid
Praktiline realisatsioon Puhverdatud sisendid Puhverdatud väljundid
ainult Moore automaat!
20I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
EsitusviisidEsitusviisid
Tabel veerud:
sisend (it), jooksev olek (st), väljund (ot), uus olek (st+1)
read: siire jooksvast olekust uude olekusse: it st ot st+1
it st ot st+1
jah hea 5 hea
ei hea 3 halb
ei halb 2 halb
jah halb 4 hea
21I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
EsitusviisidEsitusviisid
Olekudiagramm, olekugraaf (state graph) sõlmed: olekud kaared: siirded
Siirdediagramm (transition graph) sõlmed: siirded kaared: olekud
hea halb
jah / 5
jah / 4ei / 2
ei / 3
22I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Automaatide omadusiAutomaatide omadusi
Osaliselt määratud automaadid leidub olekuid, kus siire pole mingi sisendi puhul
määratudlihtsustatud kirjapilt - vaikimisi jääb nt. samasse olekussmääramatus tuleneb väliskeskkonna iseärasustes - mitte-
eksisteerivad sisendkombinatsioonidkahendkodeeritud olekud - osa kombinatsioone on
kasutamataautomaadi minimeerimisel vabamad käed - osaliselt
määratud loogikafunktsioonid
23I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Automaatide omadusiAutomaatide omadusi
Mittedeterministlikud automaadid leidub olekute ja sisendite kombinatsioone, mille
puhul on määratud rohkem kui üks järgmine olekkompaktne meetod kirjeldamiseks, kui leidub rohkem kui üks
legaalne reaktsioon mingile sisendkombinatsioonile (jadale)matemaatilised mudelid
Isomorfism (identsus)üksühene vastavus kahe automaadi komponentide
(S,I,O,,) vahel
Homomorfism (sarnasus)ühene vastavus kahe automaadi komponentide (S,I,O,,)
vahel ~ “alam-automaat”
25I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
MäluelemendidMäluelemendid
Salvestavad olekukoodiRegister
kahendvektori salvestamiseks sama tüüpi mäluelemendid
Mäluelementide tüübid funktsionaalsus - SR-, JK-, D- ja T-trigerid takteerimine
asünkroone - takt puudublatch - läbipaistev kui takt on aktiivneflip-flop - väljundis muutus ainult taktsignaali frondi korral
• master-slave (meister-sell) - kaks järjestikust latch’i• frondile reageerivad trigerid - spetsiaalne sise-ehitus
26I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
SR-triger (set/reset)SR-triger (set/reset)
27I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
JK-trigerJK-triger
Määramatus võimaldab minimeerida loogikafunktsioone efektiivsemalt
Kaks sisendit -> kaks loogikafunktsiooni
28I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
D-triger (delay)D-triger (delay)
Kõige enam kasutusel lihtne sise-ehitus väike sisendite arv -> vähem loogikafunktsioone
29I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
T-trigerT-triger
Sobiv loendurites kasutamiseks
30I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee
Trigerite ajalised parameetridTrigerite ajalised parameetrid
Sisemised ahelad erinevate viidetega seadeaeg (setup time) - nõutav valmisoleku aeg hoideaeg (hold time) - nõutav stabiilsuse aeg nõuete rikkumise korral metastabiilsuse oht
Metastabiilsus registri vahepealne olek määramata pingenivood
võivad jääda loogikanivoode vaheleoluline voolutarbe kasv
• võib viia skeemi riknemiseni
C
D
Q