Elektronika cyfrowa i mikroprocesory. Dr inż. Aleksander Cianciara

Transkrypt

1 Elektronika cyfrowa i mikroprocesory Dr inż. Aleksander Cianciara

2 Sprawy organizacyjne Warunki zaliczenia Lista obecności Kolokwium końcowe Ocena końcowa Konsultacje Poniedziałek 6:-7: Kontakt Budynek A pok. 36 (III piętro za przeszklonymi drzwiami) alexc@geol.agh.edu.pl :4:58 2

3 Literatura Podstawy elektroniki cyfrowej, J. Kalisz, wyd WKŁ Podstawy techniki mikroprocesorowej, P. Misiurewicz, wazniak.mimuw.edu.pl i spółka -> elektronika cyfrowa podstawy Notatki z wykładu (ostatnie ale nie najmniej ważne) Slajdy z wykładu będą dostępne na stronie www UWAGA! slajdy z wykładu nie zawierają komentarzy i są tylko wstępem do tematu opisanego w książkach :4:58 3

4 Cel wykładu Pokazać zastosowania elektroniki w informatyce Pokazać zastosowania informatyki w elektronice Budowa podstawowych elementów składowych komputera (pamięć, procesor) Elementy ważne :4:58 4

5 Plan wykładu Wprowadzenie Algebra Boole a sposoby zapisu Tautologie boole a Realizacje techniczne :4:58 5

6 Co to jest elektronika cyfrowa Informacja jest zakodowana za pomocą liczb, Wielkością cyfrową będziemy nazywać taką wielkość, która w danym przedziale swej zmienności przyjmuje skończoną liczbę wartości Wielkością analogową będziemy nazywać taką wielkość, która w danym przedziale swej zmienności przyjmuje nieskończoną liczbę wartości :4:58 6

7 Zastosowania :4:58 7

8 Budowa układów Od prostych budowane z elementów (bramek) Przez rozbudowanych budowane z gotowych bloków funkcjonalnych Po najbardziej złożone projektowane specjalizowanym systemami CAD, programowane językiem HDL (Hardware Description Language) :4:58 8

9 Powiązanie informatyki z elektroniką 9 marca 2 9

10 Projektowanie układów cyfrowych Zbliżone do projektów oprogramowania Języki programowania elektroniki HDL VHDL Układy standardowe (ogólnego zastosowania) kontra projektowane na zamówienie Oparte o mikrokontrolery (mikroprocesor w jednej obudowie z pamięcią i układami peryferyjnymi :4:58

11 Zalety podejścia cyfrowego Wysoka elastyczność Prostota realizacji wielu skomplikowanych funkcji Szybkość realizacji Odporność na zakłócenia Łatwa zmiana realizowanych funkcji (często tylko przeprogramowanie) Możliwość realizowania funkcji nie fizycznych (nie dających się zrealizować przez układ analogowy) Powtarzalność!! :4:58

12 Wady podejścia cyfrowego Operowanie na liczbach o skończonej precyzji, Skomplikowanie realizacji niektórych funkcji (np. prosty filtr w techn. analogowej to rezystor + kondensator lub cewka, w techn. cyfr wymaga całego komputera Ograniczenia prędkości działania, Koszt, :4:58 2

13 Podział realizacji cyfrowych Sprzętowa Cała wymagana funkcja realizowana jest przez specjalizowany układ cyfrowy Zalety to: szybkość, mały pobór prądu, niska cena przy dużych ilościach Sprzętowo - programowa Wymagana funkcja jest realizowana przy pomocy programu, procesora oraz niewielkiej liczby elementów dodatkowych, Zalety to: elastyczność, prostota projektowania i realizacji, niska cena przy małych seriach produkcyjnych :4:58 3

14 Podział funkcjonalny Układy kombinacyjne realizacje rozbudowane funkcje logiczne, zbudowany z podstawowych układów cyfrowych bramek Układy sekwencyjne bardziej skomplikowane będzie omawiany na kolejnych wykładach :4:58 4

15 Realizacja praktyczna Maksymalne uproszczenie przez ograniczenie ilości stanów do 2 fałsz prawda Bit informacji Zastosowanie praw algebry Boole a Możliwość reprezentacji dowolnej liczby cyfrowej przy pomocy połączenia wielu bitów :4:58 5

16 Symbole operacji logicznych Funkcja Alternatywa (A lub B) Koniunkcja (A i B) Implikacja (jeśli A to B) Równoważność (A wtedy i tylko wtedy gdy B) Negacja ( nie A ) Zapis A B A B A B A B A :4:58 6

17 Notacje f : X Y Funkcja boole a Tablice prawdy n X B B = {,} n Y B {,} {,} {,} K {, } n X B = n razy 2 x y z f(x,y,z) Zapis klasyczny f f = ( x, x x ) 2, 3 ( x x ) ( x x x ) ( x x ) x :4:58 7

18 :4:58 8 Tablice prawdy - 5 x 2-3 y f(x,y,z) z x 2 y f(x,y,z) z Niezupełna

19 Operacje logiczne - tabice a b a b a b a b a a :4:58 9

20 Operacje logiczne tablice cd. a b a b a b a b :4:58 2

21 Algebra Boole a Tautologia związki między zdaniami, rachunek zdań Twierdzenie jest tautologią, jeżeli dla wszystkich możliwych kombinacji otrzymujemy zdanie prawdziwe :4:58 2

22 Podstawowe prawa boole a Prawo idempotentności a a a a a a Prawo przemienności a b b a a b b a Prawo łączności a ( b c ) ( a a ) c a ( b c ) ( a b ) c :4:58 22

23 Podstawowe prawa boole a cd. Prawo rozdzielności a ( b c ) ( a b ) ( a c ) a ( b c ) ( a b ) ( a c ) Prawo pochłaniania a ( a b ) a a ( a b ) a Prawo własności stałych a a, a a a, a :4:58 23

24 Podstawowe prawa boole a cd. Własności negacji a a prawo wyłączonego środka a a prawo sprzeczności ( a ) a prawo podwójnego przeczenia :4:58 24

25 Podstawowe prawa boole a cd. Prawa De Morgana ( a b ) a b ( a b ) a b a b ( a b ) a b ( a b ) :4:58 25

26 Technikalia :4:58 26

27 Przykład realizacji technicznej (standard TTL) Stan wysoki (H) logiczne Napięcie 2,4 5 V Stan niski (L) logiczne Napięcie,8 V Stan zabroniony,8 2,4 V Logika dodatnia i ujemna (zamiana i miejscami) :4:58 27

28 Inna realizacja fizyczna Napięcie dodatnie (np. +2V) napięcie ujemne ( -2V) (RS232) Płynie prąd nie płynie (pętla prądowa) Fala o częstotliwości F Fala o częstotliwości F (modem) Realizacje przy pomocy innych wielkości fizycznych (światła, pola magnetycznego, itp.) :4:58 28

29 Układy scalone - podział SSI -- ang. Small Scale Integration, zawierają do bramek logicznych, MSI -- ang. Medium Scale Integration - - LSI -- ang. Large Scale Integration - - VLSI -- ang. Very Large Scale Integration ponad elementów, ULSI -- ang. Ultra Large Scale Integration - ponad l milionów elementów.?brak nazwy? -- obecnie najwięcej elementów zawierają pamięci > 4 miliardy tranzystorów (4 GB) :4:58 29

30 Podział układów cd. Układy cyfrowe Gotowe układy standardowe SSI, MSI, LSI Układy programowalne MSI, LSI, VLSI Układy specjalizowane - ASIC LSI, VLSI Standardowe bramki (SSI, MSI), Proste funkcje np. sumator, komparator (MSI, LSI) Programowalne struktury logiczne PLD Programowalne matryce bramkowe FPGA Matryce bramkowe GA (Gate Array) Układy proste SPLD FPLA, PROM, PAL, GAL Układy złożone - CPLD Matryce komórkowe SC (Standard Cell) Układy indywidualne FC (Full Custom) :4:58 3

31 Pytania? :4:58 3