Architektura komputerów Wykład 2

Podobne dokumenty
dr inż. Rafał Klaus Zajęcia finansowane z projektu "Rozwój i doskonalenie kształcenia i ich zastosowań w przemyśle" POKL

Bramki logiczne Podstawowe składniki wszystkich układów logicznych

Układy logiczne. Wstęp doinformatyki. Funkcje boolowskie (1854) Funkcje boolowskie. Operacje logiczne. Funkcja boolowska (przykład)

Cyfrowe układy scalone c.d. funkcje

Lista tematów na kolokwium z wykładu z Techniki Cyfrowej w roku ak. 2013/2014

Tranzystor JFET i MOSFET zas. działania

Automatyka Treść wykładów: Literatura. Wstęp. Sygnał analogowy a cyfrowy. Bieżące wiadomości:

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Algebra Boole a

Automatyka. Treść wykładów: Multiplekser. Układ kombinacyjny. Demultiplekser. Koder

LEKCJA. TEMAT: Funktory logiczne.

Podstawy Automatyki. Wykład 13 - Układy bramkowe. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Automatyzacja i robotyzacja procesów produkcyjnych

Podstawy Automatyki. Wykład 13 - Układy bramkowe. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Informatyki Elementarne podzespoły komputera

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

Architektura komputerów ćwiczenia Bramki logiczne. Układy kombinacyjne. Kanoniczna postać dysjunkcyjna i koniunkcyjna.

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Synchroniczne układy sekwencyjne

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych

Krótkie przypomnienie

Minimalizacja form boolowskich

Rys. 2. Symbole dodatkowych bramek logicznych i ich tablice stanów.

Wykład nr 1 Techniki Mikroprocesorowe. dr inż. Artur Cichowski

Część 2. Funkcje logiczne układy kombinacyjne

Algebra Boole a. Ćwiczenie Sprawdź, czy algebra zbiorów jestrównież algebrą Boole a. Padaj wszystkie elementy takiej realizacji.

Część 3. Układy sekwencyjne. Układy sekwencyjne i układy iteracyjne - grafy stanów TCiM Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 1

Logika binarna. Prawo łączności mówimy, że operator binarny * na zbiorze S jest łączny gdy (x * y) * z = x * (y * z) dla każdego x, y, z S.

Podstawy elektroniki cyfrowej dla Inżynierii Nanostruktur. Piotr Fita

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych (I)

Elementy logiki. Algebra Boole a. Analiza i synteza układów logicznych

Wstęp do Techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

Cyfrowe Elementy Automatyki. Bramki logiczne, przerzutniki, liczniki, sterowanie wyświetlaczem

PoniŜej zamieszczone są rysunki przedstawiane na wykładach z przedmiotu Peryferia Komputerowe. ELEKTRONICZNE UKŁADY CYFROWE

Przerzutnik ma pewną liczbę wejść i z reguły dwa wyjścia.

WSTĘP DO ELEKTRONIKI

2019/09/16 07:46 1/2 Laboratorium AITUC

1.Wprowadzenie do projektowania układów sekwencyjnych synchronicznych

CYFROWE UKŁADY SCALONE STOSOWANE W AUTOMATYCE

Minimalizacja funkcji boolowskich - wykład 2

Układy kombinacyjne Y X 4 X 5. Rys. 1 Kombinacyjna funkcja logiczna.

Architektura komputerów

Technika cyfrowa i mikroprocesorowa. Zaliczenie na ocenę. Zaliczenie na ocenę

Układy kombinacyjne 1

Asynchroniczne statyczne układy sekwencyjne

A B. 12. Uprość funkcję F(abc) = (a + a'b + c + c')a

dwójkę liczącą Licznikiem Podział liczników:

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Układy kombinacyjne

Podstawowe układy cyfrowe

Układy kombinacyjne i sekwencyjne. Podczas ćwiczenia poruszane będą następujące zagadnienia:

Podstawy elektroniki cz. 2 Wykład 2

Tab. 1 Tab. 2 t t+1 Q 2 Q 1 Q 0 Q 2 Q 1 Q 0

Funkcje logiczne X = A B AND. K.M.Gawrylczyk /55

Układy cyfrowe. Najczęściej układy cyfrowe służą do przetwarzania sygnałów o dwóch poziomach napięć:

PODSTAWY TEORII UKŁADÓW CYFROWYCH

Układy Logiczne i Cyfrowe

Układy sekwencyjne. Wstęp doinformatyki. Zegary. Układy sekwencyjne. Automaty sekwencyjne. Element pamięciowy. Układy logiczne komputerów

Arytmetyka liczb binarnych

Lekcja na Pracowni Podstaw Techniki Komputerowej z wykorzystaniem komputera

Ćw. 1: Systemy zapisu liczb, minimalizacja funkcji logicznych, konwertery kodów, wyświetlacze.

Statyczne badanie przerzutników - ćwiczenie 3

Funkcja Boolowska. f:b n B, gdzieb={0,1} jest zbiorem wartości funkcji. Funkcja boolowska jest matematycznym modelem układu kombinacyjnego.

Table of Contents. Table of Contents UniTrain-I Kursy UniTrain Kursy UniTrain: Technika cyfrowa. Lucas Nülle GmbH 1/7

Układy logiczne układy cyfrowe

Podstawy Automatyki. Wykład 9 - Podstawy matematyczne automatyki procesów dyskretnych. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Laboratorium podstaw elektroniki

Elektronika i techniki mikroprocesorowe. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych. Część: Technika Cyfrowa Liczba zajęć: 3 + zaliczające

SWB - Wprowadzenie, funkcje boolowskie i bramki logiczne - wykład 1 asz 1. Plan wykładu

Podstawy Automatyki. Wykład 12 - synteza i minimalizacja funkcji logicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Inwerter logiczny. Ilustracja 1: Układ do symulacji inwertera (Inverter.sch)

UKŁADY SEKWENCYJNE Opracował: Andrzej Nowak

dr inż. Małgorzata Langer Architektura komputerów

x x

Ćwiczenie 26. Temat: Układ z bramkami NAND i bramki AOI..

Zadania do wykładu 1, Zapisz liczby binarne w kodzie dziesiętnym: ( ) 2 =( ) 10, ( ) 2 =( ) 10, (101001, 10110) 2 =( ) 10

Podstawowe operacje arytmetyczne i logiczne dla liczb binarnych

Ćwiczenie 25 Temat: Interfejs między bramkami logicznymi i kombinacyjne układy logiczne. Układ z bramkami NOR. Cel ćwiczenia

Podstawy techniki cyfrowej

Układy cyfrowe i operacje logiczne

b) bc a Rys. 1. Tablice Karnaugha dla funkcji o: a) n=2, b) n=3 i c) n=4 zmiennych.

AKADEMIA MORSKA KATEDRA NAWIGACJI TECHNICZEJ

Proste układy sekwencyjne

Literatura. adów w cyfrowych. Projektowanie układ. Technika cyfrowa. Technika cyfrowa. Bramki logiczne i przerzutniki.

Laboratorium podstaw elektroniki

UKŁADY CYFROWE. Układ kombinacyjny

WSTĘP. Budowa bramki NAND TTL, ch-ka przełączania, schemat wewnętrzny, działanie 2

ćwiczenie 202 Temat: Układy kombinacyjne 1. Cel ćwiczenia

Architektura systemów komputerowych

Automatyzacja Ćwicz. 2 Teoria mnogości i algebra logiki Akademia Morska w Szczecinie - Wydział Inżynieryjno-Ekonomiczny Transportu

LICZNIKI PODZIAŁ I PARAMETRY

Układy sekwencyjne. Podstawowe informacje o układach cyfrowych i przerzutnikach (rodzaje, sposoby wyzwalania).

Elementy cyfrowe i układy logiczne

Układy arytmetyczne. Joanna Ledzińska III rok EiT AGH 2011

1. Poznanie właściwości i zasady działania rejestrów przesuwnych. 2. Poznanie właściwości i zasady działania liczników pierścieniowych.

Cyfrowe układy sekwencyjne. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 2

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA im. Jarosława Dąbrowskiego

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Teoria automatów i układy sekwencyjne

Statyczne i dynamiczne badanie przerzutników - ćwiczenie 2

4. UKŁADY FUNKCJONALNE TECHNIKI CYFROWEJ

Ćwiczenie 23. Temat: Własności podstawowych bramek logicznych. Cel ćwiczenia

Kombinacyjne bloki funkcjonalne

Transkrypt:

Architektura komputerów Wykład 2 Jan Kazimirski 1

Elementy techniki cyfrowej 2

Plan wykładu Algebra Boole'a Podstawowe układy cyfrowe bramki Układy kombinacyjne Układy sekwencyjne 3

Algebra Boole'a Stosowana do projektowania i analizy cyfrowych układów logicznych Nazwa pochodzi od nazwiska brytyjskiego matematyka George Boole'a, który zaproponował podstawowe zasady tej algebry Wykorzystanie w technice cyfrowej Claude Shannon (1938) 4

Algebra Boole'a c.d. Posiada przynajmniej 2 elementy (oznaczymy je jako 0 i 1). Posiada zdefiniowane operacje Sumy (suma logiczna) '+' Iloczynu (iloczyn logiczny) '*' Negacja '-' lub ~' 5

Suma logiczna Operator sumy logicznej (OR) Operator 2-argumentowy Tabela prawdy: p q p+q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 6

Iloczyn logiczny Operator iloczynu logicznego Operator 2-argumentowy Tabela prawdy: p q p*q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 7

Negacja Operator negacji Operator 1-argumentowy Tabela prawdy: p ~p 0 1 1 0 8

Funkcja XOR Różnica symetryczna Operator 2-argumentowy Tablica prawdy: p q p^q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 9

Aksjomaty algebry Boole'a Element neutralny: x+0=x, x*0=0 Uzupełnienie: x+(~x)=1, x*(~x)=0 Przemienność: x+y=y+x, x*y=y*x Łączność: (x+y)+z=x+(y+z), (x*y)*z=x*(y*z) Rozdzielność: x*(y+z)=(x*y)+(x*z) x+(y*z)=(x+y)*(x+z) 10

Własności algebry Boole'a x+x=x, x*x=x x+1=1, x*0=0 Prawa de Morgana: ~(x+y)=(~x)*(~y), x+(x*y) = x, x*(x+y)=x ~(~x)=x ~(x*y)=(~x)+(~y) 11

Wyrażenia i funkcje logiczne Wyrażenie logiczne ciąg zer, jedynek i symboli logicznych rozdzielonych operatorami (x * 1)+(x*y)*(~(x*z)) Funkcja logiczna funkcja zmiennych logicznych F(x,y,z) 12

Tabela prawdy a b c F=a * b * c 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 13

Funkcje logiczne c.d. Dla danej liczby argumentów można stworzyć nieskończenie wiele wyrażeń logicznych Dla danej liczby argumentów (N) istnieje określona liczba funkcji logicznych N=2-16 funkcji N=3-256 funkcji N=4-65536 funkcji 14

Zapis funkcji logicznej 1. Odpowiednie wyrażenie logiczne 2. Tabela prawdy 3. Określenie zbiorów argumentów dla których wartość funkcji wynosi 1 lub 0 15

Ćwiczenie Zapisać funkcję logiczną opisywaną wyrażeniem f(x,y,z) = (x+y)*(~(y*z)) w postaci tabeli prawdy oraz w postaci zbioru wartości x,y,z, dla których wartość funkcji wynosi 1. 16

Funkcje logiczne 2 zmiennych 0. Zero zawsze zwraca zero 1. Logiczne NOR (a+b)' 2. Zakaz a*b' 3. Not b niezależnie od a zwraca b' 4. Zakaz b*a' 5. Not a niezależnie od b zwraca a' 6. XOR a różne od b 7. NAND (a*b)' 8. AND 9. NOR wyłączające (NOT XOR) 10. Kopia a zwraca zawsze a 11. Implikacja z b wynika a a+b' 12. Kopia b zwraca zawsze b 13. Implikacja z a wynika b b+a' 14. OR 15. Jeden zawsze zwraca jedynkę 17

Formy kanoniczne Funkcja logiczna może być przedstawiona w postaci wyrażenia logicznego na nieskończenie wiele sposobów. W celu standaryzacji wprowadzono formy kanoniczne funkcji logicznej: Suma termów minimalnych Iloczyn termów maksymalnych 18

Formy kanoniczne c.d. Suma termów minimalnych Term minimalny zmienna lub iloczyn kilku zmiennych wejściowych Dla zmiennych a i b: a, b, a', b', ab, a'b, ab', a'b' Kanoniczną postać funkcji - suma termów minimalnych. Iloczyn termów maksymalnych Term maksymalny suma wszystkich zmiennych wejściowych (zanegowanych lub nie) Kanoniczną postać funkcji - iloczyn termów maksymalnych Np. (a+b+c)*(a'+b+c)*(a+b'+c) 19

Minimalizacja zapisu funkcji logicznej Problem często spotykany w technice cyfrowej Dana funkcja logiczna (forma kanoniczna lub tabela prawdy). Należy zapisać ją jak najprościej Metody minimalizacji: Metoda algebraiczna Metoda map Karnaugha Algorytm Quina - McCluskeya 20

Podstawowe układy cyfrowe bramki Wykorzystywane do realizacji funkcji przetwarzania w komputerze. Realizują podstawowe operacje logiczne. Zbudowane są z nich bardziej zaawansowane elementy cyfrowe 21

Podstawowe bramki logiczne Bramka OR F= a+b Bramka AND F= a*b Bramka NOT F=a' Bramka NAND F=(a*b)' Bramka NOR F=(a+b)' 22

Realizacja funkcji logicznych za pomocą bramki NAND Funkcja NOT Funkcja AND Funkcja OR 23

Ćwiczenie Za pomocą tabeli prawdy pokazać, że układy pokazane na poprzednim slajdzie realizują funkcje NOT, AND i OR 24

Układy kombinacyjne Zbiór wzajemnie połączonych bramek Zawiera N wejść i M wyjść binarnych Stan wyjść zależy tylko i wyłącznie od stanu wejść Opis układu: Tablica prawdy Schemat graficzny połączeń bramek Funkcja Boole'a 25

Multiplekser Układ posiadający wiele wejść (D0...Dn), jedno wyjście F, oraz linie sterujące (S0..Sm). Na wyjście dostarczany jest sygnał z jednego wybranego wejścia Wartość linii sterujących decyduje które wejście zostanie powielone na wyjściu. Używany do sterowania przepływem sygnałów i danych 26

Multiplexer WYJŚCIE WEJŚCIA MUX 4 do 1 STEROWANIE 27

Multiplexer S0 S1 F 0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3 28

Dekoder Posiada N wejść sterujących i 2^N wyjść. Zależnie od kombinacji stanów wejść sygnał wysyłany jest jedno określone wyjście Stosowany do sterowania wyświetlaczami LED, dekodowania adresów pamięci lub instrukcji maszynowych 29

Dekoder WEJŚCIA ADRESOWE (STERUJĄCE) DEKODER N do 2^N WYJŚCIA 30

Demultiplexer Dekoder z dodatkowym wejściem danych Zależnie od kombinacji stanów sygnałów sterujących, dane przekazywane są do wybranego wyjścia Linia danych może być również stosowana do aktywacji układu (np. przez impuls zegarowy) 31

Demultiplexer WEJŚCIA ADRESOWE (STERUJĄCE) DEKODER N do 2^N WYJŚCIA DANE 32

Półsumator i Sumator Półsumator Sumator Dwie linie wejściowe Dwie linie wyjściowe suma, oraz przeniesienie Do linii wejściowych dodana jeszcze jedna (suma 3-bitowa) przeniesienie z poprzedniej sumy bitowej 33

Sumator 4-bitowy A3 B3 A2 B2 A1 B1 A0 B0 C3 ADD C2 ADD C1 ADD C0 ADD S3 S2 S1 S0 34

Układy sekwencyjne Układy z pamięcią - układy których aktualny stan zależy od stanu wejść oraz poprzedniego stanu układu. Przykłady: Przerzutniki Rejestry Liczniki 35

Przerzutniki Układy dwustabilne mogą utrzymywać się w jednym z dwóch stanów. Sygnał wejściowy zmienia stan przerzutnika Przykład komórki pamięci Zwykle mają dwa wyjścia Q i Q' (zanegowane Q) 36

Przerzutnik S/R S R Q(t+1) 0 0 Q(T) 0 1 0 1 0 1 1 1? S R Q Q' 37

Przerzutnik D Układ opóźniający Ma tylko jedno wejście danych oraz wejście sygnału zegarowego Układ zapamiętuje bit danych z wejścia Stosowany np. do realizacji rejestrów lub liczników 38

Przerzutnik J/K Podobny do przerzutnika S/R Dwa wejścia informacyjne J,K Sygnał zegarowy (praca synchroniczna) Może mieć asynchroniczne wejścia R,S Wyjścia Q i Q' Wejście K kasujące, J - jedynkujące Stany wysokie J,K negowanie Q 39

Rejestry Służą do przechowywania danych we wnętrzu procesora Jedno- lub wielobitowe Typy rejestrów: Równoległe Przesuwne 40

Rejestr równoległy ZEGAR D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 4-bitowy rejestr równoległy zrealizowany za pomocą przerzutników typu D 41

Rejestr przesuwny ZEGAR D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 4-bitowy rejestr przesuwny zrealizowany za pomocą przerzutników typu D 42

Liczniki Rejestr, którego zawartość może być zwiększana o jeden Po osiągnięciu maksymalnej wartości licznik jest zerowany Przykład: licznik rozkazów (PC) w procesorze 43

Podsumowanie W technice cyfrowej wykorzystuje się algebrę Boole'a i operatory logiczne Podstawowym elementem techniki cyfrowej są bramki Z bramek budowane są bardziej złożone elementy cyfrowe układy kombinacyjne i sekwencyjne 44