Digitální obvody. Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Digitální obvody. Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D."

Květa Kašparová
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 Digitální obvody Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D.

2 Základní invertor v technologii CMOS dva tranzistory: T1 vodivostní kanál typ N T2 vodivostní kanál typ P při u VST = H nebo L je klidový proud velmi malý (na) diody slouží jako ochrana proti vlivům statické elektřiny a proti přepólování

3 Základní invertor v technologii CMOS

4 Základní invertor v technologii CMOS Převodní charakteristika Topologie CMOS invertoru u O 14 V U DD = 15 V U DD = 10 V 8 6 U DD = 5 V u O (u I ) 4 2 TTL V u I

5 Základní invertor v technologii CMOS Převodní charakteristika

6 Základní invertor v technologii CMOS

7 Šumová imunita NM L = V IL V OL NM H = V OH V IH

8 Další CMOS hradla NAND a NOR y = x 1 x 2 y = x 1 + x 2

9 Souběžné příkazy v jazyce VHDL with-select Signálu signal_name je přiřazena hodnota podle hodnoty výběrového signálu select_expression Konečné množství kombinací Pokud je signál select_expression typu bit_vector, pak máme pouze 4 možné hodnoty: 00, 01, 10 a 11 Každá hodnota signálu select_expression může být použita pouze jednou Pro výběrové signály typy std_logic_vector je často použito klíčové others.

10 Souběžné příkazy v jazyce VHDL with-select Koncepční schéma s využitím MUX pro příkaz with-select

11 Souběžné příkazy v jazyce VHDL with-select Příklad: mějme následující popis v jazyce VHDL?? kombinací Koncepční schéma Schéma na hradlové úrovni

12 Souběžné příkazy v jazyce VHDL with-select Příklad: dekodér 1z4, funkce je dána pravdivostní tabulkou

13 Souběžné příkazy v jazyce VHDL with-select Příklad: prioritní enkodér 4-to-2, funkce je dána pravdivostní tabulkou Tento příkaz není vhodný pro prioritní enkodér!!!

14 Číslicový komparátor Číslicový komparátor porovnává velikosti dvou čísel v binárním kódu. Nejčastěji je využívána informace o shodě dvou čísel. Mějme dvě n-bitové čísla A a B Vyjádření, že čísla jsou shodná vyjadřuje následující vztah K = ( A = B )( A = B )...( A = B ) n 1 n 1 n 2 n Schematická značka číslicového komparátoru n n A B KOMP K podmínka K A=B 1 A B 0

15 Aritmetické operace (komb. log. obvody) sčítání Neúplná sčítačka má dva vstupy A, B a dva výstupy S, cout. Výstup S udává výsledek součtu jednobitových čísel A a B, výstup cout generuje přenos vznikající při součtu. Pro výstupy platí logické funkce S = AB + AB = A B cout = AB Úplná sčítačka jednobitová je sestavena ze dvou neúplných sčítaček. Má tři vstupy, ke vstupům A a B přibývá vstup pro přenos ze sčítačky nižšího bitu. Sn = A B cin cout = AB + cin( A B) A B cin cout S cin B A =1 1 & 2 =1 3 & 4 5 & S cout

16 Aritmetické operace sčítání Symbol 1-bitové úplné sčítačky n-bitová sčítačka s postupným přenosem je složena z n 1-bitových úplných sčítaček 4-bitová sčítačka s postupným přenosem (Carry-Ripple Adder)

17 Aritmetické operace sčítání Sčítačka s postupným přenosem Výhody: Jednoduchá realizace Sériové zapojení n 1-bitových úplných sčítaček Nevýhody: Velmi pomalé Velké zpoždění ze vstupu přes všechny 1-bitové úplné sčítačky na výstup Požití: Kde není kritická rychlost Pro pomalé aplikace, výsledné zpoždění závisí cílové technologii Když je požadována vysoká rychlost => velký pracovní kmitočet Není možné použít tento typ sčítačky Je nutné realizovat sčítačku založenou na odlišné struktuře!!! Např. sčítačka s paralelním přenosem (Carry-Lookahead Adder) mnohem rychlejší, ale větší obvodová struktura

18 Aritmetické operace sčítání 4-bitová sčítačka symbol

19 Dvojkový doplněk 4-bitové číslo rozsah +7 až -8 MSB představuje znaménkový bit Využívá se při operaci odčítání Samotná sčítačka může pracovat se zápornými čísly vyjádřené ve dvojkovém doplňku Pokud chceme převést číslo do dvojkového doplňku a na pozici MSB je 1, je nutné vektor rozšířit o jednu pozici Příklad: Unsigned 2 scomplement (kladný) 1001 (9) => (+9), +15 až (18) => (+18), +31 až -32 Binární číslo Dekadické číslo Dvojkový doplněk

20 Aritmetické operace odčítání Využití dvojkového doplňku 4-bitové číslo rozsah +7 až -8 Mohou nastat 2 případy A B výsledek je kladný A<B výsledek je záporný, vyjádření ve dvojkovém doplňku Příklad: Odečteme dvě čísla A-B, A=5 a B=3 1) Určíme dvojkový doplněk čísla B 2) Sečteme číslo A a B: 0011 (+3) (5) (-3) (+2) Obecné vyjádření odčítačky je tedy A B = A + (-B) = A + not(b) + 1

21 Aritmetické operace odčítání A 3 A 2 A 1 A 0 B 3 B 2 B 1 B 0 A 3 A 2 A 1 A 0 B 3 B 2 B 1 B 0 C out C in 1 S 3 S 2 S 1 S 0 S 3 S 2 S 1 S 0 A B = A + (-B) = A + not(b) + 1

22 Aritmetické operace sčítání/odčítání Vstup SET je přiveden na XOR a rozhoduje o sčítání nebo odčítaní SET=1 odčítání SET=0 sčítání

23 BCD sčítačka Jedná se o klasické sčítání. Problém nastává v případě, kdy je výstupní 4-bitové binární číslo v rozsahu od 1010(1010) do 1111(1510) Rozsah BCD kódu je od 0000(0 10 ) do 1001(9 10 ). Pokud je součet čísel do hodnoty 1001, pak je BCD a binární číslo stejné. Pokud je součet větší než 1001, pak musí dojít k převodu na další BCD číslo. Nejvýznamnější BCD číslice součtu nebude vyšší než 1, protože součet dvou BCD čísel nebude vyšší než číslo Mějme binární číslo (19 10 ). BCD číslo je pak vyjádřeno dvěma BCD čísly 0001 BCD a 1001 BCD.

24 BCD sčítačka Binární součet (A + B + Cin) Dekadický tvar Upravený BCD tvar (C4 + BCD)

25 BCD sčítačka BCD číslice BCD číslice A 3 A 2 A 1 A 0 B 3 B 2 B 1 B 0 A 3 A 2 A 1 A 0 B 3 B 2 B 1 B 0 C 4 ' 4-bitová sčítačka C 0 S 3 S 2 S 1 S 0 C 0 B 3 B 2 B 1 B 0 převodník BIN/BCD C 4 D 3 D 2 D 1 D 0 C 4 D 3 D 2 D 1 D 0 přetečení BCD číslice

26 BCD sčítačka převodník BIN/BCD Příznak přetečení C4 je generován v případě, pokud je binární součet v rozsahu 01010(10 10 ) sum 10011(19 10 ). V upraveném BCD tvaru je součet v rozsahu sum Pokud je binární součet menší nebo roven 01001, pak je výstupní číslo převodníku BIN/BCD rovno vstupnímu číslu. Pokud je binární součet v rozsahu 01010(10 10 ) sum 10011(19 10 ), musí být nejnižší 4-bity vstupního binárního čísla převedeny na korektní BCD číslo. To může být provedeno přičtením čísla (6 10 ).

27 BCD sčítačka Příznak přetečení C4 bude roven 0 pro binární součet v rozsahu od 00000(0 10 ) do 01001(9 10 ). Příznak přetečení C4 musí být roven 1 pro binární součet v rozsahu od 01010(10 10 ) do 10011(19 10 ). Pokud je příznak přetečení C4 paralelní 4-bitové paralelní sčítačky roven 1, pak je příznak přetečení C4 převodníku BIN/BCD rovněž roven 1. Pokud je binární součet v rozsahu od 01010(10 10 ) do 01111(15 10 ), pak musí být bit MSB binárního součtu převeden na číslo 1 Vyjádříme si tento vztah příznakem přetečená C4 a navrhneme příslušnou Karnaughovu mapu.

28 BCD sčítačka C " = S S + S S C = C ' + C " = C ' + S S + S S

29 BCD sčítačka BCD číslice BCD číslice A 3 A 2 A 1 A 0 B 3 B 2 B 1 B 0 A 3 A 2 A 1 A 0 B 3 B 2 B 1 B 0 C 4 ' 4-bitová sčítačka S 3 S 2 S 1 S 0 C 0 ' Cin & 1 & S 3 ' S 2 ' S 1 ' S 0 ' A 3 A 2 A 1 A 0 B 3 B 2 B 1 B 0 převodník BIN/BCD C 4 4-bitová sčítačka C 0 S 3 S 2 S 1 S 0 C 4 S 3 S 2 S 1 S 0

30 BCD sčítačka - výstupní součet v rozsahu od do A 1000 B 1000 A 100 B 100 A 10 B 10 A 1 B 1 C 4 ' 4-bitová sčítačka C 0 ' C 4 ' 4-bitová sčítačka C 0 ' C 4 ' 4-bitová sčítačka C 0 ' C 4 ' 4-bitová sčítačka C 0 ' C 0 BIN/BCD C 0 BIN/BCD C 0 BIN/BCD C 0 BIN/BCD C 4 C 4 C 4 C 4 S S 1000 S 100 S 10 S 1

31 Realizace jednoduché aritmetické jednotky (ALU) Aritmetická jednotka bude zpracovávat 2 16-bitové sběrnice A a B Funkce aritmetické jednotky ALU je dána následující tabulkou sel Operace Funkce Jednotka 0000 y<=a Přenesení A 0001 y<=a+1 Inkrementace A 0010 y<=a-1 Dekrementace A 0011 y<=b Přenesení B 0100 y<=b+1 Inkrementace B aritmetická 0101 y<=b-1 Dekrementace B 0110 y<=a+b Součet A a B 0111 y<=a+b+cin Součet A a B a přenosu 1000 y<=not A Negace A 1001 y<=not B Negace B 1010 y<=a and B AND 1011 y<=a or B OR 1100 y<=a nand B NAND logická 1101 y<=a nor B NOR 1110 y<=a xor B XOR 1111 y<=a xnor B XNOR

32 Realizace jednoduché aritmetické jednotky (ALU)

33 Realizace jednoduché aritmetické jednotky (ALU) entity ALU_arith is Port (sel : in std_logic_vector(2 downto 0); A,B : in std_logic_vector(15 downto 0); cin : in std_logic; y : out std_logic_vector(15 downto 0)); end ALU_arith; architecture Behavioral of ALU_arith is architecture Behavioral of ALU_arith is begin with sel select y<=a when 000, A+1 when 001, A-1 when 010, B when 011, B+1 when 100, B-1 when 101, A+B when 110, A+B+cin when others; end Behavioral;

Podobné dokumenty

Digitální obvody. Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D.

Digitální obvody. Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D. Digitální obvody Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D. Realizace kombinačních logických funkcí Realizace kombinační logické funkce = sestavení zapojení obvodu, který ze vstupních proměnných vytvoří výstupní proměnné