Struktur rchtektur počítčů Čsování klopných ovodů Logcké komnční ovod (lok) používné v číslcovém počítč České vsoké učení techncké Fkult elektrotechncká Ver..3 J. Zděnek / M. Chomát 24
Čsování výpočet mmální hodnové frekvence Ovlvněno: Technologí Tp hrdel Počtem vstupů u hrdel Ztížením výstupů hrdel (větvením) Tpem klopných ovodů Délkou propojovcích vodčů (n plošném spoj, ) Vzájemnou polohou vodčů (kvlt návrhu plošného spoje) Rozmístěním součástek Počtem zemnících npájecích vrstev Způsoem rozvodu npájení Rozmístěním lokovcích kondezátorů Dlším vlv.. A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 2
Čsování klopného ovodu Clk D D SET Q Q Setup Hold Zde n hodnotě nezáleží Clk D CLR Q Clock-to-Q Q Předsth (Setup Tme) Vstup D musí ýt stlní (ustálený) před ktvní (zde náěžnou) hrnou hodnového sgnálu Přesh (Hold Tme) Vstup D musí zůstt stlní (ustálený) po ktvní (zde náěžné) hrně hodnového sgnálu Zpoždění (Clock-to-Q Tme) výstupu Q po ktvní (zde náěžné) hrně hodnového sgnálu A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 3
Mmální hodnová frekvence Logcký komnční ovod... Regstr...... Regstr... Clk Clk Všechn klopné ovod jsou řízen stejným hodnovým sgnálem Komnční logcké lok: Vstup jsou ktulzován př kždém tktu hodn Všechn výstup musí ýt stlní před dlším tktem A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 4
Krtcká cest perod hodn Logcký komnční ovod... Regstr... 7 7 7... Regstr... 8 8 8 Clk Clk Zpoždění hrdl Krtcká cest T c Perod hodn Krtcká cest: nejpomlejší cest mez lovolným z regstrů (klop.ovodů) Mnmální perod hodn je funkcí krtcké cest Perod T cmn musí ýt větší než: T c Clock to Q + Nejpomlejs cest komncn cst + mn Setup Musí ýt splněn poždvk n stltu vstupů výstupů A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 5
Krtcká cest (Kc) LSO - Logcký sekvenční ovod Kc3 Kc2 I,, Logcký komnční ovod Kc O,, j Kc4 S q,,q k Pměťová část Clk A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 6
Krtcká cest (Kc) Kc4 Kc2 Budcí funkce Stvový regstr Logk výstupů Kc D Q LKO LKO2 O C I clk Kc3 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 7
Hodnová frekvence = /Kc m Kc ze vstupů I n vstup stvového regstru Nestlt vstupů + zpoždění v LKO + Setup (předsth) Kc2 z výstupu stvového regstru n výstup O Clock-to-Q + zpoždění v LKO2 + poždvek n stltu výstupů Kc3 ze vstupů I n výstup O Nestlt vstupů + zpoždění v LKO2 + poždvek n stltu výstupů Kc4 z výstupu stvového regstru n jeho vstup Clock-to-Q + zpoždění v LKO + Setup (předsth) A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 8
Detektor posloupnost tů (FSA tpu Mel) Kc 8 8 8 d D SET CLR Q 4 4 Q q Kc2 8 Kc4 d q SET D CLR Q 4 4 Q 8 6 clk reset Kc = 8 + 8 + 4 [ns] Kc2 = 4 + 8 [ns] Kc3 = 6 + 8 [ns] Kc4 = 4 + 8 + 8 + 4 [ns] Kc3 f m = / Tc = / 34ns = 29, 4 MHz mn TClock to Q = 4 ns Setup = 4ns A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 9
Mjort Dekoder Komnční lok udeme proírt 3 2 rol s s Multpleer gt out lt out 3... Bnr sto Hlf 3 Johnson 4 Adder q e Comprtor Hlf Sutrctor Prort Encoder p gt gt 4 out 4 n eq out 4 c out s Brrel sr... 4 Shfter 3 sr sr 4 4 4 3 4t SL/RL 3 s l out l n 4 Shfter 4t L/R 4 Multpleer r n r out lt n l out l n lt out 4 t dder A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 4 d c Full Adder c en 3... 4 4 c n Shfter t L/R 4 t comprtor s q Full Sutrctor 4 4 4 t Adder/ Sutrctor 4 c out sd r n Decoder Demultpleer gt n lt n Bnr to Gr 4 d 4 r out su c n c + 4 4 4 t Adder/ Sutrctor 4 c out sd su 2 3 c n
Přehled komnčních loků dle ktegore Mjort Decoder Multpleer 4 to Hlf Adder Prort Encoder t Comprtor Full Adder Demultpleer 4t Comprtor Hlf Sutrctor Bnr to Gr Dec. t Shfter L/R Full Sutrctor Bn. to Johnson Dec. 4t Shfter L/R, L/A 4t Full Adder Multpleer 2 to 4t Brrel Shfter 4t Adder/Sutrctor A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok
Přehled komnčních loků 3 Mjort Dekoder 2 e Prort Encoder en Decoder Demultpleer 2 3 s Multpleer 3... 4 4 Multpleer 4 3... s 3... Bnr to 4 Gr 4 Bnr to 3 Johnson 4 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 2
Přehled komnčních loků 4 4 gt out lt out Comprtor gt n lt n eq out gt out lt out 4 t comprtor gt n lt n sr sr sr 4 l out l n Shfter t L/R r n r out rol s 4 4 3 Brrel Shfter 4t SL/RL 3 l out l n Shfter 4t L/R 4 r n r out A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 3
Přehled komnčních loků Hlf Adder s q p Full Adder s q Hlf Sutrctor d c c Full Sutrctor d c + su 4 4 4 4 4 t dder c n 4 t Adder/ Sutrctor c n 4 4 c out s c out sd A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 4
A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 5 Mjortní dekodér Mjort Nývá hodnot, kdž většn vstupních proměnných je rovn Mjort ze 3 tj. 2 neo 3 vstupní proměnné mjí hodnotu Mjort Dekoder 3 7 6 5 4 3 2 D f 2 7 6 5 4 3 2 D 2 2 2 2 2 6, 5 + + + = = 7), m (3, Mjort ze 3
A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 6 Mjortní dekodér Mjort Dekoder 3 7 6 5 4 3 2 D f 2 7 6 5 4 3 2 D 2 4 5 6 7 3 2 2 2 2 + + = Mjort ze 3
Mjortní dekodér = + + 2 2 Relzce 2 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 7
Prortní enkodér Kóduje stv n vstupů do určeného kódu (npř. nárního) n výstupu Lovolný počet vstupů prortního enkodéru může součsně nývt hodnot. Prortní enkodér n výstupech k všle vžd pouze kód ktvního vstupu (tj. = ) s nejvšší prortou (zde nejvšší prortu má ) Použtí sstém přerušení v počítčí (nterrupt sstem), Prortní enkodér 2 Prort Encoder D 2 D o 2 2 3 4 3 5 6 2 7 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 8
Prortní enkodér Prortní enkodér 2 Prort Encoder D 2 D o 2 2 3 4 3 5 6 2 7 = 3, 7) = + + + + m (,, 4, 5 + 2 = 4 ) = + m (2,, 6 2 2 2 2 2 2 2 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 9
Prortní enkodér Prortní enkodér 2 Prort Encoder D 2 D o 2 2 3 4 3 5 6 2 7 3 2 3 2 4 5 7 6 4 5 7 6 2 2 = 2 = 2 + + A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 2
Prortní enkodér Relzce 2 Prort Encoder = 2 + = 2 + 2 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 2
Prortní enkodér Blokování výstupu e = 2 e Prort Encoder Relzce Kroužek znčí, že ktvní stv je pro e = 2 e A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 22
Dekodér/Demultpleer Dekóduje kód n vstupu (npř. nární) n kód z n n výstupu Tpck je výstupní kód ktvní v Použtí dekodér dresových loků v počítč, en Decoder Demultpleer 2 3 Dekodér/Demultpleer D Y 3 2 2 3 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 23
Dekodér/Demultpleer en Decoder Demultpleer 2 3 Dekodér/Demultpleer D Y 3 2 2 3 = = = 2 = 3 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 24
Dekodér/Demultpleer Relzce en Decoder Demultpleer 2 3 = = 2 = = 3 2 en 3 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 25
Multpleer n vstupový multpleer je číslcový přepínč n vstupů n jeden výstup Multpleer 2 n s Multpleer D s 2 3 4 5 6 7 Mu 3 2 s s 4 5 7 6 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 26
Multpleer s 3 2 4 5 7 6 = s + s Relzce s A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 27
Multpleer Multpleer 4 n ze tří multpleerů 2 n Multpleer 4 n D s s 2 2 3 3 2 3 Multpleer Multpleer Multpleer s s A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 28
Multpleer Multpleer 4 2 n z multpleerů 2 n Multpleer 3... 3... s 4 4 Multpleer 4 3... 2 2 Multpleer Multpleer 2 3 3 Multpleer 3 s A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 29
Komprátor (t Comprtor) gt out eq out lt out Komprátor Comprtor gt n lt n gt eq lt out out [( = ) AND( gt ) ] = n ( > ) OR = ( = ) AND ( gt = ) AND ( lt = ) out = n n [( = ) AND( lt ) ] ( < ) OR = = n D gt n lt n gt out eq out lt out 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 Nemůže nstt, doplníme pro co nejlepší mnmlzc A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 3
Komprátor (t Comprtor) gt out gt n lt n eq out gt n lt n? 3 2? 3 2? 4 5 7 6? 2 3 5 4? 4 5 7 6? 2 3 5 4? 8 9? 8 9 gt. out =. +. gtn + gtn eq out =.. gtn. ltn +.. gtn. ltn Greter Thn Equl A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 3
Komprátor (t Comprtor) lt out? 3 2 gt n lt n? 4 5 7 6? 2 3 5 4? 8 9 lt =. +. lt +. lt out n n Less Thn A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 32
Komprátor (t Comprtor) Relzce gt n gt out lt n gt out eq out lt out Comprtor gt n lt n eq out lt out A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 33
Komprátor (4t Comprtor) gt out eq out lt out Comprtor gt n lt n 3 3 2 2 gt out eq out lt out Comprtor gt lt Comprtor gt lt Comprtor gt lt Comprtor gt n lt n 4 4 gt out eq out lt out 4 t comprtor gt n lt n A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 34
Převodník kódu (Code Converter) Bnr to Gr Bnární kód n Grův kód (sousední komnce se lší pouze v jednom tu) Bnární n Grův kód Bnr to 4 Gr 4 D 3 2 3 2 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 35
Převodník kódu (Code Converter) Bnr to Gr 3 2 3 2 4 5 7 6 4 5 7 6 2 3 5 4 8 9 2 3 5 4 8 9 2 3 2 3 = + = = 2 + 2 = 2 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 36
Převodník kódu (Code Converter) Bnr to Gr 2 3 3 2 3 2 4 5 7 6 4 5 7 6 2 3 5 4 2 3 5 4 8 9 8 9 2 3 2 3 2 = 3 2 + 3 2 = 3 2 3 = 3 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 37
Převodník kódu (Code Converter) Bnr to Gr Relzce 2 2 3 3 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 38
Převodník kódu (Code Converter) Bnr to Johnson Bnární kód n Johnsonův kód (sousední komnce se lší pouze v jednom tu) Bnární n Johnsonův kód D 2 s 3 s 2 s s Bnr to 3 Johnson 4 2 3 4 5 6 7 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 39
Převodník kódu (Code Converter) Bnr to Johnson s s 3 2 3 2 4 5 7 6 4 5 7 6 2 2 s + = 2 + 2 2 s = 2 + 2 = 2 s2 3 s 3 2 3 2 4 5 7 6 4 5 7 6 2 2 s + 2 = 2 + 2 2 s 3 = 2 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 4
Převodník kódu (Code Converter) Bnr to Johnson Relzce s s 2 s 2 s 3 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 4
Půlsčítčk (Hlf Adder) s = + D q s 2 3 Hlf Adder Relzce s q s = m (, 2) = ) q m ( 3 = = + = XOR s q AND A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 42
Sčítčk (Full Adder) s = + + p D p q s 2 3 4 5 p Full Adder s q 6 7 s = m (, 2, 4, 7) =.. p +.. p +.. p +.. p q = m (3, 5, 6, 7) =.. p +.. p +.. p +.. p A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 43
Úprv logckého výrzu Sčítčk (Full Adder) XOR XNOR s=.. p +.. p +.. p +.. p = p ( + ) + p ( + ) = = p ( + ) + p ( + ) = p ( ) Hlf Adder s XNOR = XOR Vhodná mnmlzce z K-mp q =.. p +.. p +.. p +.. p q= + p + p = + p ( + ) = = + p ( ) q 3 2 4 5 7 6 p Hlf Adder q A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 44
Sčítčk (Full Adder) Relzce Hlf Adder Full Adder XOR Hlf Adder p AND XOR s AND q OR A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 45
Sčítčk (Full Adder) Relzce Full Adder p Hlf Adder Hlf Adder s q A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 46
Sčítčk (4t Adder) q = c + Full Adder p = c s 3 3 2 2 Full Adder Full Adder Full Adder Full Adder c 3 c 2 c c c 4 s 3 s 2 s s 4 4 4 t dder c n 4 c out s A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 47
Půlodčítčk (Hlf Sutrctor) d = D c d 2 3 Hlf Sutrctor Relzce d c d = m (, 2) = + = d c = m () = c A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 48
Odčítčk (Full Sutrctor) d = c D c c + d 2 3 4 5 c Full Sutrctor d c + 6 7 d = m (, 2, 4, 7) =.. c +.. c +.. +.. c.. c.. c.. c.. c + = m (, 2, 3, 7) = + + + c c A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 49
A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 5 ) ( ) ( c c c c c + = = + + = + + = + ) ( ) ( ) ( ) ( ) (........ c c c c c c c c c d = + + + = = + + + = + + + = Odčítčk (Full Sutrctor) XNOR = XOR XNOR XOR 4 5 6 7 3 2 Úprv logckého výrzu Vhodná mnmlzce z K-mp Hlf Sutrctor d Hlf Sutrctor c c + c XNOR c c c c c........ + + + = +
Odčítčk (Full Sutrctor) Relzce Hlf Sutrctor Full Sutrctor Hlf Sutrctor d c Borrow OR c + Borrow A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 5
Odčítčk (Full Sutrctor) Relzce Full Sutrctor c Hlf Sutrctor Hlf Sutrctor d c + A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 52
Sčítčk/odčítčk (4t Adder/Sutrctor) Pro čísl kódovná v dvojkovém doplňku (Two s Complement) pltí: 4 4 4 t Adder/ Sutrctor 4 c out sd su = + + c n 3 d TC 3 = 2 2 su = odčítání su odčítání Full Adder Full Adder Full Adder Full Adder orrow = c 4 c 3 c 2 c c crr = sčítání c 4 c 4 sd 3 sd 2 sd Sčítání odčítání relzováno pouze sčítčkou sd A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 53
Shfter (t Left/Rght) sr l out l n Shfter t L/R r n r out Shft Logcl Left Shft Logcl Rght Shft Arthmetc Left Shft Arthmetc Rght A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 54
Shfter (t Left/Rght) Posun nárního řádu (o t) l n r n sr Shfter t L/R r out l out sr = Shft Rght D sr l n r n l out r out - - 2-3 - 4-5 - 6-7 - 8-9 - - - 2-3 - 4-5 - A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 55
Shfter (t Left/Rght) sr l out l n?? 3 2 4 5 7 6? 2 3 5 4????? 8 9 r n sr l n 3 2 4 5 7 6 2 3 5 4 8 9 r n l out sr + sr. = = sr. ln + sr. rn A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 56
Shfter (t Left/Rght) r out???? 3 2 r n???? 4 5 7 6 2 3 5 4 sr l n 8 9 r out = sr + sr. A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 57
Shfter (t Left/Rght) Relzce sr l out l n r n r out A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 58
4t Shfter (t Left/Rght, Logcl/Arthmetc) sr sr = Shft Arthmetc sr = Shft Rght l out l n Shfter t L/R r n r out sr sr 3 2 l out Shfter t L/R Shfter t L/R Shfter t L/R Shfter t L/R r n l n r out 3 2 sr sr 4 3 l out Shfter 4t L/R r n l n r out 4 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 59
Brrel Shfter (4t, Shft Left/Rotte Left) Posun vlevo neo rotce vlevo o s tů (komnční ovod) Zde ukázk posunu vlevo, podoně vprvo (pozor vprvo se lší logcký rtmetcký posun) rol = Rotte Left rol = Shft Left Rotte Left rol s 4 4 3 Brrel Shfter 4t SL/RL Shft Logcl Left Shft Arthmetc Left Posun o s tů s =,,2,3,4 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 6
Brrel Shfter (4t, Shft Left/Rotte Left) rol rol = rotte left MUX Q S MUX Q S MUX Q S MUX Q S MUX Q S MUX Q S MUX Q S MUX Q S 2 MUX Q S MUX Q S MUX Q S MUX Q S 2 3 MUX Q S MUX Q S MUX Q S MUX Q S 3 s s Johnson Encoder s 2 A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 6
Struktur rchtektur počítčů Čsování klopných ovodů Logcké komnční ovod (lok) používné v číslcovém počítč KONEC České vsoké učení techncké Fkult elektrotechncká A7B4SAP Struktur rchtektur počítčů 4 Logcké lok 62