LOGICKÉ OBVODY X36LOB Doc. Ing. Hana Kubátová, CSc. Katedra počítačů FEL ČVUT v Praze 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 1
Obsah a cíle předmětu Číslicový návrh (digital design) Číslicové obvody logické obvody Realizace základních bloků číslicového počítače obecněji číslicového systému - a jejich komunikace Kombinační obvody x sekvenční obvody Práce s moderními návrhovými systémy a programovatelnými obvody 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 2
Informace, podmínky Předměty katedry počítačů: http://service.felk.cvut.cz/ odkaz X36LOB Server HardWeb přístup pro přihlášené na předmět Katedra počítačů http://cs.felk.cvut.cz/ Mail: kubatova@fel.cvut.cz 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 3
Zápočet, zkouška 1. Ke zkoušce po složení zápočtu 2. Až 50 bodů ze cvičení 2x15 za testy (30 minut, KLO, SLO) 10 domácí práce 10 úspěšná realizace laboratorních úloh 3. Za 45 bodů známka A (výborně) bez zkoušky, 25 bodů nutné pro zápočet, 1 test lze opravit organizováno centrálně - KOS 4. Až 50 bodů zkouškový test 5. Zkouškové termíny max. 1 týdně a jen ve zkouškovém období, v létě max. 1 termín 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 4
Outline 1. přednášky Architekturačíslicového počítače a vliv technologie na její změny, Mooreův zákon Návrhový proces Příklad (Sčítačka) Specifikace až realizace pomocí hradel Rozdíl mezi kombinačními a sekvenčními obvody 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 5
Architektura počítače - hierarchie Application Operating System Compiler Instr. Set Proc. Firmware I/O system Instruction Set Architecture Datapath & Control Digital Design Circuit Design Layout 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 6
von Neumannova architektura Od r. 1946: PROCESOR Vstup Řadič Paměť Datová cesta Výstup 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 7
Síly působící na změny architektury Technology Programming Languages Applications Computer Architecture Cleverness Operating Systems History 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 8
Technologie DRAM chip capacity DRAM Year Size 1980 64 Kb 1983 256 Kb 1986 1 Mb 1989 4 Mb 1992 16 Mb 1996 64 Mb 1999 256 Mb 2002 1 Gb Transistors 100000000 10000000 1000000 100000 10000 Microprocessor Logic Density R10000 Pentium up-name R4400 i80486 i80386 i80286 R3010 i8086 SU MIPS i80x86 M68K MIPS Alpha i4004 1000 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 9
Technologie dramatický rozvoj, Mooreuv zákon zdvojnásobení hustoty integrace každých 18 měsíců Procesory Logická kapacita: o 30% za rok Hodinová frekvence: o 20% za rok Hlavní paměť DRAM kapacita: o 60% za rok (4x každé 3 roky) Rychlost přístupová doba: o 10% za rok Cena za bit: snížení o 25% za rok Disk Kapacita: o 60% za rok Využití dat: o 100% každých 9 měsíců Počítačové sítě šířka pásma o 100% za rok! 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 10
Typy počítačů Supercomputers Mainframes Minicomputers Microprocessors 1970 1975 1980 1985 1990 1995 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 11 Year
Problémy k řešení při návrhu Specifikace co chceme realizovat Hlavně aby to fungovalo Optimalizace z různých hledisek Velikost Rychlost Příkon Spolehlivost Cena včetně návrhových prostředků Rychlost návrhu Testovatelnost DFT = design for testability 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 12
Jednotlivé fáze návrhového procesu pro číslicové systémy Specifikace Příklad 1, sl. 14-17 Určení vstupů a výstupů Pravdivostní tabulky Příklad 1, sl. 18 Booleovské rovnice Návrh realizace na úrovni hradel Příklad 1, sl. 19-22 Simulace na úrovni hradel Realizace číslicového obvodu Ověření návrhu 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 13
Příklad 1 Co? Chci sčítat JAK??? Co chci dostat? 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 14
Příklad 1 Dvojková čísla A a B JAK číslicově, dvojkově (binárně) Dvojkové číslo S = A + B Dvojková čísla budou nejprve 1 bitová, tzn.: 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, ale pozor 1+1=10!!! Přenos!!! 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 15
Příklad 1 A B??? S = A + B A co přenos??? 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 16
Příklad 1 a b p Σ s q 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 17
Příklad 1 a b p q s 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 s = abp + abp + abp + abp q = abp + abp + abp + abp Úpravy výrazů na tabuli: 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 18
Realizace??? Hradla A.B = P. and E+F = R or, V C.D = P G xor H = S 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 19
Funkce hradel, Booleova algebra NAND Gate Invertor NOR Gate A B Out In Out Out = In A B Out A B Out 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 In 0 1 Out 1 0 A B Out 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 20
Funkce hradel, Booleova algebra XOR Gate XOR Gate A B OR Gate Out A B AND Gate Out G H S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 A B Out 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 A B Out 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 21
Sčítačka 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 22
Implementační báze http://...service...x36lob... 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 23
Programovatelné obvody Specifikace Určení vstupů a výstupů Pravdivostní tabulky Booleovské rovnice Návrh realizace na úrovni hradel Simulace na úrovni hradel Realizace číslicového obvodu Ověření návrhu automatizováno 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 24
Kombinační x sekvenční obvody Kombinační vystup je dán kombinací vstupů, nezáleží na čase Sekvenční výstup závisí na posloupnosti (sekvenci) hodnot na vstupech, realizuje se tzv. zpětnou vazbou Vše lze matematicky popsat Logická funkce Konečný automat - FSM 26.9.2008 Logické obvody - 1 - Úvod 25