Transcript Wykład 6
Podstawy
Techniki Cyfrowej
Wykład 6:
Podstawowe i złożone
układy kombinacyjne,
zjawisko hazardu
Dr inż. Marek Mika
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa
im. Jana Amosa Komeńskiego
W Lesznie
Plan
• Podstawowe układy
kombinacyjne – bramki
• Złożone układy kombinacyjne
• Zjawisko hazardu
Typy symboli
reprezentujących bramki
• Symbole o kształcie prostokątnym
• Symbole o kształcie zróżnicowanym
Podstawowe bramki – symbole
o kształtach zróżnicowanych
Zwiększanie liczby wejść symboli
o kształtach zróżnicowanych
• Przy użyciu symboli o kształtach zróżnicowanych liczba
wejść bez wskaźników negacji nie powinna przekraczać
4, a liczba wejść ze wskaźnikami negacji nie powinna
przekraczać 3
Symbole o kształcie prostokątnym
czy zróżnicowanym?
• Główne zalety kształtu prostokątnego:
– mniejszy i prostszy schemat logiczny (symbole
mogą stykać się poziomymi krawędziami)
– zdefiniowane w standardzie symbole układów
złożonych
• Główne zalety kształtu zróżnicowanego:
– większa czytelność i łatwiejsza interpretacja bramek
• W praktyce czasem stosuje się jednocześnie
obydwa rodzaje symboli:
– zróżnicowane – dla bramek podstawowych
– prostokątne – dla pozostałych układów
Wskaźniki negacji i polaryzacji
• Stosowane do konstrukcji schematów logicznych w
dwóch różnych systemach oznaczeń
• Wskaźniki negacji (kółeczka) stosuje się przy
konstrukcji schematów logicznych w konwencji
abstrakcyjnych stanów logicznych (0, 1)
• Wskaźniki polaryzacji (trójkąciki) stosuje się przy
konstrukcji schematów logicznych w konwencji
wielkości fizycznych, mierzonych na wejściach i
wyjściach układów cyfrowych
• Przyjmuje się umownie, żę w sensie logicznym
wyróżnia się dwa przeciwstawne poziomy wielkości
fizycznej:
– poziom bardziej dodatni – poziom wysoki – H (High)
– poziom mniej dodatni – poziom niski – L (Low)
Równoważność symboli
wg praw de Morgana
Logiki: dodatnia i ujemna
• Wskaźniki negacji mogą być użyte do opisu realnych
układów, jeżeli wprowadzone zostaną jednoznaczne
związki między abstrakcyjnymi stanami 0 i 1, a realnymi
poziomami L i H
• Logika dodatnia – stan 1 jest równoważny poziomowi
wysokiemu H, a stan 0 poziomowi niskiemu L
• Logika ujemna – stan 1 jest równoważny poziomowi
niskiemu, a stan 0 jest równoważny poziomowi
wysokiemu
• W praktyce stosuje się wyłącznie logikę dodatnią (nie
trzeba na schemacie podawać stosowanej logiki)
Złożone układy kombinacyjne
• Złożone układy kombinacyjne powstają przez
odpowiednie połączenie pewnej liczby
podstawowych elementów logicznych (bramek
i inwerterów)
• Kolejność postępowania przy syntezie
złożonego układu kombinacyjnego
1. określenie funkcji logicznej według wymagań (np.
w postaci tablicy stanów, zbiorów T i D)
2. określenie i minimalizacja formy boolowskiej
3. sporządzenie schematu układu, odpowiadającego
minimalnej formie boolowskiej
4. optymalizacja konfiguracji schematowej
Realizacje bramek w różnych SFP
• Przykład – AND w realizacji na bramkach NOR
• Inne przykłady na ćwiczeniach
Wpływ praktyki
• Najprostsze i najszybsze struktury tranzystorowe mają
bramki z inwersją (NAND i NOR), a bramki AND i OR
otrzymuje się przez dodanie inwersji na wyjściach
• Występuje konieczność ograniczenia liczby wejść
bramek – konieczność dekompozycji bramek
wielowejściowych na zespoły bramek o limitowanej
liczbie wejść
• Minimalna liczba bramek nie jest celem nadrzędnym,
ważniejszymi kryteriami stają się: szybkość działania,
regularność rozkładu topograficznego, ograniczenie
długości ścieżek połączeniowych
Dekompozycja i faktoryzacja
• W przypadku ogólnym dekompozycję
wykonuje się korzystając z twierdzenia
Shannona o rozkładzie funkcji logicznej
• W bardziej złożonych układach stosuje się
dekompozycję funkcjonalną (blokową)
• W niektórych przypadkach można uzyskać
zmniejszenie liczby bramek przez zwiększenie
liczby poziomów układu w wyniku
zastosowania faktoryzacji – przekształcenie
formy boolowskiej przez znalezienie
wspólnych czynników w mintermach i
wprowadzenie nawiasów
Minimalizacja form boolowskich
dla układów wielowyjściowych
• Minimalizacja oddzielnych form wyjściowych
jest trudna, ale można skorzystać ze
specjalizowanego oprogramowania np.
Espresso MV lub MVSIS
• W praktyce syntezy układu dokonuje się
korzystając z komputerowych systemów
projektowych
– projektanci ograniczają się do opisu układu
– synteza i optymalizacja wykonywane przez
oprogramowanie
LUT
• LUT = Look-Up Table
• Tzw. „scalone tablice stanów”
• Blok pamięci stałych stosowany zamiast
złożonych sieci bramkowych
Kryteria optymalizacji
• Do najpopularniejszych kryteriów optymalizacji
układów cyfrowych zalicza się:
– minimalną złożoność układową
– minimalne opóźnienie propagacji, tj. maksymalna
szybkość działania
– minimalny koszt
– maksymalna niezawodność
– zapewnienie poprawnego działania układów przy
pewnych uszkodzeniach (fault tolerant design) –
dodanie układów redundantnych i/lub kodów
korekcyjnych
– zapewnienie odpowiedniej testowalności (testable
logic design) – odpowiednie projektowanie by
zmniejszyć koszty testowania
Zjawisko hazardu
• Hazard w układach kombinacyjnych, to krótkie
zakłócenie szpilkowe pojawiające się na
wyjściu układu podczas procesów
przejściowych
• Może wystąpić wtedy, gdy ten sam sygnał
przesyłany jest do tej samej bramki, kilkoma
drogami o różnych opóźnieniach
• Na wyjściu może pojawić się krótki impuls
wynikający z różnicy tych opóźnień
Hazard statyczny w jedynkach
Unikanie hazardu
• Wprowadzenie dodatkowej bramki reprezentującej
pozostały implikant
Hazard dynamiczny
• Występuje w układach wielopoziomowych
• Polega na pojawieniu się na wyjściu układu
impulsu szpilkowego bezpośrednio po zmianie
poziomów logicznych z 0 na 1 albo z 1 na 0
• Może wystąpić, gdy chociaż jeden sygnał
przesyłany jest do wyjścia trzema drogami o
różnych opóźnieniach
Hazard dynamiczny przykład
Unikanie hazardu dynamicznego
•
Rysunek przedstawia układ równoważny układowi z
poprzedniego slajdu – zlikwidowano hazard dynamiczny,
ale pozostał hazard statyczny
Przyczyny powstawania hazardu
• co najmniej jeden sygnał wejściowy dochodzi
do wyjścia co najmniej dwoma drogami o
różnych opóźnieniach
• jednoczesnej zmianie co najmniej dwóch
sygnałów wejściowych, które przechodzą do
wyjścia drogami o różnych opóźnieniach
• układ zapewnia dla wszystkich sygnałów
wejściowych drogi o jednakowych
opóźnieniach, lecz sygnały te zmieniają swe
stany logiczne niejednocześnie
Zjawisko hazardu w praktyce
• W układach kombinacyjnych nie jest
niebezpieczne
• Niebezpieczne tylko, gdy układ kombinacyjny
współpracuje lub stanowi część
asynchronicznego układu sekwencyjnego
• Hazard może być zjawiskiem pożytecznym np.
w detektorach zbocza impulsu wejściowego
Detektor narastającego zbocza
impulsu wejściowego
Detektor opadającego zbocza
impulsu wejściowego
Detektor obydwu zboczy impulsu
wejściowego
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ