Transcript Digitalis_technika_I_2008 - 2008-09-2

Digitális technika
A tantárgy célja:
Digitális rendszertechnikai
-- alapfogalmak,
-- alapismeretek,
-- módszerek
megismertetése
-- informatikai eszközök működésének megértéséhez,
-- mérnöki szemlélet kialakításához
2
Tananyag:
• Logikai hálózat fogalma, logikai hálózatok csoportosítása.
• Kombinációs hálózatok leírási módjai.
• Logikai függvények, igazságtáblázat, logikai kapcsolási rajz, Karnaugh
tábla. Kombinációs hálózatok vizsgálata és tervezése.
• Jelterjedési késési idő, kombinációs hálózatok hazárdjai.
• Tipikus kombináció hálózatok.
• Programozható kombinációs hálózatok.
• Sorrendi hálózat fogalma, sorrendi hálózatok csoportosítása.
• Szinkron és aszinkron hálózatok.
• Tároló alapelemek, flip-flop típusok.
• Szinkron hálózatok vizsgálata, állapottáblázat, állapotegyenlet, állapotdiagram. Szinkron hálózat tervezési módszerei.
• Tipikus egyszerű szinkron hálózatok, számlálók és regiszterek.
• Aszinkron hálózatok vizsgálata,
3
Követelmények:
• Heti óraszámok: 3 óra előadás
• Számonkérés módja:
félév közben: 2 zh,
8. hét
1.zh (on-line zh, teszkérdések).
13.hét
2.zh (on-line zh, teszkérdések).
A vizsgára bocsátás feltétele, hogy mindkét ZH legalább 51% -os eredményű
legyen.
4
Követelmények:
Félév végén: vizsga
A vizsga módja: írásbeli

Az első részben alapkérdésekre kell válaszolni (on-line vizsga,
teszkérdések).

Az első részben a kapható maximális pontszám legalább 51 százalékát
el kell érni ahhoz, hogy a vizsga eredménye elégséges vagy jobb legyen.
(30 perc)


A vizsga második részében példákat kell megoldani. (60 perc)
A végső pontszám az első és a második részre kapott pontok összege
lesz.
5
Ajánlott irodalom :
• Kóré László: Digitális elektronika I. BMF 1121
• Dr. Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése,Tankönyvkiadó,
Budapest,
6
Segédletek:
Segédletek: lásd: http://nik.bmf.hu/lkore
Felhasználónév: kinfmb
Jelszó:
MicroCap
Egyéb segédletek:
•Micro-Cap 7 elektronikai szimulációs program, Student Version,
winnie.nik.bmf.hu/kore
• Micro-Cap 9 elektronikai szimulációs program, Student Version,
www.spectrum-soft.com
7
2. A formális logika és a Boole-algebra alapjai
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Formális logika:
Kialakulása: ókori Görögország),
Az emberi gondolkodás szabályainak keresése és megfogalmazása,
Állítások(premisszák) összekapcsolása következtetések(konklúziók)
létrehozására
Egyszerűsítések: egy állítás vagy IGAZ vagy HAMIS
Állítások összekapcsolása:
Legalább egy állításnak igaznak kell lennie ahhoz, hogy a következtetés is
igaz legyen. Másként fogalmazva: VAGY az egyik VAGY a másik VAGY az
n.-edik állításnak igaznak kell lennie, hogy a következtetés is igaz legyen.
(Logikai VAGY kapcsolat).
Minden állításnak igaznak kell lennie ahhoz, hogy a következtetés is igaz
legyen. Másként fogalmazva: az egyik ÉS a másik .....ÉS az n.-edik állításnak
is igaznak kell lennie, hogy a következtetés is igaz legyen. (Logikai ÉS
kapcsolat
Ha egy állítás igaz, akkor a következtetés hamis, illetve fordítva, ha egy állítás
hamis, akkor a következtetés igaz. (Tagadás, negálás)
Matematikai megfogalmazás: George BOOLE (1845)
8
Gyakorlati alkalmazás: az 1930-as évektől
Logikai műveletek, a logikai műveletek tulajdonságai
A három logikai alapművelet:
• VAGY művelet (logikai
összeadás)
• ÉS művelet (logikai szorzás)
• Negálás (tagadás)
9
VAGY művelet
A művelet meghatározása táblázatos formában
10
Műveleti jel: „+„
A művelet meghatározása algebrai formában: Y = A + B
A művelet meghatározása Veitch diagrammal
:
11
ÉS művelet
A művelet meghatározása táblázatos formában
:
12
Műveleti jel: „„
A művelet meghatározása algebrai formában: Y = A  B
A művelet meghatározása Veitch diagrammal:
13
Negálás (tagadás)
A művelet meghatározása táblázatos formában,
A művelet meghatározása Veitch diagrammal,
Műveleti jel: „¯„
1
0
14
15
16
17
18
19
Logikai hálózatok fogalma, főbb típusai
Logikai hálózatnak nevezzük azokat a rendszereket:
• melyeknek bemeneti illetve kimeneti jelei logikai jelek,
• a kimeneti jeleket a bemeneti jelek függvényében többékevésbé bonyolult logikai műveletsorozat eredményeként
állítják elő.
20
A logikai hálózatok két nagy csoportba sorolhatók:
- Kombinációs hálózatok
- Sorrendi hálózatok
Kombinációs hálózatoknak nevezzük azokat a logikai
hálózatokat, melyeknek kimeneti jelei csak a bemeneti jelek
pillanatnyi értékétől függnek.
Sorrendi (szekvenciális) hálózatoknak nevezzük azokat a
logikai hálózatokat, melyek kimeneti jelei nemcsak a
pillanatnyi bemeneti jelkombinációtól függnek, hanem attól
is, hogy korábban milyen bemeneti jelkombinációk voltak.
21
Kombinációs hálózatok leírási módjai:
• Algebrai leírási mód
• Igazságtáblázat
• Karnaugh tábla (grafikus leírás)
• Kapcsolási rajz
• Idődiagram
22
Algebrai leírási mód: logikai függvényekkel
Logikai függvény:
• a független változók és a függő változók is logikai jelek
(csak 0 vagy 1 értékűek lehetnek),
• a változókkal VAGY, ÉS ill. Invertálás műveleteket
végzünk.
23
Algebrai leírási mód: logikai függvényekkel
24
Algebrai leírási mód: logikai függvényekkel
Univerzális műveletek (függvények):
(minden más logikai fv. felépíthető belőlük)
• NEM-ÉS (NAND)
• NEM-VAGY (NOR)
• Kizáró-VAGY (EXOR, EXclusive-OR)
25
Példa: Szavazatszámláló
A bizottság 3 tagból áll, többségi szavazással döntenek. A szavazás
eredménye IGEN, ha legalább 2 tag IGEN-nel szavaz.
26
A működés táblázatos leírása: igazság-táblázat
27
Algebrai leírási mód
28
Logikai kapuk jelképi jelölései
29
A megtervezett logikai hálózat kapcsolási rajza:
30
Másik példa:
Digitális Komparátor
Feladata: az A1A0 és B1B0 két kétbites bináris szám
összehasonlítása
31
Digitális Komparátor
32
Kombinációs hálózatok sebessége,
a jel terjedésének ideje
A kombinációs hálózatok sebessége két dologtól függ
alapvetően:
• A szintek számától, azaz hány kapun kell áthaladnia egy
jelnek a bemenettől a kimenetig
• Az egyes kapuk jelterjedési késési idejétől
33
Jelterjedési késési idő, propagation delay time(tpd):
34
Mekkora ez az idő a gyakorlatban?
10ns (ez ma már lassúnak számít)………………....50ps
(Összehasonlítva a fény terjedési sebességével: a fény 50 ps
alatt kb.15 mm utat tesz meg)
35
Kombinációs logikai hálózatok gyakorlati
megvalósítása
* kapuk,
* funkcionális egységek
• kódolók,
• dekóderek,
• multiplexerek,
• demultiplexerek,
• aritmetikai egységek.,
• ALU
36
Funkcionális egységek:
Kódolók:
• Bináris-BCD
• Paritásbit generálás
• stb.
Dekódolók:
• BCD-decimális
• BCD-7 szegmens meghajtó
• stb.
Multiplexerek: több (2,4,8,16) vonalról egy vonalra, mint egy
sokállású választókapcsoló
Demultiplexerek: egy vonalról több vonalr, (lásd dekódolók)
Aritmetikai egységek (összeadók, teljes összeadók 1, 4, stb bitre)
ALU (aritmetikai-logikai egység)
37
BCD decimális dekódoló
38
7. Sorrendi hálózat fogalma, sorrendi hálózat fajtái,
modellje
Sorrendi hálózat: a kimeneti jelek nemcsak a bemeneti jelek aktuális
értékétõl függnek, hanem a bemeneti jelek korábbi, véges
hosszúságú jelsorozatától.
A sorrendi hálózatnak tehát emlékeznie kell ezekre a bemeneti
jelkombinációkra, bár általában elegendõ korlátozott mennyiségû
korábbi jelkombinációt megjegyeznie. Az emlékezéshez a sorrendi
hálózatnak külön „memóriával”, tárolóegységgel kell rendelkeznie.
Éppen a tárolási feladat, tárolóegység léte miatt a sorrendi hálózatok
lényegesen bonyolultabbak a kombinációs hálózatoknál.
A sorrendi hálózat leglényegesebb és legbonyolultabb része a
tárolóegység. A tárolóegység tárolóelemekbõl áll. Egy tárolóelem 1
bit információ tárolását végzi.
39
Sorrendi hálózatok két csoportja:
• Szinkron sorrendi hálózatok:
a tárolóelemek csak egyszerre (szinkronizálva)
változtathatják meg állapotukat
• Aszinkron sorrendi hálózatok:
a tárolóelemek a bemeneti jel változásának hatására
bármikor megváltoztathatják állapotukat
40
Szinkron sorrendi hálózatok
Modellezése:
Moore-modell
41
Szinkron sorrendi hálózatok
Modellezése:
Mealy-modell
42
A tárolóelem (flip-flop, FF)
Egyszerű aszinkron FF
43
Órajeles FF
44
Nem átlátszó órajeles FF-ok:
1. Kétfokozatú tároló (Master-Slave FF)
45
46
2. Élvezérelt FF
47
8.Tárolóelemek tulajdonságai, alaptípusai
Sorrendi hálózat leirási módszerei
Szinkron sorrendi hálózatban használható tárolóelemek
típusai:
• RS FF
• JK FF
• T FF
• D FF
48
1. RS FF
49
1. RS FF
50
2. JK FF
51
2. JK FF
52
3. T FF
53
3. T FF
54
4. D FF
55
Sorrendi hálózat leirási módszerei
• Állapottáblázat
• Állapot-diagram (állapotgráf)
• Állapotegyenlet
• Idődiagram
56
Egyszerű sorrendi hálózatok I. (számlálók)
Egyszerű sorrendi hálózatok II. (regiszterek)
Példák sorrendi hálózatokra
Számlálók:
• Feladatuk: a bemenetükre érkező impulzusok leszámlálása, a kapott
számérték tárolása. (a bemeneti jel sok esetben csak az órajelet jelenti).
• Gyakorlati példa: pl. digitális kijelzésű kvarcórákban a másodpercek,
percek, órák értékének meghatározásához.
Csoportosításuk:
• számlálási kód szerint (leggyakoribb a bináris és a BCD)
• számlálási irány szerint ( felfele ill lefele számlálás)
• Alkalmazásuk számítógépekben, beágyazott mikrogépekben:
• Számláló/időzítő egységek (lásd. 17. ill 18. rész)
57
Regiszterek:
Tipikus feladatuk:
• átmeneti tárolás (latch)
• léptetések (léptetõ, shift regiszterek)
Jellemzőik:
• bitszám
• van-e kapcsolat az egyes tárolócellák között
• tárolási mód (statikus vagy dinamikus léptető regiszter)
Speciális léptető regiszter: CCD (Charge Coupled Device, töltéscsatolt
eszköz)
58
Állapotgép / State machine
http://en.wikipedia.org/wiki/Finite_state_machine
59
Állapotgép / State machine
60