Elektronika cyfrowa i mikroprocesory

Elektronika cyfrowa i
mikroprocesory
Dr inż. Aleksander Cianciara
Sprawy organizacyjne
• Warunki zaliczenia
− Lista obecności
− Kolokwium końcowe
− Ocena końcowa
• Konsultacje
− Poniedziałek 16:00-17:00
• Kontakt
− Budynek A0 pok. 316 (III piętro – za przeszklonymi
drzwiami)
− [email protected]
− www.geol.agh.edu.pl/~alexc
2011-03-09 22:40:58
2
Literatura
•
•
•
•
•
„Podstawy elektroniki cyfrowej”, J. Kalisz, wyd WKŁ
„Podstawy techniki mikroprocesorowej”, P. Misiurewicz,
wazniak.mimuw.edu.pl
www.google.pl i spółka -> „elektronika cyfrowa podstawy”
Notatki z wykładu (ostatnie ale nie najmniej ważne)
• Slajdy z wykładu będą dostępne na stronie www
• UWAGA! – slajdy z wykładu nie zawierają komentarzy i są tylko
wstępem do tematu opisanego w książkach
2011-03-09 22:40:58
3
Cel wykładu
• Pokazać zastosowania elektroniki w
informatyce
• Pokazać zastosowania informatyki w
elektronice
• Budowa podstawowych elementów składowych
komputera (pamięć, procesor)
• Elementy ważne
2011-03-09 22:40:58
4
Plan wykładu
• Wprowadzenie
• Algebra Boole’a – sposoby zapisu
• Tautologie boole’a
• Realizacje techniczne
2011-03-09 22:40:58
5
Co to jest elektronika cyfrowa
• Informacja jest zakodowana za pomocą liczb,
• Wielkością cyfrową będziemy nazywać taką
wielkość, która w danym przedziale swej
zmienności przyjmuje skończoną liczbę
wartości
• Wielkością analogową będziemy nazywać taką
wielkość, która w danym przedziale swej
zmienności przyjmuje nieskończoną liczbę
wartości.
2011-03-09 22:40:58
6
Zastosowania …
2011-03-09 22:40:58
7
Budowa układów
• Od prostych – budowane z elementów
(bramek)
• Przez rozbudowanych – budowane z gotowych
bloków funkcjonalnych
• Po najbardziej złożone – projektowane
specjalizowanym systemami CAD,
„programowane” językiem HDL (Hardware
Description Language)
2011-03-09 22:40:58
8
Powiązanie informatyki z
elektroniką
9 marca 2011
9
Projektowanie układów cyfrowych
• Zbliżone do projektów oprogramowania
• Języki programowania elektroniki
− HDL
− VHDL
• Układy standardowe (ogólnego zastosowania)
kontra projektowane na zamówienie
• Oparte o mikrokontrolery (mikroprocesor w
jednej obudowie z pamięcią i układami
peryferyjnymi
2011-03-09 22:40:58
10
Zalety podejścia cyfrowego
•
•
•
•
•
Wysoka elastyczność
Prostota realizacji wielu skomplikowanych funkcji
Szybkość realizacji
Odporność na zakłócenia
Łatwa zmiana realizowanych funkcji (często tylko
przeprogramowanie)
• Możliwość realizowania funkcji „nie fizycznych” (nie
dających się zrealizować przez układ analogowy)
• Powtarzalność!!
2011-03-09 22:40:58
11
Wady podejścia cyfrowego
• Operowanie na liczbach o skończonej
precyzji,
• Skomplikowanie realizacji niektórych
funkcji (np. prosty filtr – w techn.
analogowej to rezystor + kondensator
lub cewka, w techn. cyfr wymaga
„całego komputera”
• Ograniczenia prędkości działania,
• Koszt, …
2011-03-09 22:40:58
12
Podział realizacji cyfrowych
• Sprzętowa
− Cała wymagana funkcja realizowana jest przez specjalizowany
układ cyfrowy
− Zalety to: szybkość, mały pobór prądu, niska cena przy dużych
ilościach
• Sprzętowo - programowa
− Wymagana funkcja jest realizowana przy pomocy programu,
procesora oraz niewielkiej liczby elementów dodatkowych,
− Zalety to: elastyczność, prostota projektowania i realizacji,
niska cena przy małych seriach produkcyjnych
2011-03-09 22:40:58
13
Podział funkcjonalny
• Układy kombinacyjne – realizacje
rozbudowane funkcje logiczne,
zbudowany z podstawowych układów
cyfrowych „bramek”
• Układy sekwencyjne – bardziej
skomplikowane będzie omawiany na
kolejnych wykładach.
2011-03-09 22:40:58
14
Realizacja praktyczna
• Maksymalne uproszczenie przez ograniczenie
ilości stanów do 2
− 0 – fałsz
− 1 – prawda
• „Bit” informacji
• Zastosowanie praw algebry Boole’a
• Możliwość reprezentacji dowolnej liczby
cyfrowej przy pomocy połączenia wielu bitów
2011-03-09 22:40:58
15
Symbole operacji logicznych
Funkcja
Zapis
Alternatywa (A lub B)
A∨B
Koniunkcja (A i B)
A∧B
Implikacja (jeśli A to B)
A⇒B
Równoważność (A wtedy
A⇔B
i tylko wtedy gdy B)
Negacja ( nie A )
2011-03-09 22:40:58
A
16
Notacje
f : X →Y
Funkcja boole’a
Tablice prawdy
X ⊆ Bn Y ⊆ Bn
B = {0,1}
X ⊆ B n = {0,1}× {0,1}× {0,1}× K × {0,1}
14444
4244444
3
n
razy
Zapis klasyczny
f ( x1 , x 2 , x3 )
(
) (
) (
f = x1 ⋅ x2 ∨ x1 ⋅ x2 ⋅ x3 ∨ x1 ⋅ x2 ⋅ x3
2011-03-09 22:40:58
)
x
y
z
f(x,y,z)
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
2
0
1
0
0
3
0
1
1
1
4
1
0
0
1
5
1
0
1
0
6
1
1
0
1
7
1
1
1
1
17
Tablice prawdy
x
y
z
f(x,y,z)
x
y
z
f(x,y,z)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
2
0
1
0
0
2
0
1
0
0
4
1
0
0
1
3
0
1
1
-
6
1
1
0
1
4
1
0
0
1
7
1
1
1
1
5
1
0
1
-
6
1
1
0
1
7
1
1
1
1
Niezupełna
2011-03-09 22:40:58
18
Operacje logiczne - tabice
a
b
a∨b
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
2011-03-09 22:40:58
a
b
a∧b
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
a
a
0
1
1
0
19
Operacje logiczne – tablice cd.
2011-03-09 22:40:58
a
b
a⇒b
a
b
a⇔b
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
20
Algebra Boole’a
• Tautologia – związki między zdaniami,
rachunek zdań
• Twierdzenie jest tautologią, jeżeli dla
wszystkich możliwych kombinacji
otrzymujemy zdanie prawdziwe.
2011-03-09 22:40:58
21
Podstawowe prawa boole’a
• Prawo idempotentności
a∨a⇔a
a∧a⇔a
• Prawo przemienności
a∨b⇔b∨a
a∧b⇔b∧a
• Prawo łączności
a∨(b∨c)⇔(a∨a)∨c
a∧(b∧c)⇔(a∧b)∧c
2011-03-09 22:40:58
22
Podstawowe prawa boole’a cd.
• Prawo rozdzielności
a∨(b∧c)⇔(a∨b)∧(a∨c)
a∧(b∨c)⇔(a∧b)∨(a∧c)
• Prawo pochłaniania
a∨(a∧b)⇔a
a∧(a∨b)⇔a
• Prawo własności stałych
a ∨ 0 ⇔ a, a ∧ 1 ⇔ a
a ∨ 1 ⇔ 1, a ∧ 0 ⇔ 0
2011-03-09 22:40:58
23
Podstawowe prawa boole’a cd.
• Własności negacji
a ∨ a ⇔ 1 – prawo wyłączonego środka
a ∧ a ⇔ 0 – prawo sprzeczności
( a ) ⇔ a – prawo podwójnego przeczenia
2011-03-09 22:40:58
24
Podstawowe prawa boole’a cd.
• Prawa De Morgana
( a ∨ b ) ⇔ a ∧ b
( a ∧ b ) ⇔ a ∨ b
a ∨ b ⇔ ( a ∧ b )
a ∧ b ⇔ ( a ∨ b )
2011-03-09 22:40:58
25
Technikalia…
2011-03-09 22:40:58
26
Przykład realizacji technicznej
(standard TTL)
• Stan wysoki (H) – logiczne „1”
− Napięcie 2,4 – 5 V
• Stan niski (L) – logiczne „0”
− Napięcie 0 – 0,8 V
• Stan zabroniony 0,8 – 2,4 V
• Logika dodatnia i ujemna (zamiana 0 i 1
miejscami)
2011-03-09 22:40:58
27
Inna realizacja fizyczna
• Napięcie dodatnie (np. +12V) –napięcie ujemne
( -12V) (RS232)
• Płynie prąd – nie płynie (pętla prądowa)
• Fala o częstotliwości F1 – Fala o częstotliwości
F0 (modem)
• Realizacje przy pomocy innych wielkości
fizycznych (światła, pola magnetycznego, itp.)
2011-03-09 22:40:58
28
Układy scalone - podział
• SSI -- ang. Small Scale Integration, zawierają do 10
bramek logicznych,
• MSI -- ang. Medium Scale Integration - 10-100
• LSI -- ang. Large Scale Integration - 100- 10000
• VLSI -- ang. Very Large Scale Integration ponad 100000
elementów,
• ULSI -- ang. Ultra Large Scale Integration - ponad l0
milionów elementów.
• ?brak nazwy? -- obecnie najwięcej elementów
zawierają pamięci > 4 miliardy tranzystorów (4 GB)
2011-03-09 22:40:58
29
Podział układów cd.
Układy cyfrowe
Gotowe układy standardowe
SSI, MSI, LSI
Standardowe bramki
(SSI, MSI),
Proste funkcje np. sumator,
komparator (MSI, LSI)
Układy programowalne
MSI, LSI, VLSI
Programowalne struktury
logiczne
PLD
Układy proste – SPLD
FPLA, PROM, PAL, GAL
Programowalne
matryce bramkowe
FPGA
Układy złożone - CPLD
Układy specjalizowane
ASIC
LSI, VLSI
Matryce bramkowe
GA (Gate Array)
Matryce komórkowe
SC (Standard Cell)
Układy indywidualne
FC (Full Custom)
2011-03-09 22:40:58
30
Pytania?
2011-03-09 22:40:58
31