Digitale elektronica --1--

InhoudAnalyse van sequentiële netwerken

– het gedrag van teruggekoppelde poortnetwerken

– races en hazards– synchroon versus asynchroon gedrag,

geheugencellen

Sequentiële bouwblokken

Synthese van sequentiële netwerken – incrementele gedragsbeschrijvingen– toestandsminimalisatie– Toestandsassignatie

Aspecten van compositie en decompositie– Verfijning en decompositie– Spatiale versus temporale decomposities– Composities van synchrone automaten

Digitale elektronica --2--

Digitale Bouwstenenstandaardcomponenten

Digitale bouwstenen

Standaard-componenten

Programmeerbarecomponenten

Applicatie-specifiekebouwstenen

Seq. Comb. PLA-achtigen

Cell-arrays

GateArrays

StandardCell

Full Custom

SSIMSILSI

PLAPALPLSEPLDVLSI

FPGA

Digitale elektronica --3--

Standaardcomponenten:sequentiële functies

SSI• flip-flops: diverse klok- en datagedragingenMSI• registers• tellers• schuifregistersLSI• registerbanken• processor-bouwblokkenVLSI• processors• geheugens• specifieke chips voor consumentenmarkt

Digitale elektronica --4--

Flip-flopsDefinitie van het tijdsgedrag

ts th

tp

ts thFlanksturing

ts th

tp

O-interval

I-interval

Niveausturing

Pulssturing

Digitale elektronica --5--

Flip-flopsDefinitie van het datagedrag

D Qn Q’n0 0 11 1 0D-gedrag

T Qn Q’n0 Qn-1 Q’n-1

1 Q’n-1 Qn-1

T-gedrag

R S Qn Q’n

0 0 Qn-1 Q’n-1

0 1 1 01 0 0 11 1 ?? ??

R/S-gedrag

J K Qn Q’n

0 0 Qn-1 Q’n-1

0 1 0 11 0 1 01 1 Q’n-1 Qn-1

J/K-gedrag

Digitale elektronica --6--

Flip-Flopseen overzicht

KlokgedragData-gedrag Asynchr Niveau Flank Puls

S/R 74LS279 ** **

D draad 74LS75 74LS74

T -- -- ** **

J/K -- -- 74LS73A 74LS76

Voorbeelden van pdf-bestanden

74HC74

74F109

7476

7475

7473

74279

Digitale elektronica --7--

De essentie van synchroon gedrag

Combinatorischelogica

Registers

In Out

Klok

Flip-flop propagatieKlok

Combinatorisch propagatieFlip-flop instel

ts th

tp

Flanksturing

Digitale elektronica --8--

Regels voor synchroon ontwerp

• Gebruik alleen geheugenelementen met disjuncte I- en O-intervallen

• Gebruik alleen geheugenelementen met zelfde klokgedrag

• Zorg ervoor dat de klokverschuiving beperkt is tot separatie tussen I en O

• Zorg ervoor dat de klok een voldoende periode heeft

• Stuur inputs op het correct ogenblik aan

Inputsignalen moeten stabiel zijn gedurende I-Inputsignalen moeten stabiel zijn gedurende I-intervalinterval

Digitale elektronica --9--

Regels voor synchroon ontwerp metastabiliteit

Veranderingen van input binnen I-interval• Meestal “normaal” gedrag van FF: resultaat is

onvoorspelbaar, maar wel ofwel 0 ofwel 1

• Soms “geen” resultaat: finale waarde wordt ongewoon laat bereikt. Intussen geen betrouwbare waarde:– niet finaal– eventueel halfslachtig niveau– mogelijk zelfs dynamische hazards

Digitale elektronica --10--

Regels voor synchroon ontwerp metastabiliteit

kloksignaal

inputsignaal

outputsignaal

74LS74

14 ns 30 ns

Digitale elektronica --11--

Metastabiel gedragBreuninger’s grafiek

MTBF Cf f

ec d

C t 1 2

Digitale elektronica --12--

Geheugens en processors

Er bestaan een aantal generieke functies die het gebruik van hoge integratiedichtheden mogelijk maken

Voorwaarde: universele inzetbaarheid

Twee belangrijke voorbeelden:• geheugens• processors (+ randchips)

Digitale elektronica --13--

Geheugenskenparameters

Interne opbouw– statisch (SRAM)– dynamisch (DRAM)

Structurele aspecten – Woordbreedte – Capaciteit

Functionele aspecten– toegangstijd en -bandbreedte– parallellisme in toegang – asynchrone of synchrone toegang

Digitale elektronica --14--

Geheugensinterne opbouw: statische geheugens

Geheugenwerking gebaseerd op terugkoppeling

Cel = elementaire flipfloplage toegangstijdgrote basiscel• CMOS: 6 transistors• NMOS: 4 transistors, dissipatieX/Y-adresseringKan in alle technologieën

Digitale elektronica --15--

Geheugensinterne opbouw: dynamische geheugens

Geheugenwerking gebaseerd op ladingsopslag op capaciteit (1 transistor)

Lezen dynamisch proces, destructief

Digitale elektronica --16--

Geheugensinterne opbouw: dynamische geheugens

Digitale elektronica --17--

Geheugensfunctionele aspecten

Parallellisme• Toegang tot grote RAMs sequentieel: woord per woord• Kleine statische RAMS (registerbestanden) en speciale

geheugens (DPMs, FIFOs) parallelToegangsprotocollen• Vroeger hoofdzakelijk asynchroon• Voor SRAM:

– relatief eenvoudig• Voor DRAM:

– sequentieel– opfriscycli– snelle blokmodes

• Synchrone protocollen nemen snel toe

Voorbeelden van pdf-bestandenSRAM

SSRAM

EDO-RAM

SDRAM

Digitale elektronica --18--

Processors

Processors worden als bouwblok in grote variëteit gemaakt:

• voor algemeen gebruik (zie computerarchitectuur)

• voor specifieke toepassingen: DSP, Grafiek, Communicatie

• als component voor realisatie van complexe functies: microcontrollers

Processors worden ook in toenemende mate als module gebruikt in ASIC-ontwerp of ontwerp met FPGAs

Digitale elektronica --19--

Processorsmicrocontrollers

Een microcontroller is een sterk geïntegreerde vorm van processor

Bevat naast processorkern ook• geheugen (beperkt) • perifere schakelingenWordt vaak in verschillende varianten gemaakt qua

beschikbaar geheugen, snelheid, en soort van meegeïntegreerde functies

Gebruik: in ingebedde systemen, waar complexiteit hogere eisen stelt dan snelheid:– printers, toetsenborden, ...– Automobiel, wasmachines, T.V.’s, ..– PLC’s, regelaars, procesautomatisatie

Digitale elektronica --20--

Processorsmicrocontrollers: voorbeeld

Digitale elektronica --21--

Digitale Bouwstenenprogrammeerbare componenten

Digitale bouwstenen

Standaard-componenten

Programmeerbarecomponenten

Applicatie-specifiekebouwstenen

Seq. Comb. PLA-achtigen

Cell-arrays

GateArrays

StandardCell

Full Custom

SSIMSILSI

PLAPALPLSEPLDVLSI

FPGA

Digitale elektronica --22--

Programmeerbare componentenPLA-achtigen: sequencers

De PLS:• PLS: PLA met

toestandsregister

Digitale elektronica --23--

Programmeerbare componentenarchitecturen: PLA-achtigen (2)

De PAL en de PLD: macrocellen met flipflops

Voorbeelden van pdf-bestanden

MACH pld

Cypress pld

22v10

Digitale elektronica --24--

Programmeerbare componentenarchitecturen: Cell-arrays (1)

Digitale elektronica --25--

Programmeerbare componentenModerne evoluties in FPGA’s

Moderne FPGA’s bevatten veel meer dan CLB’s en routing blocks:

• Sommige bevatten grote geheugenblokken, en laten toe van CLB’s te groeperen tot geheugenblokken

• Sommige bevatten R/T uitbreidingen om snelle ALU’s te maken (carry chains)

• Sommige bevatten standaard microprocessor naast programmeerbare array

• Sommige bevatten speciale I/O-interfaces:– Naar extern geheugen (DDR-ram)– LVDS en andere snelle verbindingen

Digitale elektronica --26--

Digitale BouwstenenASIC’s

Digitale bouwstenen

Standaard-componenten

Programmeerbarecomponenten

Applicatie-specifiekebouwstenen

Seq. Comb. PLA-achtigen

Cell-arrays

GateArrays

StandardCell

Full Custom

SSIMSILSI

PLAPALPLSEPLDVLSI

FPGA