Inhoud
description
Transcript of Inhoud
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