Technische Grundlagen der Informatik Kapitel 2. Prof. Dr. Sorin A. Huss Fachbereich Informatik TU Darmstadt

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1 Technische Grundlagen der Informatik Kapitel 2 Prof. Dr. Sorin. Huss Fachbereich Informatik TU Darmstadt

2 Kapitel 2: Themen Logische Schaltungen oolesche lgebra Minimierung boolescher Funktionen Kombinatorische Schaltungen und ihre Elemente WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 2

3 Einleitung Eine logische Schaltung ist zusammengesetzt aus Eingängen usgängen Spezifikation der Funktion Spezifikation des Zeitverhaltens Eingänge inputs Funktionale functional Spez. spec timing Zeitverhalten spec outputs usgänge WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 3

4 Schaltungen Verbindungsknoten (node) Eingangs-Terminals:,, C usgangs-terminals:, Z Interne Knoten: n Schaltungselemente E, E2, E3 Jedes Element ist wiederum eine Schaltung (Hierarchie!) E n E3 C E2 Z WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 4

5 rten von logischen Schaltungen Kombinatorische Logik Zustandslos usgänge hängen nur von aktuellen Eingangswerten ab Sequentielle Logik Speichert einen Zustand usgänge hängen ab von aktuellen Eingangswerten und gespeichertem Zustand lso damit auch von vorherigen Eingangswerten Eingänge inputs Funktionale functional Spez. spec timing Zeitverhalten spec outputs usgänge WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 5

6 Regeln für kombinatorische Zusammensetzung Jedes Schaltungselement ist selbst kombinatorisch Jeder Verbindungsknoten der Schaltung ist entweder ein Eingang in die Schaltung oder an genau ein usgangsterminal eines Schaltungselements angeschlossen Die Schaltung enthält keine Zyklen Jeder Pfad durch die Schaltung besucht jeden Verbindungsknoten maximal einmal eispiel WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 6

7 oolesche Gleichungen eschreiben usgänge als Funktion der Eingänge eispiel: S = F(,, C in ) C out = F(,, C in ) S C L C C out in S = C in C out = + C in + C in WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 7

8 Grundlegende Definitionen Komplement: oolesche Variable mit einem alken (invertiert),, C Literal: Variable oder ihr Komplement,,,, C, C Implikant: Produkt von Literalen C, C, C Minterm: Produkt (UND, Konjunktion) über alle Eingangsvariablen C, C, C Maxterm: Summe (ODER, Disjunktion) über alle Eingangsvariablen (++C), (++C), (++C) WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 8

9 Disjunktive Normalform (DNF) Sum-of-products (SOP) form lle ooleschen Funktionen können in DNF formuliert werden Jede Zeile der Wahrheitstabelle enthält einen Minterm Jeder Minterm ist die Konjunktion (Produkt, UND) der Literale Der Minterm ist WHR genau für diese eine Zeile Die Funktion wird beschrieben durch Disjunktion (Summe, ODER) der Minterme, die am usgang WHR liefern Schema: Summe aus Produkten (SOP) minterm = F(, ) = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 9

10 Disjunktive Normalform (DNF) Sum-of-products (SOP) form lle ooleschen Funktionen können in DNF formuliert werden Jede Zeile der Wahrheitstabelle enthält einen Minterm Jeder Minterm ist die Konjunktion (Produkt, UND) der Literale Der Minterm ist WHR genau für diese eine Zeile Die Funktion wird beschrieben durch Disjunktion (Summe, ODER) der Minterme, die am usgang WHR liefern Schema: Summe aus Produkten (SOP) minterm = F(, ) = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss

11 Disjunktive Normalform (DNF) Sum-of-products (SOP) form lle ooleschen Funktionen können in DNF formuliert werden Jede Zeile der Wahrheitstabelle enthält einen Minterm Jeder Minterm ist die Konjunktion (Produkt, UND) der Literale Der Minterm ist WHR genau für diese eine Zeile Die Funktion wird beschrieben durch Disjunktion (Summe, ODER) der Minterme, die am usgang WHR liefern Schema: Summe aus Produkten (SOP) minterm = F(, ) = + WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss

12 Konjunktive Normalform (KNF) Products-of-sums form (POS) lle ooleschen Funktionen können in KNF formuliert werden Jede Zeile der Wahrheitstabelle enthält einen Maxterm Jeder Maxterm ist die Disjunktion (Summe, ODER) von Literalen Der Maxterm ist FLSCH genau für diese eine Zeile Die Funktion wird beschrieben durch Konjunktion (Produkt, UND) der Maxterme, die am usgang FLSCH liefern Schema: Produkt aus Summen (POS) maxterm = F(, ) = ( + )( + ) WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 2

13 eispiel für oolesche Funktion Sie prüfen das Mittagsangebot der Mensa Sie werden dort nicht essen gehen (E) Wenn nicht mehr geöffnet ist (O) oder Es nur Corned-eef-Variationen gibt (C) Stellen Sie eine Wahrheitstabelle auf, ob Sie in die Mensa gehen! O C E WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 3

14 eispiel für oolesche Funktion Sie prüfen das Mittagsangebot der Mensa Sie werden dort nicht essen gehen (E) Wenn nicht mehr geöffnet ist (O) oder Es nur Corned eef-variationen gibt (C) Stellen Sie eine Wahrheitstabelle auf, ob Sie in die Mensa gehen! O C E WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 4

15 DNF (SOP) und KNF (POS) Formen DNF Disjunktive Normalform (sum-of-products, SOP) O C E minterm O C O C O C O C KNF Konjunktive Normalform (product-of-sums, POS) O C maxterm O + C O + C O + C O + C WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 5

16 DNF (SOP) und KNF (POS) Formen DNF Disjunktive Normalform (sum-of-products, SOP) O C E minterm O C O C O C O C E = OC KNF Konjunktive Normalform (product-of-sums, POS) O C E maxterm O + C O + C O + C O + C E = (O + C)(O + C)(O + C) WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 6

17 oolesche lgebra xiome und Sätze hier zum Ziel der Vereinfachung oolescher Gleichungen Wie die übliche lgebra Teilweise einfacher, da hier nur zwei Werte xiome und Sätze haben jeweils duale Entsprechung: Tausche ND/OR, tausche / WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 7

18 xiome und Sätze der ooleschen lgebra Dualitätsgesetz Satz Neutralitätsgesetz Extremalgesetz Idempotenzgesetz Involution Komplementärgesetz WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 8

19 T: Neutralitätsgesetz = + = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 9

20 T: Neutralitätsgesetz = + = = = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 2

21 T2: Extremalgesetz = + = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 2

22 T2: Extremalgesetz = + = = = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 22

23 T3: Idempotenzgesetz = + = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 23

24 T3: Idempotenzgesetz = + = = = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 24

25 T4: Involution (Selbstinversion) = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 25

26 T4: Involution (Selbstinversion) = = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 26

27 T5: Komplementärgesetz = + = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 27

28 T5: Komplementärgesetz = + = = = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 28

29 Sätze der ooleschen lgebra mit einer Variablen Satz Neutralitätsgesetz Extremalgesetz Idempotenzgesetz Involution Komplementärgesetz WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 29

30 Sätze der ooleschen lgebra mit mehreren Variablen Satz Kommutativgesetz ssoziativgesetz Distributivgesetz bsorptionsgesetz Zusammenfassen Konsensusregeln De Morgansche Gesetze WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 3

31 eispiel : Vereinfachen von ooleschen usdrücken = + WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 3

32 eispiel : Vereinfachen von ooleschen usdrücken = + = ( + ) T8 Distributivgesetz = () T5 Komplementärgesetz = T Identitätsgesetz WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 32

33 eispiel 2: Vereinfachen von ooleschen usdrücken = ( + C) WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 33

34 eispiel 2: Vereinfachen von ooleschen usdrücken = ( + C) = (( + C)) T8 Distributivgesetz = (()) T2 Extremalgesetz = () T Identitätsgesetz = () T7 ssoziativgesetz = T3 Idempotenzgesetz WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 34

35 De Morgansche Gesetze = = + = + = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 35

36 Invertierungsblasen verschieben (bubble pushing) Verschiebe lasen rückwärts (vom usgang) oder vorwärts (vom Eingang) rt des Gatters ändert sich von ND nach OR (oder umgekehrt) eim Verschieben rückwärts entstehen lasen an allen Eingängen eim Verschieben vorwärts müssen lasen an allen Eingängen gewesen sein WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 36

37 Invertierungsblasen verschieben Was ist die oolesche Funktion dieser Schaltung? C D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 37

38 Invertierungsblasen verschieben Was ist die oolesche Funktion dieser Schaltung? C D = + CD WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 38

39 Regeln für das Verschieben von Invertierungsblasen eginne am usgang, vorarbeiten Richtung Eingänge Schiebe lasen am usgang Richtung Eingang Tausche rt des Gatters aus (ND/OR) Versuche lasen auszulöschen (zwei lasen auf einer Leitung) Wenn Eingang lase hat, versuche usgang mit lase zu versehen und umgekehrt C D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 39

40 eispiel: Invertierungsblasen verschieben C D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 4

41 eispiel: Invertierungsblasen verschieben C D lase no output am usgang bubble entfernt WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 4

42 eispiel: Invertierungsblasen verschieben C D C D lase no output am usgang bubble entfernt Zwei bubble lasen on auf einer Leitung input löschen and sich output aus WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 42

43 eispiel: Invertierungsblasen verschieben C D lase no output am usgang bubble entfernt Zwei bubble lasen auf on einer Leitung löschen input and sich output aus C D C D lase no bubble entfernt on input durch and Rückwärtsschieben output = C + D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 43

44 Von Logik zu Gattern Zweistufige Logik: NDs gefolgt von ORs eispiel: = C + C + C C C minterm: C minterm: C minterm: C WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 44

45 Lesbare Schaltpläne Eingänge sind auf der linken (oder oberen) Seite des Schaltplans usgänge sind auf der rechten (oder unteren) Seite des Schaltplans Gatter sollten von links nach rechts angeordnet werden In seltenen Fällen: Von oben nach unten Gerade Verbindungen sind leichter lesbar als abknickende Gegebenenfalls gerade lange Verbindung statt kurzer abgeknickter WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 45

46 Regeln für Schaltpläne Drähte an T-Kreuzung sind verbunden Sich überkreuzende Drähte werden durch Punkt als verbunden markiert Sich überkreuzende Drähte ohne Punkt sind nicht verbunden wires T-Kreuzung: connect at a verbunden T junction wires Überkreuzend: connect verbunden at a dot wires crossing without Überkreuzend: a dot do Nicht not connect verbunden WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 46

47 Schaltungen mit mehreren usgängen usgang entsprechend dem höchstwertigen gesetzten Eingangsbit wird auf TRUE gesetzt 3 2 Prioritäts- PRIORIT Encoder CiIRCUIT WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 47

48 Schaltungen mit mehreren usgängen usgang entsprechend dem höchstwertigen gesetzten Eingangsbit wird auf TRUE gesetzt 3 2 Prioritäts- PRIORIT Encoder CiIRCUIT WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 48

49 ufbau des Prioritäts-Encoders WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 49

50 Ignorierbare its ( Don t Cares ) X X X X 3 2 X X WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 5

51 Konkurrierende Treiber: X Konflikt: Schaltung treibt eine Leitung/usgang gleichzeitig auf und nalogwert liegt irgendwo dazwischen (Spannungsteilung) Kann oder sein, oder im verbotenen ereich liegen Kann auch mit etriebsspannung, Temperatur, Rauschen etc. variieren Verursacht hohen Energieverbrauch (Kurzschluss) = = = X Treiberkonflikt ist fast immer ein Entwurfsfehler eheben! Vorsicht: X steht für don t care und Treiberkonflikt Nicht identisch! Kontext anschauen, um korrekte edeutung zu ermitteln WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 5

52 Hochohmiger usgang: Z uch genannt: Offen, ungetrieben Floating, open, high-impedance Kann oder sein, oder irgendwo dazwischen liegen Leitung hat keinen aktiven Treiber Tristate uffer E E Z Z WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 52

53 Tristate-usse Hochohmige Knoten können zu Tristate-ussen verschaltet werden Viele verschiedene Treiber ber zu jedem Zeitpunkt ist genau einer aktiv Der Rest ist hochohmig (Z) processor Zum to us bus Vom from us bus video Zum to us bus Vom from us bus Ethernet Zum to us bus Vom from us bus memory en en2 en3 en4 shared bus Gemeinsamer Tristate-us Zum to us bus Vom from us bus WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 53

54 Karnaugh Diagramme (Karnaugh maps) oole sche usdrücke können durch Zusammenfassen minimiert werden Karnaugh-Diagramme stellen Zusammenhänge graphisch dar ilden usgangspunkt für eine Minimierung Idee: P + P = P C C C C C C C C C C C WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 54

55 Minimierung mit Karnaugh Diagrammen Markiere en in benachbarten Plätzen und bilde viereckigen ereich Jeder Platz steht für einen Implikanten Lasse markierte Literale die normal und als Komplement auftauchen, weg C C = C + C = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 55

56 Karnaugh Diagramm mit drei Eingängen C C C C C C C C C Truth Table C K-Map C WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 56

57 Karnaugh Diagramm mit drei Eingängen C C C C C C C C C Truth Table K-Map C C WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 57 = + C

58 Karnaugh Diagramme: Definitionen Komplement: Variable mit alken (invertierter Wert),, C Literal: Variable oder ihr Komplement,,,, C, C Implikant: Produkt (UND) von Literalen C, C, C Primimplikant Implikant der größten zusammenhängenden viereckigen Fläche im Karnaugh Diagramm WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 58

59 Minimierungsregeln für Karnaugh Diagramme Jede in einem K-Diagramm muss mindestens einmal markiert werden Ist damit estandteil eines oder mehrerer viereckiger ereiche Jeder viereckige ereich hat als Seitenlänge eine Zweierpotenz an Flächen,2,4,8,6, Flächen Seitenlänge eide Seiten dürfen aber unterschiedlich lang sein Jeder ereich muss so groß wie möglich sein (Primimplikant) Ein ereich darf um die Ränder des K-Diagrammes herum reichen Ein don't care (X) darf markiert werden, wenn es die Fläche größer macht Ziel: Möglichst wenige Primimplikanten zur bdeckung aller en im Diagramm WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 59

60 Karnaugh Diagramm mit vier Eingängen C D CD WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 6

61 Karnaugh Diagramm mit vier Eingängen C D CD WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 6

62 Karnaugh Diagramm mit vier Eingängen C D CD = C + D + C + D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 62

63 Karnaugh Diagramm mit don t cares C D X X X X X X X CD WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 63

64 Karnaugh Diagramm mit don t cares C D X X X X X X X CD X X X X X X X WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 64

65 Karnaugh Diagramm mit don t cares C D X X X X X X X CD X X X X X = + D + C X X WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 65

66 Kombinatorische Grundelemente Multiplexer Dekodierer (Decoder) WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 66

67 Multiplexer (Mux) Wählt einen von N Eingängen aus und verbindet ihn auf den usgang log 2 N-bit Selektor-Eingang (select input), Steuereingang eispiel: 2: Mux S D D S D D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 67

68 Multiplexer (Mux) Wählt einen von N Eingängen aus und verbindet ihn auf den usgang log 2 N-bit Selektor-Eingang (select input), Steuereingang eispiel: 2: Mux S D D S D D S D D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 68

69 Implementierung von Multiplexern us Logikgattern Disjunktive Normal Form (SOP) D D S us Tristate-uffern enutze N Tristates für N-Eingangs-Mux Schalte zu jeder Zeit genau einen Tristate-uffer durch, Rest ist Z = D S + D S S D D S D D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 69

70 Logikfunktionen aufgebaut aus Multiplexern Verwende Mux als Wertetabelle (look-up table) = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 7

71 Logikfunktionen aufgebaut aus Multiplexern Reduziere Größe des Multiplexers = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 7

72 Dekodierer (Decoder) N Eingänge, 2 N usgänge usgänge sind one-hot : Zu jedem Zeitpunkt ist genau ein usgang 2:4 Decoder WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 72

73 Implementierung von Dekodierern 3 2 WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 73

74 Logik aufgebaut aus Dekodierern Verknüpfe Minterme mit ODER 2:4 Decoder Minterm = + = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 74

75 PL und PL Vorgefertigte Funktionsblöcke mit vielen ND/OR-Gattern (bzw. NOR, NND) Personifiziert mittels Erstellung oder Unterbrechung von Verbindungen zwischen den Gattern PL - Programmable rray Logic PL - Programmable Logic rray Eingänge ND Matrix Produkt Terme OR Matrix usgänge Generische rchitektur: für DNF geeignet! WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 75

76 Grundprinzip: Mehrfachverwendung von Produkttermen eispiel: F = + ' C' F = C' + F2 = ' C' + F3 = ' C + 3 Eingangsvariable, 5 (verschiedene) Produktterme, 4 usgangsfunktionen Produkt Eingang Term C - C - C - C Zuordnungsmatrix F usgang F F 2 F 3 Wiederverw. des Terms Eingang: = im Term verwendet = negiert verwendet - = nicht im Term usgang: = Term mit usgang verbunden = keine Verbindung d. h. falls Literal (Produktterm) in usgangsfunktion enthalten, dann, sonst eintragen. WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 76

77 Schaltbild Eingänge Vor der Programmierung sind alle möglichen Verbindungen vorhanden. OR Matrix ND Matrix usgänge WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 77

78 Endgültiges Schaltbild Eingänge C Nicht benötigte Verbindungen werden unterbrochen. F = + ' C' F = C' + F2 = ' C' + F3 = ' C + Hinweis: ei einigen austeinfamilien werden die Verbindungen programmiert und nicht deren Entfernung. F WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss usgänge 78 F3

79 Ein komplexeres eispiel Mehrere Funktionen von,, C F = C F = + + C F2 = C F3 = + + C F4 = xor xor C C C C C C C C C C C WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 79 F F F2 F3 F4 F F2 F3 F4 F5 F6

80 Unterschied zwischen PL und PL PL Prinzip eingeschränkte Topologie der OR-Matrix Nicht alle Produktterme können in allen Spalten der OR-Matrix des PL verwendet werden. PL Prinzip allgemeine Topologien in ND- und OR-Matrix, d. h. vollständige Programmierbarkeit beider Matrizen WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 8

81 eispiel: Umkodierung CD nach Gray-Code Wahrheitstabelle C D W X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Z X X X X X X CD C W K-Diagramme CD X X X X D X X X X C X X X X CD X X CD X D CD Minimierte Funktionen: Gray W = + D + C X = C' = + C Z = ''C'D + C D + D' + ' C D' C X X X X X D C X X X X X Z D WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 8

82 Programmiertes PL C D C D 4 Produktterme pro OR-Gatter WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 82 W X Z

83 Zum Vergleich: Diskrete Implementierung des Umkodierers D C C 2 2 \ \ C 3 2 W D X C D \ D \ C \ D \ \ \C D Z \ 2 : 744 hex inverters 2,5: 74 quad 2-input NND 3: 74 t ri 3-input NND 4: 742 dual 4-input NND 4 SSI TTL austeine im Vergleich zu nur PL/PL austein SSI : Small Scale Integration WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 83

84 Störimpulse (glitches) Störimpulse Eine Änderung eines Eingangs verursacht mehrere Änderungen des usgangs Können durch geeignete Entwurfsdisziplin entschärft werden Können noch auftreten, richten aber keinen Schaden an Synchroner Entwurf, kommt noch Es kann usnahmen geben Sollten aber im Vorfeld erkannt werden Sichtbar im Timing-Diagram WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 84

85 eispiel für Störimpulse Was passiert, wenn =, C =, und fällt von? C C = + C WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 85

86 eispiel für Störimpulse (Fortsetzung) = = C = Critical Kritischer Path Pfad n n2 = Short Kurzer Path Pfad n2 n glitch Störimpuls Time Zeit WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 86

87 Störimpuls beseitigen C C = + C + C = = = C = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 87

88 Warum Störimpulse beachten? Störimpulse verursachen keine Probleme bei synchronem Entwurf In der Regel, auch da Fehlerquellen s. Kapitel 3 Sollten aber erkannt werden eim Debugging einer Schaltung im Simulator oder mit dem Oszilloskop Nicht alle Störimpulse können beseitigt werden z.. bei gleichzeitigem Schalten mehrerer Eingänge WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 88

89 Einleitung Grundelemente digitaler Schaltungen: Gatter, Multiplexer, Decoder, Register, rithmetische Schaltungen, Zähler, Speicher, programmierbare Logikfelder Grundelemente veranschaulichen Hierarchie: Zusammensetzen aus einfacheren Elementen Modularität: Wohldefinierte Schnittstellen und Funktionen Regularität: Strukturen leicht auf verschiedene Größen anpassbar Grundelemente werden verwendet zum ufbau eines eigenen Mikroprozessors s. Kapitel 7 WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 89

90 -it ddierer Halbaddierer Volladdierer C out + C out + C in S S S = C out = C out S C in C out S S = C out = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 9

91 -it ddierer Halbaddierer Volladdierer C out + C out + C in S S S = C out = C out S C in C out S S = C out = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 9

92 -it ddierer Halbaddierer Volladdierer C out + C out + C in S S C out S = C out = S C in C out S S = C in WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 92 C out = + C in + C in

93 Mehrbit-ddierer mit Weitergabe von Überträgen Carry-propagate adder (CP) Verschiedene Typen Ripple-carry-ddierer Carry-Lookahead ddierer Prefix-ddierer (langsam) (schnell) (noch schneller) Carry-Lookahead und Prefix-ddierer sind schneller bei breiteren Datenworten enötigen aber auch mehr Fläche Schaltsymbol N N C out + S N C in WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 93

94 Ripple-Carry-ddierer Kette von -bit ddierern Überträge werden von niedrigen zu hohen its weitergegeben Rieseln durch die Schaltung Nachteil: Langsam C out + C + 3 C 29 C + C + C in S 3 S 3 S S WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 94

95 Verzögerung durch Ripple-Carry-ddierer Verzögerung durch einen N-bit Ripple-Carry-ddierer ist t ripple = N t F t F repräsentiert die Verzögerung durch einen Volladdierer WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 95

96 Carry-Lookahead-ddierer (CL) Überträge nicht mehr von it-zu-it Stattdessen: erechne Übertrag C out aus lock von k its Nun zwei Signale Generate (erzeuge neuen Übertrag) Propagate (leite eventuellen Übertrag weiter) its werden in Spalten organisiert Haben wir eben beim Ripple-Carry-ddierer auch schon gemacht War aber nicht spannend: Es gab nur eine Zeile ändert sich jetzt WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 96

97 Carry-Lookahead-ddierer: Definitionen Eine Spalte (it i) produziert einen Übertrag an ihrem usgang C i Wenn sie den Übertrag selbst erzeugt (Generate, G i ) Wenn sie einen von C i- eingehenden Übertrag weiterleitet (Propagate, P i ) Eine Spalte i erzeugt einen Übertrag falls i und i beide sind G i = i i Eine Spalte leitet einen eingehenden Übertrag weiter falls i oder i ist P i = i + i Damit ist der Übertrag C i aus der Spalte i heraus C i = i i + ( i + i )C i- = G i + P i C i- WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 97

98 ddition im Carry-Lookahead-Verfahren Schritt : erechne G und P-Signale für einzelne Spalten (Einzelbits) Schritt 2: erechne G und P Signale für Gruppen von k Spalten (k its) Schritt 3: Leite C in nun nicht einzelbitweise, sondern in k-it Sprüngen weiter Jeweils durch einen k-bit Propagate/Generate-lock WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 98

99 eispiel: Carry-Lookahead ddierer estimme P 3: und G 3: Signale für einen 4b lock Überlegung: 4b lock erzeugt Übertrag wenn Spalte 3 einen Übertrag erzeugt (G 3 =) oder Spalte 3 eine Übertrag weiterleitet (P 3 =), der vorher erzeugt wurde G 3: = G 3 + P 3 (G 2 + P 2 (G + P G )) Überlegung: Der 4b lock leitet einen Übertrag direkt weiter wenn alle Spalten den Übertrag weiterleiten P 3: = P 3 P 2 P P Damit ist der Übertrag durch einen i-j it breiten lock C i C i = G i:j + P i:j C j- WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 99

100 32-bit CL mit 4b löcken 3:28 3:28 27:24 27:24 7:4 7:4 3: 3: C out 4-bit CL lock C 27 4-bit CL lock C 23 C 7 4-bit CL lock C 3 4-bit CL lock C in S 3:28 S 27:24 S 7:4 S 3: C 2 + C + C + C in S 3 S 2 S S G 3: G 3 P 3 G 2 P 2 G P G Gi = i i C out C in P 3: P 3 P 2 P P Pi = i + i WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss

101 32-bit CL mit 4b löcken 3:28 3:28 27:24 27:24 7:4 7:4 3: 3: 4-bit CL löcke C out C 27 C 23 C 7 C 3 C in S 3:28 S 27:24 S 7:4 S 3: C 2 + C + C + C in S 3 S 2 S S C 2 C C C in S 3 S 2 S S G 3: G 3 P 3 G 2 P 2 G P G C out G 3: C in P 3: G 3 P 3 G 2 P 2 G P G P 3 P 2 P P C out + S 3 G 3: C in C 2 + S 2 C + S C P 3: + S C in G 3 P 3 G 2 P 2 G P G P 3 P 2 P P C out C 2 C C C in S 3 S 2 S S G 3: C in P 3: G 3 P 3 G 2 P 2 G P G P 3 P 2 P P C out C in P 3: P 3 P 2 P P WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss

102 Carry-Lookahead ddierer Verzögerung durch N-bit Carry-Lookahead ddierer mit k-it löcken t CL = t pg + t pg_block + (N / k ) t ND_OR + k t F wobei t pg : Verzögerung P, G erechnung für eine Spalte (ganz rechts) t pg_block : Verzögerung P, G erechnung für einen lock (rechts) t ND_OR : Verzögerung durch ND/OR je k-it CL lock ( Weiche ) k t F : Verzögerung zur erechnung der k höchstwertigen Summenbits Für N > 6 ist ein CL oftmals schneller als ein Ripple-Carry-ddierer ber: Verzögerung hängt immer noch von N ab Im Wesentlichen linear WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 2

103 Vergleich von ddiererverzögerungen Szenario: 32b ddition mit Ripple-Carry, Carry-Lookahead (4-bit löcke) Verzögerungen von Komponenten Volladdierer t F = 3ps Zwei-Eingangs Gatter t ND = t OR = t XOR = ps t ripple = N t F = t CL = t pg + t pg_block + (N / k ) t ND_OR + k t F = = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 3

104 Vergleich von ddiererverzögerungen Szenario: 32b ddition mit, Ripple-Carry, Carry-Lookahead (4-bit löcke) Verzögerungen von Komponenten Volladdierer t F = 3ps Zwei-Eingangs Gatter t ND = t OR = t XOR = ps t ripple t CL = N t F = 32 (3 ps) = 9,6 ns = t pg + t pg_block + (N / k ) t ND_OR + k t F = [ (7) (3)] ps = 3,3 ns WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 4

105 Subtrahierer Symbol Implementierung N - N N N + N N N WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 5

106 Vergleicher: Gleichheit Symbol Implementierung = Gleich Gleich WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 6

107 Vergleicher: Kleiner-ls Für vorzeichenlose Zahlen N N - N [N-] < WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 7

108 rithmetisch-logische Einheit (arithmetic logic unit, LU) N N F 2: Funktion & LU N 3 F + Nicht verwendet & ~ ~ - SLT WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 8

109 Entwurf einer LU N N F 2: Funktion & N N F 2 + Nicht verwendet C out + [N-] S & ~ Zero Extend N 3 N 2 N N ~ - 2 F : N SLT WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 9

110 eispiel: Set-Less-Than (SLT) N N Konfiguriere 32b LU für SLT- erechnung nnahme: = 25, = 32 N N F 2 C out + [N-] S Zero Extend N N N N F : N WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss

111 eispiel: Set Less Than (SLT) C out Zero Extend N N + [N-] S N N N N N N F 2 Konfiguriere 32b LU für SLT-erechnung nnahme: = 25, = 32 Erwartete usgabe <, also = 32 b Steuereingang für SLT: F 2: = 3 b F 2 = b konfiguriert ddierer als Subtrahierer S = = -7 Im Zweierkomplement -7 = 32 hxfffffff9 msb S 3 = F : = 2 b wählt = S 3 als usgabe = S 3 (zero extended) = 32 h F : N WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss

112 Schiebeoperationen (shifter) Logisches Schieben: Wert wird eine itposition verschoben, leere Stellen mit aufgefüllt eispiel: >> 2 = eispiel: << 2 = rithmetisches Schieben: wie logisches Schieben. Verwende aber beim Rechtsschieben alten Wert des msb zum uffüllen leerer Stellen eispiel: >>> 2 = eispiel: <<< 2 = Rotierer: rotiert its im Kreis. Herausgeschobene its tauchen am anderen Ende wieder auf eispiel : ROR 2 = eispiel : ROL 2 = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 2

113 Schiebeoperationen (shifter) Logisches Schieben: Wert wird eine itposition verschoben, leere Stellen mit aufgefüllt eispiel: >> 2 = eispiel: << 2 = rithmetisches Schieben: wie logisches Schieben. Verwende aber beim Rechtsschieben alten Wert des msb zum uffüllen leerer Stellen eispiel: >>> 2 = eispiel: <<< 2 = Rotierer: rotiert its im Kreis. Herausgeschobene its tauchen am anderen Ende wieder auf eispiel : ROR 2 = eispiel : ROL 2 = WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 3

114 ufbau von Shiftern 3 2 ShiftWeite : 2 S : 3 ShiftWeite 2 : S : >> 3: 3: S : S : WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 4

115 Shifter als Multiplizierer und Dividierer Logisches Schieben um N Stellen nach links multipliziert den Zahlenwert mit 2 N eispiel : << 2 = ( 2 2 = 4) eispiel : << 2 = ( = -2) rithmetisches Schieben um N Stellen nach rechts dividiert den Zahlenwert durch 2 N eispiel : >>> 2 = (8 2 2 = 2) eispiel : >>> 2 = ( = -4) WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 5

116 Multiplizierer Schrittweise Multiplikation in Dezimal- und inärdarstellung: Multiplizieren des Multiplikanden mit einzelner Stelle des Multiplikators erechnet ein Teilprodukt (auch partielles Produkt genannt) Entsprechend der Wertigkeit der aktuellen Multiplikatorstelle nach links verschobene partielle Produkte werden aufaddiert Dezimal inär x Multiplikand Multiplikator partielle Produkte Ergebnis + x 23 x 42 = x 7 = 35 WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 6

117 4 x 4 Multiplizierer x P 8 4 x P 7 P 6 P 5 P 4 P 3 P 2 P P 2 3 P 7 P 6 P 5 P 4 P 3 P 2 P P WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 7

118 Division Leidlich einfach, dann aber sehr langsam Sehr kompliziert, dann wenigstens etwas schneller ber immer noch deutlich langsamer als z.. Multiplikation Für Einführungsveranstaltung eher ungeeignet eschreibung im uch auch ziemlich schlecht Hier nur aus dem Orbit gestreift WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 8

119 Ein lgorithmus für vorzeichenlose Division Q = / R = mod D : Quotient : Rest : aktuelle Differenz R = // partieller Rest for i = N- to // über alle Stellen der inärzahl D = R - if D < then Q i =, R = R // R < else Q i =, R = D // R if i <> then R = 2 R Vorsicht: Dieser lgorithmus funktioniert nur für den Zahlenbereich [2 N -,2 N- ], liefert Ergebnisse als,n- Festkommazahl WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 9

120 4 x 4 Dividierer Legende P 3 P 2 P= wenn Differenz negativ ist Sign-extension von Left-shift von R P P Verzögerung proportional zu N 2 WS / Technische Grundlagen der Informatik - Kapitel 2 - Prof. Sorin. Huss 2

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