Digitaltechnik II SS 2007

Transkript

1 Digitaltechnik II SS Vorlesung Klaus Kasper

2 Inhalt Realisierung digitaler Systeme Nutzung isplever Automaten Moore-Automat Mealy-Automat Beispiel Übung Massenspeicher Digitaltechnik 2 2

3 Realisierung digitaler Systeme Digitaltechnik 2 3

4 Realisierung digitaler Lösungen Full Custom IC ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Bausteine mit programmierbarer Logik Digitaltechnik 2 4

5 Full Custom IC (Integrated Circuit) individuelle Entwicklung eines digitalen Systems lange Entwicklungszeiten sehr große Stückzahlen individuelle Fertigung geringer Stückpreis Digitaltechnik 2 5

6 Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Hersteller stellt umfangreiche Bibliotheken für Funktionen verkürzte Entwicklungszeiten Schaltung wird mit einer Hardware- Beschreibungssprache beschrieben Hersteller realisiert Schaltung auf der Basis eines adäquaten ASIC große Stückzahlen günstiger Stückpreis Digitaltechnik 2 6

7 Programmierbare Logik Hersteller bieten programmierbare Logik-Bausteine an Lösung wird vom Anwender entwickelt hohe Flexibilität kleine Stückzahlen hoher Stückpreis Digitaltechnik 2 7

8 Programmierbare Bausteine PLD (Programmable Logic Device) programmierbare Logikelemente (seit Mitte der 7er) PLD stellen eine logische Grundstruktur zur Verfügung, die vom Entwickler nach Bedarf konfiguriert (programmiert) werden kann. Für hoch integrierte PLD stehen Beschreibungssprachen zur Verfügung. Digitaltechnik 2 8

9 Verfahren zur Programmierung PROM (Programmable Read Only Memory)- Prinzip: Durchbrennen einer Sicherung (Fuse) oder Entfernen einer Isolierung (Antifuse), Programmierung ist irreversibel EPROM (Erasable PROM)-Prinzip: Programmierung kann durch Bestrahlung mit UV-Licht wieder gelöscht werden EEPROM (Electrical Erasable PROM)- Prinzip: Programmierung kann durch elektrische Impulse wieder gelöscht werden Digitaltechnik 2 9

10 PAL (Programmable Array Logic) Realisierung logischer Gleichungen in disjunktiver Form. Alle Eingangsgrößen werden in negierter und nicht-negierter Form zur Verfügung gestellt. Programmierbares UND-Feld das mit den Eingangsgrößen verbunden ist. Fest verdrahtetes ODER-Feld. Digitaltechnik 2

11 Prinzip PAL Frei programmierbare UND-GATTER Fest verschaltete ODER-Gatter Digitaltechnik 2

12 Beispiel PAL Y = ( X2 X3) ( X X2 X3) X Y2 = ( X X2 X3) ( X X2 X3) ( X X2) Digitaltechnik 2 2

13 Digitaltechnik 2 3 PLA Struktur Y 2 Y A B C D Die mit der Wahrheitstabelle definierten Booleschen Funktionen sollen mit der unten dargestellten PLA-Struktur realisiert werden.

14 PLA Struktur Y A Y 2 A * * B * * * D B * * * D C C Digitaltechnik 2 4

15 PLA Struktur Y = ( A C D) ( A B D) ( A B C) Y = ( A B C) ( A B D) ( A B C) ( A C D) 2 Digitaltechnik 2 5

16 Typisierung PAL (Programmable Array Logic): Programmierbare UND-Matrix, feste Oder- Matrix, von einem Hersteller auch als GAL (Generic Array Logic) bezeichnet PLE (Programmable Logic Element): Programmierbare Oder-Matrix, feste Und-Matrix PLA (Programmable Logic Array): Programmierbare UND-Matrix und programmierbare ODER-Matrix Digitaltechnik 2 6

17 Erweiterung Einfache PAL Elemente haben mindestens 8 Ein- und Ausgänge Moderne PAL Bausteine verfügen über komplexe, programmierbare Makrozellen die Ausgänge verfügen über Register die Ausgänge können zurück gekoppelt werden Digitaltechnik 2 7

18 CPLD (Complex Programmable Logic Device) komplexe PLDs mit einer Block-Struktur jeder Block entspricht einem einfachen PAL die Blöcke werden über eine programmierbare Schaltmatrix miteinander verbunden ein einzelner Block enthält typischerweise ca. 5 Eingänge und -2 Ausgänge jeder Ausgang kann aus -5 Produkttermen gebildet werden Digitaltechnik 2 8

19 FPGA (Field Programmable Gate Array) frei programmierbarer Logikschaltkreis aus einzelnen Logikblöcken (CLBs Configurable Logic Blocks) aufgebaut in den einzelnen Blöcken werden einfache Operationen und auch Flip-Flop-Logik zur Verfügung gestellt teilweise werden FPGAs ausschließlich über Look-Up Tabellen realisiert hohe Kompexität Selbstkonfigurierende Systeme werden möglich Digitaltechnik 2 9

20 CPLD vs. FPGA Kurze Wege CPLD Wenige Logikblöcke mit großer Anzahl an Makrozellen Platzierung und Routing fest vorgegeben Schaltzeiten einfach vorhersagbar Hohe Taktfrequenzen unabhängig von der konkreten Schaltung Lange Wege FPGA Viele Logikblöcke mit kombinatorischer Logik Platzierung und Routing variabel Schaltzeiten sind von der Größe des Designs sowie Platzierung und Routing abhängig Taktfrequenz ist von der Größe der Schaltung abhängig Kleine und mittelgroße Schaltungen Für sehr komplexe Schaltungen geeignet Digitaltechnik 2 2

21 Programmierung (CPLD, FPGA) Beispiel: isplever Digitaltechnik 2 2

22 Programmierung ISP (In System Programming) HDL (Hardware Description Language) VHDL (VHSIC HDL) VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) Abel (Advanced Boolean Expression/Equation Language) Abel wurde in den 8er Jahren entwickelt und ist für kleinere Schaltungen hinreichend. VHDL und Verilog sind die weltweit am meisten genutzten Hardware-Beschreibungssprachen und sind beide von IEEE standardisiert. Digitaltechnik 2 22

23 Nutzung isplever Digitaltechnik 2 23

24 Automaten Ein endlicher Automat ist ein Modell, das zur Modellierung diverser Problemstellungen verwendet werden kann. Ursprung: Biologie (McCulloch, Pitts 943), Elektrotechnik (Mealy, 955), Linguistik (Chomsky, 956). Digitaltechnik 2 24

25 Anwendung in der Digitaltechnik Mit endlichen Automaten kann eine abstrakte Beschreibung von Schaltwerken realisiert werden. auch: Finite State Machine (FSM) Zur Darstellung der Modellierung werden häufig Zustandsdiagramme und Zustandsfolgetabellen verwendet. Digitaltechnik 2 25

26 Prinzip Aktuelle Zustand des Automaten wird in einem Speicher (Register) gehalten. Aus dem aktuellen Zustand und den Eingangssignalen wird ein Folgezustand berechnet. Der neue Zustand wird (synchronisiert) in den Speicher geschrieben. Digitaltechnik 2 26

27 Definition Ein endlicher Automat ist ein Fünftupel A=(X,Y,S,f,g). X ist ein endliches nichtleeres Eingabealphabet. Y ist ein endliches nichtleeres Ausgabealphabet. S ist eine endliche nichtleere Menge von Zuständen. f: Zustands(überführungs)funktion g: Ausgabefunktion Digitaltechnik 2 27

28 Moore-Automat Ausgangssignale sind nur vom Zustand abhängig. S = f(s *,X) Y = g(s) Digitaltechnik 2 28

29 Mealy Automat Bei Mealy-Automaten wechselt das Ausgangssignal schon bei der Veränderung des Eingangssignals. S = f(s*,x) Y = g(s,x) Digitaltechnik 2 29

30 Zustandsgraphen Ein Zustandsgraph besteht aus Knoten und gerichteten Kanten. Die Knoten beschreiben die Zustände. Die Kanten stellen die Übergänge zwischen den Zuständen dar. Vor dem / steht die Eingangsbedingung, hinter dem / steht das Ausgangssignal. Digitaltechnik 2 3

31 Beispiel: SR Flip-Flop ( S R)/ S / ( S R)/ R / Digitaltechnik 2 3

32 Endliche Automaten für Schaltwerke Digitaltechnik 2 32

33 Digitaltechnik 2 33 Zyklische Folgeschaltung C B A t 6 Zustände, zyklische Wiederholung Das System wird vom Takt getrieben 3 Flip-Flops können 8 Zustände realisieren Realisierung mit SR Flip-Flops

34 Digitaltechnik 2 34 Zyklische Folgeschaltung CR CS BR BS AR AS C B A Zustandstabelle

35 A B C AS AR BS BR CS CR AS C B * * - - AS = C B A AR C BS C * * B * B * A AR = C B BS = B Digitaltechnik 2 35 A

36 A B C AS AR BS BR CS CR BR C B * * - - BR = B A CS C CR C * * B * B * A CS = ( C B) ( C A) = C ( B A) CR = C B Digitaltechnik 2 36 A

37 Zyklische Folgeschaltung AS = C B BS = B CS = C ( B A) AR = C B BR = B CR = C B Digitaltechnik 2 37

38 Endliche Automaten für Schaltwerke Digitaltechnik 2 38

39 Zyklische Folgeschaltung A B C D D2 D3 Erstellen Sie die Zustandsfolgetabelle Digitaltechnik 2 39

40 Digitaltechnik 2 4 Zyklische Folgeschaltung D3 D2 D C B A Ermitteln Sie die Minimalformen Skizzieren Sie die Schaltung Zeichnen Sie den vollständigen Zustandsgraphen

41 A B C D D2 D3 D C B * * D2 C D3 A D = ( C A) ( C B) C * * B * B * D2 = B A A D3 = ( B A) ( C B) Digitaltechnik 2 4

42 Endliche Automaten für Schaltwerke Digitaltechnik 2 42

43 Schaltungsaufbau Verknüpfungsnetzwerk (VN) Digitaltechnik 2 43

44 vollständiger Aufbau Digitaltechnik 2 44

45 Zustandsgraph Bedingungen? vollständig? Digitaltechnik 2 45

46 Zustandsgraph Digitaltechnik 2 46

47 Übung Es soll eine zyklische Folgeschaltung mit JK-FlipFlops realisiert werden, die in Einerschritten von bis 2 aufwärts zählt und anschließend wieder abwärts: {Y,Y} = {,, 2,, ab hier wiederholen } Skizzieren Sie ein vollständiges Zustandsübergangsdiagramm der geforderten Folgeschaltung. Geben Sie die Ausgangssignale in der Form -/YY an den Übergängen an. Nummerieren Sie die FlipFlops mit A, B,.. und erstellen Sie die Wertetabellen für alle J- und K-Eingänge und die gewünschten Ausgänge Y, Y Erstellen Sie die KV-Diagramme für alle J- und K-Eingänge und die Ausgänge Y und Y und geben Sie die Gleichungen (DMF) für die Eingangsbeschaltungen an. Digitaltechnik 2 47

48 Massenspeicher Um große Datenmengen zu speichern, werden periphere (sekundäre) Speicher verwendet. Magnetische Massenspeicher (Floppy, Festplatte, Magnetband) Optische Massenspeicher (CD, DVD) Magnetooptische Laufwerke (MO) Digitaltechnik 2 48

49 Prinzip der magnetischen Aufzeichnung Phänomene: Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus auf dem Ferromagnetismus basiert das Prinzip der magnetischen Speicherung die Weiß schen Bezirke eines ferromagnetischen Materials werden durch ein äußeres magnetisches Feld ausgerichtet nach Entfernen des äußeren Feldes bleibt die makroskopische Magnetisierung erhalten Digitaltechnik 2 49

50 Hystereseschleife Digitaltechnik 2 5

51 Ferromagnete nach Entfernen des äußeren magnetischen Feldes bleibt eine Magnetisierung erhalten, die als Remanenz bezeichnet wird für die vollständige Entmagnetisierung muss ein entgegen gesetztes Magnetfeld angelegt werden, das mit einer Stärke angelegt werden, die als Koerzivität bezeichnet wird bei der Curie-Temperatur verschwinden die ferromagnetischen Eigenschaften schlagartig Digitaltechnik 2 5

52 Prinzip der Speicherung Zur Speicherung der Daten werden die magnetischen Speichermedien in Gebiete eingeteilt. Die Gebiete speichern jeweils ein Bit. Durch die Ausrichtung des Gebietes wird die Wertigkeit des zugeordneten Bits codiert. Digitaltechnik 2 52

53 Durchführung von Lesen und Schreiben Bei konstantem Stromfluss durch eine Spule wird ein Magnetfeld erzeugt (Elektromagnet). Mit einem Elektromagneten können die Daten eingeschrieben werden. Ein sich veränderndes Magnetfeld induziert eine elektrische Spannung. Zum Auslesen wird der Spannungsverlauf ausgewertet. Digitaltechnik 2 53