Technische Grundlagen der Informatik

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1 Technische Grundlagen der Informatik WS 2008/ Vorlesung Klaus Kasper WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 1

2 Wiederholung ROM Inhalt Realisierung digitaler Systeme Endliche Automaten Moore Mealy Zwei Beispiele WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 2

3 Festwertspeicher (ROM) Auf einen typischen ROM wird während des Betriebs ausschließlich lesend zugegriffen. Die Programmierung (Schreiben) eines ROM ist deutlich aufwändiger als der Lesezugriff. Der Aufbau eines ROM entspricht hinsichtlich der Matrixanordnung der Speicherzellen und der Adressverwaltung dem Aufbau eines RAM. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 3

4 Maskenprogrammierte ROM Für große Stückzahlen werden bei der Herstellung der Speicher die Information fest eingegeben. g Die zu speichernde Information wird mittels einer Metallisierungsmaske eingebracht. Beispiel: Gadgets WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 4

5 Programmierbare ROM (PROM) Mit speziellen Programmiergeräten können PROM vom Anwender programmiert werden. Die Programmierung erfolgt durch die Herstellung von Verbindungen (Anti- Fuse) oder durch die Trennung von Verbindungen (Fuse). Die Programmierung ist irreversibel. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 5

6 UV-löschbares PROM (EPROM) EPROMS können mit speziellen Geräten programmiert und gelöscht werden. Für die Programmierung wird eine Spannung von ca. 20 Volt benötigt. Bei der Programmierung werden mit Hilfe des Avalanche-Effektes (Lawineneffektes) elektrische Ladungen injiziert. Für die Löschung wird entsprechend energiereiches Licht benötigt. Die Löschung dauert einige Minuten. Der Baustein muss i.a. zur Löschung aus der Schaltung entfernt werden. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 6

7 Elektrisch lösch- und programmierbare ROM (EEPROM) Der Baustein kann für den Löschvorgang in der Schaltung verbleiben. Für den Löschvorgang wird eine Spannung von ca. 20 Volt benötigt. Für Programmierung und Löschung wird der Tunneleffekt ausgenutzt. Jedem Schreibvorgang wird ein Löschvorgang vorgeschaltet. Der Schreibvorgang für ein Byte benötigt ca. 10 ms. Anzahl von Lösch-/Schreibzyklen: ca Speicherdauer: mindestens 10 Jahre WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 7

8 Floating-Gate-Technologie für EEPROM-Speichertransistor WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 8

9 Flash-Speicher Weiterentwicklung der EEPROMs. Im Fall des Flash-Speichers wir im Unterschied zu EEPROMS der Speicher blockweise (!) gelöscht. In ersten Realisierungen i wurde der Speicher mit einem Flash (Blitz) vollständig gelöscht. Ein Block umfasst ca. 0,5 KB 128 KB. Der direkte Zugriff auf einzelne Bytes ist prinzipiell nicht möglich. Dies entspricht dem Prinzip von Massenspeichern, die eine typische Blockgröße von 512 Byte haben. Moderne Typen kommen mit 5 Volt als Programmier- und Löschspannung aus. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 9

10 Aktuelle Flash-Speicher Lesen/Schreiben Kapazität Memory Stick 10/3 MB/s 8 GB (16 GB) CompactFlash (CF) 20/20 MB/s 8 GB (32 GB) SecureDigital Card (SD) 20/15 MB/s 16 GB (32 GB) USB-2.0-Stick 33/15 MB/s 32 GB (64 GB) Solid-State Disk (SSD) 175/100 MB/s (250/170 MB/s) 32 GB (256 GB) MultimediaCard (MMC) 15/15 MB/s 1 GB (4 GB) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 10

11 Zum Vergleich Speichertyp Speichertakt Bezeichnung Bandbreite SDRAM 133 MHz PC133 1,1 GB/s DDR MHz PC2100 2,1 GB/s DDR MHz PC3200 3,2 GB/s DDR MHz PC ,2 GB/s DDR MHz PC ,3 GB/s DDR MHz PC ,5 GB/s DDR MHz PC ,5 GB/s DDR MHz PC ,6 GB/s DDR MHz PC ,8 GB/s PC3200: 200 MHz 8 Byte 2 Zugriffe/Takt = 3200 MByte/s WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 11

12 Fazit Eigenschaften SRAM DRAM EE- FLASH FRAM/ PROM MRAM Nichtflüchtig nein nein ja ja ja kleine Zellenmaße nein ja nein ja ja Wortweise les-/schreibbar ja ja ja nein ja geringer Leistungsbedarf ja ja nein nein ja schneller Schreibzugriff ja ja nein nein ja Schreibzyklen ja ja nein nein ja Kostengünstig nein ja nein ja ja WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 12

13 Realisierung digitaler Systeme WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 13

14 Realisierung digitaler Systeme Full Custom IC ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Bausteine mit programmierbarer Logik WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 14

15 Full Custom IC (Integrated Circuit) individuelle Entwicklung eines digitalen Systems lange Entwicklungszeiten sehr große Stückzahlen individuelle Fertigung geringer Stückpreis WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 15

16 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 g Stückpreis WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 16

17 Programmierbare Logik Hersteller bieten programmierbare Logik-Bausteine an Lösung wird vom Anwender entwickelt hohe Flexibilität kleine Stückzahlen hoher Stückpreis WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 17

18 Programmierbare Bausteine PLD (Programmable Logic Device) programmierbare Logikelemente (seit Mitte der 70er) PLD stellen eine logische Grundstruktur zur Verfügung, die vom Entwickler nach Bedarf konfiguriert (programmiert) werden kann. Für hoch integrierte PLD stehen Beschreibungssprachen zur Verfügung. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 18

19 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 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 19

20 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 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 20

21 Prinzip PAL Frei programmierbare UND-GATTER Fest verschaltete ODER-Gatter WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 21

22 Beispiel PAL Y1 = ( X2 X3) ( X1 X2 X3) X1 Y2 = ( X1 X2 X3) ( X1 X2 X3) ( X 1 X 2) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 22

23 PLA Struktur D C B A Y 1 Y Die mit der Wahrheitstabelle definierten Booleschen Funktionen sollen mit der unten dargestellten PLA-Struktur realisiert werden. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 23

24 PLA Struktur Y 1 B A * * 0 1 * * 0 B * * 1 * 1 0 D 0 * 0 1 Y 2 C C A D WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 24

25 PLA Struktur Y1 = ( A C D) ( A B D) ( A B C) Y2 = ( A B C ) ( A B D ) ( A B C ) ( A C D ) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 25

26 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 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 26

27 CPLD (Complex Programmable Logic Device) komplexe PLDs mit einer Block-Struktur jeder Block entspricht einem einfachen PAL die Blöcke werden über eine programmier- bare Schaltmatrix t miteinander i verbunden ein einzelner Block enthält typischerweise ca. 50 Eingänge und Ausgänge jeder Ausgang kann aus Produkt- termen gebildet werden WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 27

28 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 Flop zur Verfügung gestellt teilweise werden FPGAs ausschließlich über Look-Up Tabellen realisiert hohe Komplexität Selbstkonfigurierende Systeme werden möglich WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 28

29 CPLD vs. FPGA CPLD Wenige Logikblöcke mit großer Anzahl an Makrozellen Kurze Wege FPGA Viele Logikblöcke mit kombinatorischer Logik Lange Wege Platzierung und Routing fest vorgegeben Platzierung und Routing variabel Schaltzeiten einfach vorhersagbar Schaltzeiten sind von der Größe des Designs sowie Platzierung und Routing abhängig Hohe Taktfrequenzen unabhängig von der konkreten Schaltung Taktfrequenz ist von der Größe der Schaltung abhängig Kleine und mittelgroße Für sehr komplexe Schaltungen Schaltungen geeignet g WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 29

30 Programmierung (CPLD, FPGA) Beispiel: isplever WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 30

31 Programmierung g 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 80er 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. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 31

32 Automaten Ein endlicher Automat ist ein Modell, das zur Modellierung diverser Problemstellungen verwendet werden kann. Ursprung: Biologie (McCulloch, Pitts 1943), Elektrotechnik (Mealy, 1955), Linguistik (Chomsky, 1956). WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 32

33 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. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 33

34 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. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 34

35 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 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 35

36 Moore-Automat Ausgangssignale sind nur vom Zustand ab- hängig. S = f(s *,X) Y = g(s) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 36

37 Mealy Automat Bei Mealy-Automaten wechselt das Ausgangs- g signal schon bei der Veränderung des Eingangssignals. S = f(s*,x) Y=g(SX) g(s,x) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 37

38 Zustandsgraphen (Zustandsdiagramme) 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. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 38

39 Beispiel: SR Flip-Flop ( S R)/1 S / 0 ( S R )/0 R /1 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 39

40 Endliche Automaten für Schaltwerke WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 40

41 Zyklische Folgeschaltung t A B C Das System wird vom Takt getrieben Zustände, zyklische Wiederholung Flip-Flops können 8 Zustände realisieren Realisierung mit SR Flip-FlopsFlops WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 41

42 Zyklische Folgeschaltung AS = C B BS = B CS = C ( B A ) AR = C B BR = B CR = C B WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 42

43 Endliche Automaten für Schaltwerke WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 43

44 Zyklische Folgeschaltung A B C D1 D2 D Erstellen Sie die Zustandsfolgetabelle WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 44

45 Zyklische Folgeschaltung A B C D1 D2 D Ermitteln Sie die Minimalformen Skizzieren Sie die Schaltung Zeichnen Sie den vollständigen Zustandsgraphen WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 45

46 D2 D1 A B C D1 D2 D3 C B A C D * 0 * 1 0 D1 = ( C A) ( C B) C * * B 0 * 0 0 B 0 * 1 1 D 2 A = B D 3 = ( B A ) ( C B ) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 46 A

47 Endliche Automaten für Schaltwerke WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 47

48 Schaltungsaufbau Verknüpfungsnetzwerk (VN) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 48

49 vollständiger Aufbau WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 49

50 Zustandsgraph Bedingungen? vollständig? WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 50

51 Vollständiger Zustandsgraph WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 51

52 Übung Es soll eine zyklische Folgeschaltung lt mit JK-FlipFlops realisiert werden, die in Einerschritten von 0 bis 2 aufwärts zählt und anschließend wieder abwärts: {Y1,Y0} = { 0, 1, 2, 1, ab hier wiederholen } Skizzieren Sie einen vollständigen Zustandsgraphen der geforderten Folgeschaltung. Geben Sie die Ausgangssignale in der Form -/Y1Y0 an den Übergängen g an. Nummerieren Sie die FlipFlops mit A, B,.. und erstellen Sie die Wertetabellen für alle J- und K-Eingänge g und die gewünschten Ausgänge Y1, Y0 Erstellen Sie die KV-Diagramme für alle J- und K-Eingänge g und die Ausgänge Y1 und Y0 und geben Sie die Gleichungen (DMF) für die Eingangsbeschaltungen an. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 52

53 Übung Skizzieren Sie ein vollständiges Zustandsübergangsdiagramm der geforderten Folgeschaltung. Geben Sie die Ausgangssignale in der Form -/Y1Y0 an den Übergängen an. {Y1,Y0} = { 0, 1, 2, 1, ab hier wiederholen } WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 53

54 Übung Nummerieren Sie die FlipFlops mit A, B,.. und erstellen Sie die Wertetabellen für alle J- und K-Eingänge und die gewünschten Ausgänge g Y1, Y0 QB QA JB KB JA KA Y 1 Y WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 54

55 Übung Nummerieren Sie die FlipFlops mit A, B,.. und erstellen Sie die Wertetabellen für alle J- und K-Eingänge und die gewünschten Ausgänge g Y1, Y0 QB QA JB KB JA KA Y 1 Y WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 55

56 Übung Nummerieren Sie die FlipFlops mit A, B,.. und erstellen Sie die Wertetabellen für alle J- und K-Eingänge und die gewünschten Ausgänge g Y1, Y0 QB QA JB KB JA KA Y 1 Y * 1 * * * * 0 1 * * 1 * WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 56

57 Übung JB = QA JA = 1 Y1 =!QA * QB KB = QA KA = 1 Y0 = QA 1 J J clk FF A clk FF B 1 K K & Y0 Y1 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 57