Von der Schaltungslogik zur Informationsverarbeitung

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1 Wintersemester 7/8 Schaltungslogik. Kapitel Von der Schaltungslogik zur Informationsverarbeitung Prof. Matthias Werner Professur Betriebssysteme 49 Schaltnetze! Gatter implementieren boolesche Funktionen Signale werden durch elektr. Spannungen dargestellt Zusammensetzung von Gattern Logikschaltungen Schaltnetz ist eine Zusammensetzung von Verknüpfungsschaltungen ohne Speicherverhalten Schaltnetze (Forts.) A B C Jedes Schaltnetzwerk kann auf eine elektrische Schaltung zurückgeführt werden Beliebige andere Technologien sind für die Implementierung möglich Ab jetzt ignorieren wir die Implementierung und konzentrieren uns auf die Schaltfunktion Q A B Q C Mechanisches AN/NAN mit Fischertechnik-Bausteinen Bildquelle; Thomas Püttmann 5 5

2 Schaltnetze (Forts.) urch logisch vollständige Funktionen können beliebige andere Funktionen gebaut werden ie xor-funktion ( f x, y x y ) soll mit Nicht-Und-Gattern realisiert werden x y x ȳ x y x ȳ x y x x y ȳ x x ȳ y x ȳ x x y y x y x x y y x y Optimierung Eine Schaltung ist nicht immer optimal zuviel Gatter Methoden zu Optimierung: Verfahren nach McCluskey Verfahren nach Karnaugh und Veitch Betrachten letzteres Karnaugh-iagramm/KV-iagramm Anordnen der Funktionswerte in einer Matrix, so dass benachbarte Felder sich um einen Funktionsparameter unterscheiden Matrix ist als Oberfläche eines Torus aufzufassen Ränder (oben/unten sowie rechts/links) sind verbunden Werte in Matrix eintragen, unbekannte (don t care) werden mit Φ bezeichnet Blöcke gleichen Werts zu Rechtecken mit n Kantenlänge zusammenfassen Block entspricht Ausdruck, der von weniger Variablen abhängig ist 5 53 KV-iagramm: Beispiel y f x,x,x 3 x x x 3 x x x 3 x x x 3 x x x 3 x x x 3 x x x x x x x x x x x 3 x 3 Schaltwerke Ein Schaltwerk zeigt Speicherverhalten es besitzt einen Zustand urch Eingangssignale ändert sich der Zustand der Schaltung Einfachstes Speicherelement speichert die Zustände /: Flip-Flop S U S R U neu y x x x 3 R U U alt verboten 54 55

3 Binäre Signale/Taktsteuerung Beispiel: Master-Slave-Flip-Flop Abstraktion von Signalübergängen: Takt Signale können dann als Rechtecksignale betrachtet werden synchrone Schaltungen: Hier -Flip-Flop (auch Latch) auf die fallende Flanke an T wird der an anliegende atenwert ( oder ) eingefroren. T Q i Q Mit der steigenden Flanke des Taktes wird der gesetzte Wert in die erste Stufe übernommen erweil liegt am Ausgang noch der alte Wert an Beispiel für Zeitverhalten: Takt Q? Takt Q? Q? Mit der fallenden Flanke des wird die Eingangsstufe versiegelt und der gesetzte Wert in die zweite Stufe (und den Ausgang) geschrieben Zustandbehaftete vs. zustandslose Schaltungen In zustandslosen Schaltungen hängt das Ausgangssignal ausschließlich vom Eingangssignal ab agegen geht in das Ausgangssignal von zustandsbehafteten Schaltungen die Vorgeschichte ein, die sich im Zustand manifestiert. Automatenmodell Blockschaltbilder Häufig stört eine zu detaillierte arstellung das Verständnis der Funktion Blockschaltbilder Obwohl auch Blockschaltbilder genormt sind, werden sie sehr unterschiedlich in der Literatur dargestellt 58 59

4 . Von der Schaltungslogik zur Informationsverarbeitung. Von der Schaltungslogik zur Informationsverarbeitung Register Arbeitsspeicher Abstraktes Modell: lineare Liste von Speicherzellen, auf die unter Angabe einer Adresse zugegriffen werden kann Halbleiterspeicher: Millionen von Flip-Flops auf einem Chip as Zugangssignal für jede Speicherzelle wird aus dem Wert, der auf den Adressleitungen liegt, decodiert. Speicher für logisch zusammengehörende Bits werden zu Registern zusammengefasst Register bestehen aus unverbundenen Flip-Flops, die gemeinsam getaktet werden 6. Von der Schaltungslogik zur Informationsverarbeitung Neben den hier beschriebenen Prinzip des Speicherns durch Flip-Flops gibt es auch andere Speichertechnologien ie Struktur Speicherzellen Zusammenfassung zu einem Speicherwort Adressierung über Adressdecodierer m = 3 (atenwortbreite ist 3 Bit) n = 4 (Es können 4 = 6MWorte angesprochen werden). Von der Schaltungslogik zur Informationsverarbeitung Schieberegister Typisches Beispiel: 6 Speicher (Forts.) Speicherzellen eines Mikrocontrollers mit einem Elektronenmikroskop betrachtet Mit jedem Takt wird das atenwort um eine Stelle verschoben und das in das freigewordene Bit der Wert des Eingangsbits din geschrieben: ist aber immer gleich Arbeitsspeicher in Form von integrierten Schaltungen (Bildquelle: Wikipedia) 6 t = t, din=: t = t +, din=: t = t +, din=: t = t +3, din=: t = t +4, din=: = = = = = Ist din =, so entspricht das Schieben in Richtung MSB (Most Significant Bit) einer Multiplikation mit, das Schieben in Richtung LSB (Least Significant Bit) einer ivision durch. 63

5 Addition ie Addition zweier Binärzahlen kann durch logische Verknüpfungen realisiert werden. Halbaddierer (Half-Adder) Berechnung von x + y = z + Übertrag (carry) Übertrag zur nächsthöheren Stelle Volladdierer Zur vollständigen Addition einer Stelle zweier mehrstelliger ualzahlen muss noch der Übertrag c in von vorheriger Stelle berücksichtigt werden. cin x y HA HA q c out x y cin q c out x y c in A q c out n-bit-addierer urch Zusammenschaltung mehrerer Volladdierer können zwei atenworte beliebiger Breite addiert werden aten werden dabei als Zahlen im Zweierkomplement aufgefasst as Carry-Bit muss immer zur nächsthöheren Stufe weitergereicht werden. Es muss das Einschwingen aller n Stufen abgewartet werden, ehe das Ergebnis gültig ist. Es gibt spezielle Schaltungen, um die Überträge vorherzusagen und damit die Addition zu beschleunigen schnelle Addierer Akkumulation Vorgehen: ) AC löschen (AC:=) ) Addiere x zum Inhalt von AC (AC:=AC+x) 3) Wenn nicht fertig, gehe zu ) Addition mehrerer Zahlen zusammengeschalteter Addierkette und Register (Akkumulator) fortgesetzte Addition beliebig vieler Zahlen möglich Akkumulator sammelt Ergebnisse vorheriger Additionen Ein Programm! 66 67

6 Multiplikation Papier und Bleistift Methode 3 = 43 3 = Multiplikationsarray as Papier-und-Bleistift -Verfahren wird nachempfunden: Produkt ist die Summe von Partialprodukten Nachteil: sehr hoher Aufwand, für n Bit Multiplikation werden n Zellen gebraucht = = Multiplikation mit Schieberegister Faktoren in f und g a und c = Wenn g gleich ist wird f nach a geladen as oppelregister ag wird um eine Stelle nach rechts geschoben, das LSB des Ergebnis steht damit in g n-. Wenn (das neue) g gleich ist wird f zu dem Wert in a addiert und das Ergebnis nach a geladen as oppelregister ag wird um eine Stelle nach rechts geschoben, etc. as Gesamtergebnis steht am Ende in ag. 7