D Sequentielle Logik D.1 D.2. 1 Einordnung. Problemorientierte Sprache. Assemblersprache. Betriebssystem. ISA (Instruction Set Architecture)

Transkript

1 equenielle Logik. Einordnung Ebene 6 Ebene 5 Ebene 4 Problemorieniere prache Assemblersprache Beriebssysem Ebene 3 IA (Insrucion e Archiecure) Ebene 2 Ebene Ebene Mikroarchiekur igiale Logik Physik.2

2 2 Begriff equenielle Logik Kombinaorische Logik chalneze mi verzögerungsfreien Gaern soforiges Ergebnis beim Anlegen von Weren an den Eingängen keine Zyklen/ückkoppelungen im chalnez eich das zur Beschreibung heuiger echensyseme? Ablaufseuerung peicherelemene Takerzeuger Begriff equenielle Logik (2) equenielle Logik Gaer haben Laufzeiverhalen Annahme einer Gaerlaufzei Δ Zyklen bzw. ückkoppelungen chalwerke chalungen mi Gaern als gericheer zyklischer Graph.4

3 2. ückgekoppeles Und-Gaer Beispiel für einfaches chalwerk Was geschieh bei ückkopplung? A X X( + Δ) = A() X() Werefolge für X bei Anfangskonfiguraion A X() X( + Δ) X( + 2Δ) X( + 3Δ).5 2. ückgekoppeles Und-Gaer (2) Beispiel für einfaches chalwerk (forges.) Was geschieh bei ückkopplung? A X X( + Δ) = A() X() Were für X als Funkion des vorherigen Weres A X( + Δ) X( + 2Δ) X( + 3Δ) X() X() X().6

4 2.2 ückgekoppeles Oder-Gaer Beispiel für einfaches chalwerk Was geschieh bei ückkopplung? A X X( + Δ) = A() + X() Werefolge für X bei Anfangskonfiguraion A X() X( + Δ) X( + 2Δ) X( + 3Δ) Were für X als Funkion des vorherigen Weres A X( + Δ) X( + 2Δ) X( + 3Δ) X() X() X() ückgekoppeles NO-Gaer Beispiel für einfaches chalwerk A X X( + Δ) = A() + X() Zur Erinnerung: Wahrheisafel eines NO-Gaers x x 2 x + x 2.8

5 2.3 ückgekoppeles NO-Gaer (2) Beispiel für einfaches chalwerk A X X( + Δ) = A() + X() Werefolge für X bei Anfangskonfiguraion A Were für X als Funkion des vorherigen Weres X() X() X()... chalung schwing! X() X( + Δ) X( + 2Δ) X( + 3Δ) A X( + Δ) X( + 2Δ) X( + 3Δ).9 3 -Flip-Flop Berachung eines einfachen asynchronen chalwerks A B X Y X( + Δ) = A() + Y() Y( + Δ) = B() + X() Wie verhäl sich das chalwerk bei unerschiedlichen Eingängen?.

6 3. Analyse des chalwerks Tabelle aller Zusandsübergänge A B X() Y() X( + Δ) Y( + Δ). 3. Analyse des chalwerks (2) arsellung der Were als Funkion der Ausgangswere A B X( + Δ) Y( + Δ) X( + 2Δ) Y( + 2Δ) X( + 3Δ) Y( + 3Δ) Y() X() X() Y() Y() X() Y() X() für die Were (A, B) gleich (, ) und (, ) is das chalwerk nach 2Δ für den Wer (A, B) gleich (, ) is das chalwerk nach Δ sabil für den Wer (A, B) gleich (, ) schein das chalwerk zu schwingen simm das? sabil.2

7 3. Analyse des chalwerks (3) Berachung der Ausgänge bei A= B= A B X( + Δ) Y( + Δ) X( + 2Δ) Y( + 2Δ) X( + 3Δ) Y( + 3Δ) Y() X() X() Y() Y() X() Was passier für X= Y=? A B X( + Δ) Y( + Δ) X( + 2Δ) Y( + 2Δ) X( + 3Δ) Y( + 3Δ) chalwerk schwing (auch für X= Y= ).3 3. Analyse des chalwerks (4) Berachung der Ausgänge bei A= B= (forges.) A B X( + Δ) Y( + Δ) X( + 2Δ) Y( + 2Δ) X( + 3Δ) Y( + 3Δ) Y() X() X() Y() Y() X() Was passier für X= und Y=? A B X( + Δ) Y( + Δ) X( + 2Δ) Y( + 2Δ) X( + 3Δ) Y( + 3Δ) chalwerk sofor sabil Was passier für X= und Y=? A B X( + Δ) Y( + Δ) X( + 2Δ) Y( + 2Δ) X( + 3Δ) Y( + 3Δ) chalwerk sofor sabil.4

8 3.2 Bedeuung Verbo der Eingabewere: A = B = zwei sabile Ausgabewer-Kombinaionen mi X = Y Bezeichung bisabiler peicher bisabile Kippsufe Flip-Flop Umbenennung der Ein- und Ausgänge = A ese, Löschen = B e, ezen = X Ausgang = Y negierer Ausgang -Flip-Flop kann einen binären Wer speichern Bedeuung (2) Verkürze Wahrheisafel eines -Flip-Flops bleib unveränder Eingabekombinaion nich erlaub Blockschalbild.6

9 3.3 Einsaz Feshalen eines kurzzeiigen Weres auch nach dessen ücksezung Beispiel: Warnung eines Temperaursensors in einem Krafwerk ensor liefer -ignal -Flip-Flop häl das ignal fes und läss Warnlampe leuchen T explizies ücksezen des Alarms durch chaler Lach / Auffangregiser (eigenlich: ase, Klinke) Wer wird aufgefangen und gehalen (rase ein) Zeidiagramm eakion des -Flip-Flops über die Zei 2Δ 2Δ seigende ignalflanke rigger das Umschalen des Flip-Flops Verzögerung und Einschwingzei abhängig von der Gaerlaufzei nach 2Δ is Flip-Flop eingeschwungen.8

10 3.5 ealisierung mi NAN-Gaern Einsaz von NAN- sa NO-Gaern Achung wg. e Morgan sind Ausgänge inverier.9 4 Asynchrone und synchrone chalwerke Asynchrone chalwerke verändere Eingänge sorgen für verändere Ergebnisse Gaerlaufzei besimm Zeidauer bis sabiles Ergebnis vorlieg zuverlässiges esign schwierig aufwändiger Enwurf Zei is Echzei sehr schnelle chalungen möglich ynchrone chalwerke zenraler Tak Übernahme eines Eingabesignals nur zu fesen Zeipunken ignal ha Zei sabil zu werden langsamse Teilschalung besimm maximale Takfrequenz einfacher und sysemaischer Enwurf Zei is Takzei.2

11 4. Geakees -Flip-Flop ynchrone chalung Übernahme der Eingänge nur während einer Takphase Blockschalbild.2 4. Geakees -Flip-Flop (2) ealisierung mi NAN-Gaern Achung wg. e Morgan sind Ausgänge inverier.22

12 4. Geakees -Flip-Flop (3) Zeiverhalen des geakeen -Flip-Flops Veränderungen finden nur während der -Phase des Taksignals sa mehrere Veränderungen pro Takphase mögliche Geakees -Flip-Flop (4) Problem rückgekoppele chalung vom Aus- zum Eingang des Flip-Flops chalnez Veränderungen am Ausgang können Veränderungen am Eingang während einer Takphase nach sich ziehen. selbs bei kurzen Takphasen sind ungewolle ückkoppelungen möglich.24

13 4.2 Maser-lave--Flip-Flop -Flip-Flop reagier auf (abseigende) Takflanke zweisufiges Flip-Flop Maser lave Tak auf Maser Flip-Flop nimm Eingänge auf, lave bleib unveränder Tak auf Maser Flip-Flop reagier nich mehr auf Eingänge, lave übernimm Zusand des Masers Maser-lave--Flip-Flop (2) Flip-Flop reagier auf abseigende Takflanke Zeiverhalen M M : -Ausgang des Maser-Flip-Flops ückkoppelung über chalnez nun unkriisch.26

14 4.2 Maser-lave--Flip-Flop (3) Flankengeriggere Flip-Flops nach außen sichbares Verhalen eines Maser-lave--Flip-Flops Übernahme der Eingänge nur bei Takflanke Blockschalbild flankengeriggerer -Flip-Flops posiive Flankenriggerung negaive Flankenriggerung negaive Flanke = abseigende Flanke Beispiel von vorherigen Folien posiive Flanke = aufseigende Flanke Takeingang wird negier Pipelining Mi Maser-lave-Flip-Flops sind folgende chalwerke denkbar chaln. chaln. pro Takeinhei logische Verarbeiung in den zwischengeschaleen chalnezen Weiergabe der Informaion an nächse ufe der Pipeline Ausgabe am Ende der Pipeline nach drei Taken komm die verarbeiee Informaion am Ende heraus.28

15 4.3 Pipelining (2) Einfaches Beispiel # #2 #3 Annahme alle Flip-Flops geben zu Beginn = aus Pipelining (3) Zeiverhalen 2 3.3

16 5 Weiere Flip-Flops 5. -Flip-Flop ynchroner Bausein verkürze Wahrheisafel eines -Flip-Flops bleib unveränder wird übernommen bleib unveränder wird übernommen Blockschalbild Flip-Flop (2) ealisierung Flankengeriggeres -Flip-Flop posiive Flankenriggerung negaive Flankenriggerung.32

17 5.2 egiser Flip-Flops bilden ein egiser peicher für besimme Anzahl von Binärweren d m- d d egiser m- aenbus lock JK-Flip-Flop -Flip-Flop mi zusäzlicher Umschalfunkion (Toggle) in der egel synchron und mi Maser-lave-Aufbau verkürze Wahrheisafel eines JK-Flip-Flops J K * * keine Änderung ohne Tak ücksezen (K=) ezen (J=) wird inverier (Toggle) Blockschalbilder flankengeriggerer JK-Flip-Flops J K posiive Flankenriggerung J K negaive Flankenriggerung.34

18 5.3 JK-Flip-Flop (2) ealisierung eines JK-Flip-Flop mi Maser-lave-Aufbau K J Maser lave pezialfall T-Flip-Flop (Toggle) mi einem Eingang T=K=J plus Takeingang.35 6 Typische chalwerke 6. chieberegiser egiser mi chiebeoperaion Binärwere werden z.b. im egiser nach rechs geschoben ealisierung mi -Flip-Flops m- hif In... hif Ou hif lock Vielfälige Anwendung Teil arihmeischer Operaionen erialisierung und eserialisierung von aen.36

19 6. chieberegiser (2) chieberegiser für Links- und echsschiebe-operaionen Lef = igh igh In Lef In... Lef Ou... igh Ou hif lock m chieberegiser (3) chieberegiser für Links- und echsschiebe-operaionen Lef = igh igh In -aus-2-muliplexer... Lef In Lef Ou... igh Ou hif lock m- -aus-2-muliplexer: Auswahl des linken oder rechen Eingabeweres.38

20 6.2 Asynchroner Zähler Beispiel: dreiselliger Binärzähler zähl abseigende Flanken des Takimpulses Aufbau mi JK-Flip-Flops 2 J K J K J K Asynchroner Zähler (2) Zeiverhalen 2 ominoeffek verzöger sabilen Zusand des Zählers lange Zähler sind nich beliebig schnell akbar.4