Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. Проектирование последовательностной логики. (Глава 3)
Содержание
- 2. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера Эти слайды предназначены для преподавателей, которые читают лекции на основе учебника
- 3. Благодарности Перевод данных слайдов на русский язык был выполнен командой сотрудников университетов и компаний из России,
- 4. Глава 3 :: Темы Введение Защелки и Триггеры Проектирование синхронных логических схем Конечные автоматы Синхронизация последовательностных
- 5. Выходы последовательностной схемы зависят как от текущих, так и от прошлых значений на входах - схема
- 6. Выдают последовательность событий Имеют (краткосрочную) память Для сохранения информации используют обратную связь с выходов на входы
- 7. Состояние схемы влияет на ее будущее поведение Элементы хранят состояние схемы Бистабильная схема RS-триггер D-защелка D-триггер
- 8. Основной блок для построения других элементы, хранящих состояние Два выхода: Q, Q Входов нет Бистабильная схема
- 9. Рассмотрим два возможных случая: Q = 0: Тогда Q = 1, Q = 0 (нет противоречия)
- 10. RS-триггер Рассмотрим четыре возможные случая: S = 1, R = 0 S = 0, R =
- 11. S = 1, R = 0: Тогда Q = 1 и Q = 0 S =
- 12. S = 0, R = 0: Тогда Q = Qprev S = 1, R = 1:
- 13. S = 0, R = 0: Тогда Q = Qprev Память! S = 1, R =
- 14. RS обозначает триггер со входами Reset/Set, Сброс/Установка Хранит один бит состояния (Q) Хранимое значение определяется входами
- 15. Два входа CLK, D CLK: определяет когда выход изменяется D (вход данных): определяет новое значение выхода
- 16. Внутренняя структура D защелки
- 17. Внутренняя структура D защелки
- 18. Входы: CLK, D Работа Фиксирует значение D по переднему фронту CLK Когда CLK изменяется от 0
- 19. Две последовательно соединенные защелки (L1 и L2), которые управляются комплементарными тактовыми сигналами Когда CLK = 0
- 20. Сравнение D-защелки и D-триггера
- 21. Сравнение D-защелки и D-триггера
- 22. Регистры
- 23. Входы: CLK, D, EN Вход разрешения (EN) контролирует, будут ли сохраняться новые данные (D) Работа EN
- 24. Входы: CLK, D, Reset Работа Reset = 1: Q устанавливается в 0 Reset = 0: Триггер
- 25. Два типа: Синхронный: Сброс происходит только по фронту тактового сигнала Асинхронный: сброс происходит сразу после установки
- 26. Два типа: Синхронный: Сброс происходит только по фронту тактового сигнала Асинхронный: сброс происходит сразу после установки
- 27. Входы: CLK, D, Set Работа: Set = 1: Q устанавливается в 1 Set = 0: Триггер
- 28. Последовательностные схемы - все схемы, которые не являются комбинационными Проблемная схема: Последовательностные цифровые схемы
- 29. Последовательностные схемы - все схемы, которые не являются комбинационными Проблемная схема: Входов нет, выходов 3 Нестабильная
- 30. Разрушение циклических путей с путем добавления регистров Регистры сохраняет состояние схемы Состояние изменяется по фронтам тактового
- 31. Состоят из: Регистра состояний Хранит текущее состояние По фронту тактового импульса загружает следующее состояние Комбинационной логической
- 32. Следующее состояние определяется входами и текущим состоянием Два класса конечных автоматов отличаются логикой определения выходных сигналов:
- 33. Система управления светофором Датчики движения: TA, TB (ИСТИНА, когда на улице есть студенты) Светофоры: LA, LB
- 34. Входы: CLK, Reset, TA, TB Выходы: LA, LB Черный ящик конечного автомата
- 35. Конечный автомат Мура: Значения выходов указаны для каждого состояния Состояния: Кружки Переходы: Дуги Диаграмма переходов конечного
- 36. Конечный автомат Мура: Значения выходов указаны для каждого состояния Состояния: Кружки Переходы: Дуги Диаграмма переходов конечного
- 37. Таблица переходов конечного автомата
- 38. Таблица переходов конечного автомата
- 39. Таблица переходов конечного автомата с указанием кодирования
- 40. S'1 = S1 ⊕ S0 S'0 = S1S0TA + S1S0TB Таблица переходов конечного автомата с указанием
- 41. Таблица выходов конечного автомата
- 42. LA1 = S1 LA0 = S1S0 LB1 = S1 LB0 = S1S0 Таблица выходов конечного автомата
- 43. Схема конечного автомата: Регистр состояний
- 44. Схема конечного автомата: Логика следующего состояния
- 45. Схема конечного автомата: Выходная логика
- 46. Временная диаграмма конечного автомата
- 47. Двоичное кодирование: Для четырех состояний: 00, 01, 10, 11 Прямое (One-hot) кодирование На каждое состояние один
- 48. У Алисы есть улитка, которая ползает по перфоленте, содержащей последовательность нулей и единиц. Улитка улыбается, если
- 49. Конечный автомат Мили: около дуг указаны значения входов/выходов Диаграмма переходов
- 50. Таблица переходов конечного автомата Мура
- 51. Таблица переходов конечного автомата Мура S1’ = S0A S0’ = A
- 52. Y = S1 Таблица выходов конечного автомата Мура
- 53. Y = S1 Таблица выходов конечного автомата Мура
- 54. Таблица переходов и выходов конечного автомата Мили
- 55. Таблица переходов и выходов конечного автомата Мили
- 56. Схема конечного автомата Мура
- 57. Схема конечного автомата Мили
- 58. Временные диаграммы конечных автоматов Мура и Мили
- 59. Разделение сложного конечного автомата на более простые взаимодействующие конечный автоматы Пример: Модифицируйте контроллер светофора так, чтобы
- 60. Немодульный конечный автомат Модульный конечный автомат Модифицированный конечный автомат
- 61. Немодульный конечный автомат
- 62. Модульный конечный автомат
- 63. Определите входы и выходы Нарисуйте диаграмму переходов Запишите таблицу переходов Выберите способ кодирования состояний Для конечного
- 64. Триггер фиксирует сигнал D по фронту тактового сигнала Сигнал D должен быть стабильным в процессе фиксации
- 65. Время предустановки: tsetup = период времени перед фронтом тактового сигнала, в течении которого данные должны быть
- 66. Задержка распространения tpcq = период времени после фронта тактового сигнала, после окончания которого выход Q будет
- 67. Входы синхронной последовательностной схемы должны быть стабильны в течение апертурного времени в окрестности фронта тактового сигнала
- 68. В зависимости от задержек элементов, общая задержка между регистрами лежит между максимальным и минимальным значениями Динамическая
- 69. Зависит от максимальной задержки комбинационный логики между регистрами R1 и R2 Вход регистра R2 должен быть
- 70. Зависит от максимальной задержки комбинационный логики между регистрами R1 и R2 Вход регистра R2 должен быть
- 71. Зависит от максимальной задержки комбинационный логики между регистрами R1 и R2 Вход регистра R2 должен быть
- 72. Зависит от минимальной задержки комбинационный логики между регистрами R1 и R2 Вход регистра R2 должен быть
- 73. Зависит от минимальной задержки комбинационный логики между регистрами R1 и R2 Вход регистра R2 должен быть
- 74. Зависит от минимальной задержки комбинационный логики между регистрами R1 и R2 Вход регистра R2 должен быть
- 75. Временные характеристики tccq = 30 пс tpcq = 50 пс tsetup = 60 пс thold =
- 76. Временные характеристики tccq = 30 пс tpcq = 50 пс tsetup = 60 пс thold =
- 77. Временные характеристики tccq = 30 пс tpcq = 50 пс tsetup = 60 пс thold =
- 78. Временные характеристики tccq = 30 пс tpcq = 50 пс tsetup = 60 пс thold =
- 79. Тактовые импульсы поступают на разные регистры схемы не одновременно Расфазировка: различие во времени между фронтами тактовых
- 80. В худшем случае CLK2 опережает во времени CLK1 Tc ≥ Время предустановки с учетом расфазировки тактовых
- 81. В худшем случае CLK2 опережает во времени CLK1 Tc ≥ tpcq + tpd + tsetup +
- 82. В худшем случае CLK2 опережает во времени CLK1 Tc ≥ tpcq + tpd + tsetup +
- 83. В худшем случае CLK2 отстает во времени от CLK1 tccq + tcd > Ограничение времени удержания
- 84. В худшем случае CLK2 отстает во времени от CLK1 tccq + tcd > thold + tskew
- 85. В худшем случае CLK2 отстает во времени от CLK1 tccq + tcd > thold + tskew
- 86. Асинхронные (например пользовательские) входы могут приводить к нарушению динамической дисциплины Нарушение динамической дисциплины
- 87. Бистабильные приборы: два стабильные состояния и метастабильное состояние между ними Триггер два стабильные состояния (0 и
- 88. Триггер имеет обратную связь: если Q находится где-то между 1 и 0, то перекрестно соединенные элементы
- 89. Интуитивно: T0/Tc: вероятность изменения входа в плохое (апертурное) время P(tres > t) = (T0/Tc ) e-t/τ
- 90. Наличие асинхронных входов неизбежно (интерфейс пользователя, системы с разными тактовыми сигналами и т.д.) Функция синхронизатора: сделать
- 91. Синхронизатор: строится из двух последовательно соединенных триггеров Предположим, что D изменяется во время фиксации F1 У
- 92. Вероятность сбоя для одиночного изменения входа: P(failure) = (T0/Tc ) e-(Tc - tsetup)/τ Вероятность сбоя синхронизатора
- 93. Если асинхронный вход изменяется один раз за секунду, то вероятность сбоя за одну секунду будет равна
- 94. Предположим: Tc = 1/500 МГц = 2 нс τ = 200 пс T0 = 150 пс
- 95. Предположим: Tc = 1/500 МГц = 2 нс τ = 200 пс T0 = 150 пс
- 96. Два типа параллелизма: Пространственный параллелизм: несколько копий аппаратных блоков в одно и то же время выполняют
- 97. Токен (Token): Набор входной информации, который обрабатывается для того, чтобы получить выходную информацию Латентность (latency): Время
- 98. Бен готовит печенье для вечеринки, посвященной введению в эксплуатацию его контроллера светофора 5 минут уходит на
- 99. Бен готовит печенье для вечеринки, посвященной введению в эксплуатацию его контроллера светофора 5 минут уходит на
- 100. Чему равна пропускная способность и задержка если Бен использует параллелизма? Пространственный параллелизм: Бен просит Алису помочь,
- 101. Латентность = ? Пропускная способность = ? Пространственный параллелизм:
- 102. Латентность = 5 + 15 = 20 минут = 1/3 час Пропускная способность = 2 противня/
- 103. Латентность = ? Пропускная способность = ? Временной параллелизм
- 105. Скачать презентацию