Översikt, kursinnehåll

Transkript

1 Översikt, kursinnehåll Specifikation av digitala funktioner och system Digitala byggelement Kombinatoriska system Digital Aritmetik Synkrona system och tillståndsmaskiner Asynkrona system och tillståndsmaskiner Lite större digitala system om processorn och datorer VHDL ingår inte i någon större utsträckning eftersom det är en hel kurs i sig.

2 Digital Design IE04 Digital Design Överallt!

3 40-00 mikroprocessorer i en bil! Ignition system Emission control system Anti-lock brakes Dashboard display Entertainment system Navigation system...

4 Utvecklingen av elektroniken Intel 4004 (97) 3.0 GHz 80 millioner transistorer Intel Xeon 5400 (008) 08 KHz,300 transistorer Om man hade haft motsvarande utveckling för bilhastigheten så skulle man nu kunna köra från San Francisco till New York på ca 3 sekunder (Intel).

5 Varför är digitaltekniken så framgångsrik?

6 Enkelhet, störningssäkerhet Enkel matematisk modell med bara :or och 0:or som värden Boolesk algebra Störningsokänslig, effektiv implementering av den matematiska modellen Transistorer Integrerade kretsar Framsteg i halvledarteknologin Effektiva designmetoder och verktyg

7 Analoga eller Digitala signaler? En analog signal kan anta kontinuerliga värden, medan en digital signal bara kan anta diskreta värden ( här 0 5 ) värde tid Analog kontinuerlig signal Digital signal med diskreta värden

8 Digitalt borde vara sämre? Men har man tillräckligt många bitar och tillräckligt hög samplingsfrekvens efterliknar den digitala signalen den analoga signalen värde tid Analog signal Digital signal (3 bit) Digital signal (4 bit), dubbla samplings frekvensen)

9 Digitaltekniken är mycket Voltage okänslig för störningar V DD V,min V 0,ma Logic value Undefined Logic value 0 Det är inte bara ett spänningsvärde som översätts som eller 0 utan ett helt spänningsområde En störning om några mv kan påverka värdet på en analog signal mycket, men gör ingen skillnad inom digitaltekniken V SS (Gnd)

10 Störningsokänslighet Analogt: Stor påverkan Digitalt: Liten påverkan Digital databearbetning kan ske störningsokänsligt!

11 Digital signalbehandling Om det är möjligt så görs idag all signalbehandling digitalt Analog-Digital Omvandlare Mikrofon Digital-Analog Omvandlare Antenn Bärfrekvens ADC Digital Signalbehandling DAC Analog signal Digitala signaler Modulerad signal IE04 Digital Design

12 Fånga data är fortfarande kritiskt! Även om den mesta signalbearbetningen numera sker digitalt och därmed säkert från störningar, är det fortfarande kritiskt att fånga data på ett bra sätt analog/digitalomvandlingen! De störningar som följer med in i det digitala systemet får man sedan leva med!

13 Matematisk modell - Boolesk algebra: aiom I boolesk algebra finns det bara (sann) och 0 (falsk) som värden Följande operationer är definierade: AND ( ), OR (), NOT () Följande aiom definierar den booleska algebran

14 Booleska Algebra: räknelagar Räknelagar kan härledas ur aiomen många av räknelagarna stämmer överens med våra vanliga algebra! bekvämt att man kan fortsätta att räkna som man gjort i grundskolan! men se upp! En del räknelagar blir anorlunda och nya. Mer snart i kursen

15 Den tekniska bakgrunden När telefonvälarna automatiserades användes den booleska algebran som ett verktyg för beräkna hur kontaktnäten kunde förenklas. Kontakterna ritades i opåverkat tillstånd. Slutande kontakt Brytande kontakt, icke för seriekoppling och -funktion för parallellkoppling eller -funktion

16 Grindar i stället för kontakter eller -grind och -grind icke inverterare Kontaktnäten ersattes så småningom av grindar uppbyggda med elektronikkomponenter Med dessa tre grundläggande grindtyper: OR AND NOT kan alla logiska funktioner utföras. Mer snart i kursen

17 Bara en enda grindtyp! Det räcker faktiskt med en enda grindtyp, NAND, för att tillverka alla andra! Mer snart i kursen Etrem förenkling, en enda grindtyp räcker till allt!

18 CMOS NAND - grind En effektiv implementering av CMOS NAND-grinden kräver bara fyra transistorer Finess: CMOS-grindar förbrukar bara effekt vid omslag. En N-MOS transistor. Mer snart i kursen Tur det, annars skulle dagens datorkretsar bli glödheta.

19 Minnesfunktion? Trafikljus och hissar måste minnas dina knapp-tryckningar. Detta utförs av vippor eller låskretsar som man också kan göra med NAND-grindar. Senare i kursen

20 See-of-Gates Eftersom bara en enda typ av grindar behövs, kan man göra vad som helst med ett hav av grindar som får ett lednings-mönster utformat för en egen specifik funktion.

21 See-of-Gates Eftersom bara en enda typ av grindar behövs, kan man göra vad som helst med ett hav av grindar som får ett lednings-mönster utformat för en egen specifik funktion.

22

23 En miljard grindar? En modern processor kan innehålla en miljard grindar man kan inte rita ett sådant kretsschema Det behövs andra metoder för att beskriva ett sådant system!

24 CAD-verktyg Ett CAD-verktyg är ett program som hjälper ingenjören att konstruera (te en integrerad krets) CAD-verktyg kan vara helt automatiserade eller interaktiva CAD-verktyg är baserade på algoritmer som definierar ordningen på en sekvens av metoder som skall appliceras

25 Hårdvarubeskrivande språk Designen beskrivs med entity (black bo) och architecture (innehållet i boen) Entity Insignaler Architecture Utsignaler

26 Design-verktyg Steg : VHDL-Beskrivningen av den önskade hårdvaran översätts till booleska ekvationer Steg : Booleska ekvationer översätts till den tillgängliga hårdvaran VHDL-kod Ekvationer Implementering I kursen får Du prova designverktyget Quartus II

27 E. på VHDL-kod LIBRARY ieee ; USE ieee.std_logic_64.all ; ENTITY mu4to IS PORT( w0, w, w, w3 : IN STD_LOGIC ; s : IN STD_LOGIC_VECTOR( DOWNTO 0) ; f : OUT STD_LOGIC ) ; END mu4to ; ARCHITECTURE Behavior OF mu4to IS BEGIN WITH s SELECT f <= w0 WHEN "00", w WHEN "0", w WHEN "0", w3 WHEN OTHERS ; END Behavior ; VHDL är ett mycket komplet språk kursen kan inte rymma så mycket av detta. Fortsättningskurser finns!

28 Boolesk ekvation f = s s 0 w 0 s s 0 w s s 0 w s s 0 w 3 Mer snart i kursen

29 Ett grindnät som implementerar funktionen Läroboken använder Amerikanska symboler: AND OR Mer snart i kursen NOT

30

31 Teknologiframsteg Utvecklingen går rasande fort

32 Digital hårdvara i en dator System Moduler Grindar och vippor Transistorer

33 Designprocessen I kursen simulerar vi en design med ModelSim

34 Binära tal Digitaltekniken använder bara två siffersymboler: 0 och Enkelt att implementera varje värde motsvarar en spänningsnivå,t e 0 Volt motsvarar 0 5 Volt motsvarar Hur kan man då representera vanliga tal?

35 Decimala talsystemet I det decimala talsystemet har man 0 olika siffersymboler: 0 till 9 Ett decimaltal representeras med en sekvens av siffersymboler Positionen i sekvensen ger siffrans vikt och multipliceras med en potens av 0 (basen i decimalsystemet är 0) ( 653) 0 0 =

36 Decimala talsystemet = N m m m m = N m m m m (6.53) = ) ( = Representation av ett heltal Representation av ett kommatal

37 Binära talsystemet Binärsystemet fungerar på samma sätt som decimalsystemet, men man använder basen i stället för 0! = 0 0 N m m m m 0 0 ) (6 0 0) ( = = 0 0 ) ( ) ( = =

38 Oktala talsystemet I det oktala talsystemet är basen 8 och därmed används siffersymbolerna 0 till 7 = N m m m m ) ( ) ( = =

39 Headecimala talsystemet I det headecimala talsystemet är basen 6 och därmed används siffersymbolerna 0 till 9 och A till F m m 0 N6 = m 6 m ( AE.8) = 0 6 = (74.5) 0

40 Talsystem med basen b En allmän formulering kan erhållas för basen b = 0 0 b b b b b b N m m m m b

41 Heltalen för de olika talsystemen Bas Bas 8 Bas 0 Bas Bas Bas 8 Bas 0 Bas A 0 3 B 00 4 C D E 7 5 F

42 Snabbfråga Diskutera fram svaret tillsammans med din bänkgranne!

43 Snabbfråga 7

44 Omvandling mellan decimala och binära tal Omvandling från binär till decimal är trivial Omvandlingen från decimaltal till binärtal görs genom upprepade delning med Resten ger siffervärdet Siffrorna kommer i omvänd ordning Least Significant Bit (LSB) kommer först = = = = = = 6 Rest 3 Rest 0 6 Rest 3 Rest 0 Rest 0 Rest 5 0 = (LSB) = 0 = 3 = 0 4 = = (MSB) 53 0 = 00

45 Sammanfattning Det finns olika talsystem Digitaltekniken använder det binära talsystemet Man kan omvandla tal mellan olika talsystem

46