F5: Digial hårdvara Digiala signaler Innehåll: - Digiala signaler - Grindar (gaes) - Symboler - Logiska kresar - Timing diagram - Fördröjningar - Tillsånd för digiala signaler - Logikfamiljer (CMOS, TTL) Analog signal i analog sysem V Analog signal i digial sysem V Digial signal i digial sysem Analog karakerisik: koninuerliga signalnivåer mycke små och "mjuka" nivåförändringar Digial karakerisik: Diskrea signal signalnivåer (ofas spänning) Två nivåer: på/av, hög/låg, 1/0 (binära) icke-sammanhängande eller kvaniserade nivåändringar 1 0 1 ( 2 0 ) 2 ( 2 0 ) Digial konra Analog Omvärlden är ill sin naur analog Många elekronikkomponener är bäre då de är digiala Digial Compac Disc (CD) mikroprocessorsyrda maskiner elefonisysem Analog magneband mekanisk syrda maskiner elefonisysem Fördelar med digiala sysem Många sysem som idigare var analoga har ersas av digiala sysem. Anledningarna ill dea kan vara någon/några av följande punker: Okänslig för sörningar / robus: En digial kres ger idenisk resula oberoende av variaioner i maningsspänning, emperaur, komponen m.m. Flexibilie: digiala kresar kan göras programmerbara och samma kres kan användas i många sammanhang (.ex mikroprocessor, programmerbara logiska kresar). Hasighe: digiala kresar kan uföra >100 miljoner operaion per sekund Ekonomi: inegrerade kresar gör a komplexa funkioner kan illverkas billig och byggas in i alla yper av produker digiala daorer (PC, superdaorer) analoga "daorer" (OP-försärkare, resisanser, kapacianser) 3 ( 2 0 ) 4 ( 2 0 )
Digiala kresar Logiska nivåer Maningsspänning Ideal se - logisk 1 fi 5V (då VDD = 5V) - logisk 0 fi 0V I prakiken definieras spänningsområden för logisk 0 och logisk 1. Exempel: invererare V OH : logisk hög uspänning V OL : logisk låg uspänning V IH : logisk hög inspänning V IL : logisk låg inspänning VNM H : brusmarginal för hög VNM H : brusmarginal för låg V I V O logisk symbol elekriska paramerar 5 ( 2 0 ) 6 ( 2 0 ) Komponener - digiala inegrerade kresar Inegrerad kres kapslad i en enkel kapsel (Dual in-line kapsel) Placering av IC på mönserkor Monering av IC på mönserkor Inegrerad kres i genomskärning Ledningsdragning 7 ( 2 0 ) 8 ( 2 0 )
Inegrerade kresar (IC) Fördröjningar En samling logiska grindar som illverkas på en och samma kiselbricka (chip) Klassificering av inegrerade kresar - Small-Scale Inegraion (SSI): innehåller 1-20 logiska grindar (exempel: 7400-serien SSI IC) - Medium-Scale Inegraion (MSI): innehåller 20-200 logiska grindar (exempel: räknare, avkodare, muliplexers) - Large-Scale Inegraion (LSI): innehåller 200-200 000 logiska grindar - Very Large-Scale Inegraion (VLSI): innehåller >200 000 logiska grindar - Ulra Large-Scale Inegraion (ULSI): innehåller >250 000 000 ASICs: Inegrerade kresar som är konsruerade för en specifik applicaion - ASIC = Applicaion Specific Inegraed Circui - På svenska: kundanpassad kres, illämpningsspecifik kres Omslagsider IDEAL, ingen omslagsid Approximaion av omslagsid r f 1 Verklig iming 0 r f Propageringsfördröjning (grindfördröjning) V in V ou r sigid (rise ime) f fallid (fall ime) r är den id de ar för signalen a gå från 10% ill 90% av sina sluvärden f är den id de ar för signalen a gå från 90% ill 10% av sina sluvärden phl propageringsid hög ill låg plh propageringsid låg ill hög Fördröjningen mäs från mipunken av omslage. phl plh 9 ( 2 0 ) 1 0 ( 2 0 ) Tillsånd för digiala signaler Fan-ou Fan-ou för en grind är anale grindar som drivs av den ugången. +5V +5V +5V Generell så ökar den logiska fördröjningen hos en grind med ökad fan-ou p1 = p0 + 1 pl 0 1 Den logiska fördröjningen beror på vå fakorer 1) Den inerna fördröjningen i grinden ( p0 ). De är fördröjningen vide fan-ou = 0) 2) Den lasberoende fördröjningen ( pl ) som behövs för a driva lasen. Tillsånd Förklaring 0 logisk nolla 1 logisk ea X hög impedans (hi-) don care (anigen 0 eller 1), odefiniera 1 1 ( 2 0 ) 1 2 ( 2 0 )
Generell Fan-ou För fan-ou av N kan man skriva a grindfördröjningen pn är: En grinds fan-in är anale ingångar grinden har. Fan-in pn = p0 + N pl En grind med lien fan-in (d.v.s lie anal ingångar) har korare logisk fördröjning än en med sor fan-in. En AND2 grind har mondre p0 än en AND4. 1 3 ( 2 0 ) 1 4 ( 2 0 ) Fördröjning i kaskadkopplade grindar Kaskadkopplade invererare Grindfördröjningar i logiska nä Generell: grindfördröjning genom en kedja av grindar N D = dn där pn är grindfördröjningen genom grind n n = 1 Exempel 1: Exempel 2: d1 = d2 = d3 = p0,not + pl,not d4 = p0,not + pl där p0,not är den inerna grindfördröjningen, pl,not är lasberoende fördröjningen för invereraren. pl är fördröjningen p.g.a lasen vid punken B. Den oala fördröjningen blir d = 4 p0,not + 3 pl,not + pl 1 5 ( 2 0 ) 1 6 ( 2 0 )
Timing hasard Saisk hasard Hiills har vi enbar analysera kresar i viloläge, där deras beeende beskrivs i sanningsabeller och Karnaugh-diagram. Exempel på saisk-1 hasard På grund av idsfördröjningar i de logiska grindarna kan kresens ransienbeeende skilja sig från de beeende man ser i viloläge. Innan kresen når si viloläge kan ugången illfällig ana illfälliga värden en eller flera gånger, dea kallas glichar. Siuaionen då sannolikheen 0 för a en glich ska kunna uppså kallas för hasard. Y X F 1 7 ( 2 0 ) 1 8 ( 2 0 ) Saisk-1 hasard Definiioner saisk hasard En saisk-1 hasard är e par ingångskombinaioner som (a) endas skiljer sig i en variabel och (b) både ger en ea på ugången, på e sådan sä a de finns en möjlighe a ugången momenan kan bli noll under övergången i den förändrade ingångsvariablen. Saisk-0 hasard En saisk-0 hasard är e par ingångskombinaioner som (a) endas skiljer sig i en variabel och (b) både ger en nolla på ugången, på e sådan sä a de finns en möjlighe a ugången momenan kan bli e under övergången i den förändrade ingångsvariablen. Deekera och eliminera saisk hasard m.h.a K-diagram I e Karnaugh-diagram kan man deekera saisk-hasard i en vå-nivåers summa-av-produk uryck. En summa-av-produk uryck har ingen saisk-0 hasard. En summa-av-produk uryck kan ha saisk-1 hasard. Exempel: XY 00 01 11 10 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 XY 00 01 11 10 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 F = X + Y F = X + Y + X Y 1 9 ( 2 0 ) 2 0 ( 2 0 )