ΗΥ120 "ΨΗΦΙΑΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ" ΙCs.

Παρουσίαση με θέμα: "ΗΥ120 "ΨΗΦΙΑΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ" ΙCs."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΗΥ120 "ΨΗΦΙΑΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ" ΙCs

2 Υλοποιηση διακοπτων με MOS transistors
x = "low" x = "high" Ενας απλος διακοπτης ελεγχομενος απο την μεταβλητη x Gate Source Drain Substrate (Body) NMOS transistor V G V V S D Απλοποιημενο συμβολο ενος NMOS transistor

3 "Συμπληρωματικος Διακοπτης"
x = "high" x = "low" Ενας διακοπτης με την συμπληρωματικη συμπεριφορα Μπορει να θεωρηθει οτι ελεγχεται απο την μεταβλητη x´ Gate Drain Source V DD Substrate (Body) PMOS transistor V G V V S D Απλοποιημενο συμβολο ενος PMOS transistor

4 NMOS και PMOS transistors σε λογικα κυκλωματα
V D V = 0 V V D D V G V = 0 V S Κλειστος διακοπτης Ανοικτος διακοπτης οταν V = V οταν V = 0 V G DD G (a) NMOS transistor V = V V V S DD DD DD V G V V V = V D D D DD Ανοικτος διακοπτης Κλειστος διακοπτης οταν V = V οταν V = 0 V G DD G (b) PMOS transistor

5 Μια πυλη NOT με τεχνολογια ΝΜΟS
V DD R R + 5 V - V V f f V V x x (a) Πραγματικο Κυκλωμα (b) Απλοποιημενο κυκλωμα x f x f (c) Γραφικα συμβολα

6 Μια πυλη NAND με τεχνολογια NMOS
V DD V f V x 1 x x f 1 2 1 V x 2 1 1 1 1 1 1 (a) Κυκλωμα (b) Πινακας Αληθειας x x 1 1 f f x x 2 2 (c) Γραφικα Συμβολα

7 Μια πυλη NOR με τεχνολογια NMOS
Κυκλωμα Πινακας αληθειας Γραφικα συμβολα

8 Μια πυλη AND με τεχνολογια NMOS
V V DD DD V f A V x 1 x x f 1 2 V x 2 1 1 1 1 1 Κυκλωμα Πινακες Αληθειας x x 1 1 f f x x 2 2 Γραφικα Συμβολα

9 Μια πυλη ΟR με τεχνολογια NMOS
Κυκλωμα Κυκλωμα Πινακας αληθειας Γραφικα συμβολα

10 Δομη μιας πυλης NMOS

11 Δομη μιας πυλης CMOS

12 H πυλη ΝΟΤ με τεχνολογια CMOS
V DD T 1 V V x f x T T f 1 2 T 2 on off 1 1 off on (a) Κυκλωμα (b) Πινακας Αληθειας και καταστασης των Transistors

13 H πυλη NAND με τεχνολογια CMOS
Κυκλωμα Πινακας αληθειας και καταστασης των transistors

14 H πυλη NOR με τεχνολογια CMOS
Πινακας αληθειας και καταστασης των transistors Κυκλωμα

15 H πυλη AND με τεχνολογια CMOS

16 Tι κανει αυτο το κυκλωμα??
f = x1´+x2´x3´

17 Και αυτο?? F = x1´ + x4´(x2´+x3´)

18 Επιπεδα τασης σε ενα κυκλωμα NAND CMOS
Κυκλωμα Επιπεδα τασης

19 Αντιστοιχιση επιπεδων τασης σε επιπεδα λογικης
x x f 1 2 1 x 1 1 1 f x 2 1 1 V V V x x f 1 2 1 1 L L H L H H (b) Συμβολο πυλης και πινακας αληθειας ΘΕΤΙΚΗΣ ΛΟΓΙΚΗΣ H L H H H L x x f 1 2 (a) Επιπεδα τασης 1 1 x 1 1 f x 1 2 1 (c) Συμβολο πυλης και πινακας αληθειας ΑΡΝΗΤΙΚΗΣ ΛΟΓΙΚΗΣ

20 Ερμηνεια των επιπεδων λογικης
x x f 1 2 x 1 1 f x 2 1 V V V x x f 1 1 1 1 2 L L L L H L (b) ΘΕΤΙΚΗ ΛΟΓΙΚΗ H L L H H H x x f 1 2 (a)Επιπεδα τασης 1 1 1 x 1 1 1 f x 1 1 2 (c)ΑΡΝΗΤΙΚΗ ΛΟΓΙΚΗ

21 ΟικογενειεςΨηφιακων Ολοκληρωμενων Κυκλωματων
Χαρακτηριζονται απο την τεχνολογια με την οποια υλοποιειται η βασικη πυλη της οικογενειας. Οι πιο συνηθισμενες ειναι οι: ΤΤL – Transistor-transistor Logic Σειρα 74ΧΧ ECL – Emitter Coupled Logic Σειρα 10k ή 100k MOS – Metal Oxide Semicoductor NMOS – N-type MOS CMOS – Complementary MOS Σειρα 4000ή ή 4500 I2L – Integrated Injection Logic Βαθμος ολοκληρωσης: SSI – Small Scale Integration gates/chip MSI - Medium Scale Integration gates/chip LSI – Large Scale Integration gates/chip VLSI – Very Large Scale Integration gates/chip VHSI – Very High Scale Integration gates/chip

22 Παρασταση λογικων τιμων με επιπεδα τασης

23 Βασικα χαρακτηριστικα των οικογενειων ICs
Οικογ Ταση τροφοδ Επιπεδο τασης HIGH LOW TTL V … … 0.4 ECL V … … -1.6 CMOS … 15 V VDD … 0.5 Ειδικα χαρακτηριστικα: ΤΤL Schottky TTL LS TTL CMOS ECL Δυνατοτητα οδηγησης Καταναλωση ισχυος (mW) Καθυστερηση διαδοσης (ns) Περιθωριο θορυβου

24 Ενα chip της σειρας74ΧΧ (a) Dual-inline package V Gnd
DD Gnd (b) Structure of 7404 chip

25 Υλοποιηση της συναρτησης f = x1x2 +x3x2´
V DD 7404 7408 7432 x 1 x 2 x 3 f

26 Απλοποιηση Συναρτησεων

27 Απλοποιηση συναρτησεων με την βοηθεια του Χαρτη Karnaugh (Καρνώ)
Ο χαρτης Karnaugh αποτελειται απο τετραγωνα καθε ενα απο τα οποια αντιστοιχει σε εναν ελαχιστορο. Καθε συναρτηση μπορει να παρασταθει στον χαρτη Karnaugh. Με καταλληλες ομαδοποιησεις των τετραγωνων (δηλ. των ελαχιστορων) επιτυγχανεται η ελαχιστοποιηση της συναρτησης. Για δυο μεταβλητες εχουμε y y y x 1 x 1 x 1 x´y´ x´y m0 m1 F = xy xy´ xy m2 m3 1 y x 1 1 xy´+xy = x(y+y´)=x 1 1 x´y +xy = y(x´+x)=y F = xy´+ xy +x´y = x + y

28 Σχεση διαγραμματων Venn – Χαρτη Καρνω
y x 1 y x´ x´y y´ x´y´ => x xy´ xy Διαγραμμα Venn Χαρτης Καρνω

29 Χαρτης Καρνω 3 μεταβλητων
yz <= Κωδικας Gray x 1 x´y´z´ x´y´z x´yz x´yz´ x´yz´+ xyz´= yz´ xy´z´ xy´z xyz xyz´ x´y´z+x´yz+ xy´z+ xyz = z xy´z´+ xy´z+ xyz+ xyz´ = x yz x 1 m0 m1 m3 m2 m4 m5 m7 m6 yz x 1 F=x´yz+x´y´z+xy´z´+xy´z= 1 1 = x´y + xy´=xy 1 1

30 Χαρτης Καρνω 3 μεταβλητων (2)
Χαρτης Καρνω 3 μεταβλητων (2) yz x 1 F=x´yz+xy´z´+xyz+xyz´= 1 = yz + xz´ 1 1 1 yz x 1 F=x´z+x´y+xy´z+yz = 1 1 1 =x´y +z 1 1 yz x 1 F(x,y,z)= Σ(0,2,4,5,6) => 1 1 1 1 1 F = z´+xy´

31 Χαρτης Καρνω 4 μεταβλητων
yz wx 00 01 11 10 1 1 1 F = Σ (0,1,2,4,5,6,8,9,12,13,14)=> 1 1 1 F = y´+w´z´+xz´ 1 1 1 1 1 yz wx 00 01 11 10 F= w´x´y´+ x´yz´+ w´xyz´+ wx´y´ 1 1 1 1 F = x´z´+ x´y´+ w´yz´ 1 1 1

32 Aπλοποιηση σε γινομενο αθροισματων
yz wx 00 01 11 10 F = Σ(0,1,2,5,9,10) 1 1 1 1 F = x´z´+ x´z´+ w´y´z 1 1 1 yz wx 00 01 11 10 1 1 1 F´ = yz + wx + xz´ => 1 F = (y´+z´)(w´+x´)(x´+z) 1 1 1

33 Aπλοποιηση σε γινομενο αθροισματων
yz wx 00 01 11 10 1 1 F = w´y´+ xy+ wx´ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 yz wx 00 01 11 10 F´= w´x´y + wxy´ 1 1 1 1 1 1 => F=(w+x+y´)(w´+x´+y) 1 1 1 1 1 1 F = (w+x+y´) (w´+x´+y)

34 Υλοποιηση με πυλες NAND και NOR
Εχουμε αποδειξει οτι οι πυλες NAND και NOR ειναι οικουμενικες, διοτι με αυτες μπορουμε να υλοποιησουμε τις βασικες πραξεις της αλγεβρας Boole δηλαδη την AND, την OR και την NOT. Επισης ισχυουν και οι πιο κατω σχεσεις (xy)´=x´+y´ x y x y x'+y'  (x+y)'=x'y' x y x y x'y'  x' x  

35 Υλοποιηση αποκλειστικα με πυλες NAND
Ξεκιναμε απο αθροισμα γινομενων ή μετατρεπουμε την συναρτηση σε αθροισμα γινομενων. Υλοποιουμε καθε γινομενo με μια πυλη NAND ("γινομενα" μιας μεταβλητης υλοποιουνται με NAND δυο εισοδων με τις δυο εισοδους ενωμενες) Υλοποιουμε το αθροισμα με μια NAND

36 Παραδειγμα Να υλοποιηθει η F(x,y,z)=Σ(0,6) αποκλειστικα με πυλες NAND
Βημα 1ο: Ελαχιστοποιηση με την βοηθεια του χαρτη Καρνω Βημα 2ο: F(x,y,z) = x'y'z'+xyz' Bημα 3ο δεν γινεται ελαχιστοποιηση yz x 1 x' y' z' x y F

37 Υλοποιηση αποκλειστικα με πυλες NOR
Ξεκιναμε απο γινομενο αθροισματων ή μετατρεπουμε την συναρτηση σε γινομενο αθροισματων. Υλοποιουμε καθε αθροισμα με μια πυλη NOR ("αθροισματα" μιας μεταβλητης υλοποιουνται με NOR δυο εισοδων με τις δυο εισοδους ενωμενες) Υλοποιουμε το γινομενο με μια NOR 

38 Παραδειγμα Να υλοποιηθει η F(x,y,z)=Π(1,2,3,4,5,7) αποκλειστικα με πυλες ΝΟR Βημα 1ο: Ελαχιστοποιηση με την βοηθεια του χαρτη Καρνω Βημα 2ο: F(x,y,z) = z'(x+y')(x'+y) Bημα 3ο yz x 1 x y' x' y z'

39 Αλλες διεπιπεδες υλοποιησεις
Πρωτο επιπεδο Δευτερο επιπεδο AND AND OR OR NAND NAND NOR NOR Νεες μη εκφυλισμενες διεπιπεδες υλοποιησεις Ευθυ Δυικο AND – OR – INVERT OR – AND – INVERT NAND – AND NOR - OR AND – NOR OR - NAND

40 Παραδειγμα yz 00 01 11 10 x AND-OR: F=x'y'z'+xyz' 1 1 0 0 0
1 AND-OR: F=x'y'z'+xyz' OR-AND: F=z'(x'+y)(x+y') AND – OR – INVERT: F = (z+x'y+xy')' AND – NOR : F = >> NAND – AND : F = z'(x'y)'(xy')' OR – AND – INVERT : F = [(x+y+z)(x'+y'+z)]' OR – NAND : F = >> NOR – OR : F = (x+y+z)'+(x'+y'+z)'

41 Χαρτης Karnaugh με αδιαφορους ορους
F(w,x,y,z) = Σ(1,3,7,11,15) d(w,x,y,z) = Σ(0,2,5) = don't care terms (αδιαφοροι οροι) yz wx 00 01 11 10 X 1 1 X F=yz +w'x' X 1 F=yz +w'z F=yz +w'x'z

42 ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΛΟΓΙΚΗ Υπαρχουν δυο κατηγοριες λογικων κυκλωματων
Τα συνδυαστικα (Combinatorial), και Τα ακολουθιακα (Sequential) Στα συνδυαστικα κυκλωματα οι εξοδοι σε δεδομενη χρονικη στιγμη εξαρτωνται αποκλειστικα και μονον απο τις εισοδους την στιγμη εκεινη (και οχι απο το παρελθον του κυκλωματος). Στα ακολουθιακα κυκλωματα οι εξοδοι εξαρτωνται και απο την κατασταση των στοιχειων μνημης του κυκλωματος (δηλαδη απο την προηγουμενη ιστορια του κυκλωματος)

43 Συνδυαστικα κυκλωματα
x1 x2 xn z1 z2 zm Συνδυαστικο κυκλωμα n μεταβλητες εισοδου m μεταβλητες εξοδου zi = fi (x1, x2,…, xn) i= 1, 2, m Με n εισοδους υπαρχουν 2n δυνατοι συνδυασμοι τιμων εισοδου. Για καθε δυνατο συνδυασμο εισοδων εχουμε ενα συνδυασμο τιμων εξοδου. Η πληρης περιγραφη του κυκλωματος απαιτει τον προσδιορισμο m συναρτησεων Boole των n μεταβλητων, ή ισοδυναμα εναν πινακα αληθειας με 2n γραμμες και m στηλες Υποθετουμε οτι οι μεταβλητες εισοδου ειναι διαθεσιμες μαζι με το συμπληρωμα τους

44 Διαδικασια σχεδιασμου
Διατυπωση του προβληματος (σχεδιαστικου στοχου) καθορισμος του αριθμου μεταβλητων εισοδου και εξοδου Επιλογη συμβολων για την παρασταση των μεταβλητων εισοδου και εξοδου Κατασκευη του πινακα αληθειας απο την διατυπωση του προβληματος Απλοποιηση των m συναρτησεων Boole που αντιστοιχουν στις m εξοδους. Κριτηρια απλοποιησης: Ελαχιστοποιηση αριθμου πυλων ελαχιστοποιηση αριθμου εισοδων πυλης ελαχιστοποιηση χρονου διαδοσης ελαχιστοποιηση διασυνδεσεων Ελαχιστοποιηση οδηγουμενων πυλων (Fan-out) Σχεδιαση του λογικου διαγραμματος

45 Παραδειγμα: Σχεδιαση Αθροιστων
Η προσθεση ειναι μια βασικη πραξη: 0+0=0, 0+1=1+0=1 1+1 =10 Εχουμε δυο ειδη αθροιστων: Τον ημιαθροιστη (half-adder) με δυο εισοδους, που εκτελει την προσθεση δυο δυαδικων ψηφιων, και τον πληρη αθροιστη (full-adder) με τρεις εισοδους,που εκτελει την προσθεση δυο δυαδικων ψηφιων και ενος κρατουμενου. Σχεδιαση ημιαθροιστη x y S(um) C(ary) Απο τον πινακα αληθειας εχουμε: C = xy και S=xy'+x'y = xy Half- Adder x y x y C S S C

46 yz x 1

47 Σχεδιαση πληρους αθροιστη
x y z C S x y z Full Adder S C yz yz x 1 x 1 S=x'y'z+x'yz'+xy'z'+xyz= = x'(y'z+yz')+x(y'z'+yz)= = xyz C=xy +x'yz+xy'z= xy+z(x'y+xy')=xy+z(x y) x y S2 C2 S C S1 C1 S x y z HA HA C z

48 Παραδειγμα Σχεδιασης: Μετατροπη κωδικα
Διατυπωση προβληματος: Μετατροπη του BCD σε excess-3 Πινακας Αληθειας abcd wxyz cd cd ab 00 01 11 10 ab 00 01 11 10 X X X X X X X X X X X X z=d' x=bc'd'+b'd+b'c=b (c+d) cd ab 00 01 11 10 cd ab 00 01 11 10 X X X X X X X X X X X X y= c'd'+cd = cd w=a+bd+bc =a+b(d+c)

49 Διαδικασια Αναλυσης συνδυαστικων κυκλωματων
Σταδια σχεδιασης: περιγραφη λειτουργιας ευρεση συναρτησεων Βoole εξοδων κατασκευη λογικου διαγραμματος Αναλυση ειναι η αντιστροφη λειτουργια: διδεται το λογικο διαγραμμα εξαγωγη των συναρτησεων Boole των εξοδων ευρεση της λειτουργιας του κυκλωματος ή επαληθευση υποτιθεμενης λειτουργιας

50 Διαδικασια Αναλυσης Συνδυαστικο ή ακολουθιακο?? (εχει μνημη ή οχι?)
Εξαγωγη συναρτησεων Boole των εξοδων (ή του πινακα αληθείας) Βαζουμε συμβολα τις εισοδους Βαζουμε συμβολα στις εξοδους των πυλων πρωτου (n-στου) επιπεδου. Βρισκουμε τις αντιστοιχες συναρτησεις Boole GO TO (2), μεχρι να φτασουμε στις εξοδους. Εκφραζουμε τις εξοδους συναρτησει των εισοδων με επανειλημμένες αντικαταστασεις Τ2 Τ1 T2=abc T1 =a+b+c F2=ab+ac+bc=Carry(a,b,c) T3 =T1F2' F1 = T3+T2 = T1F2'+T2= =abc+(a+b+c)(ab+ac+bc)'= =a'bc'+a'b'c+ab'c'+abc= =c'(ab)+c(ab)' = = a bc =SUM(a,b,c) a b c F1 T3 a b c F'2 F2

51

52

53

54

55

56

57