Mäluga süsteemide disain

1I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8© Peeter Ellervee

Mäluga süsteemide disainMäluga süsteemide disain

L8. Mäluga süsteemid, abstraktneL8. Mäluga süsteemid, abstraktne automaatautomaat L9. Automaatide realiseerimine. L10. Automaatide realiseerimine, minimeerimine ja tükeldamine


JuhtautomaatJuhtautomaat

Digitaalsüsteem = operatsioonosa + juhtosa


OperatsioonosaOperatsioonosa

Operatsioonosa (operatsioonautomaat) andmete töötlus (arvutamine) - operatsioonid

(loogikafunktsioonid) andmete salvestamine (mälu) - registrid

(mäluelemendid) taktsignaal

operatsioonid: registri väljund -> registri sisendregister: salvestab tulemusi

• frondil - flip-flop, master-slave

• aktiivsel nivool - latch


JuhtosaJuhtosa

J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” -- 7.3 - 7.7

Juhtosa (juhtautomaat) operatsioonide järjestamine tingimuslik järjestamine

(eelmiste) operatsioonide tulemusedvälised tingimused (sisendsignaalid)

Algoritm operatsioonide järjestus mikroprogramm


Diskreetne aegDiskreetne aeg

Rangelt järjestatud sündmuste jada(ajamomentide jada) üksiksündmuse kestus on 0 sündmuste vaheline ajavahemik pole oluline

diskreetne aeg taktsignaal



Taktsignaal (clock) reaalne diskreetse aja esitusviis üksiksündmus == taktsignaali front

tõusev või langev front - ühefaasiline taktsignaal (single phased clock)

tõusev ja langev front - kahefaasiline taktsignaal (double phased clock)



Taktsignaal (clock) varasem mitmefaasiline taktsignaal -

eri faasid tüürisid eri mäluelemente


Kombinatoorne skeemKombinatoorne skeem

Skeemi väljund sõltub ainult skeemi sisendist

Atsüklilise topoloogiaga skeem on kombinatoorne

Tsükliga (tagasisidega) skeemid võivad olla kombinatoorsed


Mäluga skeemMäluga skeem

Eksisteerivad mäluelemendidAsünkroonsetes skeemis võib

mäluelement olla mitteilmutatud kujulTagasiside on vajalik


AutomaatAutomaat

Mäluga skeemi erijuht

Sisendid, väljundid ja olekud - lõplikud hulgad

Abstraktne automaat, lõplik automaatautomaton (pl. automata), sequential

machine, finite state machine (FSM)


NäideNäide

Õppejõu käitumine eksamil kui õppejõud on heas tujus ja tudeng oskab, siis

tudeng saab 5 ning õppejõu hea tuju säilub kui õppejõud on heas tujus ja tudeng ei oska, siis

tudeng saab 3 ning õppejõu tuju läheb halvaks kui õppejõud on halvas tujus ja tudeng ei oska, siis

tudeng saab 2 ning õppejõu halb tuju säilub kui õppejõud on halvas tujus ja tudeng oskab, siis

tudeng saab 4 ning õppejõu tuju läheb heaks


Näide - Näide - õppejõudõppejõud

Õppejõu käitumine eksamil

sisend olek väljund uus olek

tudeng õppejõud hinne õppejõud

oskab hea tuju 5 hea tuju

ei oska hea tuju 3 halb tuju

ei oska halb tuju 2 halb tuju

oskab halb tuju 4 hea tuju

hea halb

oskab / 5

oskab / 4ei oska / 2

ei oska / 3



Realisatsioon riistvaras

Efektiivsus sõltub kodeeringust! Sisend- ja väljundkodeering üldjul teada Olekute kodeerimine oluline

pindala - loogikalülide arvviide - funktsioonide keerukusvõimsustarve - lülituste arv ajaühikus



Realisatsioon #1 sisend: ei oska - 0, oskab - 1 väljund: 2 - 0001, 3 - 0010, 4 - 0100, 5 - 1000 olek: hea - 0, halb - 1



Realisatsioon #2 sisend: ei oska - 0, oskab - 1 väljund: 2 - 00, 3 - 01, 4 - 10, 5 - 11 olek: hea -1, halb - 0


Abstraktne automaatAbstraktne automaat

Automaat on viisik (quintuple) - M = (S,I,O,,) S: (sise)olekute hulk (states) I: sisendite hulk (inputs) O: väljundite hulk (outputs) : siirdefunktsioon (transition) - : S I S : väljundfunktsioon - : S I O

Hulgad on lõplikud ja (üldjuhul) mittetühjad hulkade ja funktsioonide erijuhud -- automaatide

erijuhud

Lähteolek s0 -- M = (S,I,O,,,s0)


Automaatide erijuhudAutomaatide erijuhud

Mealy automaat - M = ( S, I, O, , ) S, I, O, :SIS, :SIO

Moore automaat - M = ( S, I, O, , ) S, I, O, :SIS, :SO väljundfunktsioon ei sõltu sisenditest

Primitiivne automaat - M = ( S, I, ) S, I, O= (OS), :SIS, olek on väljundiks



Generaator - M = ( S, O, , ) S, I=, O, :SS, :SO sisendid puuduvad

Loogikafunktsioon - M = ( I, O, ) S=, I, O, =, :IO siseolek puudub



Mikroprogramm automaat - M = (S,I,O,,) S, I={0,1}L, O{0,1}M, :SIS, :SIO kahendkodeeritud sisendid ja väljundid

Praktiline realisatsioon Puhverdatud sisendid Puhverdatud väljundid

ainult Moore automaat!


EsitusviisidEsitusviisid

Tabel veerud:

sisend (it), jooksev olek (st), väljund (ot), uus olek (st+1)

read: siire jooksvast olekust uude olekusse: it st ot st+1

it st ot st+1

jah hea 5 hea

ei hea 3 halb

ei halb 2 halb

jah halb 4 hea


EsitusviisidEsitusviisid

Olekudiagramm, olekugraaf (state graph) sõlmed: olekud kaared: siirded

Siirdediagramm (transition graph) sõlmed: siirded kaared: olekud

hea halb

jah / 5

jah / 4ei / 2

ei / 3


Automaatide omadusiAutomaatide omadusi

Osaliselt määratud automaadid leidub olekuid, kus siire pole mingi sisendi puhul

määratudlihtsustatud kirjapilt - vaikimisi jääb nt. samasse olekussmääramatus tuleneb väliskeskkonna iseärasustes - mitte-

eksisteerivad sisendkombinatsioonidkahendkodeeritud olekud - osa kombinatsioone on

kasutamataautomaadi minimeerimisel vabamad käed - osaliselt

määratud loogikafunktsioonid


Automaatide omadusiAutomaatide omadusi

Mittedeterministlikud automaadid leidub olekute ja sisendite kombinatsioone, mille

puhul on määratud rohkem kui üks järgmine olekkompaktne meetod kirjeldamiseks, kui leidub rohkem kui üks

legaalne reaktsioon mingile sisendkombinatsioonile (jadale)matemaatilised mudelid

Isomorfism (identsus)üksühene vastavus kahe automaadi komponentide

(S,I,O,,) vahel

Homomorfism (sarnasus)ühene vastavus kahe automaadi komponentide (S,I,O,,)

vahel ~ “alam-automaat”


Automaadi struktuurAutomaadi struktuur


MäluelemendidMäluelemendid

Salvestavad olekukoodiRegister

kahendvektori salvestamiseks sama tüüpi mäluelemendid

Mäluelementide tüübid funktsionaalsus - SR-, JK-, D- ja T-trigerid takteerimine

asünkroone - takt puudublatch - läbipaistev kui takt on aktiivneflip-flop - väljundis muutus ainult taktsignaali frondi korral

• master-slave (meister-sell) - kaks järjestikust latch’i• frondile reageerivad trigerid - spetsiaalne sise-ehitus


SR-triger (set/reset)SR-triger (set/reset)


JK-trigerJK-triger

Määramatus võimaldab minimeerida loogikafunktsioone efektiivsemalt

Kaks sisendit -> kaks loogikafunktsiooni


D-triger (delay)D-triger (delay)

Kõige enam kasutusel lihtne sise-ehitus väike sisendite arv -> vähem loogikafunktsioone


T-trigerT-triger

Sobiv loendurites kasutamiseks


Trigerite ajalised parameetridTrigerite ajalised parameetrid

Sisemised ahelad erinevate viidetega seadeaeg (setup time) - nõutav valmisoleku aeg hoideaeg (hold time) - nõutav stabiilsuse aeg nõuete rikkumise korral metastabiilsuse oht

Metastabiilsus registri vahepealne olek määramata pingenivood

võivad jääda loogikanivoode vaheleoluline voolutarbe kasv

• võib viia skeemi riknemiseni

C

D

Q

Documents

Mäluga süsteemide disain