Mäluga süsteemide disain

Mäluga süsteemide disain • L8. Mäluga süsteemid, abstraktneautomaat • L9. Automaatide realiseerimine. • L10. Automaatide realiseerimine,minimeerimine ja tükeldamine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Juhtautomaat • Digitaalsüsteem = operatsioonosa + juhtosa I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Operatsioonosa • Operatsioonosa (operatsioonautomaat) • andmete töötlus (arvutamine) - operatsioonid (loogikafunktsioonid) • andmete salvestamine (mälu) - registrid (mäluelemendid) • taktsignaal • operatsioonid: registri väljund -> registri sisend • register: salvestab tulemusi • frondil - flip-flop, master-slave • aktiivsel nivool - latch I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Juhtosa • J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” -- 7.3 - 7.7 • Juhtosa (juhtautomaat) • operatsioonide järjestamine • tingimuslik järjestamine • (eelmiste) operatsioonide tulemused • välised tingimused (sisendsignaalid) • Algoritm • operatsioonide järjestus • mikroprogramm I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Diskreetne aeg • Rangelt järjestatud sündmuste jada(ajamomentide jada) • üksiksündmuse kestus on 0 • sündmuste vaheline ajavahemik pole oluline diskreetne aeg taktsignaal I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Diskreetne aeg • 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) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Diskreetne aeg • Taktsignaal (clock) • varasem mitmefaasiline taktsignaal - eri faasid tüürisid eri mäluelemente I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Kombinatoorne skeem • Skeemi väljund sõltub ainult skeemi sisendist • Atsüklilise topoloogiaga skeem on kombinatoorne • Tsükliga (tagasisidega) skeemid võivad olla kombinatoorsed I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Mäluga skeem • Eksisteerivad mäluelemendid • Asünkroonsetes skeemis võib mäluelement olla mitteilmutatud kujul • Tagasiside on vajalik I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Automaat • Mäluga skeemi erijuht • Sisendid, väljundid ja olekud - lõplikud hulgad • Abstraktne automaat, lõplik automaat • automaton (pl. automata), sequential machine, finite state machine (FSM) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Näide • 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 I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

ei oska / 3 oskab / 5 hea halb ei oska / 2 oskab / 4 Näide - õppejõud • Õppejõu käitumine eksamil I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Näide - õppejõud • Realisatsioon riistvaras • Efektiivsus sõltub kodeeringust! • Sisend- ja väljundkodeering üldjul teada • Olekute kodeerimine oluline • pindala - loogikalülide arv • viide - funktsioonide keerukus • võimsustarve - lülituste arv ajaühikus I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Näide - õppejõud • Realisatsioon #1 • sisend: ei oska - 0, oskab - 1 • väljund: 2 - 0001, 3 - 0010, 4 - 0100, 5 - 1000 • olek: hea -0, halb - 1 I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Näide - õppejõud • Realisatsioon #2 • sisend: ei oska - 0, oskab - 1 • väljund: 2 - 00, 3 - 01, 4 - 10, 5 - 11 • olek: hea -1, halb - 0 I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Abstraktne automaat • Automaat on viisik (quintuple) - M = (S,I,O,d,l) • S: (sise)olekute hulk (states) • I: sisendite hulk (inputs) • O: väljundite hulk (outputs) • d: siirdefunktsioon (transition) - d: S  I  S • l: väljundfunktsioon - l: S  I  O • Hulgad on lõplikud ja (üldjuhul) mittetühjad • hulkade ja funktsioonide erijuhud -- automaatide erijuhud • Lähteolek s0 -- M = (S,I,O,d,l,s0) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Automaatide erijuhud • Mealy automaat - M = ( S, I, O, d, l ) • S, I, O, d:SIS, l:SIO • Moore automaat - M = ( S, I, O, d, l ) • S, I, O, d:SIS, l:SO • väljundfunktsioon ei sõltu sisenditest • Primitiivne automaat - M = ( S, I, d ) • S, I, O= (OS), d:SIS, l • olek on väljundiks I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Automaatide erijuhud • Generaator - M = ( S, O, d, l ) • S, I=, O, d:SS, l:SO • sisendid puuduvad • Loogikafunktsioon - M = ( I, O, l ) • S=, I, O, d=, l:IO • siseolek puudub I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Automaatide erijuhud • Mikroprogramm automaat - M = (S,I,O,d,l) • S, I={0,1}L, O{0,1}M, d:SIS, l:SIO • kahendkodeeritud sisendid ja väljundid • Praktiline realisatsioon • Puhverdatud sisendid • Puhverdatud väljundid • ainult Moore automaat! I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Esitusviisid • Tabel • veerud:sisend (it), jooksev olek (st), väljund (ot), uus olek (st+1) • read: siire jooksvast olekust uude olekusse: it st ot st+1 I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

ei / 3 jah / 5 hea halb ei / 2 jah / 4 Esitusviisid • Olekudiagramm, olekugraaf (state graph) • sõlmed: olekud • kaared: siirded • Siirdediagramm (transition graph) • sõlmed: siirded • kaared: olekud I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Automaatide omadusi • Osaliselt määratud automaadid • leidub olekuid, kus siire pole mingi sisendi puhul määratud • lihtsustatud kirjapilt - vaikimisi jääb nt. samasse olekuss • määramatus tuleneb väliskeskkonna iseärasustes - mitte-eksisteerivad sisendkombinatsioonid • kahendkodeeritud olekud - osa kombinatsioone on kasutamata • automaadi minimeerimisel vabamad käed - osaliselt määratud loogikafunktsioonid I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Automaatide omadusi • Mittedeterministlikud automaadid • leidub olekute ja sisendite kombinatsioone, mille puhul on määratud rohkem kui üks järgmine olek • kompaktne meetod kirjeldamiseks, kui leidub rohkem kui üks legaalne reaktsioon mingile sisendkombinatsioonile (jadale) • matemaatilised mudelid • Isomorfism (identsus) • üksühene vastavus kahe automaadi komponentide (S,I,O,d,l) vahel • Homomorfism (sarnasus) • ühene vastavus kahe automaadi komponentide (S,I,O,d,l) vahel ~ “alam-automaat” I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Automaadi struktuur I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Mäluelemendid • Salvestavad olekukoodi • Register • kahendvektori salvestamiseks • sama tüüpi mäluelemendid • Mäluelementide tüübid • funktsionaalsus - SR-, JK-, D- ja T-trigerid • takteerimine • asünkroone - takt puudub • latch - läbipaistev kui takt on aktiivne • flip-flop - väljundis muutus ainult taktsignaali frondi korral • master-slave (meister-sell) - kaks järjestikust latch’i • frondile reageerivad trigerid - spetsiaalne sise-ehitus I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

SR-triger (set/reset) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

JK-triger • Määramatus võimaldab minimeerida loogikafunktsioone efektiivsemalt • Kaks sisendit -> kaks loogikafunktsiooni I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

D-triger (delay) • Kõige enam kasutusel • lihtne sise-ehitus • väike sisendite arv -> vähem loogikafunktsioone I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

T-triger • Sobiv loendurites kasutamiseks I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

C D Q Trigerite 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 vahele • oluline voolutarbe kasv • võib viia skeemi riknemiseni I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L8

Mäluga süsteemide disain