alapvető digitális logikai áramkörök

Máté: Architektúrák 3. előadás 1

Alapvető digitális logikai áramkörök

Integrált áramkör (IC, Integrated Circuit, chip, lapka) 5x5 mm2 szilícium darab kerámia vagy műanyag lapon (tokban), lábakkal (pins). Négy alaptípus:

• SSI (Small Scale Integrated 1-10 kapu),

• MSI (Medium Scale ..., 10-100 kapu),

• LSI (Large Scale..., 100-100 000 kapu),

• VLSI (Very Large Scale ..., > 100 000 kapu).


3.10. ábra SSI lapka négy NAND kapuval

Vcc: feszültség, GND: föld.

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

Vcc

GND

Bevágás


Kívánalom: sok kapu – kevés láb

Kombinációs áramkörök

Definíció: A kimeneteket egyértelműen meghatározzák a pillanatnyi bemenetek.


• Multiplexer: n vezérlő bemenet, 2n adatbemenet, 1 kimenet. Az egyik adatbemenet kapuzott (gated) a kimenetre (3.11-12. ábra).

C

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

A B

F

Sematikus rajza


n vezérlő bemenetű multiplexerrel tetszés szerinti n változós Boole-függvény megvalósítható az adatbemenetek megfelelő választásával. Pl. a 3 változós többségi függvény:

Párhuzamos-soros átalakítás: vezérlő vonalakon rendre: 000, 001, … 111.


multiplexer demultiplexer

• Demultiplexer: egy egyedi bemenetet irányít az n vezérlő bemenet értékétől függően a 2n kimenet egyikére


dekódolódemultiplexer

• Dekódoló: n bemenet, 2n kimenet. Pontosan egy kimeneten lesz 1 (3.13. ábra). Demultiplexerrel: a bemenetet igazra állítjuk.


KIZÁRÓ VAGY

(XOR eXclusive OR) kapu

A B X0 0 00 1 11 0 11 1 0

Igazság tábla:

Szimbolikus jelölése

A

BX

• Összehasonlító (comparator): (3.14. ábra)


• Programozható logikai tömbök: PLA (3.15. ábra) (Programmable Logic Array).

0

1

49

0 1 5

A B L

12 bemenő jel

Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor nem jelenik meg B# az 1-es ÉS kapu bemenetén

Ha ezt a biztosítékot kiégetjük, akkor az 1-es ÉS kapu kimenete nem

jelenik meg az 5-ös VAGY kapu bemenetén

24 bemenő vonal

50 bemenő vonal

6 kimenet


Aritmetikai áramkörökA kombinációs áramkörökön belül külön csoportot alkotnak.

Léptető:

C=1: jobbra,

C=0: balraléptet.


Összeadók:

Fél-összeadó (half adder, 3.17. ábra)


Összeadók:

Teljes-összeadó (full adder, 3.18. ábra)


Aritmetikai-logikai egység: bitszelet (bit slice, 3.19. ábra), F0, F1 -től függően ÉS, VAGY, NEGÁCIÓ vagy +


• átvitel továbbterjesztő összeadó (ripple carry adder):


• átvitel kiválasztó összeadó (carry select adder) eljárás:


Nem kombinációs áramkörök

Óra (clock, 3.21. ábra): ciklusidő (cycle time). Pl.: 500 MHz - 2 nsec. Finomabb felbontás késleltetéssel.Aszimmetrikus óra.

késleltetés

AB

C


Memória: „Emlékszik” az utolsó beállításra.

Tároló: Szint vezérelt (level triggered).

SR tároló (Set Reset latch, 3.22. ábra). Stabil állapot: a két kimenet 0, 1 vagy 1, 0. S (set), R (reset) bemenet. (Q# ≡ Q)


Mindkét SR tároló indeterminisztikussá válna, ha S = R = 1 egyszerre fordulna elő.


Az inverternek van egy pici (1-10 ns) késleltetése (Δ).


Flip-flop: élvezérelt (edge triggered), D flip-flop: 3.26. ábra.


3.27. ábra: Tárolók és flip-flopok

(a) CK=1, (b) CK=0 szint esetén írja be D-t,

(c) CK emelkedő, (d) CK lefelé menő élénél.

Sokszor S (set, PR preset), R (reset,CLR clear) be- és Q# kimenet is van.

D Q

CK

D Q

>CK

(a) (b)

tárolók

(c) (d)

flip-flopok

D Q

CK

D Q

>CK

CK: órajel


3.28. ábra: (a) 2 független D flip-flop,

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11 10 9 8

D Q

>CK Q#

CLR

PR

D Q

>CK Q#

CLR

PR

Vcc

GND


3.28. ábra: (b) közös CK-val és CLR-rel vezérelt 8 bites D flip-flop: regiszter

20 19 18 17 16 15 14 13 12 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10GND

Vcc

D Q

>CKCLR

D Q>CKCLR

D Q

>CKCLR

D Q>CKCLR

D Q

>CKCLR

D Q>CKCLR

D Q

>CKCLR

D Q>CKCLR


Memória szervezése

Elvárás: szavak címezhetősége.

3.29. ábra: Négy db három bites szó. Bemenetek: három a vezérléshez, – CS (Chip Select): lapka választás, – RD (ReaD): 1: olvasás, 0: írás választása, – OE (Output Enable): kimenet engedélyezése.

kettő a címzéshez (dekódoló), három a bemenő adatoknak, három adat kimenet.


3.29. ábra.

4 3-as memória


Memória szervezése Az igazi memóriáknál a bemenet és kimenet közös

(kevesebb lábra van szükség): Nem invertáló és invertáló pufferek (ezek három állapotú eszközök, tri-state device, 3.30. ábra).

adat be adat ki

vezérlés

adat be adat ki

vezérlés

nem invertáló puffer invertáló puffer

magas

alacsony

Ha a vezérlő jel

magas

alacsony

Ha a vezérlő jel


Memórialapkák Előnyös, ha a szavak száma 2 hatvány. 4 Mbit-es memória kétféle szervezése: 3.31. ábra.

A0 A1...

A18

D0 D1...

D7

512 K 8 bites

memória

(4 Mbit)

CS WE OE

A0 A1...

A10D

4096 K 1 bites

memória

(4 Mbit)

CS WE OE

RAS

CAS

19 cím, 8 adat vonal

11 cím, 1 adat vonalRow Address Strobe

Column Address Strobe


Memórialapkák A jel (bemenet) beállított (asserted) vagy negált.

CS beállított: 1, de CS# beállított: 0

a) 512 K bájtos elrendezés: 19 cím, 8 adat vonal.

b) 2048*2048 bites elrendezés: 11 cím, 1 adat vonal: Bit kiválasztás sor- (RAS: Row Address Strobe) és oszlopindex CAS (Column ...) segítségével. Gyakran alkalmazzák nagyobb memóriáknál, bár a két cím megadása lassíthat.

Nagyobb memóriáknál 1, 4, 8, 16 bites kimeneteket is használnak.


RAM (Random Access Memory) • Statikus RAM (SRAM). D flip-flop elemekből épül fel.

Amíg áram alatt van, tartja a tartalmát. Elérési idő: néhány nsec (cache-nek jók).

• Dinamikus RAM (DRAM): minden bit egy tranzisztor és egy kondenzátor: néhány msec-onként frissíteni kell, de nagyobb adatsűrűség érhető el. Elérési idő: néhány tíz nsec (főmemóriák). - régi: FPM (Fast Page Mode) sor-, oszlopcím.- újabb: EDO (Extended Data Output) lehet új

memóriahivatkozás, mielőtt az előző befejeződik.• SDRAM (Synchronous DRAM). A központi óra vezérli.

Blokkos átvitel. Újabban: DDR (Double Data Rate). Az órajel föl- és lefutó élénél is van adatátvitel.


ROM (Read-Only Memory)ROM: gyárilag kialakított tartalom.PROM (Programmable ROM): a tartalom

biztosítékok kiégetésével alakul ki (a PLA-khoz hasonlóan, 3.15. ábra).

EPROM (Erasable PROM): a biztosítékok speciális fénnyel kiolvaszthatók és „kijavíthatók”.

EEPROM: elektromos impulzusokkal.Flash memória: törlés és újraírás csak blokkonként.

Kb. 100 000 használat után „elkopnak”. Ilyen van a legtöbb MP3 lejátszóban, digitális fényképezőgépben …


512 MB-os flash memória (2006)


1 GB-os flash memória (2007)


Az I8086/8088 utasítás rendszereJelőlések : értékadás : felcserélésop, op1, op2: tetszőlegesen választható operandus

(közvetlen, memória vagy regiszter). op1 és op2 közül az egyik regiszter kell legyen!reg: általános, bázis vagy index regisztermem: memória operandusipr: (8 bites) IP relatív cím port: port cím (8 bites eltolás vagy DX)[op]: az op által mutatott cím tartalma


Adat mozgató utasítások Nem módosítják a flag-eket (kivéve POPF és SAHF)

MOV op1, op2 ; op1 op2 (MOVe)XCHG op1, op2 ; op1 op2 (eXCHanGe), op2 sem

; lehet közvetlen operandusXLAT ; AL [BX+AL] (trans(X)LATe), a

; BX által címzett maximum 256 byte-; os tartomány AL-edik byte-jának ; tartalma lesz AL új tartalma

LDS reg, mem ; reg mem, mem+1; DS mem+2, mem+3 (Load DS)

LES reg, mem ; reg mem, mem+1; ES mem+2, mem+3 (Load ES)

LEAreg, mem ; reg mem effektív (logikai) címe ; (Load Effective Address)


A veremmel (stack-kel) kapcsolatos adat mozgató utasítások:

PUSH op ; SP SP-2; (SS:SP) op

PUSHF ; (PUSH Flags)

; SP SP-2; (SS:SP) STATUS

POP op ; op (SS:SP); SP SP+2

POPF ; (POP Flags)

; STATUS (SS:SP); SP SP+2

Az Intel 8080-nal való kompatibilitást célozza az alábbi két utasítás:

SAHF ; STATUS alsó 8 bitje AH

LAHF ; AH STATUS alsó 8 bitje


Aritmetikai utasításokADD op1, op2 ; op1 op1 + op2 (ADD)

Pl.: előjeles/előjel nélküli számok összeadása MOV AX, -1 ; AX=-1 (=0FFFFH)ADD AX, 2 ; AX=1, C=1, O=0

ADC op1, op2 ; op1 op1 + op2 + C ; (ADD with Carry)

Pl.: két szavas összeadás (előjeles/előjel nélküli)ADD AX, BXADC DX, CX ; (DX:AX) = (DX:AX) +

(CX:BX)

INC op ; op op + 1, C változatlan! (INCrement)


SUB op1, op2 ; op1 op1 - op2 (SUBtraction)

CMP op1, op2 ; flag-ek op1 - op2 szerint (CoMPare)

SBB op1, op2 ; op1 op1 - op2 – C:

; a több szavas kivonást segíti.

DECop ; op op - 1, C változatlan ; (DECrement)

NEG op ; op -op (NEGate)


Az összeadástól és kivonástól eltérően a szorzás és osztás esetében különbséget kell tennünk, hogy előjeles vagy előjel nélküli számábrázolást alkalmazunk-e. További lényeges eltérés, hogy két 8 bites vagy 16 bites mennyiség szorzata ritkán fér el 8 illetve 16 biten, ezért a szorzás műveletét úgy alakították ki, hogy 8 bites tényezők szorzata 16, 16 biteseké pedig 32 biten keletkezzék:

Szorzásnál op nem lehet közvetlen operandus!

MUL op ; előjel nélküli szorzás (MULtiplicate),

IMUL op ; előjeles szorzás (Integer MULtiplicate).

Ha op 8 bites AX AL op.

Ha op 16 bites (DX:AX) AX op.


Osztásnál op nem lehet közvetlen operandus!

DIV op ; (DIVide) előjel nélküli osztás,IDIV op ; (Integer DIVide) előjeles osztás,

; A nem 0 maradék előjele megegyezik; az osztóéval.

Ha op 8 bites: AL AX/op hányadosa,AH AX/op maradéka.

Ha op 16 bites: AX (DX:AX)/op hányadosa,DX (DX:AX)/op maradéka.

Osztásnál túlcsordulás azonnal elhal (abortál) a programunk!


Ha bájtot bájttal vagy szót szóval akarunk osztani, akkor:• Előjel nélküli osztás előkészítése AH illetve DX

nullázásával történik. • Előjeles osztás előkészítésére szolgál az alábbi két előjel

kiterjesztő utasítás: CBW ; (Convert Byte to Word)

; AX AL előjel helyesenCWD ; (Convert Word to Double word)

; (DX:AX) AX előjel helyesen Pozitív számok esetén (az előjel 0) az előjel kiterjesztés az AH illetve a DX regiszter nullázását, negatív számok esetén (az előjel 1) csupa 1-es bittel való feltöltését jelenti.

Az előjel kiterjesztés máskor is alkalmazható.


; Két vektor skalár szorzata. 1. változat

code segment para public ’code’

assume cs:code, ds:data, ss:stack, es:nothing

skalar proc far

push ds ; visszatérési cím a verembe

xor ax,ax ; ax 0

push ax ; visszatérés offset címe

mov ax,data ; ds a data szegmensre mutasson

mov ds,ax ; sajnos „mov ds,data”

; nem megengedett

; A


mov cl,n ; cl n, 0 n 255

xor ch,ch ; cx = n szavasan

xor dx,dx ; az eredmény ideiglenes helye

JCXZ kesz ; ugrás a kesz címkére,

; ha CX (=n) = 0

xor bx,bx ; bx 0,

; bx-et használjuk indexezéshez


ism: mov al,a[bx] ; al a[0], később a[1], ...

imul b[bx] ; ax a[0]b[0], a[1]b[1], ...

add dx,ax ; dx részösszeg

inc bx ; bx bx+1, az index növelése

; B

dec cx ; cx cx-1, (vissza)számlálás

JCXZ kesz ; ugrás a kész címkére, ha cx=0

jmp ism ; ugrás az ism címkére

kesz: mov ax,dx ; a skalár szorzat értéke ax-ben

; C


call hexa ; az eredmény kiírása

; hexadecimálisan

mov si,offset kvse ; kocsi vissza soremelés

call kiiro ; kiírása

ret ; vissza az Op. rendszerhez

skalar endp ; a skalár eljárás vége

; D


hexa proc ; ax kiírása hexadecimálisanxchg ah,al ; ah és al felcserélésecall hexa_b ; al (az eredeti ah) kiírásaxchg ah,al ; ah és al visszacserélésecall hexa_b ; al kiírásaret ; visszatérés

hexa endp ; a hexa eljárás vége; ----------------------------------------------------------hexa_b proc ; al kiírása hexadecimálisan

push cx ; mentés a verembemov cl,4 ; 4 bit-es rotálás előkészítéseROR al,CL ; az első jegy az alsó 4 bitencall h_jegy ; az első jegy kiírása ROR al,CL ; a második jegy az alsó 4 bitencall h_jegy ; a második jegy kiírása pop cx ; visszamentés a verembőlret ; visszatérés

hexa_b endp ; a hexa_b eljárás vége


h_jegy proc ; hexadecimális jegy kiírásapush ax ; mentés a verembeAND al,0FH ; a felső 4 bit 0 lesz,

; a többi változatlanadd al,’0’ ; + 0 kódjacmp al,’9’ ; 9 ?JLE h_jegy1 ; ugrás h_jegy1 -hez, ha igenadd al,’A’-’0’-0AH ; A-F hexadecimális jegyek

; kialakításah_jegy1: mov ah,14 ; BIOS szolgáltatás előkészítése

int 10H ; BIOS hívás: karakter kiíráspop ax ; visszamentés a verembőlret ; visszatérés

h_jegy endp ; a hexa_b eljárás vége


kiiro proc ; szöveg kiírás (DS:SI)-tőlpush axcld

ki1: lodsb ; ala következő karaktercmp al, 0 ; al =? 0je ki2 ; ugrás a ki2 címkéhez, ha al=0mov ah,14 ; BIOS rutin paraméterezéseint 10H ; az AL-ben lévő karaktert

; kiírja a képernyőrejmp ki1 ; a kiírás folytatása

ki2: pop axret ; visszatérés a hívó programhoz

kiiro endp ; a kiíró eljárás vége; ----------------------------------------------------------code ends ; a code szegmens vége


data segment para public ’data’n db 3a db 1, 2, 3b db 3, 2, 1kvse db 13, 10, 0 ; kocsi vissza, soremelésdata ends ; a data szegmens vége; ==========================================stack segment para stack ’stack’

dw 100 dup (?) ; 100 word legyen a veremstack ends ; a stack szegmens vége; ==========================================

end skalar ; modul vége, ; a program kezdő címe: skalar


Vezérlés átadó utasítások

Eljárásokkal kapcsolatos utasítások

Eljárás hívás:

CALL op ; eljárás hívás

- közeli: push IP, IP op,

- távoli: push CS, push IP, (CS:IP) op.

Visszatérés az eljárásból:

RET ; visszatérés a hívó programhoz (RETurn)

- közeli: pop IP,

- távoli: pop IP, pop CS.

RET op ; . . . , SP SP+op

; op csak közvetlen adat lehet!


Feltétlen vezérlés átadás (ugrás)

JMP op ; ha op közeli: IP op,

; ha távoli: (CS:IP) op.


Feltételes ugrások, aritmetikai csoport

Előjeles Reláció Előjel nélküli

JZ ≡ JE = JZ ≡ JE

JNZ ≡ JNE ≠ JNZ ≡ JNE

JG ≡ JNLE > JA ≡ JNBE

JGE ≡ JNL ≥ JAE ≡ JNB ≡ JNC

JL ≡ JNGE < JB ≡ JNAE ≡ JC

JLE ≡ JNG ≤ JBE ≡ JNA

A feltételek: Zero, Equal, No (Not), Greater, Less, Above, Below, Carry


A feltételek: Zero, Equal, No (Not), Carry, Sign, Overflow, Parity Even, Parity Odd.

Feltételes ugrások, logikai csoport

a flag igaz (1) flag a flag hamis (0)

JZ ≡ JE Zero JNZ ≡ JNE

JC Carry JNC

JS Sign JNS

JO Overflow JNO

JP ≡ JPE Parity JNP ≡ JPO

JCXZ CX = 0


Minden feltételes vezérlés átadás IP relatív címzéssel (SHORT) valósul meg!

Pl.:

JZ MESSZE ; Hibás, ha

; MESSZE messze van

Megoldás:

JNZ IDE ; Negált feltételű ugrás

JMP MESSZE

IDE: . . .


Ciklus szervező utasítások

IP relatív címzéssel (SHORT) valósulnak meg.

LOOP ipr ; CX CX – 1, ugrás ipr -re,

; ha CX 0

LOOPZ ipr ; CX CX – 1, ugrás ipr -re,

; ha (CX 0 és Z=1)

LOOPE ipr ; ugyanaz mint LOOPZ

LOOPNZ ipr ; CX CX – 1, ugrás ipr -re,

; ha (CX 0 és Z=0)

LOOPNE ipr ; ugyanaz mint LOOPNZ


FeladatokMit nevezünk kombinációs áramkörnek?Milyen kombinációs áramköröket ismer?Milyen be- és kimenetei vannak a multiplexernek, a

demultiplexernek, a dekódolónak?Mire használható a multiplexer, és hogyan?Mire használható a PLA, és hogyan?Milyen aritmetikai áramköröket ismer?Hogy működik a léptető?Hogy működik a „fél összeadó”? Mi indokolja a „fél összeadó” elnevezést?


Feladatok

Hogy épül fel a teljes összeadó?

Milyen részei vannak az ALU-nak?

Milyen be- és kimenetei vannak az 1 bites ALU-nak?

Milyen műveletek végezhetők el az ALU-val?

Hogy működik az átvitel továbbterjesztő/kiválasztó összeadó?


FeladatokHogy érhetünk el az órajelnél finomabb időzítést?Milyen nem kombinációs áramköröket ismer?Kombinációs áramkör-e az ALU?Hogyan csökkenthető az összeadásnál az átvitelekből

származó idő?Hány stabil állapota van az SR tárolónak?Mi a különbség az SR és az időzített SR tároló között?Mi a különbség az SR és D tároló között?Mi a pulzusgenerátor, és mi a működési elve?Mi a különbség a tároló és a flip-flop között?


FeladatokHogy működik az invertáló és a nem invertáló puffer?Miért használnak a memóriáknál invertáló vagy nem

invertáló puffert?Hogy címezhető meg n címlábon 2n nél nagyobb

memória?Mit jelent, hogy a CS/CS# bemenet beállított/negált?Mi a RAM?Milyen elemekből épül fel a SRAM?Milyen elemekből épül fel a DRAM?Hogy működik a DRAM?


Feladatok

Hogy működik az SDRAM?

Mit jelent az FPM rövidítés?

Mit jelent az EDO rövidítés?

Hogy működik a DDR?

Mit jelent a ROM rövidítés?

Hogy működik az EPROM?

Hogy működik az EEPROM?

Milyen memória van a legtöbb fényképezőgépben?


Feladatok

Milyen adat mozgató utasításokat ismer? Hogy működnek?

Milyen aritmetikai utasításokat ismer? Hogy működnek?

Mit csinál az IDIV utasítás?

Mit csinál az CWD utasítás?

Miért hibás az

imul [di+bx]

utasítás?


Feladatok

Írjon program részletet a/b kiszámítására, feltéve, hogy a és b előjeles/előjel nélküli bájt/word!

Írjon program részletet a/b kiszámítására, feltéve, hogy a előjeles és b előjel nélküli bájt/word!

Írjon program részletet a/b kiszámítására, feltéve, hogy a előjeles bájt és b előjeles word!

Írjon program részletet a/b kiszámítására, feltéve, hogy a előjeles bájt és b előjel nélküli word!

Írjon program részletet a/b kiszámítására, feltéve, hogy a előjeles word és b előjel nélküli bájt!


FeladatokMelyik az eljárást hívó utasítás?Hova helyezi el a visszatérési címet a CALL utasítás?Mi a különbség a közeli és távoli eljárás hívás között?Meghívható-e egy közeli/távoli eljárás másik

szegmensből?Honnan „tudja” a CALL utasítás, hogy közeli vagy

távoli a hívott eljárás?Honnan „tudja” a RET utasítás, hogy közeli vagy

távoli ugrással kell visszatérni az eljárásból?Mi történik RET 4 hatására?Mi történik CALL FAR 8[BX][SI] hatására?


FeladatokMilyen a feltételes ugró utasítások címzési módja?Mi a különbség a JA és JG utasítás között?Sorolja fel az aritmetikai csoportba tartozó feltételes

ugró utasításokat!Írjon programrészletet, amely az A, B, C címkéhez

ágazik el aszerint, hogy AX <, = vagy > 0!Írjon programrészletet, amely az A, B, C címkéhez

ágazik el aszerint, hogy X <, = vagy > Y! X előjeles, Y előjel nélküli bájt.

A program JCXZ A utasítása hibás, mert az A címke túl messze van. Hogy javítható a hiba?


FeladatokMilyen ciklus szervező utasításokat ismer? Hogy

működnek?Mi a különbség a LOOP és a LOOPZ utasítás között?Írjon programrészletet az 50 elemű, szavakból álló A

tömb első 0 elemének megtalálására!Írjon programrészletet az 50 elemű, szavakból álló A

tömb utolsó 0 elemének megtalálására!Írjon programrészletet az 50 elemű, bájtokból álló A

tömbben található a betűk megszámlálására!Hibás a LOOPNE A utasítás, mert az A címke túl

messze van. Hogy javítható a hiba?

alapvető digitális logikai áramkörök

Documents