Lógica Digital - Circuitos Secuenciales

Transcripción

1 Lógica Digital - Circuitos Secuenciales Organización del Computador I Diego Fernández Slezak (gracias David y Fran!) Departamento de Computación Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires

2 Agenda De dónde venimos? A dónde vamos? Circuitos secuenciales Flip-flops Contadores, registros, memoria Unidad de control Introducción: esquema de una computadora Representación de la información Circuitos combinatorios

3 Introducción Circuitos Combinacionales La salida esta determinada únicamente por la entrada del circuito

4 Introducción Circuitos Combinacionales Circuitos Secuenciales La salida esta determinada únicamente por la entrada del circuito La salida esta determinada por la entrada y el estado del circuito

5 Cómo almacenar un bit? Proponemos el siguiente circuito: Supongamos que inicialmente que S = 0 y = 0

6 Cómo almacenar un bit? Proponemos el siguiente circuito: Supongamos que inicialmente que S = 0 y = 0 Si cambiamos el valor S = 1, luego que el circuito se estabiliza, la salida valdrá = 1

7 Cómo almacenar un bit? Proponemos el siguiente circuito: Supongamos que inicialmente que S = 0 y = 0 Si cambiamos el valor S = 1, luego que el circuito se estabiliza, la salida valdrá = 1 Si ahora cambiamos S = 0, obtendremos como resultado que el valor de salida continuará en 1

8 Cómo construir un biestable? Supongamos que inicialmente S = 0, R = 1 y = 0

9 Cómo construir un biestable? Supongamos que inicialmente S = 0, R = 1 y = 0 Si S = 1 y R = 1 entonces la salida valdrá 1

10 Cómo construir un biestable? Supongamos que inicialmente S = 0, R = 1 y = 0 Si S = 1 y R = 1 entonces la salida valdrá 1 Si luego S = 0 y R = 1 entonces la salida continuará en 1

11 Cómo construir un biestable? Supongamos que inicialmente S = 0, R = 1 y = 0 Si S = 1 y R = 1 entonces la salida valdrá 1 Si luego S = 0 y R = 1 entonces la salida continuará en 1 Ahora si S = 0 y R = 0 entonces la salida cambiará a 0

12 Flip-Flops Un FF es un dispositivo capaz de almacenar un bit. Utilizan el principio de la retroalimentación. Esta característica es utilizada en Electrónica Digital para memorizar resultados. El paso de un estado a otro se realiza variando las entradas. Según el tipo de entradas pueden dividirse en:

13 Flip-Flops Un FF es un dispositivo capaz de almacenar un bit. Utilizan el principio de la retroalimentación. Esta característica es utilizada en Electrónica Digital para memorizar resultados. El paso de un estado a otro se realiza variando las entradas. Según el tipo de entradas pueden dividirse en: Asincrónicos: Solo tienen entradas de control y pueden cambiar de estado en cualquier momento.

14 Flip-Flops Un FF es un dispositivo capaz de almacenar un bit. Utilizan el principio de la retroalimentación. Esta característica es utilizada en Electrónica Digital para memorizar resultados. El paso de un estado a otro se realiza variando las entradas. Según el tipo de entradas pueden dividirse en: Asincrónicos: Solo tienen entradas de control y pueden cambiar de estado en cualquier momento. Sincrónicos: Además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj. El sistema solo puede cambiar en los instantes de sincronismo.

15 Relojes (Clocks) Un reloj es un circuito que emite una serie de pulsaciones consecutivas con una frecuencia definida. Se denomina Flanco a la transición del nivel bajo al alto o del nivel alto al bajo. El periodo entre dos flancos ascendentes o descendentes se denomina tiempo de ciclo del reloj. Recordemos Frecuencia = 1 T

16 Flip-Flop RS t n t n+1 S R Ecuación Característica: = S + R 0 Sus entradas principales son Set y Reset. S o Set: Cuando esta en 1 la salida esta en 1. R o Reset: Cuando esta en 1 la salida esta en 0.

17 Flip-Flop RS con clock Tiene una entrada adicional que habilita o deshabilita el cambio de estado del FF. C S R t+1 0 X X t t Indefinido FF sin CLK

18 Flip-Flop RS con clock Tiene una entrada adicional que habilita o deshabilita el cambio de estado del FF. C S R t+1 0 X X t t Indefinido FF sin CLK S Clk R

19 Flip-Flop D (delay) Posee sólo una entrada D. La salida obtiene el valor de la entrada D cuando la señal del Clock se encuentra activada.

20 Flip-Flop D (delay) Posee sólo una entrada D. La salida obtiene el valor de la entrada D cuando la señal del Clock se encuentra activada. Flip-Flop D a partir de RS C D t+1 D S 0 X t Clk Clk R

21 Flip-Flop JK Sus entradas son J y K en honor a Jack Kilby. Comportamiento similar al RS salvo que permite el estado 1 1 en sus entradas. Se considera como el FF universal ya que puede configurarse para obtener los demás FF. t n t n+1 clk J K n n J 0 K J Clk K S Clk R Ecuación Característica: = J 0 + K 0

22 Flip-Flops activados por flanco Flip-Flop RS Maestro-Esclavo S S S Clk Clk Clk R R R Flip-Flop JK Maestro-Esclavo J S S Clk Clk Clk K R R

23 Funcionamiento de un Flip-Flop JK Maestro-Esclavo Flip-Flop JK Maestro-Esclavo J S S Clk Clk Clk K R R Clk L HH LL HH LL HH LL HH LL J LLl H ll LLLL Ll H ll LLLL K LLLLL Ll H ll Ll H ll LLLL LLL HH HH LL LL HH HHHH HHH LL LL HH HH LL LLLL

24 Circuitos Secuenciales Cualquier circuito secuencial, se puede separar en dos partes: 1. un bloque combinacional 2. un bloque con memoria La memoria almacena bits que determinan el estado del circuito Las entradas del circuito combinacional son las entradas (E) junto con las salidas de la memoria ( n ) El bloque combinacional genera la salida del circuito (S) y el nuevo estado del mismo ( n+1 )

25 Circuito combinacional con Flip-Flops C 1: circuito combinacional encargado de generar el nuevo estado del circuito. Debe setear las entradas de cada flip-flop según corresponda. C 2: circuito combinacional encargado de generar la salida del circuito. Su única misión es generar las ĺıneas de salida requeridas. FF : Conjunto de flip-flops de alguno o varios tipos.

26 Contador Un contador es un circuito secuencial sincrónico que por cada ciclo de reloj genera una combinación en su salida. La cantidad de estados por los que pase, define su módulo. Los contadores sincrónicos pueden ser: 1. Módulo potencia de dos

27 Contador Módulo arbitrario (cambio de estado forzado)

28 Contador Módulo arbitrario y cuenta arbitraria

29 Registros Un registro es un conjunto de n flip-flops asociados, que permiten almacenar temporariamente una palabra o grupo de n bits Los tipos de registro dependen de la forma en que los datos son leídos o almacenados: 1. Registro paralelo-paralelo 2. Registro serie-paralelo 3. Registro paralelo-serie 4. Registro serie-serie 5. Registro de desplazamiento 6. Registro de desplazamiento circular

30 Registros Registro paralelo-paralelo

31 Registros Registro paralelo-paralelo Registro serie-serie

32 Registros Registro paralelo-paralelo Registro paralelo-serie Registro serie-serie

33 Registros Registro paralelo-paralelo Registro paralelo-serie Registro serie-serie Registro serie-paralelo

34 Registros de desplazamiento Registro de desplazamiento Registro de desplazamiento circular

35 Componentes de tres estados A B C x 0 Hi-Z Noción eléctrica: Símbolo: A B=0 C A B=1 C A B C Hi-Z significa alta impedancia, es decir, que tiene una resistencia alta al pasaje de corriente. Como consecuencia de esto, podemos considerar al pin C como desconectado del circuito.

36 Circuitos secuenciales genéricos Construir un circuito secuencial que respete la siguiente tabla característica: e0 q0 n q1 n s0 q0 n+1 q1 n

37 Circuitos secuenciales genéricos

38 Circuitos secuenciales genéricos Debemos obtener las expresiones que definan los próximos estados y la salida del circuito e0 q0 n q1 n s0 q0 n+1 q1 n Nuevos estados:

39 Circuitos secuenciales genéricos Debemos obtener las expresiones que definan los próximos estados y la salida del circuito e0 q0 n q1 n s0 q0 n+1 q1 n Nuevos estados: q0 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) q1 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) Salida del circuito:

40 Circuitos secuenciales genéricos Debemos obtener las expresiones que definan los próximos estados y la salida del circuito e0 q0 n q1 n s0 q0 n+1 q1 n Nuevos estados: q0 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) q1 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) Salida del circuito: s0 = (e0 + q0 n + q1 n ) (e0 + q0 n + q1 n )

41 Circuitos secuenciales genéricos Nuevos estados: q0 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) q1 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) = (e0 q1 n ) (q0 n + q0 n ) = (e0 q1 n ) 1 = e0 q1 n Salida del circuito: s0 = (e0 + q0 n + q1 n ) (e0 + q0 n + q1 n ) = (e0 e0) + (q0 n + q1 n ) = 0 + (q0 n + q1 n ) = q0 n + q1 n

42 Circuitos secuenciales genéricos q0 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) q1 n+1 = e0 q1 n s0 = q0 n + q1 n

43 Circuitos secuenciales genéricos q0 n+1 = (e0 q0 n q1 n ) + (e0 q0 n q1 n ) q1 n+1 = e0 q1 n s0 = q0 n + q1 n

44 Resumen de hoy Circuitos con estado Cómo almacenar un bit: circuito secuencial biestable Flip-Flop: SR, D, JK, sin/con CLK Contadores Registros Circuitos secuenciales y combinatorios Bibliografía Linda Null, The Essentials of Computer Organization and Architecture, Capítulo 3.