ELEC-C324 Elektroniikka 2 Marko Kosunen Marko.kosunen@aalto.fi Digitaalielektroniikka Tilakoneet Materiaali perustuu kurssiins-88. Digitaalitekniikan perusteet, laatinut Antti Ojapelto
Luennon oppimistavoite Oppii tilakoneen toimintaperiaatteen (h) Oppii suunnittelemaan yksinkertaisia tilakoneita (2h) Tuntee muistipiirien toimintaperiaatteet. (,5h) Luento+laskari+itseopiskelu=2+2+3,5h=7,5h
Tilakone on lasten leikkiä
Synkronisten piirien peruselementti Nousevalla reunalla liipaistava D-kiikku liipaisu, kun kellosignaali muuttuu liipaisuhetkellä tutkitaan tulon arvo, lähtöön samaa arvoa seuraavaan liipaisuun asti Piirrosmerkki Toimintakaavio D CLK D C Q_ Q Dynaamisen oton merkintä D Q(t+) Tila Nollautuu Asettuu Aikakaavio CLK D Q _ Q S-88. Digitaalitekniikan perusteet 6. luento 4..23 4
Kombinaatio- ja sekvenssipiirien (tilakone) rakenne Kombinaatiopiiri Asynkroninen sekvenssipiiri Synkroninen sekvenssipiiri n Ottosignaalit Antosignaalit Kombi- m n Kellosignaali Kombinaatiopiiri m Tilarekisteri n Kombi- naatio- Nyky- piiri tila k Takaisinkytkentäsignaalit Antosignaalit k naatio- piiri Ottosignaalit Antosignaalit Ottosignaalit m Uusi tila k S-88. Digitaalitekniikan perusteet 6. luento 4..23 5
Kombinaatiopiirit vs. sekvenssipiirit (tilakone) Lähtö riippuu vain tulojen sen hetken arvoista Funktion toteutus Esim. Porttipiireillä, dekooderilla, multiplekserillä Sisäistä muistia Lähtö riippuu myös aiemmasta toiminnasta C A B & S-88. Digitaalitekniikan perusteet 6. luento 4..23 6
Tilakoneen esitystavat ASM-kaavio =Abstract State Machine ASM-kaavio Tilakaavio =state diagram EI H HJ Ottosignaalin HJK vaikutus Kellojakso 2 s JASK JASK KUPP AINA S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 7
ASM-kaavio: Merkinnät Terävä suorakulmio=tila, jonka sisällle listattu antosignaalit, joiden tila on tosi Tilan numero Ehtolause. Pyöreä suorakulmio=antosignaalit, joiden tila on tosi. Ei tila. S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23
Tilakoneen suunnittelun olennaiset asiat Kuinka monta tilaa tarvitaan. Siirtymäehdot tilojen välillä Lähtösignaalien määrittely Lähtösignaalien arvojen määrittely kaikissa tiloissa. Tilakonetyypit Mooren kone: lähtösignaalit riippuvat vain nykyisestä tilasta. Mealyn kone: Lähtösignaalit riippuvat nykyisestä tilasta ja tulosignaaleista. EI H HJ Ottosignaalin HJK vaikutus Kellojakso 2 s ASM-kaavio JASK JASK KUPP AINA S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 9
ASM-kaavio ja tilasiirrostaulu Aloita kaavio suorakulmiosta (alkutila), Määrittele, mitkä lähdöt, mitkä Määritteleihin tilaan seuraavaksi siirrytään ja millä ehdoilla Nimeä tilat, jos haluat Viimeiseksi numeroi tilat S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23
Synkronisen sekvenssipiirin suunnittelu Mieti tarvittava toiminta Tee ASM-kaavio Tee siitä tilasiirrostaulu Sievennä funktiot Tee kombinaatiopiirit Ottosignaalit IN IN Kellosignaali CLK NS NS Kombinaatiopiiri Tilarekisteri Nykytila PS PS Uusi tila NS NS Antosignaalit OUT OUT OUT2 S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23
Synkronisen tilakoneen suunnittelu. ASM (abstract state machine)-kaavio 2. tilataulukko ASM-kaavion perusteella 3. piirikaavion piirtäminen S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 2
. ASM-kaavio esimerkki ASM-kaavio Tilan nimi EI H Suorakaiteen sisällä Aktiiviset antosignaalit HJ Ottosignaalin HJK vaikutus Kellojakso 2 s JASK JASK KUPP AINA S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 3
ASM-kaavio ja piirin perusrakenne EI H HJ HJK JASK JASK KUPP CLK AINA D D Tarvittavat komponentit: D D C C Tilarekisteri Q Q Q Q Kombinaatiopiiri JASK KUPP D D AINA Kellojakso 2 s S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 4
2. tilataulukko Kombinaatiopiirin suunnittelu EI H HJ HJK JASK JASK KUPP Nykytila Q Q Tilataulukossa mukana myös ottosignaali Otto AINA X X X Uusi tila D D Annot JASK KUPP AINA Kellojakso 2 s S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 5
3. Tilataulukko: uudet tilat Uusi tila tilataulukossa: lausekkeet D-kiikkujen otoille ovat sekä nykytilan että ottojen funktioita Nykytila Q Q Otto AINA X X X Uusi tila D D Karnaugh n kartat: Q D Q AINA Q Kytkentäfunktioiden lausekkeet: D = Q + Q AINA D Q AINA D = Q Q + Q Q + Q AINA S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 6
3. Tilataulukko: annot Tämä piiri on Mooren kone: annot riippuvat vain nykytilasta tilasignaaleja 2, joten annot 2 muuttujan funktioita Nykytila Q Q Otto AINA X X X Annot JASK KUPP Karnaugh n kartat: JASK KUPP Q Q Q Q Q Q Annot eivät riipu otosta samat kartat ja funktiot! Kytkentäfunktioiden lausekkeet: = Q + Q JASK = Q KUPP = Q Q S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 7
4. Piirikaavion piirtäminen: kombinaatiopiiri Lausekkeet porttipiireillä D = Q + Q AINA D = Q Q + Q Q + Q AINA AINA Q Q & = D D = Q + Q Q JASK = Q JASK KUPP = Q Q & KUPP S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 8
Valmis piirikaavio Lisätään vielä kiikut AINA CLK D D D C D C Q Q Q & = D D JASK & KUPP S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 9
Mealyn kone, esimerkki, tilataulukko kielletystä tilasta poistuminen: tilaan ei pitäisi joutua, mutta poistutaan siitä varmuuden vuoksi vaikka tilaan Nykytila Otot Uusi tila Annot S S VALSE BOOST N N BASS HI- BELL HAT X X X X X X X X X X X S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23
Mealyn kone, esimerkki, uudet tilat Uuteen tilaan vaikuttaa tässä piirissä vain nykytila ja VALSE: Nykytila Otot Uusi tila S S VALSE N N S N: N: S S S VALSE VALSE N = S S + S S VALSE N = S S S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23
Mealyn kone, esimerkki, annot Antoihin vaikuttaa tässä piirissä vain nykytila ja BOOST: Nykytila Otot Annot S S BOOST BASS HI- BELL HAT X X X X X X S BASS: S BOOST BASS = S S HI-HAT: S X X X X BELL: S BOOST HI-HAT = S S X X BOOST S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23 BELL = S BOOST
Mealyn kone, esimerkki, piirikaavio Muodostetaan ensin kombinaatiopiiri: N = S S + S S VALSE N = S S BASS = S BELL = S BOOST HI-HAT = S S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23
Mealyn kone, esimerkki, piirikaavio Lisätään sitten D-kiikut: S-88. Digitaalitekniikan perusteet 8. luento 28..23
MUISTIPIIRIT Keskeiset muistityypit tietokoneissa: - vaihtomuisti (RAM) - kiintomuisti (lukumuisti, ROM) RAM: luku ja kirjoitus nopeasti ROM: luku nopeasti, kirjoitus hitaasti jos ollenkaan S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 25
Kiintomuistin piirrosmerkki K x 8 ROM A A A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 CS RD 9 ROM KX8 A 23 G EN[READ] []A []A [2]A [3]A [4]A [5]A [6]A [7]A D D D2 D3 D4 D5 D6 D7 S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 26
Muistien sanastoa Muistipaikka = sana (word) Sanan pituus on yleensä 8, 6, 32,... bittiä joskus muitakin, esim. 8 bittiä = tavu (byte) Jokaisella sanalla on osoite, jonka avulla sitä voidaan milloin vain osoittaa S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 27
Muistin koko ja sen merkintätapa Muistin koon ilmoittaminen b bittiä f tavua s x n ( sanaa x bittiä / sana) Esimerkkejä 64 tavua = 52 bittiä 256 Ktavua = 2 Mbittiä 32 K x 6 = 64 Ktavua = 256 Kbittiä 4 M x = 4 Mbittiä Usein käytössä etuliitteiden 2 n merkinnät: Yksikkö K M G T Kilo Mega Giga Tera 2 22 23 24 Koko 24 48 576 73 74 824 99 5 627 776 Huom! Nykyään usein M = 6 jne. Näin saadaan muisti näyttämään isommalta kuin onkaan S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 28
Muistin osoiteotot ja osoitteet Muistin sanojen lukumäärä määrää muistin osoiteottojen määrän ja osoiteavaruuden osoiteottoja n sanoja max 2 n s sanaa osoiteavaruus... s- Esimerkkejä Sanoja Osoiteottoja 64 6 K 32 K 5 256 K 8 M 2 6 M 24 Osoiteotot A - A5 A - A9 A - A4 A - A7 A - A9 A - A23-3F - 3FF - 7FFF - 3FFFF - FFFFF - FFFFFF Osoiteavaruus - 63-23 - 32 767-262 43-48 575-6 777 25 S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 29
Ohjaussignaalit ja piirrosmerkki Piirin valintasignaali CS (chip select, joskus myös CE, chip enable) Luvun / kirjoituksen valinta: R / W (read / write) RAM 6X4 Osoiteotot A 5 3 Pieni muisti Piirin valintasignaali G 6 x 4 bittiä Luku/kirjoitussignaali (R/W) EN[READ] C2[WRITE] Dataotot A, 2D A Data-annot S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 3
Muistin osoiteavaruuden laajentaminen EN A A A-A9 DI-DI7 R/W 4K x 8 vaihtomuisti K x 8 -piireistä 8 EN X/Y _ G 3 2 3 S-88. Digitaalitekniikan 6.3.26 3 Osoitedekooderi RAM KX8 DIN DOUT ADDR CS R/W RAM KX8 DIN DOUT ADDR CS R/W RAM KX8 DIN DOUT ADDR CS R/W RAM KX8 DIN DOUT ADDR CS R/W Vain yksi piiri kerrallaan valittuna 8 DO-DO7 Osoitteet -23 Osoitteet 24-247 Osoitteet 248-37 Osoitteet 372-495
Luennon oppimistavoite Oppii tilakoneen toimintaperiaatteen (h) Oppii suunnittelemaan yksinkertaisia tilakoneita (2h) Tuntee muistipiirien toimintaperiaatteet. (,5h) Luento+laskari+itseopiskelu=2+2+3,5h=7,5h