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TC – DEI, 2005/2006 » RAM /abr./: RARELY ADEQUATE MEMORY, BECAUSE THE MORE MEMORY A COMPUTER HAS, THE FASTER IT CAN PRODUCE ERROR MESSAGES « Anonymous.

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1 TC – DEI, 2005/2006 » RAM /abr./: RARELY ADEQUATE MEMORY, BECAUSE THE MORE MEMORY A COMPUTER HAS, THE FASTER IT CAN PRODUCE ERROR MESSAGES « Anonymous

2 Introdução aos Sistemas Digitais Paulo Marques Tecnologia dos Computadores 2005/2006

3 TC – DEI, 2005/2006 Domínios da Informação Um termómetro marca a temperatura numa escala real, contínua ANALÓGICO Um computador manipula informação discreta, em termos de zeros e uns DIGITAL

4 TC – DEI, 2005/2006 Domínios da Informação (2) Nos sistemas electrónicos, tipicamente a informação é representada em termos de tensão num determinado ponto do circuito Tempo (s) Tensão (V) Tempo (s) Tensão (V) +5V (H ou 1) 0V (L ou 0) ANALÓGICODIGITAL

5 TC – DEI, 2005/2006 Sistemas Digitais Existem diversas famílias de circuitos integrados para sistemas digitais. Duas das mais famosas são: TTL (Transistor-Transistor Logic) CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Cada família possui um conjunto de tensões que reconhece como sendo 0 ou 1 SaídaEntrada V 0.4V 2.0V 0.8V Níveis TTL

6 TC – DEI, 2005/2006 Gates (ou Portas) Uma gate representa uma função lógica básica que se pode a um conjunto de bits NOT AND OR XOR NAND NOR

7 TC – DEI, 2005/2006 Expressão BooleanaDiagrama Gates NOT (Inversor) XY Tabela Verdade 74LS04

8 TC – DEI, 2005/2006 Gates AND (E) Expressão Booleana Diagrama ABY Tabela Verdade 74LS08

9 TC – DEI, 2005/2006 Gates OR (Ou) Expressão Booleana Diagrama ABY Tabela Verdade 74LS32

10 TC – DEI, 2005/2006 Gates XOR (Ou Exclusivo) Expressão Booleana Diagrama ABY Tabela Verdade 74LS86

11 TC – DEI, 2005/2006 Gates NAND e NOR Correspondem às gates AND e OR com um inversor à frente Expressão Booleana Diagrama ABY Tabela Verdade Expressão Booleana Diagrama ABY Tabela Verdade

12 TC – DEI, 2005/2006 NAND e NOR As portas NAND e NOR são importantes pois podem ser ligadas para se comportar como todas as outras Portas Universais NAND COMO INVERSOR NAND COMO AND NAND COMO OR

13 TC – DEI, 2005/2006 Tabela de Verdade Uma das ferramenta básica de trabalho de sistemas digitais Para todas as entradas possíveis, enumera quais as saídas que se quer obter A partir da tabela de verdade extrai-se a função a implementar. Tipicamente, na forma SOMA DE PRODUTOS.

14 TC – DEI, 2005/2006 Exemplo: Circuito de Votação Dadas três entradas distintas, determinar a maioria O LED acende quando existem duas entradas activas

15 TC – DEI, 2005/2006 Tabela de Verdade ABCY

16 TC – DEI, 2005/2006 Tabela de Verdade ABCY

17 TC – DEI, 2005/2006 Circuito Votador

18 TC – DEI, 2005/2006 Algumas notas importantes É possível descrever um circuito em termos de: Entradas e Saídas Tabela de Verdade que mapeia as entradas na saída Caso não tenhamos um integrado com portas suficientes, pode-se sempre construir a partir de outras (e.g. Criar um AND de 3 portas a partir de um AND de 2 portas) A forma SOMA DE PRODUTOS exprime a funcionalidade do circuito. No entanto, a forma soma de produtos directa não está simplicada. Lógica de Bool, Teoremas de DeMorgan, Mapas de Karnaught, etc. É tipicamente possível simplificar as expressões.

19 TC – DEI, 2005/2006 Algebra de Bool A + 0 = A A + 1 = 1 A 0 = 0 A 1 = A Elementos neutro e absorvente A A = A A + A = A Idempotência A + A = 1 A A = 0 Complementariadade A (B+C) = A B + A C Comutatividade e Distributividade A B = B A A+B = B+A (A B) = A + B (A+B) = A B Leis de DeMorgan A + AB = A + B AB + AB = B Teoremas de Simplificação A + AB = A

20 TC – DEI, 2005/2006 Expressões simplificadas Y = ABC + ABC + ABC + ABC = BC(A+A) + ABC + ABC = BC + ABC + ABC = C(B+AB) + ABC = C(A+B) + ABC = AC + BC + ABC = AC + B(C+AC) = AC + B(A+C) = AC + AB + BC Nós não faremos isto porque os computadores já nos simplificam as expressões!!!

21 TC – DEI, 2005/2006 Simplificado vs. Não Simplificado NÃO SIMPLIFICADOSIMPLIFICADO

22 TC – DEI, 2005/2006 Lei de Moore O número de transistores num circuito integrado duplica todos os 18 meses. Isto é extremamente relevante porque... as gates são feitas a partir de transistores!

23 TC – DEI, 2005/2006 Níveis de Integração Número de Gates Exemplos Small Scale Integration SSI 2-10 Lógica discreta (Portas AND, OR, etc.) Medium Scale Integration MSI Somadores, Multiplicadores, Contadores, etc. Large Scale Integration LSI Unidades Aritméticas e Lógicas, processadores simples, etc. Very Large Scale Integration VLSI > Processadores, Memórias, Chipsets, etc.

24 TC – DEI, 2005/2006 A placa que iremos usar nas práticas... Equivalente a gatesEquivalente a gates PS: Gate não está relacionado com o Sr. Bill Gates

25 TC – DEI, 2005/2006 Primeiro Trabalho Prático

26 TC – DEI, 2005/2006 PONTOS IMPORTANTES Nunca se ligam duas saídas juntas Excepto em alguns circuitos, isso é um curto-circuito Não se deixam entradas não utilizadas a flutuar (i.e. sem estarem ligadas) Um circulo numa entrada, ou um traço por cima do nome de um sinal quer dizer activo a 0 lógica negativa. Um triângulo numa entrada, quer dizer que é activo por flanco (i.e. um sinal de relógio) Em lógica negativa, activo quer dizer estar a 0 Por exemplo, o contador é limpo usando o sinal CLR, que é activo a zero. Quando o sinal está a 1, não tem efeito. Quando está a 0, faz com que o contador faça um reset.

27 TC – DEI, 2005/2006 Quiz Como é que se pode alterar o circuito apresentado para que o número a seguir a 9 seja 0?

28 TC – DEI, 2005/2006 Para saber mais... Digital Design with CPLD Applications and VHDL, by Robert K. DueckDelmar Learning, ISBN , June 2000 Capítulo 2 (todo) Capítulo 3 (3.1, 3.2, 3.3*, 3.4*) * Não ver em profundidade, ler apenas para ficar com uma noção do que está envolvido

29 TC – DEI, 2005/2006

30 Sistemas Digitais Circuitos Sequenciais Paulo Marques Tecnologia dos Computadores 2003/2004

31 TC – DEI, 2005/2006 O que faz este circuito?

32 TC – DEI, 2005/2006 Colocando 1 em cima, 0 em baixo ? ? O 1 surge em baixo! 1

33 TC – DEI, 2005/ Colocando o 1 de cima a O 1 mantem-se! 1

34 TC – DEI, 2005/2006 ACABAMOS DE CRIAR UMA CÉLULA DE MEMÓRIA!

35 TC – DEI, 2005/ Colocando 0 em cima e 1 em baixo A entrada de baixo passa a 0, a de cima a 1!

36 TC – DEI, 2005/2006 Latch (ou báscula) SR SET RESET Q Q SRQ n+1 00QnQn QnQn ??? Combinação proibida Tabela de Excitação S R Q Q

37 TC – DEI, 2005/2006 Dois tipos fundamentais de circuitos As saídas dependem unicamente das entradas COMBINACIONAIS SEQUENCIAIS As saídas dependem das entradas e do estado corrente da memória O sistema evolui ao longo do tempo através de um conjunto de estados

38 TC – DEI, 2005/2006 Circuitos síncronos e assíncronos As básculas são assíncronas, levando a imensos problemas a nível de sincronização. Na prática, os sistemas sequenciais utilizam o conceito de relógio e células de memória síncronas. Existe um pulso de relógio que mantém o sistema sincronizado Só existem alterações à saída dos circuitos de memória na transição (ou flanco) de 0 para 1 0 1

39 TC – DEI, 2005/2006 Flip-Flop D A célula de memória básica! D CLK Q Q DQ n Tabela de Excitação Note-se que o 0 ou o 1 só surgem no próximo evento de clock!

40 TC – DEI, 2005/2006 Registo de 4 bits

41 TC – DEI, 2005/2006 Exemplo de um circuito síncrono Um contador de dois bits Dois bits => dois flip-flops (Q1 e Q2) O número de estados possíveis da máquina de estados reflecte-se directamente no número de flip- flops (i.e. células de memória) necessárias para a implementar Máquina de Estados

42 TC – DEI, 2005/2006 Contador Síncrono de 2 bits Q1 n Q2 n Q1 n+1 Q2 n Tabela de Transição de Estado Saídas QEntradas D D1 = Q1 Q2 + Q1 Q2 D2 = Q1 Q2 + Q1 Q2 D CLK Q Q (simplificável...)

43 TC – DEI, 2005/2006 Esquemático D1 = Q1 Q2 + Q1 Q2 D2 = Q1 Q2 + Q1 Q2

44 TC – DEI, 2005/2006 Simulação

45 TC – DEI, 2005/2006 Exercício para casa Implemente um contador que conte até de 0 até 6, regressando a 0. Caso o contador acorde num número superior a 6, o valor seguinte deverá ser 0! Nível seguinte de dificuldade: Considere que existe uma entrada extra chamada UP/DOWN que especifica se o contador conta para cima ou para baixo. Implemente-o. Desenhe o circuito no Quartus II e simule-o.

46 TC – DEI, 2005/2006 Porque é que o pôr-do-sol é vermelho?

47 TC – DEI, 2005/2006 » Keep the design as simple as possible, but not simpler. « Albert Einstein

48 Sistemas Digitais Lógica Programável Paulo Marques Tecnologia dos Computadores 2003/2004

49 TC – DEI, 2005/2006 SSI/MSI Programmable Logic Devices (Spartan-3: gates, 12) (SSI, MSI: funções simples, ~1)

50 TC – DEI, 2005/2006 Circuitos programáveis Em vez de ter um conjunto de circuitos com funcionalidades pré-definidas... Custos elevados em manutenção de stocks Necessidade de utilizar muitos integrados para implementar uma certa funcionalidade Não existência de determinadas funções Baixa velocidade devido às interligações Utiliza-se um circuito genérico, programável! PLD Programmable Logical Device PAL Programmable Array Logic GAL Generic Array Logic CPLD Complex Programmable Logic Device FPGA Field Programmable Gate Array

51 TC – DEI, 2005/2006 Vejamos os dois circuitos anteriores... Circuito votador (não simplificado)

52 TC – DEI, 2005/2006 Contador (não simplificado)

53 TC – DEI, 2005/2006 Estrutura de uma PAL (simplificado)

54 TC – DEI, 2005/2006 Implementando uma função... ABCD ABCD BD ABCD BDABCD+++ Fusível Intacto

55 TC – DEI, 2005/2006 Programação de PLDs Uma PLD possui blocos que são configuráveis, queimando fusíveis internos (ou equivalente). Existem pinos genéricos de entrada e de saída Blocos AND-OR + Flip-flops + Buffers Interligações em blocos Utiliza-se uma linguagem de alto nível capaz de exprimir o design de um circuito electrónico E.g. PALASM, Abel, AHDL, Verilog, VHDL O programa é compilado, explicitando de que forma é que as gates presentes no circuito devem de ser configuradas

56 TC – DEI, 2005/2006 PAL22v10

57 TC – DEI, 2005/2006 PAL22v10

58 TC – DEI, 2005/2006 O Estado da Arte Hoje em dia utilizam-se: CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) Uma CPLD / FPGA é basicamente um conjunto enorme de PLDs interligadas por um sistema de interligação programável

59 TC – DEI, 2005/2006 Estructura de uma CPLD (FPGA similar)

60 TC – DEI, 2005/2006 Nas aulas práticas... Hardware: Altera UP2 board MAX7000S CPLD (2.5k gates) EPM7128SLC84-7 FLEX10K CPLD (70k gates) EPF10K70RC240-4 Software Altera QuartusII 5.1 Web Edition Objectivos Introdução prática a circuitos digitais importantes Preparação para as cadeiras de Arquitectura de Computadores

61 TC – DEI, 2005/2006 Altera UP2 2.5k + 70k gates disponíveis Relógio a 25MHz Programação via porto paralelo Iremos utilizar VHDL 4 botões (2 pré-ligados) 24 interruptores (8 pré-ligados) 16 LEDs 2 displays 7-segmentos de 2 dígitos (1 pré-ligado) Saída VGA Entrada rato/PS2

62 TC – DEI, 2005/2006 Altera Quartus II Design de sistemas digitais por captura gráfica Design de sistemas digitais por linguagem de programação VHDL + Verilog + AHDL Simulação do sistema Programação física dos dispositivos

63 TC – DEI, 2005/2006 Para saber mais... Computer Organization and Architecture, Secção 3.6 Digital Design with CPLD Applications and VHDL Capítulo 8 (8.1, 8.2, 8.4, 8.6*, 8.7*) Capítulo 4 * Não ver em profundidade, ler apenas para ficar com uma noção do que está envolvido ver as anotações que estão nas folhas do quiosque


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