i207 digitaalloogika ja -süsteemid

1I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1© Peeter Ellervee

I207I207Digitaalloogika ja Digitaalloogika ja

-süsteemid-süsteemidhttp://www.itcollege.ee/~lrv/I207/

Peeter Ellervee

TTÜ - ICT-526 620 2258 511 3631 [email protected]://www.itcollege.ee/~lrv/ http://www.ati.ttu.ee/~lrv/


Sissejuhatuse asemelSissejuhatuse asemel

Me kõik teame, et vanasti ...

… oli lumi valgem, taevas sinisem, varblased suuremad, …

Tegelikkus on aga veelgi huvitavam

Ka transistor oli vanasti palju suurem!Ka transistor oli vanasti palju suurem!


Ajaloost ...Ajaloost ...

“Digitaalarvuti” - ~500 e.m.a. - abakus (abacus)

“Analoogarvuti” - 1625 - lükati (slide rule)



Analoogarvutid

astrolaab[16. saj.]

pommitus-arvuti

Norden

vesiarvuti[NSLV 1936]

differentsiaal-analüsaator[University of Pensylvania, ca 1942]



1642 – Blaise Pascal (1623-1662) liitmismasin

1834 – Charles Babbage (1792-1871) analüütiline masin (analytical engine)

1906 valmistati osa protsessorist (töötas!)

1874 või 1885 Aritmomeeter

Frank S. Baldwin (US) Willgodt T. Odhner (RU)



Elektromehhaaniline relee – 19. saj.

Elektronlamp – 20. saj. algus 1904 - diood - J. A. Fleming [UK] 1906 - triood - L. De Forest [US]

1941 (dets.) – V3 (hilisem Z3) [D] Konrad Zuse (1910-1995) elektromehhaaniline (releed) esimene programmeeritav kalkulaator


Ajaloost – Colossus [UK]Ajaloost – Colossus [UK]

1943 (dets.) varaseim

programmeeritav elektronarvuti

2400 lampi,

5000 süm./sek.

“Enigma” koodi dešifreerimine


Ajaloost – ENIAC [US]Ajaloost – ENIAC [US]

1946Electronic Numerical Integrator and Computer

18000 lampi

~5000 liitm./sek.

30 tonni, 25 kW ballistika,

vesinikupomm



1947. a. lõpp – transistor [Bell Labs] W.B. Shockley, J. Bardeen & W.H. Brattain

Teise põlvkonna arvutid

Nairi Minsk 32



Esimene mikroskeem 12.09.1958 - TI Jack St. Clair Kilby

Esimene mälukiip 1970 - Intel - 1Kb

Esimene mikroprotsessor 15.11.1971 - Intel - i4004 4-bitti, 2300 transistori ~60 kOPs (108 kHz)

TRS-80

PDP-8


Ajaloost – VAX 780Ajaloost – VAX 780

3. põlvkonna arvutid mikroskeemid pooljuhtmälud magnetlindid kõvakettad terminalid arvutivõrgud

CAD/CAE


Ajaloost – EC seeriaAjaloost – EC seeria

protsessor ketasmälu printer



1950 – pehmeketas – Y. Nakamats 1965 – hiir – D. Englebart 1979 – CD

Neljanda põlvkonna arvutid personaalarvutid, tööjaamad jne.

A Brief History of Computing http://www.ox.compsoc.net/~swhite/history/


TänapäevTänapäev

Gordon Moore seadus (1965) kahekordistumine iga 18 kuuga

Head jõudlus, odavus, töökindlus, energiasäästlikkus

Vead (?) projekteerimise ja valmistamise maksumus muutmise ja parandamise keerukus

SoC – System-on-a-Chip (kiipsüsteem) NoC – Network-on-a-Chip (kiipvõrk) SoP – System-on-a-Package M500


Arvutisüsteemid tänapäevalArvutisüsteemid tänapäeval

Sardsüsteem = programm + mikroskeem == [rakendus + OS] + [digitaal + analoog]

programmeerimine & digitaal-loogika & elektroonika

I/O

ROM

CPU

RAM

DSP

siinid / loogika

ADC

DAC


digitaal-süsteemid

DigitaalsüsteemDigitaalsüsteem

Alamhulk süsteemidest

süsteemid

elektroonilised alamsüsteemid

integraal-skeemid

EDA

I/O

ROM

CPU

RAM

DSP

siinid / loogika

ADC

DAC


Arvuti == mälu & protsessorArvuti == mälu & protsessor

Von Neumanni arhitektuur mälu protsessor

juhtseade ALU

Asu

s a8

n V

MC

SM

02

Bab

y A

T (

IBM

, 198

5)


Mälu & ProtsessorMälu & Protsessor

ASRock K7VT4A Pro


Mälu & ProtsessorMälu & Protsessor

Mälu

Protsessor

aadress andmed

CU

0306PC IR

ALU

RF2r/1w

2.3.4.1

aadress andmed

. . . n=k+l; . . .

kompilaator

add r3,r4,r2

0010001101000001

linker

OSteegid

0010.0011.0100.00010306

programm

OS funktsioonid

andmed


Algoritm & realisatsioonAlgoritm & realisatsioon

Ülesanne → algoritm → realisatsioon

Neli kahend-sisendit ja -väljundit nt. 4 lülitit (S1-S4) ja

4 valgusdioodi (L1-L4) Sisendite muutumine

muudab väljundeid kui S1=1 & S2=0, siis

L1←1, muidu L1←0 kui S1=0 & S3↑, siis

V++ (V[1]≡L2, V[0]≡L3) kui S1=1 & S2=1 & S4↓,

siis L4← ┐L4 Realisatsioon – “must kast” &

4 nuppu, 4 lampi mikrokontroller & programm loogikaskeem & juhtautomaat

Võimalik programm

int s3p=0, s4p=0, v=0; l4=0;while (1) { if (s1&!s2) l1=1; else l1=0; if (!s1&((s3^s3p)&s3)) v++; if (v>3) v=0; l2=v/2; l3=v%2; if (s1&s2&((s4^s4p)&!s4)) l4~=l4; s3p=s3; s4p=s4; wait_100ms();}

Protsessor e. täitur muutujate salvestamine

registrid operatsioonide täitmine

kombinatoorsed funktsioonid operatsioonide järjestamine

juhtosa


ProtsessorProtsessor

(C)PU – (Central) Processing Unit sisendid/väljundid (lülitid, lambid, releed, ...) vahetulemused (nt. muutujad registrites/mälus) töötlus- e. arvutus-sõlm (nt. aritmeetika-loogikaseade) juhtosa (käsuloendur ja -register, juhtautomaat, ...)

juhtautomaat

aritmeetika-loogikaseade

registrid sisend/väljund


Protsessor kui digitaalsüsteemProtsessor kui digitaalsüsteem

Java Applet on RT-Level Design – http://www.pld.ttu.ee/applets/rtl/

The Central Processing Unit – http://courses.cs.vt.edu/~csonline/MachineArchitecture/Lessons/CPU/index.html

http://www.pld.ttu.ee/applets/rtl/

http://courses.cs.vt.edu/~csonline/MachineArchitecture/Lessons/CPU/index.html


ProjekteerimineProjekteerimine

Programmist skeemini? Millised käsud on olemas? Kuidas järjestada käsud? Mis töötleb käske?

Tulemuseks moodulid ehk struktuur-skeem

Skeemist transistorini? Millest koosnevad moodulid? Kuidas komponente siduda ja paigutada?

Tulemuseks trükkplaat / mikroskeem


Turg e. $$$Turg e. $$$

Projekteerimise maksumus projekteerimisaeg, kapitalimahutused,

parandatavus

Muudatuste kõrge hind tootmismahud, null-defekti, turusuundumused

Hind pöördvõrdeline tootmismahuga üldotstarbelised protsessorid << ASIC <<

prototüübid << spetsrakendused

Rekonfigureeritavus paindlikud tooted


Automatiseerimine?Automatiseerimine?

SoovunelmSoovunelm TegelikkusTegelikkus


kahendarvud /kahendarvud /kahendloogikakahendloogika

süm

bolid

/

süm

bolid

/

küm

nend

arvu

dkü

mne

ndar

vud

reaa

larv

udre

aala

rvud

AbstraktsioonitasemedAbstraktsioonitasemed

Arvutisüsteem:CPU + RAM

Loogika-funktsioonid

ProtsessorRTL:

ALU & Co

Assembler /binaarkood

Rakendus-programmid

Progr.keeled

KasutajaliidesOperatsiooni-

süsteem

Loogika-elemendid

Transistorid /traadid

Pooljuhid:Si, GaAs & Co


Kursuse sisuKursuse sisu

Loengud - 40 h [ 20 x 2 ] Harjutustunnid - 16 h [ 8 x 2 ] Praktikumid - 16 h [ 8 x 2 ]

Kirjandus: John F. Wakerly, “Digital Design: Principles and Practices”. Dirk Jansen et al. (editors), “The electronic design

automation handbook”. Harri Lensen, Margus Kruus, “Diskreetne matemaatika”. Kalle Tammemäe, “Riistvara kirjeldamiskeel VHDL”.



L1. Sissejuhatus L2-L3. Loogikafunktsioonid, teisendamine L4. Digitaalsüsteem, struktuur L5-L6. Riistvara kirjelduskeel VHDL L7-L11. Kombinatsioonskeemide disain

Loogikafunktsioonide süsteemid L12-L15. Mäluga süsteemide disain

Juht- ja operatsiooni-automaadid, süntees

L16-17. Loogikaelemendid & digitaalaritmeetika

L18-L20. Kompleksed digitaalsüsteemid



Harjutustunnid H1-H3. Kahendloogika, avaldised ja - funktsioonid H4. Loogikaskeemide koostamine H5, H6. Heuristiline ja täpne minimeerimine H7, H8. Automaadid, realiseerimine

Praktikumid Loogikafunktsioonide modelleerimine & minimeerimine Kombinatsioon- ja mäluga skeemide modelleerimine VHDL-s

Hindamine Kodutöö – loogikafunktsiooni minimeerimine, realisatsioon ja

modelleerimine (40%) Praktikumide ülesannete kaitsmine (30%) Kirjalik eksam (30%) – teoreetilised ja praktilised erineva

keerukusega ülesanded, kestus 1 1/2 tundi


Lõpetuseks...Lõpetuseks...

Ka see on ajalugu ... 1899 – “Everything that can be invented has already

been invented” “Kõik, mis võimalik, on juba leiutatud”

C. H. Duell, USA Patendiameti direktor

1943 – “I think there is a world market for maybe five computers” “Arvan, et ilmaturg vajab ehk viit arvutit”

Thomas Watson, IBM esimees


Lõpetuseks...Lõpetuseks...

1949 – “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons” “Tulevikus võivad arvutid kaaluda vähem kui poolteist tonni” ajakirja “Popular Mechanics” ennustus

1968 – “But what ... is it good for?” “Jah aga, … milleks see ka kõlbab?” IBM’I insener mikroskeemi kohta

(Advanced Computing Systems Division)

1977 – “There is no reason anyone would want a computer in their home” “Pole olemas põhjust, et keegi sooviks koju arvutit” Ken Olson, DEC (Digital Equipment Corporation) president,

esimees ja asutaja


Koduarvuti?Koduarvuti?

http://urbanlegends.about.com/library/bl_rand_home_computer.htm

i207 digitaalloogika ja -süsteemid

Documents