integrisana digitalna kola

Uvod u integrisana digitalna kola.Uvod u integrisana digitalna kola.

Logička kola. Bulova algebra.

Vanr.prof.dr.Lejla Banjanović-Mehmedović

Sadržaj rada� Integrisana digitalna kola. Bulova algebra i logička kola.

� Sinteza i optimizacija logičkih funkcija.

� Implementacione tehnologije. TTL, CMOS logička kola.

� Programabilna logička kola (PLA, PAL, SPLD, CPLD, FPGA).

� Uvod u hardverske deskripcione jezike (VHDL i Verilog). Verilog i CAD dizajn logičkih kola. logičkih kola.

� Projektovanje aritmetičkih kola. Verilog dizajn.

� Projektovanje kombinacionih kola. Koderi i dekoderi. Multiplekseri i demultiplekseri. Verilog dizajn.

� Projektovanje sekvencijalnih kola. Flip-flopovi. Registri i brojači. Verilog dizajn.

� Projektovanje sekvencijalnih mreža. Elementarni automati. Mašina konačnih stanja.

� Projektovanje digitalnih sistema.

Copyright: Lejla Banjanović-MehmedovićProjektovanje logičkih sistema

Literatura:� L.Banjanović-Mehmedović: Autorizovana predavanja,

šk.god. 2016/2017

� T. R, Kuphaldt: Lessons in Electric Circuits, Volume IV-Digital, 2007. IV-Digital, 2007.

� S. Brown, Z. Vranesic: Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design, 2014.

� J. P. Hoffbeck: Using Practical Examples in Teaching Digital Logic Design, 2014.

Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović

Bodovanje aktivnosti na predmetu� Prisutnost nastavi: 4

� Seminarski rad (grupni), shodno obimu teme, formira se manja ili veća grupa

� Pojedinačno bodova 7� Pojedinačno bodova 7

� Zadaća (3 zadatka, u definisanim vremenskim periodima), ukupno: 39

� Završni rad: 50

� Ukupno: 100


Primjena integrisanih digitalnih kola

� Projektovanje logičkih sistema

� Ugrađeni sistemi (sistemi na čipu)

� Inteligentni


� Inteligentni sistemi

Cilj učenjaSolarni sistem zagrijavanja kuće

Fabrički sistem pakovanja proizvoda

Prikazi na matričnom displeju korištenjem Mašine konačnog stanja


Prikazi na matričnom displejuInteligentni transportni sistemi Mobilni robot u

labirintu

Integrisana digitalna kola� Logička kola-primjena: računari, digitalni satovi, različite kućne

aplikacije, CD playeri, različiti veliki sistemi

� Realna logička kola ili digitalna kola - obrazuju se odelektronskih elemenata koja posjeduju izrazita prekidačkasvojstva. svojstva.

� U praksi realizovane samo funkcije I, ILI, NI, NILI i ekskluzivno ILI. Logička kola realizuju elementarne Bulove funkcije.

� Korištenjem modernih tehnologija – fabrikacija čipa sa destinama milona tranzistora poput računarskog procesora.

� Projektovanje logičkih kola

� Computer aided design (CAD) software tools

� Korištenjem industry-standard design language Verilog, VHDL


Digitalni hardverski sistem

� Logička kola za gradnju digitalnog hardverskog sistema

� Elektronički signali –� Elektronički signali –korespondiraju digitima informacije


Digitalni hardwerski sistem

Integrisani logički sistemi� Fiksni logički uređaji (obezbjeđuju specifične i nepromjenljive funkcije,

funkcije definisane pri fabrikaciji)

� Standardni čipovi � standardne funkcije, manje od 100 gejtova, nefikasno korištenje

prostora, funkcionalnost fiksna

� Čipovi po narudžbi (eng.custom chips)

� Application-specific integrated circuits (ASICs).

� Dizajn optimiziran za specifični zadatak; vodi boljim performansama, veća cjena, efekat vremena

� Aplikaciono specifični standardni proizvodi (ASSP) � Programabilni logički uređaji (PLD, širok opseg funkcija, nisu

definisane pri fabrikaciji, već programiranjem, koje vrši krajnji korisnik; omogućavaju širok izbor karakteristika, brzine i logičkog kapaciteta )

� CPLD i FPGAProjektovanje sistema na čipu 1 Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović 9

Klasifikacija IC prema nivou integracije

� Klasična podjela prema nivou integracije� SSI (Small-Scale Integration), IC niskog nivoa integracije. Do 10

logičkih kola.

� MSI (Medium-Scale Integration), IC srednjeg nivoa integracije. Od MSI (Medium-Scale Integration), IC srednjeg nivoa integracije. Od 10 do 100 logičkih kola: registri, brojači i sabirači.

� LSI (Large-Scale Integration), IC velikog nivoa integracije. 100 - 1000 logičkih kola: kontroleri, memorijski čipovi manjeg kapaciteta i programabilne logičke komponente.

� VLSI (Very Large Scale Integration), IC veoma velikog nivoa integracije. Više od 100.000 logičkih kola: memorije velikog kapaciteta, mikroprocesori, mikroračunari na čipu i različiti hardverski akceleratori.


� Veoma visok nivo integracije (VLSI – Very-large-scale Integration) više stotina hiljada gejtova:

� Uobičajena integrisana kola

Kola po narudžbi

VLSI tehnologija

� Kola po narudžbi

� Ove podjele izgubile na značaju


Digitalna revolucija


Organ-on-Chip

Programabilni logički uređajiVrste:•complex programmable logic devices (CPLDs) •field-programmable gate arrays (FPGAs)


A field-programmable gate array chip (FPGA)

100 million transistors

Elementi logičkih krugova poredani u 2-dimenzionalne strukture FPGA arhitekture

Roadmap dimenzija čipa


Standardna digitalna IC (serija 7400)

� Serija najpopularnih komponenti ovog tipa poznata je pod nazivom serija 7400. Oznake svih čipova iz ove serije počinju ciframa 74.

� Pakovanje čipa sa izvedenim spoljašnjim prikljucima, tzv. pinovima. Tip pakovanja sa dva reda pinova izvednih na suprotnim stranama pakovanja poznat je pod nazivom DIP (skraćenica od engleskog pojama dual-in parallel).

� 7404 - sadrži šest NOT logičkih kola.

Projektovanje logičkih sistema Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic

Standardna digitalna IC (serija

7400) Serija 7400 obuhvata veliki broj različitih komponenti, čiji se opis može naći u katalozima proizvođača ovakvih čipova.

Copyright: Lejla Banjanovic-MehmedovicProjektovanje logičkih sistema

•74LS00 tehnologijatransistor-transistor logic (TTL)

•74HC00 fabrikovan u CMOS tehnologiji

•7421 čip sa 2 4-ulazna AND gejta.

čipova.

Standardna digitalna IC

(realizacija složenijih funkcija)


Standardna digitalna IC

� Mala veličina i niska cjena VLSI čipova proizvela je revoluciju u oblasti digitalnog projektovanja. Sa VLSI tehnologijom na raspolaganju, projektati su dobili priliku da kreiraju jeftina, aplikaciono-specifična kola priliku da kreiraju jeftina, aplikaciono-specifična kola (ASIC) visokih performansi, optimizovna za efikasno obavljanje pojedinih zadataka.

� Danas, VLSI komponente predstavljaju jedine komponente koje su u upotrebi. Integrisana kola tipa SSI, MSI i LSI bila su aktuelna ’70 i ’80 godina, dok se danas najčešće koriste samo kao rezervni djelovi za starije uređaje.


Kućišta integrisanih kola� Dvostrano kućište (DIL – Dual In Line),

proizvedeno sa spoljnim izvodima duž obje strane. Maksimalan broj izvoda je 68.

� Mreža nizova izvoda (PGA – Pin Grade Array) sa izvodima (oko 120 u tipičnom slučaju) uređenim u kolonama i izdvojenim iz kućišta.

Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović

u kolonama i izdvojenim iz kućišta.

� Nosioc kućišta bez izvoda (LCC – Ledless Chip Carrier) i J – nošen nosač kućišta (JLCC – J–Leaded Chip Carrier) su kvadratna kućišta sa spoljnim spojevima izdvojenim duž svake strane, i u slučaju JLCC uvrnuto ispod osnove.

� Površinsko kućište u kome su izvodi izdvojeni u oblik pogodnom za površinsku štampu (BGA –Ball Grid Array).

Projektovanje logičkih sistema

Razvojni pravac: savremena digitalna IC

� Savremena IC su VLSI. Stariji tipovi čipova koriste se rijetko ili samo kao rezervni dijelovi za kao rezervni dijelovi za starije uređaje.

� Koncept ˝sistem na ploči˝ zamenjen je konceptom ˝sistem na čipu˝.


Razvojni proces

projektovanja

Korištenjem: CAD alata proizvođača Altera, Cadence, Mentor Graphics, Synopsys, Synplicity, Xilinx


Bazni dizajn

Synopsys, Synplicity, Xilinx

Bulova algebra. Logička kola.Bulova algebra. Logička kola.


Dominacija binarnih sistema u

digitalnim sistemima

� Dominacija binarnih sistema u digitalnim sistemima je shodno njihovoj jednostavnosti (dvije moguće vrijednosti)


Osnove logičke algebre� U digitalnoj elektronici sklopovi se u velikoj mjeri koriste isključivo

kao prekidači.

� Najednostavniji binarni element - prekidač (eng. Switch) koji ima dva stanja.

� Ako je prekidač kontrolisan ulaznom varijablom x, prekidač je otvoren � Ako je prekidač kontrolisan ulaznom varijablom x, prekidač je otvoren kada je x = 0 i zatvoren kada je x = 1.


Dva stanja binarnog prekidača

Bulova algebra� Sve računarske operacije koje se izvode samo na ciframa 0 i 1

i koje daju te iste vrijednosti nazivaju se logičke operacije.

� Logičke operacije: � negacija, konjukcija i disjunkcija.

� Joše neke logičke operacije: � ekskluzivna disjunkcija

� negacija konjukcije (Shefferova operacija)

� negacija disjunkcije (Pierceova operacija ili operacija Lukasiewicza)

� Grana matematike, koja proučava operacije konjukcije, disjunkcije i negacije i pravila rada sa njima – Boolova algebra (Logička algebra,prekidačka algebra)


Logička kola� Uređaji koji služe za izvođenje osnovnih logičkih

operacija nazivaju se logička kola.

� Osnovna (elementarna) logička kola i jednostavnijasložena logička kola nazivaju se još i logičke kapijesložena logička kola nazivaju se još i logičke kapije(eng. gate), jer u izvjesnom smislu ona propuštajusignale, odnosno kombinacije signala.

� AND, OR, NOT (I, ILI, NE) – osnovna logička kola

� NOT – često se naziva invertor

� Nove tehnologije i novi materijali!!!


Izvedba logičkih kola� Mehanička

� Hidraulička

� Pneumatska

� Elektromehanička� Elektromehanička

� Elektronička – dovoljna brzina rada i minijaturizacija

� Biološka

� Primjer: Biološki bazirani roboti


Pozitivna logika:

LOW → 0

HIGH → 1

Negativna logika:

LOW → 1

HIGH → 0


Logički izrazi i funkcije� Logička funkcija je logički izraz koji opisuje izlaz kao

funkciju ulaza

L(x) = x

� x –ulazna varijabla.� x –ulazna varijabla.

� Primjer:

� Oprečan primjer: postojanje podataka , ali ne i funkcijske forme ponašanja u kompleksnim sistemima, oblast: identifikacije i estimacije funkcionalne ovisnosti


Logička kola


Ime gejtaGrafički simbol

Funkcija

3-ulazni

Gejtovi sa više ulaza

Stvarni sistemi imaju više ulaznih varijabli ....


3-ulazni AND

F = xyz

3-ulazni OR F = x+ y+z

3-ulazni NAND

F = (xyz)'

3-ulazni NOR

F = (x+y+z)'


Bulove operacije� Bulova operacija

sabiranja korespondira logičkom kolu “OR”, prekidači u paralelnoj prekidači u paralelnoj vezi.



množenja korespondira logičkom kolu “AND”, prekidači u serijskoj vezi.prekidači u serijskoj vezi.



komplementa korespondira logičkom kolu “NOT”, zatvoren kolu “NOT”, zatvoren prekidač ili relejni kontakt.


Tabele istine� Logički izrazi i logičke funkcije se često predstavljaju sa tzv.

kombinacionim tablicama (tabele istine ili tabele stanja).

� Ove tabele prikazuju vrijednost izraza odnosno funkcije za � Ove tabele prikazuju vrijednost izraza odnosno funkcije za sve moguće kombinacije vrijednosti promjenljivih koje se u njima pojavljuju.

� Primjer: ultrasonični senzori mobilnog robot a postavljeni naprijed, lijevo i desno


Tabela istine za AND i OR operacije

Mreža gejtova� Veća logička kola se implementiraju mrežom gejtova

(logička mreža ili logički krug)


Primjer: Mobilni robot u labirintu

Primjer jednostavne logičke mreže


Vremenski dijagrami korisni za indikaciju funkcionalnog ponašanjalogičkih krugova.

Analiza i sinteza logičkih mreža� Proces određivanja funkcije koju obavlja postojeća

mreža - analiza.

� Obrnut zadataka, projektovanje nove mreže kojaimplementira željeno funkcionalno ponašanje –implementira željeno funkcionalno ponašanje –sinteza.


Pravila logičke algebre� Aksiomi logičke algebre – određeni broj pravila se

proglašava elementarnim činjenicama logičke algebre, koje se prihvataju bez dokaza i na kojima se zasnivaju sva druga pravila i kompletna logička algebra.sva druga pravila i kompletna logička algebra.

� Izbor aksima nije jednoznačan!


Aksiomi i teoreme Bulove algebre


Bazni Bulovi algebarski identiteti 1/2

� Aditivni:


Bazni Bulovi algebarski identiteti 2/2� Multiplikacioni:

� Dvojni komplement:


Bazna svojstva Bulove algebre 1/5

� Aditivna: Multiplikaciona:

� Svojstvo komutativnosti aditivnosti


Bazna svojstva Bulove algebre 2/5� Aditivna: Multiplikaciona:

� Komunitativno svojstvo multiplikacije



� Asocijativno svojstvo aditivnosti



� Asocijativno svojstvo multiplikacije



� Svojstvo distributivnosti


Bulova pravila pojednostavljenja 1/3


EX-OR


DeMorganova pravila


Ekvivalentne transformacije logičkih

izraza� Za dva logička izraza se kaže da su ekvivalentni

ukoliko uzimaju iste vrijednosti za ma kako izabrane vrijednosti promjenljivih koje se u njima javljaju.

Dva ekvivalentna logička izraza uvijek se mogu svesti � Dva ekvivalentna logička izraza uvijek se mogu svesti jedan na drugi primjenom konačno mnogo transformacija izraženih pravilima logičke algebre.

� De Morganove teoreme - izrazito značajne!

� Pronalaženje najjednostavnije logičke funkcije koja je ekvivalentna polaznoj logičkoj funkciji -minimizacija logičke funkcije!


Primjer 1: Sistem za spaljivanje

toksičnih otpada� Postoje

tehnologije:

� Optička


� Optička

� Termalna

� Električna

Primjer: Sistem za spaljivanje

toksičnih otpada

� Redudantni sistem:

� Sa više senzora


� Sa više senzora

� Najmanje 2 senzora detektuju vatru, otvoreni ventili

Primjer tabele istine za analizirani

sistem


Primjer pojednostavljenja logičke

funkcije


Primjer 2: Sistem za pakovanje


Primjer: Sistem za pakovanje

� U fabrici djeluje sistem za pakovanje nekog proizvoda u plastičnu ambalažu, koji se sastoji od fotosenzora FOTO, senzora težine VAG, preklopki START i MASAx2, te izlaza VENTIL i TRAKA

� Princip rada mašine je sljedeći:

� Transportna traka kreće na signal START� Transportna traka kreće na signal START

� Prilikom aktivacije senzora FOTO, ukoliko je traka aktivna, otvara se ventil koji puni ambalažu dok se ona nalazi u polju fotosenzora. Nakon toga roba s trake izlazi u kutiju.

� Sistem radi dok se ne aktivira senzor VAG (ograničenje mase kutije proizvoda), koji mjeri masu kutije u koju silaze proizvodi s trake

� Ukoliko želi, radnik može omogućiti da se zaobiđe blokada trake preopterećenjem vage, aktivacijom preklopke MASAx2. U tom slučaju traka nastavlja raditi iako je vaga preopterećena.


Primjer: Sistem za pakovanje� Transportna traka kreće na signal

START

� Prilikom aktivacije senzora FOTO, ukoliko je traka aktivna, otvara se ventil koji puni ambalažu dok se ona nalazi u polju fotosenzora. Nakon toga roba s trake izlazi u kutiju.

START FOTO VAGA MASAx2 VEN TRA

0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 0 0

0 0 1 0 0 0

0 0 1 1 0 0

0 1 0 0 0 0trake izlazi u kutiju.

� Sistem radi dok se ne aktivira senzor VAG (ograničenje mase kutije proizvoda), koji mjeri masu kutije u koju silaze proizvodi s trake

� Ukoliko želi, radnik može omogućiti da se zaobiđe blokada trake preopterećenjem vage, aktivacijom preklopke MASAx2. U tom slučaju traka nastavlja raditi iako je vaga preopterećena.


0 1 0 0 0 0

0 1 0 1 0 0

0 1 1 0 0 0

0 1 1 1 0 0

1 0 0 0 0 1

1 0 0 1 0 1

1 0 1 0 0 0

1 0 1 1 0 1

1 1 0 0 1 1

1 1 0 1 1 1

1 1 1 0 0 0

1 1 1 1 1 1

integrisana digitalna kola

Documents