Circuitos Integrados. Nível da Lógica Digital (Aula 7) Circuitos Combinacionais. Circuitos Lógicos Digitais Básicos. Multiplexadores (1)

(1)

Nível da Lógica Digital

(Aula 7)

Circuitos Lógicos Digitais Básicos

Roberta Lima Gomes - LPRM/DI/UFES Sistemas de Programação I – Eng. Elétrica 2007/2

Agradecimentos: Camilo Calvi - LPRM/DI/UFES Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₂₂₂ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Circuitos Integrados

CIs (chips/pastilhas)

Agrupa portas lógicas Pastilhas de silício DIP (Dual Inline Package)

Invóculo c/ 2 linhas de pinos

Tipos (de acordo c/ a densidade)

SSI (Small-Scale Integration ): 1-10 portas MSI (Medium “ “ ): 10-100 LSI (Large “ “ ): 100-100.000 VLSI (Very-large “ “ ): > 100.000

ULSI (Utra Large...): > 1.000.000

A tecnologia atual permitiria então colocar

5x106_{de portas NAND em um chip}

Por que não produzir chips genéricos deste tipo

http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm

Circuitos Combinacionais

Circuitos com várias entradas

e várias saídas, em que as saídas dependem apenas dos

valores presentes das

entradas Sem memória

Ex.: Função Maioria

Multiplexadores

(1)

Um Multiplexador (MUX) é um circuito com

2nentradas de Dados

n entradas de Controle (i.e. código de n bits)

uma saída de dados

O código de n bits das entradas de controle efetua a

seleção de uma das entradas de dados.

A entrada selecionada é roteada (selecionada) para a saída.

(2)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₅₅₅₅ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Multiplexadores

(2)

Multiplexadores podem

também ser considerados

conjuntos (módulos)

combinacionais universais

Função Maioria

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₆₆₆₆ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Multiplexadores

(3)

Exemplo de aplicação: Conversão paralelo-série de dados

de 8 bits

Transferência de 8 linhas de entrada para 1 linha de saída

8 bits em paralelo nas entradas

Alternar sequencialmente os valores de 000 até 111 nas linhas de

controle

Os bits da entrada são colocados em série na saída

Usado na implementação de um teclado

Conceito usado em telecomunicações

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₇₇₇₇ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Multiplexadores

(4)

Controle e roteamento de sinais - Controla qual dispositivo entre a cpu

e os canais de dados , pode fazer acesso à memória

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₈₈₈₈ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Demultiplexadores

(1)

Inverso de um multiplexador

Um Demultiplexador (Distribuidor) possui

única linha de entrada de dados

n entradas de controle

2nsaídas

Roteia o sinal presente em sua para uma de suas, de

acordo com o código de n bits das entradas de controle

(variáveis de seleção).

Se o valor binário nas linhas de controle for k, a k-ésima saída é selecionada.

(3)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₉₉₉₉ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Demultiplexadores

(2)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₁₀₁₀₁₀₁₀ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Decodificadores

(1)

Um Decodificador é um circuito que recebe na entrada um número

de n bits, utilizando-o para selecionar exatamente uma das suas 2n

linhas de saída.

Uma palavra de código de entrada ativa apenas a linha de

saída associada. As outras permanecem desativadas. No máximo, uma saída binária (yi, por exemplo) é igual a 1

Converte um código binário para um código 1-entre-2n

Cada linha de saída é associada exclusivamente a uma palavra de

código correspondente.

Um decodificador binário e a porta OR formam um conjunto universal.

Um decodificador binário é usado para identificar e habilitar um

elemento dentre um conjunto de elementos codificados. Eg: seleção de um dentre vários chips

Memória c/ 4 chips -> 2 bits mais significativos selecionam o chip através de um decodificador

Decodificadores

(2)

(4)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₁₃₁₃₁₃₁₃ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Escolha de uma célula

para operação de leitura/escrita.

Decodificadores

(4)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₁₄₁₄₁₄₁₄ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Decodificadores

(5)

Determinar a operação especificada em uma instrução

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₁₅₁₅₁₅₁₅ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Codificadores

(1)

Realiza a função inversa de decodificador.

Converte um código 1-entre-2

n

para um código binário.

Possui

2nentradas

No máximo, uma das entradas (x_i, por exemplo) pode ser igual a 1

n saídas

Entrada adicional (

enable

- E)

Saída adicional (

active

– A, Módulo ativo)

permite detectar a situação em que nenhuma das entradas está

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₁₆₁₆₁₆₁₆ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

(5)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₁₇₁₇₁₇₁₇ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Codificador de Prioridade

(1)

Um Codificador de Prioridade pode ter diversas

entradas com o valor 1.

A saída representa, em um código binário, o índice da

entrada de mais alta prioridade que tem o valor 1.

A prioridade é uma ordenação fixa implementada pelo

codificador.

Pode ser construído utilizando-se 2 subsistemas:

Subsistema de Resolução de Prioridade (determina a entrada

de maior prioridade, mantendo-a com valor 1 e mudando para 0 as demais entradas que tenham valor 1)

Codificador Binário

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₁₈₁₈₁₈₁₈ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Codificador de Prioridade

(2)

Codificador de Prioridade

(4)

Usado na interrupção de computadores

Resolver pedidos de interrupção a um processador usando um codificador

de prioridades

Comparadores

(1)

Um circuito Comparador compara duas palavras que lhe

são entregues na entrada.

Princípio baseado na porta XOR (EXCLUSIVE OR)

Coloca 0 na saída se suas entradas forem iguais

Coloca 1 na saída se forem diferentes

Uma porta NOR indica o resultado da comparação

Se as duas palavras forem iguais

(6)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₁₂₁₂₁₂₁ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Comparadores

(2)

Existem também redes de comparadores em que a saída pode assumir valores do conjunto (G,E,S) (Greater, Equal, Smaller)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₂₂₂₂₂₂₂ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Circuitos Aritméticos

Deslocadores (Shifters)

A saída é a entrada deslocada de 1 bit

A linha de controle C determina a direção do deslocamento

0 para a esquerda e 1 para a direita

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₃₂₃₂₃₂₃ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Deslocadores

(2)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₄₂₄₂₄₂₄ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Somadores

(1)

Não se pode imaginar um computador sem um somador

Meio-Somador

(7)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₅₂₅₂₅₂₅ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Somadores

(2)

Somador Completo

Observe que ele é formado por dois

meio-somadores

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₆₂₆₂₆₂₆ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Somadores

(3)

Somadores de 16 ou de 32 bits

Somador com

Carry

Propagado (Transporte

Propagado)

Basta replicar 16 ou 32 vezes o somador completo de 1 bit

O vai-1 de uma posição é usado como vem-1 da posição seguinte

O vem-1 da posição mais à direita deve ser fixado em 0

A soma não se completa até que o carrytenha percorrido todo o

caminho entre a posição do bit mais à direita e a posição do bit mais à esquerda (há um retardo associado)

Somadores

(4)

Somador de Transporte Antecipado

Determina os valores de todos os vem-1 para os módulos somadores

completos (Gerador de Transporte Antecipado - GTA)

Em seguida, computa simultaneamente todos os bits do resultado

Unidades Lógicas Aritméticas – ULAs

(1)

Um circuito único, presente em muitos processadores, que

realiza as operações lógicas básicas (AND, OR, NOT, ...) e

operações aritméticas, de acordo com valores de linhas de

Seleção de Função.

ULAs de 1 bit podem ser agrupadas em ULAs de quantos

(8)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₂₉₂₉₂₉₂₉ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

ULAs

(2)

ENA: enable A ENB: enable B INVA: invert A

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₃₀₃₀₃₀₃₀ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Unidades Lógicas Aritméticas – ULAs

(3)

Sinais de entrada (A_0..7e B_0..7). Sinais de Controle (F₀e F₁). Sinais de

Saída (O0..1).

O sinal INC incrementa o resultado de 1 unidade

Possibilitando somas como: (A + 1) e (A + B + 1).

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₃₁₃₁₃₁₃₁ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Unidades Lógicas Aritméticas – ULAs

(4)

Parte do

datapath

(busca da próxima instrução)

palavras de 32bits, células de 1 byte

Instruction <- MEM[PC] PC <- PC + 4 RD Memory ADDR PC Instruction 4 ADD

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₃₂₃₂₃₂₃₂ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Unidades Lógicas Aritméticas – ULAs

(5)

Exemplo muito simples de um

datapath

(caminho de dados)

(9)

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₃₃₃₃₃₃₃₃ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Clocks

(1)

Um clocké um circuito que emite uma série de pulsos do mesmo

tamanho, a intervalos precisos entre pulsos consecutivos.

Período do Clock: intervalo de tempo entre duas transições

consecutivas dos pulsos do clock

Os clockssão utilizados para se estabelecer relações de tempo

necessárias na ocorrência de eventos

O período do clock pode ser dividido em sub-períodos

Se há vários eventos ocorrendo em um mesmo período de clock e eles

precisam ser ordenados

1. Transição positiva de C1

2. Transição negativa de C1

3. Transição positiva de C2

4. Transição negativa de C2

Sistemas de Programação I – 2007/2 ₃₄₃₄₃₄₃₄ Profa _{Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES}

Clocks

(2)

Sinais de clock são simétricos

O tempo Gasto no estado alto é igual ao tempo gasto no estado

baixo

Para gerar pulsos assimétricos, basta colocar como

entrada de uma porta AND

o sinal de clock

o sinal com retardo

Referências

Andrew S. Tanenbaum, Organização Estruturada de Computadores, 5ª

edição, Prentice-Hall do Brasil, 2007.

John L. Hennessy and David A. Patterson, Arquitetura de Computadores:

Uma Abordagem Quantitativa. 3ª edição. Editora Campus, 2003.

Milos Ercegovac, Tomas Lang, Jaime H. Moreno. Introdução aos Sistemas