Tema 4 Sistemes Combinacionals

70
4 ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS 1 COMBINACIONALS 4.1 Anàlisi i disseny de circuits combinacionals 4.2 Blocs aritmètics 4.3 Blocs funcionals 4.4 Unitat aritmètica-lògica Dr. Joaquim Salvi, Dr. Arnau Oliver Escola Politècnica Superior Universitat de Girona

Transcript of Tema 4 Sistemes Combinacionals

Page 1: Tema 4   Sistemes Combinacionals

4

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

1

COMBINACIONALS4.1 Anàlisi i disseny de circuits combinacionals

4.2 Blocs aritmètics

4.3 Blocs funcionals

4.4 Unitat aritmètica-lògica

Dr. Joaquim Salvi, Dr. Arnau OliverEscola Politècnica Superior

Universitat de Girona

Page 2: Tema 4   Sistemes Combinacionals

2

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

4.1 Anàlisi i disseny de circuits combinacionals

Un circuit combinacional és aquell en el que les sortides en un instant de temps només depenen del valor de les entrades en aquell instant de temps.

𝑠 𝑡𝑖 = 𝑓(𝑥 𝑡𝑖 )

Circuit Combinacional

𝑠 𝑡𝑖𝑥 𝑡𝑖

Page 3: Tema 4   Sistemes Combinacionals

3

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

A B C F1 F2

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

Anàlisi i disseny de circuits combinacionals

A B C

F1

F2

Anàlisi

Disseny

Page 4: Tema 4   Sistemes Combinacionals

4

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Anàlisi d’un circuit combinacional

A partir d’un circuit volem analitzar el seu comportament (enginyeria inversa). Procedirem de la següent manera:

1.- Retolar les entrades i les sortides assignant una variable a cada una d’elles.

2.- Retolar les sortides de cada porta lògica assignant-hi una variable.

3.- Construir la taula de veritat a partir de les entrades fins arribar a les sortides.

4.- Obtenir la funció de cada sortida a partir de la taula de veritat

5.- Deduir el comportament del circuit.

Page 5: Tema 4   Sistemes Combinacionals

5

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Anàlisi d’un circuit combinacional

Ex: Analitzar el següent circuit combinacional:

A B C

F1

F2

Page 6: Tema 4   Sistemes Combinacionals

6

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Anàlisi d’un circuit combinacional

1.- Entrades/Sortides 2.- Sortides de les portes

A B C

F1

F2

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

Page 7: Tema 4   Sistemes Combinacionals

7

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Anàlisi d’un circuit combinacional

3.- Construir la taula de veritat

A B C T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 F1 F2

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0

0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0

0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1

1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0

1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1

1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1

1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1

Page 8: Tema 4   Sistemes Combinacionals

8

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Anàlisi d’un circuit combinacional

4.- Obtenir la funció de cada sortida 5.- Deduir el circuit

𝐹1 = 𝐴 𝐵𝐶 + 𝐴𝐵 𝐶 + 𝐴 𝐵 𝐶 + 𝐴𝐵𝐶

𝐹1 val 1 quan tenim un 1 o 3 uns, es a dir un nombre senar de 1s.

𝐹2 = 𝐴𝐵 + 𝐴𝐶 + 𝐵𝐶

𝐹2 val 1 quan tenim dos 1s.

Aleshores 𝐹1 equival al sumant i 𝐹2 al carry d’un sumador complet.

F.A.A

B

C

F1

F2

Page 9: Tema 4   Sistemes Combinacionals

9

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Disseny d’un circuit combinacional

Fan-out: nombre màxim de d’entrades que es poden connectar a una mateixa sortida sense alterar el voltatge (valor) d’aquesta sortida.

Si el disseny ens portés a superar el fan-out, hem de reduir-lo incloent portes intermitges.

Page 10: Tema 4   Sistemes Combinacionals

10

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Anàlisi d’un circuit combinacional

Temps de propagació de porta (tp): És el temps que triga una porta en actualitzar la sortida quan canvien les entrades. Aquest retard és de l’ordre de nanosegons i depèn de la tecnologia.

a

bs

a

b

s

ttp

Page 11: Tema 4   Sistemes Combinacionals

11

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Anàlisi d’un circuit combinacional

Temps de propagació de porta (tp): Aquests retards poden donar lloc a impulsos inesperats.

Per això serà tant important que els sistemes estiguin sincronitzats (tema 5) per un clock.

A

B

s

t

tp NAND

1 B

A

0C

S

C

tp OR

tp AND

Page 12: Tema 4   Sistemes Combinacionals

12

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Page 13: Tema 4   Sistemes Combinacionals

13

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

A B C F1 F2

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

Anàlisi i disseny de circuits combinacionals

A B C

F1

F2

Anàlisi

Disseny

Page 14: Tema 4   Sistemes Combinacionals

14

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Disseny d’un circuit combinacional

Mètode a seguir:

1.- Enunciat del problema

2.- Determinar les entrades i les sortides necessàries

3.- Assignar variables a les entrades i les sortides

4.- Deduir la taula de veritat de cada sortida en funció de les entrades

5.- Simplificar les funcions de les sortides a partir de teoremes o Karnough

6.- Implementar el circuit lògic

Page 15: Tema 4   Sistemes Combinacionals

15

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Disseny d’un circuit combinacional

Ex: Implementar un convertidor de codi Gray a codi BCD de 4 bits.

2.- Necessitem 4 entrades que expressen 4 bits d’un codi gray i 4 sortides que expressen 4 bits d’un codi BCD

3.- Entrades (A,B,C,D) codi Gray

4.- Sortides (W,X,Y,Z) codi BCD

Page 16: Tema 4   Sistemes Combinacionals

16

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Disseny d’un circuit combinacional:

4.- Deduir la

taula de veritat:

DEC Codi Gray A B C D W X Y Z

0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 1 0 0 0 1

2 0 0 1 1 0 0 1 0

3 0 0 1 0 0 0 1 1

4 0 1 1 0 0 1 0 0

5 0 1 1 1 0 1 0 1

6 0 1 0 1 0 1 1 0

7 0 1 0 0 0 1 1 1

8 1 1 0 0 1 0 0 0

9 1 1 0 1 1 0 0 1

10 1 1 1 1 1 0 1 0

11 1 1 1 0 1 0 1 1

12 1 0 1 0 1 1 0 0

13 1 0 1 1 1 1 0 1

14 1 0 0 1 1 1 1 0

15 1 0 0 0 1 1 1 1

GRAY BCD

Page 17: Tema 4   Sistemes Combinacionals

17

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Disseny d’un circuit combinacional:

4.- Deduir la

taula de veritat:

DEC Codi Gray A B C D W X Y Z

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1

2 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1

3 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0

4 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1

5 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0

6 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0

7 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1

8 1 1 0 0 1 0 0 0 X X X X

9 1 1 0 1 1 0 0 1 X X X X

10 1 1 1 1 1 0 1 0 X X X X

11 1 1 1 0 1 0 1 1 X X X X

12 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0

13 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1

14 1 0 0 1 1 1 1 0 X X X X

15 1 0 0 0 1 1 1 1 X X X X

GRAY BCD

Page 18: Tema 4   Sistemes Combinacionals

18

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Disseny d’un circuit combinacional:

4.- Simplificar per Karnough:

00 01 11 10

00 1 X

01 1 X

11 X X

10 X X

AB

CD00 01 11 10

00 1 X

01 1 X

11 1 X X

10 1 X X

AB

CD 𝑋 = 𝐴𝐵W = 𝐴

00 01 11 10

00 1 X

01 1 X

11 1 X X

10 1 X X

AB

CD00 01 11 10

00 1 X

01 1 1 X

11 1 X X

10 1 X X

AB

CD

𝑍 = 𝐴 𝐵 C D

𝐴𝐵 𝐶

𝐵𝐶

𝑌 = 𝐵𝐶 + 𝐴𝐵 𝐶

Page 19: Tema 4   Sistemes Combinacionals

19

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Disseny d’un circuit combinacional:

5.- Implementar el circuit lògic:

A B C D

W

X

Y

Z

Page 20: Tema 4   Sistemes Combinacionals

20

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

4.2 Blocs Aritmètics

Semi Sumador - Half-Adder

𝑆 = 𝐴𝐵 + 𝐴 𝐵 = 𝐴 𝐵𝐶 = 𝐴𝐵

A B S C

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

H.A.

A B

S

C

A B

C

S

Page 21: Tema 4   Sistemes Combinacionals

21

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador Complet - Full-Adder

𝑆 = 𝐶𝑖 𝐴𝐵 + 𝐶𝑖𝐴 𝐵 + 𝐶𝑖 𝐴 𝐵 + 𝐶𝑖𝐴𝐵 = 𝐶𝑖 𝐴 𝐵 + 𝐶𝑖 𝐴 𝐵 =𝐶𝑖 𝐴 𝐵𝐶 = 𝐴𝐵 + 𝐶𝑖𝐴 + 𝐶𝑖𝐵

Ci A B S C0

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

F.A.

A B

S

Co Ci Ci

A B

CO

S

Page 22: Tema 4   Sistemes Combinacionals

22

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador de 4 bits:

F.A.

A0 B0

S0

C1 C0=0F.A.

A1 B1

S1

F.A.

A2 B2

S2

C2F.A.

A3 B3

S3

C3

S4

Page 23: Tema 4   Sistemes Combinacionals

23

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador de 8 bits a partir de sumadors de 4 bits

F.A. de 4 bits

A0B0

S0

C0=0

A1B1

S1

A2 B2

S2

C4

A3 B3

S3S8

F.A. de 4 bits

A4B4

S4

A5B5

S5

A6 B6

S6

A7 B7

S7

Page 24: Tema 4   Sistemes Combinacionals

24

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador amb carry avançant – CLA Carry Look-Ahead Adder

Soluciona els retràs de propagació del carry.

Ex: Sumador de 2 bits amb F.A.

X=1 i Y=1 → Generem carry (Ag)

X=1 o Y=1 → Propaguem carry (Ap)

Cout = Ag + Ap·Cin

Ag0 = X0Y0 Ap0 = X0 + Y0

C1 = Ag0 + Ap0Ci

Ag1 = X1Y1 Ap1 = X1 + Y1

C2 = Ag1 + Ap1C1 =

= Ag1 + Ap1 Ag0 + Ap0Ci =

= Ag1 + Ap1Ag0 + Ap1Ap0Ci

Y0 X0

S0

C1 CiF.A.

Y1 X1

S1

F.A.

C2

Page 25: Tema 4   Sistemes Combinacionals

25

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador amb carry avançant – CLA Carry Look-Ahead Adder

Podem per tant implementar el circuit sense utilitzar els carry de sortida

Y0 X0

S0

Ci Y1 X1

S1

C2

F.A.

XY

Ci

Co

S

F.A.

XY

Ci

Co

S

Page 26: Tema 4   Sistemes Combinacionals

26

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador amb carry avançant – CLA Carry Look-Ahead Adder

74LS83A

A1

Page 27: Tema 4   Sistemes Combinacionals

27

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador/Restador de 4 bits: Utilitzarem de base un sumador de 4 bits i nombres en C’2 i un detector d’overflow.

Page 28: Tema 4   Sistemes Combinacionals

28

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Aritmètics

Sumador/Restador de 4 bits: Utilitzarem de base un sumador de 4 bits i nombres en C’2 i un detector d’overflow.

𝑂𝑣 = (𝐵3 𝐴3)(𝐵3 𝑆3)

A2A3A0A1B2 B3B0 B1 𝑆/𝑅

F.A. de 4 bits

S3

Ci

S2S1S0

Co Detectord’ overflow

Ov

Page 29: Tema 4   Sistemes Combinacionals

29

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

4.2 Blocs Funcionals

Comparador de 4 bits: Els comparadors ens permeten comparar dos nombre dient-nos si són iguals o quin dels dos es major/menor que l’altre

Comparador de 4 bits

A<B

A2A3A0A1B2B3B0B1

A=BA>B

A<BA=BA>B

Input A vs B Output

X A>B A>B

X A<B A<B

A=B A=B A=B

A<B A=B A<B

A>B A=B A>B

Page 30: Tema 4   Sistemes Combinacionals

30

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Comparador de 8 bits a partir de comparadors de 4 bits.

Page 31: Tema 4   Sistemes Combinacionals

31

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Comparador de 8 bits a partir de comparadors de 4 bits.

Comparador de 4 bits

A6 A7A4A5B6 B7B4 B5

A<BA=BA>B

Comparador de 4 bits

A<B

A2A3A0A1B2B3B0B1

A=B

A>B

Vcc

GND

A<B

A=B

A>B

A<B

A=B

A>B

A<B

A=B

A>B

Page 32: Tema 4   Sistemes Combinacionals

32

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Comparador de 4 bits

74LS85

Page 33: Tema 4   Sistemes Combinacionals

33

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Decodificador: Un decodificador té 𝑛 entrades i 2𝑛 sortides. Cada combinació d’entrades excita la única sortida que li correspon en funció del codi que decodifica.

Decodificador binari 2x4:

𝑂0 = 𝐶𝑆 𝐼1 𝐼0 𝑂1 = 𝐶𝑆 𝐼1𝐼0 𝑂2 = 𝐶𝑆𝐼1 𝐼0 𝑂3 = 𝐶𝑆𝐼1𝐼0

CS

DEC/BIN2x4I1

I0O1

O0

O3

O2

CS I1 I0 O3 O2 O1 O0

0 X X 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 1

1 0 1 0 0 1 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 1 1 0 0 0

Page 34: Tema 4   Sistemes Combinacionals

34

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Decodificador Gray 3x8:

CS I2 I1 I0 O7 O6 O5 O4 O3 O2 O1 O0

0 X X X 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0

1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0

1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0

1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0

CS

DEC/Gray3x8

I1

I0

O5

O4

O7

O6I2

O1

O0

O2

O3

Page 35: Tema 4   Sistemes Combinacionals

35

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Implementar un decodificador binari 4x16 amb decodificadors2x4:

Page 36: Tema 4   Sistemes Combinacionals

36

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Implementar un decodificador binari 4x16 amb decodificadors2x4:

DEC/BIN2x4I1

I0O1

O0

O3

O2

CS

O1

O0

O3

O2

DEC/BIN2x4I1

I0O5

O4

O7

O6

CS

O1

O0

O3

O2

DEC/BIN2x4I1

I0O9

O8

O11

O10

CS

O1

O0

O3

O2

DEC/BIN2x4I1

I0O13

O12

O15

O14

CS

O1

O0

O3

O2

DEC/BIN2x4I1

I0

CS

O1

O0

O3

O2

I1

I0

I3

I2

CS

Page 37: Tema 4   Sistemes Combinacionals

37

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Implementar un decodificador binari 3x8 amb decodificadors2x4:

Page 38: Tema 4   Sistemes Combinacionals

38

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Implementar un decodificador binari 3x8 amb decodificadors2x4:

DEC/BIN2x4I1

I0O1

O0

O3

O2

CS

O1

O0

O3

O2

DEC/BIN2x4I1

I0O5

O4

O7

O6

CS

O1

O0

O3

O2

I1

I0

I2

Page 39: Tema 4   Sistemes Combinacionals

39

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

El decodificador es pot combinar amb portes OR per a generar funcions lògiques:

𝑓 𝐴, 𝐵, 𝐶 = 𝑚(0,3,4,7)

DEC/BIN3x8

I1

I0

O5

O4

O7

O6I2

O1

O0

O2

O3

CSVcc

A

B

C

f

Page 40: Tema 4   Sistemes Combinacionals

40

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Codificador: Un codificador té 2𝑛 entrades i 𝑛 sortides. La sortida correspon al codi que codifica l’entrada activa.

Codificador binari 4x2

Problemes: A) amb aquesta implementació, només 1 entrada pot estar activa; B) No podem diferenciar entre codificar I0 o no codificar rés (Cs=0)

CS

COD/BIN2x4 A1

A0

CS I3 I2 I1 I0 A1 A0

0 X X X X 0 0

1 0 0 0 1 0 0

1 0 0 1 0 0 1

1 0 1 0 0 1 0

1 1 0 0 0 1 1

I1

I0

I3

I2

Page 41: Tema 4   Sistemes Combinacionals

41

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Codificador amb prioritat: Aquest codificador resolt els problemes del codificador anterior

Codificador binari 4x2 amb prioritat

GS: Indica si hi ha alguna entrada activa

EO: Activa quan no hi ha cap entrada activa. Pot habilitar un codificador de menor prioritat.

EI I3 I2 I1 I0 A1 A0 GS EO

0 X X X X 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 1

1 0 0 0 1 0 0 1 0

1 0 0 1 X 0 1 1 0

1 0 1 X X 1 0 1 0

1 1 X X X 1 1 1 0EI

COD/BIN2x4

A1

A0

I1

I0

I3

I2

EO

GS

Page 42: Tema 4   Sistemes Combinacionals

42

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Codificador binari 4x2 amb prioritat

I3 I2 I1 I0EI

A0

A1

GS

Eo

Page 43: Tema 4   Sistemes Combinacionals

43

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Codificador binari 8x3 amb prioritat a partir de codificadors 4x2 amb prioritat

Page 44: Tema 4   Sistemes Combinacionals

44

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Codificador binari 8x3 amb prioritat a partir de codificadors 4x2 amb prioritat

EI

COD/BIN2x4

A1

A0

I5

I4

I7

I6

EO

GS

COD/BIN2x4

A1

A0

I1

I0

I3

I2

EO

GS

I1

I0

I3

I2

EI

EI

I1

I0

I3

I2

Eo

A0

A1

GS

A2

Page 45: Tema 4   Sistemes Combinacionals

45

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Codificador binari 8x3 amb prioritat: Fixem-nos que el 74LS148 és actiu a baixa.

74LS148

Page 46: Tema 4   Sistemes Combinacionals

46

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Convertidor de codi: els convertidors són circuits compostos d’un decodificador i un codificador per a poder convertir d’un codi a un altre.

DEC/BINn x 2n

COD/GRAYn x 2n

n n2nBIN/GRAY

n x 2n

n n

Page 47: Tema 4   Sistemes Combinacionals

47

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Convertidor de codi binari a codi Gray de 3 bits

DEC/BINn x 2n

COD/GRAY2n x n A2

A1

A0

A2

A1

A0

D1D0

D3D2

D5D4

D7D6

DEC Codi Gray

CodiiBinari

0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 1

2 0 1 1 0 1 0

3 0 1 0 0 1 1

4 1 1 0 1 0 0

5 1 1 1 1 0 1

6 1 0 1 1 1 0

7 1 0 0 1 1 1

Page 48: Tema 4   Sistemes Combinacionals

48

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Convertidor de codi binari a codi Gray de 3 bits

DEC/BINn x 2n

COD/GRAY2n x n A2

A1

A0

A2

A1

A0

D1D0

D3D2

D5D4

D7D6

DEC/BIN

n x 2n

COD/BIN

2n x n

D1D0

D3D2

D5D4

D7D6

D1D0

D3D2

D5D4

D7D6 A2

A1

A0

A2

A1

A0

DEC Codi Gray

CodiiBinari

0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 1

2 0 1 1 0 1 0

3 0 1 0 0 1 1

4 1 1 0 1 0 0

5 1 1 1 1 0 1

6 1 0 1 1 1 0

7 1 0 0 1 1 1

Page 49: Tema 4   Sistemes Combinacionals

49

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Multiplexor: Un multiplexor és un commutador digital de manera que a partir de 𝑛 senyals de selecció podem seleccionar quina de les 2𝑛 entrades passa a la sortida.

Multiplexor 2x4

S1 S0

S1 S0 Z

0 0 I0

0 1 I1

1 0 I2

1 1 I3

I1

I0

I3

I2Z

Page 50: Tema 4   Sistemes Combinacionals

50

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Multiplexor 3x8 74LS151

Page 51: Tema 4   Sistemes Combinacionals

51

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Multiplexor com a generador de funcions lògiques: Associarem les variables de més pes de la funció a les senyals de selecció del multiplexor. Les entrades al multiplexor dependran de les variables que no s’hagin associat als senyals de selecció.

Ex: donada la següent funció: 𝑓 𝐴, 𝐵, 𝐶 = 𝑚(1,2,6,7)

A B C f

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 0

1 0 1 0

1 1 0 1

1 1 1 1

Page 52: Tema 4   Sistemes Combinacionals

52

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Amb un mux 3x8

A=S2 B=S1 C=S0 f Z

0 0 0 0 I0

0 0 1 1 I1

0 1 0 1 I2

0 1 1 0 I3

1 0 0 0 I4

1 0 1 0 I5

1 1 0 1 I6

1 1 1 1 I7

Z

S2 S0

I1I0

I3

I2

AB

Vcc

GNDS1

C

I5I4

I7

I6

Page 53: Tema 4   Sistemes Combinacionals

53

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Amb un mux 2x4

A=S1 B=S0 C f Z

0 0 0 0I0

0 0 1 1

0 1 0 1I1

0 1 1 0

1 0 0 0I2

1 0 1 0

1 1 0 1I3

1 1 1 1

Z

S1 S0

I1

I0

I3

I2

A

B

C

Vcc

GND

Page 54: Tema 4   Sistemes Combinacionals

54

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Amb un mux 1x2

A=S1 B C f Z

0 0 0 0

I00 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 0

I11 0 1 0

1 1 0 1

1 1 1 1

Z

S0

I0

I1

A

BC

Page 55: Tema 4   Sistemes Combinacionals

55

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Amb n mux 2x4

A B C f

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 0

1 0 1 0

1 1 0 1

1 1 1 1

Z

S1 S0

I1

I0

I3

I2

A

Vcc

GND

S1 S0

I1

I0

I3

I2

S1 S0

I1

I0

I3

I2

C

B

Page 56: Tema 4   Sistemes Combinacionals

56

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Demultiplexor: Un demultiplexor és un commutador digital de manera que a partir de 𝑛 senyals de selecció podem seleccionar quina de les 2𝑛 sortides passa a tenir el valor de l’entrada.

Demultiplexor 2x4

S1 S0 Y0 Y1 Y2 Y3

0 0 D 0 0 0

0 1 0 D 0 0

1 0 0 0 D 0

1 1 0 0 0 D

S1 S0

Y1

Y0

Y3

Y2D

Page 57: Tema 4   Sistemes Combinacionals

57

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Demultiplexor com a decodificador: Un demultiplexor amb l’entrada D = 1 equival a un decodificador binari.

Per aquest motiu no trobarem 2 circuits diferents, sinó un mateix circuit per implementar decodificadors i demultiplexors.

S1 S0

Y1

Y0

Y3

Y21

S1

S0 Y1

Y0

Y3

Y2

DEC/BIN2X4

Page 58: Tema 4   Sistemes Combinacionals

58

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Demultiplexor / Decodificador

74LS138

Page 59: Tema 4   Sistemes Combinacionals

59

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Blocs Funcionals

Demultiplexor com a generador de funcions. Ens cal afegir una porta OR per recollir les sortides que són minterns de la funció.

A B C f

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 0

1 0 1 0

1 1 0 1

1 1 1 1

Y1

Y0

Y3

Y2

S1 S0

Y1

Y0

Y3

Y2

S1 S0

1Y1

Y0

Y3

Y2

S1 S0

A

BC

f

Page 60: Tema 4   Sistemes Combinacionals

60

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

4.4 Unitat aritmètico-lògica

A partir dels blocs aritmètics i els blocs funcionals, ens demanen implementar una unitat aritmètico-lògica de 4 bits que implementi com a mínim les següents funcions:

Aritmètiques:

• Suma (A+B), Increment (A+1), Resta (A-B), Decrement (A-1)

Lògiques:

• OR (A+B), AND (A·B), XOR (A B), NOT ( 𝐴 )

Page 61: Tema 4   Sistemes Combinacionals

61

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

3 bits de Selecció (S2S1S0): 8 operacions (4 aritmètiques i 4 lògiques)

Operands A3-0 i B3-0 de 4 bits

Resultat F3-0 de 4 bits

A l’utilitzar sumadors tindrem també Cin i Cout

ALU de 4 bits

Cin

A3-0

B3-0

S2S1S0

Cout

F3-0

Page 62: Tema 4   Sistemes Combinacionals

62

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

S2 = 0 operacions aritmètiques

A+B F = A+B+0 Op1 = A; Op2 = B; Cin = 0

A+1 F = A+0s+1 Op1 = A; Op2 = 0s; Cin = 1

A-B F = A+ B+1 Op1 = A; Op2 = B; Cin = 1

A-1 F = A+1s+0 Op1 = A; Op2 =1s; Cin = 0

Page 63: Tema 4   Sistemes Combinacionals

63

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

S2 = 0 operacions aritmètiques

Si tenim en compte totes les operacions:

S1 S0

EntradaY

F = A + Y + Cin

Cin = 0 Cin = 1

0 0 0s F = A (transferència) F = A + 1 (increment)

0 1 B F = A + B (suma) F = A + B + 1

1 0 B F = A + B F = A + B + 1 (resta)

1 1 1s F= A – 1 (decrement) F = A (transferència)

Page 64: Tema 4   Sistemes Combinacionals

64

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

S2 = 0 operacions aritmètiques

Posem ara Yi en una taula de veritat funció de S1S0 i Bi

i simplifiquem per Karnough

Yi = S0Bi+S1 Bi

S1 S0 Bi Yi

0 0 0 0Yi = 0

0 0 1 0

0 1 0 0Yi = B

0 1 1 1

1 0 0 1Yi = B

1 0 1 0

1 1 0 1Yi = 1

1 1 1 1

00 01 11 10

0 0 0 1 0

1 1 0 1 1

S0Bi

S1

𝑆1 𝐵𝑖 𝑆0𝐵𝑖

Page 65: Tema 4   Sistemes Combinacionals

65

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

Implementació de F = A + Y + Cin

Full Adder4 bits

Cin

A3-0

S1S0

Cout

F3-0

X3-0 S3-0

Cout

Cin

Y3-0B3-0 Circuit

Combi-

nacional

Circuit Aritmètic

Page 66: Tema 4   Sistemes Combinacionals

66

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

Disseny del Circuit Combinacional

B0

S1 S0

Y0

B1 Y1

B2 Y2

B3 Y3

Circuit Combinacional

Page 67: Tema 4   Sistemes Combinacionals

67

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

S2 = 1 operacions lògiques

S1 S0 Operació

0 0 A · B

0 1 A + B

1 0 A B

1 1 A

Page 68: Tema 4   Sistemes Combinacionals

68

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

S2 = 1 operacions lògiques

Implementació del circuit lògic

S1 S0

I1

I0

I3

I2

Fi

Ai

Bi

Circuit Lògic

i | i = 0 .. 3

Page 69: Tema 4   Sistemes Combinacionals

69

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Unitat aritmètico-lògica

Implementem l’ALU emprant tots els circuits dissenyats

Circuit Aritmètic

Cin

A3-0

B3-0

S1S0

Cout

Circuit Lògic

A3-0

B3-0

S1S0

CinCout

F3-0

A3-0

B3-0

S1S0

F3-0

I1

I0

S0

F3-0

S2

ALU de 4 bits

Page 70: Tema 4   Sistemes Combinacionals

70

SISTEMES COMBINACIONALS

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Més informació:

Estructura i Tecnologia de Computadors, tema 4

https://www.documentauniversitaria.cat/botiga.php?a=llibre&id=809

www.unigrades.eu

Floyd, Thomas L. (2009). Digitals Fundamentals. PearsonInternational. – Capítols 5 i 6