Hardware Digital

Hardware digital
• Álgebra booleana e portas ló
lógicas
Introdução à Organização de
Computadores
Prof. Dr. Luciano José
José Senger
Aula 7
Hardware digital
• Permitem modelar o comportamento do circuito,
mas não é completa
• Para uma implementação prática, é necessário
utilizar níveis de voltagens diferentes e devem ser
considerados os atrasos dos componentes do
circuito
• Assim, a lógica booleana é uma aproximação do
que ocorre nos circuitos digitais; sua deficiência
mais importante é a incapacidade de tratar os
atrasos de propagação do sinal pelo circuito
Hardware digital
Hardware digital
• Tensões com variá
variáveis ló
lógicas
• Circuitos eletrônicos
• Para construir um circuito digital, o primeiro passo é definir um
parâmetro elétrico que sirva para representar os estados lógicos 0 e 1
• Circuitos digitais utilizam dois níveis de tensão para representar os
estados 0 e 1
• Assim, circuitos eletrônicos necessitam de uma fonte de potência para
poderem operar
• Em circuitos digitais, a fonte de potência é modelada como uma fonte
de tensão, que é equivalente a uma bateria com valor de voltagem Vdd.
• Valores comuns de Vdd são 5V e 3,3V, mas alguns circuitos são
projetados para trabalhar com valores ainda menores
• Representados através de diagramas
esquemáticos, de forma que existem símbolos
gráficos para representar cada componente
eletrônico e as ligações entre os componentes
• Como todos os circuitos utilizam uma fonte de
potência, opta-se por uma representação
simplificada:
Hardware digital
Hardware digital
• Níveis ló
lógicos
• Circuitos integrados
• Se uma fonte de potência com uma tensão de
Vdd é aplicada a um circuito, então os níveis
possíveis de tensão dentro do circuito estão na
faixa entre [0,Vdd]
• Portanto, a definição natural é
• 0 lógico: 0V
• 1 lógico: Vdd
• Por exemplo, com uma fonte de potência de 5
V:
• 0 lógico: 0V
• 1 lógico: 5V
• Na prática, não é necessário definir valores
precisos para os níveis
• Pode-se representar 0s e 1s em faixas de
valores – a convenção é que valores maiores
de tensão produzem o valor 1 lógico (lógica
positiva)
• Sistemas digitais contemporâneos são
implementados usando dispositivos chamados de
circuitos integrados (CIs)
• Externamente, composto por um invólucro plástico
ou cerâmico com peças de metal (pinos), que são
responsáveis pelas conexões elétricas
• Dual inline package: (DIP)
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• Circuitos integrados
• Níveis de integraç
integração
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• Implementaç
Implementação eletrônica de portas ló
lógicas
• Implementaç
Implementação eletrônica de portas ló
lógicas
• A integração de um circuito mede o número de portas
lógicas implementadas em um CI
• SSI (Small scale integration): têm um número reduzido de
portas, que servem para a prototipação rápida de circuitos
digitais ou para glue logic
• MSI (Medium scale integration): descrevem blocos digitais
mais complexos, como somadores; algumas centenas de
portas lógicas
• LSI (Large scale integration): até 100 mil portas; exemplos
são calculadoras e pequenos processadores
• VLSI (Very large scale integration): milhões de transistores;
microprocessadores modernos de 16 a 32 bits
• ULSI (Ultra large scale integration): bilhões de transistores!
• Nota: VLSI x ULSI confundem-se na literatura
• Eletricamente, portas lógicas têm terminais de
energia que não são normalmente mostrados
• Portas lógicas são compostas de dispositivos
eletrônicos chamados de transistores, que tem uma
propriedade fundamental que os permite controlar
Terminais de
energia
Símbolo do
transistor
Transistor usado
como inversor
Funcão de transferência
Para um inversor
um sinal elétrico forte a partir de um sinal fraco
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• Implementaç
Implementação eletrônica da ló
lógica
• Implementaç
Implementação eletrônica da ló
lógica
• Quando não existe uma voltagem positiva na base, a corrente não fluirá
de Vcc para GND. Dessa forma, para um inversor, um 0 lógico na base
irá produzir um 1 lógico no terminal no coletor
• Se uma voltagem positiva for aplicada em Vin, então a corrente fluirá de
Vcc para GND, o que impedirá que Vout produza um sinal suficiente para
a saída do inversor ser igual ao 1 lógico
• O relacionamento de entrada e saída do transistor segue uma curva não
linear.
• Desde que sempre haverá uma corrente fluindo em Vout
mesmo quando temos um 0 lógico, é necessário a utilização
de margens de segurança
• Faixas de segurança variam entre as tecnologias
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• Implementaç
Implementação eletrônica da ló
lógica
• Tempos de atraso ló
lógico
• Portas podem ser implementadas utilizando a
propriedade de chaveamento do transistor
• Porta ideal
• Situação real e tempo de chaveamento de saída
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• Tempos de atraso ló
lógico
• Tempos de atraso ló
lógico
• Tlh: tempo de subida
• Thl: tempo de descida
• Por convenção, os intervalos de tempo não são medidos
entre 0 e Vdd, mas representam a transição necessária
entre 10 e 90% dos níveis de tensão
• O valor mínimo absoluto de tempo para um porta alternar
o valor de saída
A
td
td
• Tempo de chaveamento de saída
1
A
Out
B
B
Out
td
• Tmin = Tlh+ thl
• Frequência máxima de chaveamento (Hz)
• Fmax = 1 / (Tmin)
Efeito do tempo de atraso lógico em portas
• Circuitos atuais operam na faixa de nanossegundos
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•
• Tempos de atraso ló
lógico
Tempos de atraso ló
lógico
•
Tempo de chaveamento de saída
•
•
Exemplo: Considere um inversor calculado para ter
Tlh=7,2ns e Thl=3,9ns
A máxima frequência do sinal é dada por:
•
•
•
Fmax = 1 / ((7,2 x 10^-9) + (3,9 x 10^-9))
Fmax = 90,09 MHz
Questões
1. Calcular a frequência máxima de operação de um
inversor com Tlh=8,0 ns e Thl=2,0 ns
2. Calcular o tempo de chaveamento de saída de um
inversor que trabalha com uma frequência máxima de
100 MHz e tem os valores de Tlh e Thl iguais.
• Atraso de propagação
• Apesar da borda de descida e de subida de uma forma de onda de saída de
uma porta lógica ser caracterizada pelo intervalo de tempo de Tlh e Thl, estas
medidas são incômodas de realizar em toda porta lógica
• No nível de projeto lógico, é mais simples representar um atraso único que
corresponde a média dos tempos de chaveamento
• O atraso lógico da propagação (tp) de entrada é definido com a utilização
de dois intervalos básicos:
• Tp = ½ ( pHL + pLH)
• Ou ainda: tp = max(PHL, PLH)
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•
• FanFan-in e FanFan-out
FanFan-in e fanfan-out
•
•
•
•
Se considerarmos que a quantidade de água num balde corresponde ao seu valor de
tensão, ou seja “0” = pouca água no balde e “1” = muita água, então considerando o
primeiro caso, verifica-se que uma só torneira, escoando uma taxa de água fixa, poderá
apenas encher um número limitado de baldes e por isso quantos mais baldes, pior será o
seu desempenho
Verifica-se ainda que se a torneira escoar uma quantidade fixa por segundo, então
quantos mais baldes, mais tempo (maior atraso) demorará a encher esses mesmos
baldes. A este fenômeno chama-se de fan-out
No segundo caso, temos a situação para a qual queríamos ter a quantidade mínima de
água nos baldes, se as torneiras precedentes escoarem em paralelo, então quantas mais
torneiras, mais água irá existir no balde até se poder atingir a situação de balde cheio
A este fenômeno chama-se de fan-in, que é o número máximo de torneiras que podem
escoar água do balde, mantendo o balde o mais vazio possível de modo a não atingir o
valor de comutação (valor de limiar de ativação do transistor)
• O tempo de chaveamento de uma porta lógica depende do
número de portas alimentadas pela saída
• O Fan-out de uma porta é o número de portas que pode ser
alimentado na saída e depende de como a porta é utilizada
na sequência lógica
• Também denominado de fator de acionamento de carga, o
FAN-OUT é o número máximo de entradas lógicas que uma
saída pode acionar com segurança.
• Se o valor estabelecido pelo FAN-OUT for excedido, a
tensão de nível lógico de saída não poderá ser mais
garantida.
• O fan-out ocorre devido ao consumo de energia das portas ligadas
na saída
• O valor de fan-out depende da tecnologia empregada:
• TTL: 2 a 10
• CMOS: 50 a 100
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• FanFan-in e FanFan-out
• Fan-out causa atraso de propagação
proporcionalmente ao número de portas
conectadas
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• FanFan-in e fanfan-out
• Extensão para outras portas ló
lógicas
• Fan-out
• Traçada em função do fan-out, a linha pontilhada mostra
que o atraso de propagação aumenta linearmente com o
número de fan-out (N). Isto significa que projetos que
utilizam grandes fan-outs apresentam atrasos maiores
• Toda porta digital é caracterizada por um conjunto de
atrasos de tempo intrínsecos
• O atraso depende (1) da porta e (2) da carga que ela alimenta
• Quando projeta-se circuitos lógicos na prática, devemos considerar
tanto a formação da lógica quanto o comportamento temporal do
hardware
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Hardware digital
• Lógica em seqü
seqüência
• Lógica em seqü
seqüência
• O atraso de propagação de cada porta contribui para o
atraso de um sinal lógico através de uma cascata de portas
• Td = td1 + td2 + td3 + td4
• As primeiras três portas têm fan-out de 1:
• Tdn = tp0,NOT + TpL, NOT (n=1,2,3)
• Td4 = Tp0,NOT + TL (TL é o atraso devido carga em B)
• Td = 4.tp0,NOT + 3.tpL,NOT + tL
• Td1 = tp0,NOT + 3.tpL,NOT
• Td3 = tp0,NOT + 2.tpL,NOT
• Td = 4.tp0,NOT + 6.tpL,NOT + TL
Hadware Digital
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• Lógica em sequência
• Lógica em seqü
seqüência
• Cada tipo de porta necessita de um tempo para ser
ativada, e assim, a contribuição no atraso de
propagação é diferente para cada tipo de porta
• Obtem-se o atraso total pelo
somatório dos atrasos parciais:
• Output
• Td = td1 + td2 + td3
• Td = (tp0,NOT + TpL,NOR) + (tp0,NOR +
tpL,NOT) + (tp0,NOT + tL)
• Out1
• Td,Out1 = td1 + td3
• (Tp0,NAND + TpL,NOR + tpL,NOT) +
(tp0,NOT + TL)
• Out2
• Td,Out1 = td1 + td2
• (Tp0,NAND + TpL,NOR + tpL,NOT) +
(tp0,NOR + TL)
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• Outros atrasos
• Outros atrasos
• Como os componentes (portas) necessitam ser
interligados, existem atrasos causados pelo meio
de propagação
• Linha de transmissão
• Velocidade = (3 x 10^8 m/s) / n
• N >= 1, constante que leva em conta as propriedades de
armazenamento de energia pelo cabo
• Crosstalk: energia do sinal é transmitido para um
outro fio vizinho
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Hardware digital
• Famí
Famílias ló
lógicas
• Famí
Famílias ló
lógicas
•
•
Sistemas digitais são construídos a partir de portas lógicas.
Até 1955 utilizavam-se diodos, válvulas e resistores para construção de circuitos digitais, que:
•
•
•
•
•
Com a invenção do transistor e sua disponibilização comercial tal situação modificou-se.
Portas lógicas montadas com transistores e resistores caracterizam-se por:
•
•
•
•
•
•
fisicamente grandes,
consumirem muita potência e
serem caros.
serem relativamente compactas,
consumirem pouca potência e
terem baixo custo.
A partir de 1965 diversos transistores, diodos e até resistores passaram a ser integrados numa única
pastilha de silício, denominada Circuito Integrado (CI).
A consequência direta desta evolução foi a redução das dimensões, consumo e custo das portas
lógicas.
O microprocessador Pentium 4 da Intel tem 42 milhões de transistores, usando uma arquitetura de
fabricação de 130 nanômetros: cada transistor fica distanciado dos outros por 130 milionésimos de um
milímetro.
• Portas lógicas implementadas com a mesma tecnologia são
pertencentes a mesma família
• CMOS (semicondutor complementar de metal-óxido)
• Transistores de efeito de campo, altíssimo fan-out (centenas)
• Fonte de alimentação: Vdd = 5V, podem operar de 5 a 15V, ou em faixas
menores (3,3 V)
• Níveis lógicos entre [0, Vdd]
• Atraso de propagação da ordem de 0,1 nanossegundo
• TTL (Lógica transistor-transistor)
•
•
•
•
•
Glue-logic
Fonte de alimentação de Vdd=5V
Transistores bipolares, grandes, aquecem com mais facilidade, rápidos
Níveis lógicos entre [0,3; 3,6]
Atraso de 9 ns
• ECL (lógica de acoplamento de emissor)
•
•
•
•
Hardware digital
• Leituras recomendadas
• Uyemura
• http://www.intel.com/technology/silicon
• http://www.inf.ufrgs.br/gme/education/posgraduaca
o/cmp115/
Rápida, geram muito calor, consomem bastante potência, fan-out de 25
Fonte de alimentação entre 0 e -5,2 V (lógica negativa)
Níveis lógicos com diferenças de 0,2 V (tempo de chaveamento rápido)
Atraso de propagação de 50 picossengundos