Capitolo 6. Reti asincrone. 6.1 Elaborazione asincrona. Esigenze. 6.1 Elaborazione asincrona 6.2 Memorie binarie 6.3 Analisi e Sintesi

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1 apitolo 6 Reti asincrone 6.1 Elaborazione asincrona 6.2 Memorie binarie 6.3 nalisi e Sintesi 6.1 Elaborazione asincrona Esigenze Problema - iscriminare e ricordare l ordine temporale con cui due o più segnali binari modificano il loro valore Esigenze e vincoli Sensori intelligenti Soluzione Elaborazione asincrona Memorie elettroniche Gestione delle risorse Proprietà Velocità nel prendere decisioni Pericolo di malfunzionamento e vincoli di corretto impiego

2 Reti sequenziali asincrone (comportamento) Elaborazione asincrona - Ogni nuovo ingresso determina: una condizione di stabilità dello stato interno non più di una modifica del simbolo d uscita ingresso i stato presente s s(t+ t) = s*(t) ingresso stato presente Reti sequenziali asincrone (struttura) ircuito combinatorio Rete combinatoria τ 1 τ m τ n τ r stato futuro uscita uscita u* = F(i,s) stato futuro s* = G(i,s) t Il ritardo intrinseco del circuito agisce da memoria temporanea dello stato presente durante il calcolo dello stato futuro. on k retroazioni si dispone di 2 k riassunti di storia passata. Vincoli di corretto impiego (1) L ingresso può essere modificato solo dopo che il circuito ha raggiunto la nuova stabilità Vincoli di corretto impiego (2) I segnali d ingresso devono cambiare di valore uno solo alla volta i 1, u 1 α i 2, u 1 /u 2 i 2, u 2 β i 3 Esempio di situazione d ingresso pericolosa : i 3 Il passaggio da una ad un altra condizione di stabilità è detto funzionamento in modo fondamentale La codifica dei simboli d ingresso non può essere arbitraria: configurazioni consecutive devono essere adiacenti

3 Memorie binarie Scrivi uno Memorizza Scrivi zero bit 6.2 Memorie binarie osa scrivere e quando scrivere sequenza d ingresso complessità strutturale Latch SR Latch Flip-flop edge-triggered Semplicità d uso Latch SR 1 Sintesi del latch Set-Reset comando di set comando di reset S R bit in memoria S R Latch SR: rete sequenziale asincrona che memorizza il valore di un bit. Il valore 1 del comando di set ordina la memorizzazione del valore 1. Il valore 1 del comando di reset ordina la memorizzazione del valore 0. Per S=0, R=0, lo stato ricorda l ultimo comando ricevuto. 2 S = 0, R = 0 S = 0, R = 0 S = 0, R = 1 S = 1, R = 0 =0 S = 1, R = 0 S = 0, R = 1 =1 tempo SR

4 3 Tabella di flusso ed equazioni caratteristiche S,R q q SR S R 4 Schemi logici R S = S + R. q = R. (S + q) La configurazione d ingresso S=1, R=1 è vietata q variabile di stato presente variabile di stato futuro q = S + R. q SR = R. (S + q) S R = S (q R ) τ w >2τ p S R = R (S q) nalisi del latch SR a NN Uscite complementari S S R X q 3 S R 0 0,1 0,1 1,1 1,1 1 1,0 0,1 1,1 1,0, X 1 2 q X R = S (q R ) X = R q = (S. (q. R ) ) X = R + q = S + q.r

5 Una memoria binaria più utile Latch - Memoria binaria in cui il valore 1 di un segnale individua quando scrivere, il valore contemporaneo di un segnale cosa scrivere. Latch q Equazioni caratteristiche =. +.q = ( + q).( + ) S =. al latch SR al latch SR R =. S R memorizzazione campionamento S R ampionamento e Memorizzazione quando dal ontroller cosa dal ata Path il latch Segnale del ata Path con valori significativi solo in certi intervalli Es: segnale con glitch segnale di campionamento attivo alto segnale ricostruito dal latch al ata Path

6 Problemi del latch lea statica urata del transitorio Uscite trasparenti lea statica lea statica nel latch Il latch a NN ed a NOR q Realizzazione con latch SR = S + R.q =. + (. ).q =. +.q +.q Realizzazione a NN =. + ( + ).q = ( ) (( ) q) S Realizzazione a NOR = ( + ).((.) +q) = ( ) (( ) q) S Equazioni caratteristiche ridondanti =. +.q +.q =. + ( + ).q = ( + q).( + ).( +q) = ( + ).((.) +q) R R

7 q Una quarta soluzione =. +.q Il transitorio Multiplexer Ritardo N.. - Il ritardo inerziale dei due NOT elimina l eventuale glitch generato dall alea statica del MUX. omportamento in transitorio I tempi di set-up, di hold e di risposta Larghezza dell impulso di campionamento - Il campionamento di un livello di deve durare un tempo non inferiore al tempo di set-up del latch SR. S omando di campionamento durata minima R it in ingresso set-up hold it in memoria tempo max di risposta

8 L uscita trasparente omando di campionam. Uscite trasparenti it in ingresso it in memoria set-up tempo di risposta N.. - Se la situazione =1 dura più del set-up e se durante questo intervallo modifica il suo valore, allora le stesse modifiche si riscontrano anche su. q Il grafo degli stati del flip-flop,, 0 Α, -, 1 Flip-flop edge-triggered, 0, 0, 0 0-, 0 0-, 1, 1, 1, 1 Β, -, 0, 1 La codifica di più di 2 stati non può essere fatta arbitrariamente! livello circuitale esiste infatti il pericolo della corsa critica!!

9 Vincoli sulla codifica degli stati odifica degli stati interni - Le configurazioni associate a stati interni consecutivi devono differire per il valore di un solo bit. Esempio di situazione pericolosa : - orse critiche orse e orse critiche Segnali in retroazione per cui è stata prevista una modifica contemporanea di valore si trovano in una situazione di corsa: nel circuito i cambiamenti si verificheranno infatti a istanti diversi e con un ordine dettato dai ritardi interni. Una corsa è critica se si possono raggiungere stabilità diverse. corsa non critica I1 I2 I3 corsa critica Α Un flip-flop privo di corse critiche Β Β Grafo delle adiacenze y1 y Mappa di codifica

10 Transizioni multiple (1) Transizioni multiple (2) Α Α Α Α I1 I2 I3 I1 I2 I3 - Transizioni multiple (3) RISSUNTO 1- Si adotta il n minimo di variabili di stato 2- Se esiste una codifica che garantisca l adiacenza di ogni coppia stato presente/stato futuro, allora FINE 3- Si controlla la colonna in cui è specificata la transizione tra due stati che non si riesce a rendere adiacenti: se esiste un altro stato che deve andare nello stato desiderato e se si può renderlo adiacente agli stati della coppia, lo si adopera come stato di transizione e poi FINE 4- Se nella colonna esiste uno stato con stato futuro indifferente e se si può renderlo adiacente agli stati della coppia, lo si adopera come stato di transizione e poi FINE 5- Si incrementa di uno il n di variabili di stato e si torna a 4 Il flip-flop (elllabs, anni 60): codifica ridondante e transizioni multiple, 0,, 0 Α, 0, 0 Β 0-, 0, 0, - 3 bit di stato E F, -, 1 0-, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1 (segue)

11 La tabella delle transizioni stato 0 ---,- ---,- ---,- ---,- E = 1 ---,- ---,- 1,- ---,- = 0 0,0 0,0 1,0 0,0 = 0 0,0 0,0 0,0 0, ,- ---,- ---,- ---,- = 1 1,1 1,1 1,1 1,1 = 1 1,1 1,1 1,1 0,1 F = 0 ---,- ---,- ---,- 0,- y 1 y 2 y 3 Y 1 Y 2 Y 3, Realizzazione a NN (segue) Sintesi a NN (1) Sintesi a NN (2) y 1 y 2 y = y 1 y 1 y 2 y Y 1 Y 1 = y 2 + y 3.y 1 Y 1 = y 2 (y 3 y 1 ) y 2 y 1 = y 3

12 Sintesi a NN (3) Sintesi a NN (4) y 1 y 2 y Y 2 Y 2 = +.y 2 + y 2.y 3 = + y 2.( +y 3 ) Y 2 = (y 2 ( y 3 ) ( y 3 ) y 2 y 1 y 2 y Y 3 Y 3 = +.y 3 + y 2 Y 3 = y 2 ( y 3 ) y 2 y 3 ( y 3 ) Il flip-flop edge triggered I tempi di set-up, di hold e di risposta ( y 3 ) y 2 y 2 y 1 = Fronte del clock y 2 y 3 y 3 Segnale set-up hold ( y 3 ) Segnale risposta

13 Il flip-flop di tipo della famiglia TTL: comandi sincroni e asincroni ( 74) 6.3 nalisi e Sintesi = 1 quando PRE = 1 = 0 quando LR = 1 Il procedimento di analisi Il procedimento di analisi di una rete sequenziale asincrona è formato da 5 passi e consente di dedurne il comportamento dallo schema logico: nalisi 1: individuazione delle variabili di stato, 2: analisi della parte combinatoria, 3: individuazione della tabella delle transizioni, 4: studio delle condizioni di stabilità, 5: individuazione della tabella di flusso e del grafo degli stati.

14 x1 x2 Una PL con due retroazioni (1&2) Y1 = x2 y2+x1y2+x1 x2y1 Y2 = x2 y2+x1y2+x1 x2y1 z = y1 Una PL con due retroazioni (3) Y 1 = x 2 y 2 +x 1 y 2 +x 1 x 2 y 1 Y 2 = x 2 y 2 +x 1 y 2 +x 1 x 2 y 1 z = y 1 y2 = Y2 y1= Y1 z 2 x 1 x 2 y 1 y Y 1 y y 2 x 1 x Y 2 Una PL con due retroazioni (4&5) x1x2 y1y2,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1 x1x2 y1y2,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1 0 z cambia valore ad ogni ingresso preceduto da Una rete asincrona con 2 retroazioni. x1 x2 y1 y2 Y1 z Y2 Y1 = (x1 y2) (x1 y1) (x2 y1) = x1.y2 + x1.y1+ x2.y1 Y2 = (x2 y1 ) (x1 y1 y2) = x2.y1 + x1.y1.y2 z = x1.x2.y1.y2 Modello di Mealy Modello di Moore

15 Y1 = x1.y2 + x1.y1+ x2.y1 Y2 = x2.y1 + x1.y1.y2 z = x1.x2.y1.y2 y 1 y 2 y 1 y 2 y 1 y Y1 Y2 z. e tre soli stati interni x1 x2 : 0,0 :,1 : 0 x1x2 y1y2 =,0,0,0,0 =,0,1,0,0 =,0,0,0,0 =,0,0,0,0,0 :,1 x1x2 y1y2,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 Y1Y2,z : 0,0,0,0,0,0,0 : : 0,0,0 Un circuito con troppe retroazioni x1x2 y1y2,,,,,,,,,,,,,,,, x1x2 y1y2,,,,,,,,,,,,,,,0, Lo stato non è mai stabile e può essere eliminato. Nell incrocio, si indica x1x2 y1y2 =a a, a, a, a,,,, Le righe e sono identiche e possono essere sostituite da una sola riga Sintesi

16 Il procedimento di sintesi Il procedimento di sintesi di una rete sequenziale asincrona è formato da 5 passi e consente di dedurne lo schema logico dal comportamento: 1: individuazione del grafo degli stati, 2: definizione della tabella di flusso, 3: codifica degli stati e definizione della tabella delle transizioni, 4: sintesi della parte combinatoria, 5: schema logico. Esempio di sintesi omportamento: z cambia valore ad ogni fronte di salita di x 1 - Lampada da tavolo x z 2 - ivisore x2 della frequenza di un segnale periodico K T 0 2T 0 x, z 0,1 α Esempio (1: grafo degli stati) 1,- 1,0 β 0,0 0,0 1,- γ 0,1 Stabilità - Ogni stato è stabile per l ingresso che lo genera. Indifferenza sull uscita - La modifica di uscita può avvenire già durante la transizione oppure, indifferentemente, essere rinviata al raggiungimento della stabilità. 1,1 δ Esempio (2: tabella di flusso) x stato 0 1 α α,1 β,- β γ,0 β,0 γ γ,0 δ,- δ α,1 δ,1 ONTROLLI FORMLI 1. In ogni riga ci deve essere almeno una condizione di stabilità. 2. In ogni colonna si deve raggiungere sempre una stabilità. 3. Le situazioni di instabilità devono indicare uno stato futuro stabile nella colonna (assenza di transizioni multiple).

17 Esempio (3: tabella delle transizioni) y 1 0 y 2 0 α odifica degli stati - stati consecutivi (stato presente e futuro) si devono assegnare configurazioni adiacenti. 1 β 1 δ γ Grafo delle adiacenze e mappa di codifica x y 1,y α:,1,- β:,0,0 γ:,0,- δ:,1,1 Y 1, Y 2, z x y 1y Esempio (4: espressioni) Ipotesi: si desiderano reti minime di tipo SP x y 1y x y 1y Y 1 = x.y 2 + x.y 1 + y 2.y 1 Y 2 = x.y 2 + x.y 1 + y 2.y 1 z = y operture ridondanti - Per eliminare a priori il pericolo di alea statica (qui causato dal probabile sfasamento tra x e x ) ogni coppia di 1 adiacenti deve essere racchiusa in almeno un RR ; se occorre un RR in più, si deve dargli dimensione massima. Esempio (5: schema con retroazioni dirette) x x.y 1 y 2.y 1 Y 1 = x.y 2 + x.y 1 + y 2.y 1 Y 2 = x.y 2 + x.y 1 + y 2.y 1 z = y 2 Y 1 Esempio (5: schema con latch SR) Y 1 = x.y 2 + x.y 1 + y 2.y 1 = (x.y 2 )+ (x+ y 2 ).y 1 = (x.y 2 )+ (x. y 2 ).y 1 = S 1 + R 1.y 1 x S R y 1 y 1 x.y 2 x.y 1 y 2.y 1 Fan-out >1 Y 2 z Y 2 = x.y 2 + x.y 1 + y 2.y 1 = x.y 1 + (x +y 1 ). y 2 = x.y 1 + (x.y 1 ). y 2 = S 2 + R 2. y 2 z = y 2 S R y 2 y 2

18 x Esempio (5: schema con latch ) x x Esempio (5: schema con flip-flop) S R y 1 y 1 x z S R y 2 y 2 z z Grafo primitivo Grafo degli stati primitivo Grafo in cui ogni stato è stabile per una ed una sola configurazione d ingresso. Grafi primitivi e non primitivi Per individuare le esigenze di stati interni poste dalla specifica di comportamento è spesso utile iniziare il progetto con un grafo primitivo. i norma il grafo primitivo non ha il minimo numero possibile di stati interni Nota la tabella di flusso primitiva (una sola stabilità per riga), è abbastanza agevole individuare l automa minimo

19 Riconoscitore della sequenza -- grafo primitivo IPOTESI I segnali d ingresso cambiano di valore uno solo alla volta xy, z,0,0,0,0,-,1 Riconoscitore della sequenza -- grafo non primitivo xy, z,0,0,0,0,1,0,0,0 E F,0,0 EF,-,-,0,0,-,- ttesa di,0,0,0,0,0,0,0,0 Tabelle di flusso Esercitazione N.12 E F,0,0,0,0,0,0 F,0 F,0,- -,- -,-,1 E,0 E,0 E,0,0,- F,- -,- -,- -,- -,-,0,0,- S,0,0,0,0,-,- S,- S,0 Tabella primitiva Tabella ridotta Tabella minima ue o più righe di una tabella di flusso possono essere compresse in un unica riga se, per ogni ingresso, presentano simboli di stato futuro e di uscita identici a meno di condizioni d indifferenza I S I,0,0,0 S,0 S,- S,- -,-,1 S,0 S,0 -,- S,- F,-,1,0 S,0 S,0,0 S,0 -,-,- -,- S,0 Una RS ha due ingressi x,y ed una uscita z. Gli ingressi non cambiano mai di valore contemporaneamente e non presentano mai entrambi il valore 1. L'uscita può cambiare di valore solo in corrispondenza dei fronti di salita di x. Il valore che z deve assumere e poi mantenere costante fino al fronte successivo è 0 se nel precedente intervallo x=0 y non ha modificato il suo valore, 1 nel caso opposto. OMN N.1 - forme d'onda OMN N.2 grafo primitivo OMN N.3 tabella di flusso OMN N.4 codifica degli stati OMN N.5 espressioni delle variabili di stato futuro

20 Esercitazione N.13 Una rete sequenziale asincrona è caratterizzata da due segnali di ingresso X 1, X 2 (i quali non cambiano mai contemporaneamente) e da un segnale di uscita Z. uando il segnale X 1 è disattivo (livello logico 0), Z deve assumere il valore 0. uando il segnale X 1 è attivo (livello logico 1), Z deve assumere l ultimo valore presentato dal segnale X 2 nel precedente intervallo di attivazione di X 1. (v. esempi di forme d onda) OMN N.1 - grafo primitivo OMN N.2 codifica degli stati e tabella delle transizioni OMN N.3 espressione di una variabile di stato futuro Esercitazione N.14 L autoscuola GRTT&PERI, per addestrare meglio i suoi allievi, vi chiede di realizzare un simulatore dotato di due ingressi f, c e di una uscita z: f è il pedale della frizione (1 premuto, 0 rilasciato), c èla leva del cambio (1 marcia inserita, 0 folle), z è il comando di un segnalatore acustico (1 rumore di orrenda grattata, 0 nessun suono). L allievo può modificare un solo ingresso alla volta. Il rumore della grattata deve essere generato quando si inserisce una marcia con la frizione non premuta e fino a quando non venga dapprima disinserita la marcia con frizione premuta e poi rilasciata la frizione; quando si disinserisce una marcia con la frizione non premuta e fino a quando non venga dapprima inserita la marcia con frizione premuta e poi rilasciata la frizione. OMN N.1 - forme d'onda OMN N.2 grafo degli stati OMN N.3 tabella di flusso e delle transizioni OMN N.4 espressione di una variabile di stato futuro