Moduli logici. Interfacciamento di dispositivi logici. Parametri statici e dinamici. Circuiti logici combinatori Circuiti logici sequenziali

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1 Moduli logici Moduli logici Interfacciamento di dispositivi logici Circuiti logici combinatori Circuiti logici sequenziali Registri, contatori e circuiti sequenziali Esempi e misure su circuiti digitali Esempi ed esercizi Politecnico di Torino 1

2 Tempi di salita e discesa, ritardi Tipi di ingressi e di uscite Segnali digitali differenziali Famiglie logiche: definizione ed esempi riferimenti nel testo: Cap Politecnico di Torino 2

3 Parametri dinamici I segnali di ingresso hanno fronti con pendenza finita il riconoscimento del nuovo stato logico avviene con ritardo rispetto al momento in cui è iniziata la transizione 5 Parametri dinamici I segnali di ingresso hanno fronti con pendenza finita All interno del modulo analogico avvengono variazioni di tensioni e correnti: non possono essere istantanee il passaggio di un segnale logico dall ingresso all uscita avviene con ritardo Politecnico di Torino 3

4 Parametri dinamici I segnali di ingresso hanno fronti con pendenza finita All interno del modulo analogico avvengono variazioni di tensioni e correnti: non possono essere istantanee La combinazione di questi parametri determina un ritardo nella propagazione dei segnali logici entro il sistema e quindi un limite alla velocità operativa 7 Parametri dinamici dei segnali Tempi di salita (rise) e di discesa (fall) definiti tra 10% e 90% della variazione V O V H 100% 90% 10% V L 0% t f t r t Politecnico di Torino 4

5 Parametri dinamici dei moduli Ritardi e tempi di propagazione definiti con riferimento al 50% della variazione V OH -V OL ritardi effettivi da valutare dalla V O (t) e V T V I V OH V OL V O V OH V OL t PHL (V OH + V OL )/2 t PLH t t 9 Dai data sheet (CMOS) t r e t f sono indicati anche come t TLH e t THL (tempi di transizione) Viene indicato esplicitamente il verso della transizione Politecnico di Torino 5

6 Modello elettrico per l analisi dei t T Rete Thevenin (V A, R O ) per l uscita Gruppo R I C I per l ingresso uscita B ingresso V A R O V B CI R I 11 Analisi dei t T nel tempo La tensione V B è un esponenziale (modello lineare) E possibile calcolare il tempi di salita e discesa (in realtà le transizioni sono governate da fenomeni non lineari) 90% V A V OH 10% V B V OL t TLH t Politecnico di Torino 6

7 Modello per l analisi dei ritardi La variazione di stato (L -> H) viene riconosciuta quando V B attraversa V T ritardo di trasmissione t DLH uscita B ingresso V AL V OH V A V A R O V B CI R I V OL V B t DLH V T t 13 Andamento della tensione di uscita Modello lineare con cella RC la variazione di stato è vista come un gradino sul generatore interno V A (tensione a vuoto) in condizioni di massima I O (caso peggiore come durata del ritardo) si ha: Transizione H -> L V B (0) = V OH V B ( ) = V OL V B (t) =... e -t/t Politecnico di Torino 7

8 Andamento della tensione di uscita Modello lineare con cella RC la variazione di stato è vista come un gradino sul generatore interno V A (tensione a vuoto) in condizioni di massima I O (caso peggiore come durata del ritardo) si ha: Transizione L -> H V B (0) = V OL V B ( ) = V OH V B (t) =... e -t/t 15 Calcolo dei ritardi di trasmissione Ritardi nel riconoscimento della variazione di stato calcolabili dalla V(t) e dai parametri elettrici statici variabili in base a C, V T, e altri parametri nelle specifiche sono definiti come valore massimo per un determinato valore di C di carico V OH V V T1 V OL t PLH1 t PLH2 V T2 t Politecnico di Torino 8

9 Ritardi di propagazione Dentro i dispositivi logici sono presenti gruppi RC 17 Ritardi di propagazione Dentro i dispositivi logici sono presenti gruppi RC Introducono ritardi tra variazioni all ingresso e sull uscita ritardi di propagazione (t PXX ) Politecnico di Torino 9

10 Ritardi di propagazione Dentro i dispositivi logici sono presenti gruppi RC Introducono ritardi tra variazioni all ingresso e sull uscita ritardi di propagazione (t PXX ) I ritardi di propagazione dipendono da: ripidità dei fronti di ingresso fronti lenti aggiungono ulteriori ritardi R e C interni al dispositivi 19 Ritardi di propagazione Dentro i dispositivi logici sono presenti gruppi RC Introducono ritardi tra variazioni all ingresso e sull uscita ritardi di propagazione (t PXX ) I ritardi di propagazione dipendono da: ripidità dei fronti di ingresso fronti lenti aggiungono ulteriori ritardi R e C interni al dispositivi Il costruttore specifica il ritardo massimo Politecnico di Torino 10

11 Ritardi complessivi I ritardi complessivi (trasmissione+propagazione) dipendono da: ripidità dei fronti di ingresso 21 Ritardi complessivi I ritardi complessivi (trasmissione+propagazione) dipendono da: ripidità dei fronti di ingresso livelli di uscita e livello della soglia all ingresso la variazione di stato è rilevata quando V I attraversa V T V T è tra V IL e V IH ; il ritardo non è esattamente definito Politecnico di Torino 11

12 Ritardi complessivi I ritardi complessivi (trasmissione+propagazione) dipendono da: ripidità dei fronti di ingresso livelli di uscita e livello della soglia all ingresso Ro e C i (modello lineare) preferibili driver a bassa R o necessario limitare la capacità totale su ciascuna uscita 23 Fan Out Nei circuiti attuali il numero massimo di componenti che possono essere collegati a ciascuna uscita è denominato Fan Out è determinato dal carico capacitivo accettabile, non dai limiti di corrente statica Politecnico di Torino 12

14 Circuito di uscita L uscita di un circuito logico binario può essere vista come un deviatore tra V AL e massa Stato H: tensione di uscita prossima a V AL Stato L: tensione di uscita prossima a GND H L V AL GND V O circuito equivalente semplificato 27 Circuito equivalente Totem-Pole Il deviatore è realizzato con due interruttori a comando complementare Stato H SW H chiuso, SW L aperto V AL SW H SW L V O Stato L SW L chiuso, SW H aperto GND circuito equivalente semplificato per TP Politecnico di Torino 14

15 Parametri elettrici di uscita TP Già definiti nelle lezioni precedenti per una uscita logica: tensioni: V OL, V OH ; correnti: I OL, I OH 29 Collegamento tra due uscite Se le due uscite sono in stati opposti, scorre corrente tra V AL e GND Le resistenze nella maglia sono basse: la corrente può essere anche alta! V AL V O Collisione! Distruzione del dispositivo per eccessiva dissipazione GND Politecnico di Torino 15

16 Collegamento tra più uscite Perché collegare insieme più uscite logiche? per realizzare sistemi modulari in cui non è noto a priori il numero di dispositivi logici connessi (ad esempio il numero di schede collegate sul bus di un PC) M1 M2 M3 Mn 31 Come collegare più uscite Come realizzare uscite che possono essere collegate direttamente senza causare malfunzionamenti? uscite a Three-State (3S) uscite a Open Collector (OC) o Open Drain (OD) Politecnico di Torino 16

17 Circuito equivalente Three-State Aggiunge una posizione al deviatore di uscita V AL H Z L V AL GND V O SW H SW L GND V O Nella posizione Z lo stato dell uscita dipende dal circuito esterno Modello a interruttori con comandi indipendenti 33 Differenza tra Three-State e Totem-Pole L uscita TP ha un comando unico V AL V AL SW H V O SW H SW L GND V O SW L GND L uscita 3S ha due comandi indipendenti Politecnico di Torino 17

18 Altro modello per 3S Deviatore a due posizioni (come nel TP) SW L + interruttore SW E di abilitazione in serie sull uscita V AL SW E SW L V O GND OE 35 Altro modello per 3S V AL SW L SW E V O GND OE Questo modello evidenzia il comando di abilitazione dell uscita o Output Enable (OE) SW L comanda lo stato logico dell uscita (se abilitata) SW E abilita/disabilita l uscita Politecnico di Torino 18

19 Parametri elettrici di uscita 3S Abilitata: come per Totem-Pole tensioni: V OL, V OH, correnti: I OL, I OH Non abilitata (HiZ, Open) solo corrente di perdita: I OZ generalmente molto più piccola delle I O stesso ordine di grandezza delle I I 37 Esempio di uscita 3S Invertitore logico con uscita a Three-State comando di abilitazione attivo allo stato L simbolo grafico per uscita 3S In Out In L OE L Out H OE H L L - H Hi-Z Politecnico di Torino 19

20 Collegamento tra più uscite L uscita 3S permette di collegare più uscite allo stesso nodo: deve essere abilitato un solo stadio di uscita per volta (un solo segnale OE può essere attivo) In1 In2 OE1 Se si abilitano due uscite contemporaneamente si ha lo stesso problema dello stadio TP: collisione In3 OE2 OE3 39 Uso delle uscite Three-State Per usare uscite 3S occorre un modulo di controllo, che genera le abilitazioni bisogna sapere a priori quale uscita abilitare In1 In2 1 1 Esempi: lettura di memorie o registri multiplexer Non utilizzabile se non è possibile una selezione a priori In3 0 OEi Controllo abilitazioni Politecnico di Torino 20

21 Uscita Open Collector (Open Drain) Lo stadio di uscita è realizzato semplicemente con un interruttore verso una tensione di riferimento (Gnd nell esempio) Out Se l interruttore è chiuso, Out viene forzato a Gnd; se è aperto lo stadio si comporta come lo stadio Three-State in alta impedenza SW d Gnd Non si può avere collisione In Out 41 Circuito equivalente Open Collector Il deviatore di uscita può solo chiudere verso massa V AL V AL H V O SW H V O L GND Nella posizione H lo stato dell uscita dipende dal circuito esterno SW L GND Modello con singolo interruttore Politecnico di Torino 21

22 Parametri elettrici di uscita OC Stato basso: come per TP tensione: V OL, corrente: I OL Aperta (HiZ, Open): come per 3S disabilitata solo corrente di perdita I OH (molto più piccola delle I O, stesso ordine di grandezza delle I I ) 43 Resistenza di Pull-Up L uscita OC richiede una resistenza (resistenza di Pull-Up) per dare il livello alto quando l interruttore SW è aperto Rpu Val SW d1 Gnd Politecnico di Torino 22

23 Wired AND con OC Collegando in parallelo più uscite OC si possono ottenere funzioni logiche Basta che uno dei due SW sia chiuso perché la linea vada a livello basso Rpu Val SW d1 Gnd SW d2 Gnd Esempio: linee di richiesta di interruzione IRQ 45 Operazioni logiche con OC Collegando insieme più uscite OC (con resistenza di Pull-Up) è possibile realizzare AND tra variabili H il nodo comune va nello stato H solo se tutte le uscite (operatore AND) sono aperte (Stato H) WIRED AND Politecnico di Torino 23

24 Operazioni logiche con OC Collegando insieme più uscite OC (con resistenza di Pull-Up) è possibile realizzare AND tra variabili H OR tra variabili L il nodo comune va nello stato L quando anche una sola uscita (operatore OR) è chiusa verso massa (Stato L) WIRED OR 47 Operazioni logiche con OC Collegando insieme più uscite OC (con resistenza di Pull-Up) è possibile realizzare AND tra variabili H OR tra variabili L Permettono di ottenere porte logiche modulari, in cui è possibile variare il numero di ingressi Politecnico di Torino 24

25 Interruttori elettronici Un interruttore elettronico ha due stati chiuso ON modello ideale: corto circuito R on modello reale: resistenza R on I off 49 Interruttori elettronici Un interruttore elettronico ha due stati chiuso ON modello ideale: corto circuito R on modello reale: resistenza R on aperto OFF modello ideale: circuito aperto modello reale: corrente di perdita I off (segno non noto) I off Politecnico di Torino 25

26 Modello di stadio di uscita Nell uscita Totem-Pole i due interruttori hanno comando complementare H: SW H chiuso/ SW L aperto L: SW H aperto/ SW L chiuso R OH V AL SW H V O SW L R OL GND 51 Modello di stadio di uscita Nell uscita Totem-Pole i due interruttori hanno comando complementare H: SW H chiuso/ SW L aperto L: SW H aperto/ SW L chiuso R OH V AL Nell uscita Three-State i comandi sono indipendenti (Hi)Z: SW H e SW L aperti SW H SW L V O R OL GND Politecnico di Torino 26

27 Modello di stadio di uscita Nell uscita Totem-Pole i due interruttori hanno comando complementare H: SW H chiuso/ SW L aperto L: SW H aperto/ SW L chiuso Nell uscita Three-State i comandi sono indipendenti R OH V AL SW H (Hi)Z: SW H e SW L aperti SW L Nell uscita Open Collector è presente solo SW R OL L L: SW L chiuso GND V O 53 Modello completo di stadio di uscita In questo circuito equivalente sono indicate anche le correnti di perdita I offh V AL R OH SW H V O I offl SW L R OL GND Politecnico di Torino 27

28 Modello completo di stadio di uscita In questo circuito equivalente sono indicate anche le correnti di perdita Le correnti I off vengono portate in uscita solo quando tutti gli interruttori sono aperti I offh I offl V AL R OH SW H SW L Three-State: Z: SW H e SW L aperti R OL Open Collector: H: SW L aperto GND V O Politecnico di Torino 28

29 Tempi di salita e discesa, ritard Tipi di ingressi e di uscite Segnali digitali differenziali Famiglie logiche: definizione ed esempi riferimenti nel testo: Cap Segnali differenziali Alcuni dispositivi (solitamente per alta velocità) hanno stadi di uscita che forniscono oltre al segnale "dritto" anche il suo complementare In questi casi anche gli stadi di ingresso richiedono segnali complementari per poter agire al massimo della velocità LINEA DIFFERENZIALE Politecnico di Torino 29

30 Segnali differenziali La trasmissione differenziale presenta notevoli vantaggi maggiore immunità al rumore (convertito in modo comune) minore dinamica dei segnali (e quindi maggior velocità) 59 Tendenza nelle interfacce Usare tensioni di alimentazione più basse riduce la potenza riduce i disturbi permette di aumentare la velocità Politecnico di Torino 30

31 Tendenza nelle interfacce Usare tensioni di alimentazione più basse riduce la potenza riduce i disturbi permette di aumentare la velocità Usare segnali differenziali maggiore immunità al rumore escursione di tensione ridotta 61 Tendenza nelle interfacce Usare tensioni di alimentazione più basse riduce la potenza riduce i disturbi permette di aumentare la velocità Usare segnali differenziali maggiore immunità al rumore escursione di tensione ridotta Combinazione delle due tecniche: LVDS: Low Voltage Differential Signalling altri standard differenziali a bassa tensione Politecnico di Torino 31

33 Famiglie logiche Gli interruttori possono essere realizzati con componenti MOS o Bipolari I circuiti logici sono raggruppati in famiglie 65 Famiglie logiche Gli interruttori possono essere realizzati con componenti MOS o Bipolari I circuiti logici sono raggruppati in famiglie Famiglie C-MOS (esempi) alta velocita avanzata bassa tensione TTL compatibile HC AC LV HCT ACT BCT LVT Politecnico di Torino 33

34 Famiglie logiche Gli interruttori possono essere realizzati con componenti MOS o Bipolari I circuiti logici sono raggruppati in famiglie Famiglie C-MOS (esempi) Famiglie Bipolari (esempi TTL) low power Shottky fast LS F 67 Componenti della serie 74/54 Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN Politecnico di Torino 34

35 Componenti della serie 74/54 Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN 74 indica campo di temperatura standard (0-85 C, uso corrente, applicazioni ufficio ) 69 Componenti della serie 74/54 Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN 74 indica campo di temperatura standard (0-85 C, uso corrente, applicazioni ufficio ) 54 indica campo di temperatura esteso ( C, applicazioni per auto e spazio) Politecnico di Torino 35

36 Componenti della serie 74/54 Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN 74 indica campo di temperatura standard (0-85 C, uso corrente, applicazioni ufficio ) 54 indica campo di temperatura esteso ( C, applicazioni per auto e spazio) XX identifica la sottofamiglia (LS, F, C,...) 71 Componenti della serie 74/54 Sigle del tipo 74 XX NNN oppure 54 XX NNN 74 indica campo di temperatura standard (0-85 C, uso corrente, applicazioni ufficio ) 54 indica campo di temperatura esteso ( C, applicazioni per auto e spazio) XX identifica la sottofamiglia (LS, F, C,...) NNN identifica la funzione (OR, NAND, FF, ) Politecnico di Torino 36

37 Esempi di componenti serie 74 74F00 famiglia TTL fast, 4 porte NAND a 2 ingressi 54LS04 famiglia TTL-LS, 6 invertitori, campo di temperatura esteso 74ACT245 famiglia C-MOS ACT, 8 buffer bidirezionali 74F245 come sopra, famiglia fast 73 Esempio di Datasheet Analizziamo il Datasheet del componente 74HC00 datasheet del componente Vediamo alcune delle sue sezioni informazioni generali condizioni di funzionamento limite e consigliate caratteristiche DC caratteristiche AC Politecnico di Torino 37

38 Datasheet: informazioni generali 75 Datasheet: limiti e condizioni operative Politecnico di Torino 38

39 Datasheet: caratteristiche DC 77 Datasheet: caratteristiche AC Politecnico di Torino 39

40 Datasheet: forme d'onda di riferimento 79 Sommario lezione B2 Tempi di salita e discesa, ritardi Tipi di ingressi e di uscite Segnali digitali differenziali Famiglie logiche: definizione ed esempi Domande di riepilogo Politecnico di Torino 40