SISTEMI ELETTRONICI. SisElnE1 03/03/ DDC/MZ 1. Ingegneria dell Informazione. Obiettivi del gruppo di lezioni E

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1 ngegneria dell nformazione Obiettivi del gruppo di lezioni E Modulo TEM ELETTRON E - RT LOG E1 - ircuiti logici combinatori - porte logiche elementari - modelli R-W e W-W -consumo ircuiti combinatori» ircuiti combinatori con struttura resistenza-interruttore» ircuiti combinatori con struttura interruttore-interruttore» erivazione di semplici funzioni logiche» Ritardi e consumo ircuiti sequenziali» Esempi di flip-flop e registri» omportamento dinamico dei flip-flop» Esempi di circuiti sequenziali: registri, contatori, shift» Macchine a stati finiti (FM) Laboratorio su circuiti sequenziali Esercizi su circuiti logici 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ ontenuti di questa lezione (E1) ircuiti combinatori e sequenziali truttura delle porte logiche inverter e strutture N e OR tipo R/W e W/W (MO) funzioni logiche complesse Pass gates onsumo onsumo statico e dinamico strutture R/W e MO Prodotto ritardo-consumo Riferimenti al testo (Jaeger) 15.6, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, ircuiti combinatori uscita a t1 funzione solo dello stato degli ingressi i a t1 (t1) = F(i1) solo ritardi di propagazione ircuiti sequenziali stato di uscita a t1 funzione di» stato ingressi i a t1» stato interno i a t0 (intervallo di clock precedente)» (t1) = G(i1, i0) richiedono elementi di memoria: flip-flop 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ imboli per equazioni e schemi Richiami su inverter tipo R/W Operatore NOT (inversione logica)» barra sopra la variabile (esempio: )» asterisco * dopo la variabile (esempio: *)» lettera n dopo la variabile (esempio: n) Operatore N» simbolo (esempio )» nessun simbolo (esempio ) Operatore OR» simbolo + (esempio + ) Operatore XOR» simbolo (esempio ) truttura: nterruttore (witch) MO n» chiuso per = 1, aperto per = 0 nterruttore verso massa R P verso l alimentazione Funzione logica va a 0 quando Wn è chiuso nvertitore: = * R P G V R P MOn Wn GN V 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 1

2 trutture NN tipo R/W trutture NOR tipo R/W truttura Resistenza di pull-up R P verso l alimentazione Più interruttori tipo n in serie verso massa» l uscita va a 0 solo se tutti gli interruttori W sono chiusi Tutti gli ingressi devono essere a 1 R P Funzione logica» W W 2 NN: = (1 2 )* GN truttura Resistenza di pull-up R P verso l alimentazione Più interruttori n in parallelo verso massa» l uscita va a 0 se almeno uno degli interruttori W è chiuso no (o più) degli ingressi deve essere a 1 Funzione logica» NOR: = ( )* 1 W 1 2 W 2 GN 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ truttura NOR a MO nalisi di R-W complessi Gli interruttori sono realizzati con transistori MO omando = H: MO chiuso omando = L: MO aperto a schema con W a schema con MO Funzioni logiche base collegamento parallelo: OR collegamento serie: N Quale condizione per OT = 0? chiuso = 1 oppure chiusi ( + ) OT* = ( + ) OT = ( ( + ))* Trasformazione con emorgan OT 1 2 GN 1 2 GN OT = * + ( * * ) 1 = H = chiuso W 1 W 2 MO 1 MO 2 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ intesi di R-W complessi intesi di R-W complessi Realizzare la funzione logica OT = ( * * ) + * + * OT Realizzare la funzione logica OT = ( * * ) + * + * crivere l equazione con variabile OT negata: OT OT* = ( + ) H = chiuso H = chiuso 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 2

3 intesi di R-W complessi Esercizio 1 Realizzare la funzione logica OT = ( * * ) + * + * crivere l equazione con variabile OT negata: OT* = ( + ) OT Tracciare schema a interruttori con : OR (+) collegamento parallelo N ( ) collegamento serie H = chiuso efinire una funzione di tre variabili e realizzarla con rete R/W Procedimento scrivere l equazione con variabile OT negata: OT* =,, tracciare schema a interruttori con :»OR (+) collegamento parallelo» N ( ) collegamento serie Le reti a un livello hanno uscite negate 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ nverter tipo W/W trutture a MO complementari truttura ombinazione degli W tipo n (lato GN) e tipo p (lato Val)» scita a 1 quando = 0 (Wp chiuso, Wn aperto)» scita a 0 quando = 1 (Wn aperto, Wp chiuso) truttura complementare simmetrica: MO due MO operano come un unico deviatore che commuta l uscita tra massa e alimentazione Nessuna resistenza di pull-up o pull-down omportamento simmetrico negli stati H e L GN GN Wp Wn GN Wp Wn GN GN 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ trutture NN tipo MO truttura NN tipo MO - b truttura di partenza R/W Più interruttori tipo n in serie verso massa» l uscita va a 0 solo se tutti gli interruttori n sono chiusi» tutti gli ingressi devono essere a 1 truttura a MO complementari: MO Più interruttori p in parallelo verso l alimentazione» l uscita va a 1 se almeno un interruttore p è chiuso» almeno un ingresso deve essere a 0 ircuito NN MO (W/W complementare) usa i due tipi di interruttore non richiede pull-up o pull-down circuiti MO (omplementary Metal Oxide emiconductor) nterruttori tipo n in serie verso GN l uscita va a 0 solo se tutti gli interruttori Wn sono chiusi» Entrambi gli ingressi a 1 nterruttori tipo p in // verso L uscita va a 1 se almeno uno degli W p è chiuso» lmeno un ingresso a 0 Funzione logica NN W P1 W P2 W N1 W N2 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 3

4 onfronto tra R/W e MO trutture NOR tipo W/W tessa funzione (NN a due ingressi) R/W: 2 x Wn + Rpu MO: 2 x Wn + 2 x Wp R P 1 2 W 1 W W P1 W P2 W N1 W N2 R/W: interruttori tipo n in parallelo verso massa» l uscita va a 0 solo se almeno un interruttore n è chiuso» almeno un ingresso deve essere a 1 R/W complementare: interruttori p in serie verso l alimentazione» l uscita va a 1 se tutti gli interruttori p sono chiusi» tutti gli ingressi devono essere a 0 Funzione: NOR ircuito NOR W/W complementare usa i due tipi di interruttore non richiede pull-up o pull-down 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ trutture NOR MO Funzioni logiche complesse Rete di interruttori in parallelo verso Gnd e rete di interruttori in serie verso Val funzione logica NOR N1 N2 Nn N1 N2 Nn OT = (N1 + N Nn)* Val Gnd OT ombinazione serie/parallelo di MO/interruttori n e p onfigurazioni complementari verso GN e verso Funzione NN/NOR a un livello parte NN»Wnin serie verso massa parte NOR»Wn parallelo verso massa struttura complementare con Wp verso alimentazione»wnserie Wp parallelo» Wn parallelo Wp serie 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ Realizzare la funzione logica OT = * + (* *) Esempio: MO complessi Val Procedimento: Gnd - realizzare come R-W - equazione con variabili OT negate - strutture NN/NOR serie/parallelo - tracciare la parte complementare - aggiungere eventuali ulteriori inversioni OT Funzioni logiche a due livelli Le strutture a un livello sono invertenti Gli operatori N e OR richiedono due livelli N = NN + NV OR = NOR + NV ue livelli NN-NN N-OR somma di prodotti (logici) ue livelli NOR-NOR OR-N prodotto di somme (logiche) on due livelli si realizza qualunque funzione logica Occorrono variabili di ingresso diritte e negate 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 4

5 Esercizio 2: funzioni complesse Esercizio 3: sintesi di reti logiche nalizzare la funzione svolta dal circuito Tracciare la rete a MO complementari che realizza la funzione = (* x ) + 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ Pass Gate - struttura Multiplexer con Pass Gate e porte Funzioni logiche realizzate con interruttori in serie al segnale Multiplexer (2 ingressi) Wn chiude con 1, Wp chiude con 0 Wp» 0 1 = * + Wn e = * OR esclusivo (XOR) con pass gate con porte standard confrontare il numero di interruttori richiesti (transistori MO) = x + x * 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ XOR con pass Gate e porte vantaggi dei pass-gate con pass gate con porte standard confrontare il numero di interruttori richiesti (transistori MO) Trasformare con porte invertenti = xor nterruttori realizzati con MO p e n in parallelo Maggiore linearità della R ON Numero effettivo di transistori doppio l pass gate NON RGENER i livelli logici Riduzione del margine di rumore sabili su un singolo livello ntercalare porte standard per rigenerare i livelli tili per alcune funzioni logiche (esempi precedenti) 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 5

6 ommario porte base (invertenti) ommario porte base (noninv.) nverter uffer NOR OR NN N EXNOR EXOR 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ Riferimenti e simulatori ontenuti di questa lezione (E1) imulatori di porte -MO su sito niv. mburgo: tech- imulatore di uscita a tre stati: (pag 128) imulatori di porte -MO: (pag 159) a questo indirizzo sono disponibili varie descrizioni di circuiti logici nella sezione circuiti logici (barra superiore) truttura delle porte logiche inverter e strutture N e OR tipo R/W e W/W (MO) funzioni logiche complesse Pass gates onsumo onsumo statico e dinamico strutture R/W e MO Prodotto potenza x ritardo Riferimenti al testo (Jaeger) 15.6, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, /03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ Potenza consumata Perchè preoccuparsi della potenza l funzionamento di qualunque modulo richiede energia; di questa na parte è usata per il funzionamento interno del modulo na parte viene usata per i segnali esterni na parte viene trasformata in calore L energia necessaria viene fornita attraverso la tensione di alimentazione (Val) l alimentazione avviene per lo più a tensione costante (5 V, 3,3 V, 2,5 V, ) l indicatore del consumo è la corrente assorbita dall alimentazione Forti correnti: conduttori grossi (ingombro, peso) disturbi elettromagnetici limentatore più potente pparati fissi: peso, ingombro, costo pparati portatili: minor autonomia delle batterie Maggior calore da disperdere limite alla densità di integrazione sistemi di packaging e di raffreddamento particolari onsiderazioni energetico-ecologiche 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 6

7 Potenza statica: P Potenza dinamica: P Potenza assorbita in assenza di commutazione ssorbimento circa costante Varia con la temperatura e la Val Modellabile come una corrente continua (dc) tra Val e GN Potenza assorbita dall alimentazione per eseguire una commutazione (H L o L H) orrente L che carica (e scarica) la capacità in uscita ircola solo in corrispondenza delle commutazioni N dc MOLO GTLE GN OT GN N MOLO GTLE GN L OT GN L H H L 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ alcolo della potenza dinamica onsumo statico e dinamico arica in un condensatore: Q = *V orrente = carica spostata in 1 e il condensatore viene caricato e scaricato F volte al secondo scorre una corrente F*Q = F**V Potenza P = V* cambiare la tensione V su un condensatore F volte al secondo richiede una potenza Val P = V* = F*V*V* L Out P = F V 2 n (indipendente dalla tecnologia) Gnd Gnd La Potenza statica P dipende dalla tecnologia del dispositivo e dai carichi resistivi strutture a bassa dissipazione (Low Power): consumo praticamente nullo in assenza di commutazione La Potenza dinamica P dipende dalla tecnologia, e soprattutto dal carico capacitivo ispositivi integrati a bassa potenza prevale la potenza statica ispositivi integrati ad alta velocità prevale la potenza dinamica 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ ome ridurre la potenza? Prodotto potenza*ritardo Potenza: P = F V 2 Ridurre la frequenza di commutazione F operazioni più lente, richiedono più tempo» inutile in termini di energia totale usare algoritmi che richiedono minor numero di commutazioni (operazioni logiche elementari) Ridurre la capacità miglioramenti della tecnologia (dispositivi più piccoli) Ridurre l escursione di tensione V H V L dipendenza quadratica, effetto marcato ridurre V, ma mantenere i margini di rumore (logiche LV) ircuito logico ideale: Potenza dissipata nulla: P = 0 Ritardo nullo: T P = 0 ircuiti logico reale: potenza e ritardo quanto più bassi possibile P e T P dipendono dalle capacità parassite e dalle correnti di carica/scarica delle capacità è legato alla tecnologia, è scelto dal progettista» orrenti elevate: alta velocità e forte dissipazione» orrenti deboli: bassa velocità e bassa dissipazione 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 7

8 Prodotto P x T P e tecnologia Grafico prodotto potenza*ritardo Per una data tecnologia il prodotto P * T P (di una singola porta) è costante» perbole nel diagramma P, T P l reale fattore di merito della tecnologia è il prodotto potenza*ritardo (P * T P ) Migliorando la tecnologia si riduce si riduce V (senza intaccare il margine di rumore) T P ircuiti lenti (alto T P ) ircuiti veloci (basso T P ) perboli a prodotto T P * P costante Miglioramento della tecnologia minore dissipazione minore ritardo ircuiti a basso consumo (bassa P ) ircuiti a forte consumo (alta P ) P 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ onsumo nelle strutture R/W onsumo nelle strutture MO onsumo statico (senza carico) tato H: W aperto, corrente nulla, consumo = 0» corrente di perdita trascurabile tato L: corrente = /R P, consumo P = 2 /R P uty cycle 50%» consuma per il 50% del tempo» consumo statico medio P = 2 /2R P uty cycle (tra 0 e 1)» consumo statico medio P = 2 /R P onsumo totale P T = P + P ondizioni statiche, senza carico tato H: corrente nulla, consumo = 0 tato L: corrente nulla, consumo = 0» in realtà scorrono le correnti di perdita ondizioni dinamiche: P = F 2 n prima approssimazione solo consumo dinamico il consumo dinamico viene ridotto in sede di progetto» riduzione di frequenza o blocco del clock, nei circuiti più recenti e complessi diventa significativo il consumo statico 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ Relazione frequenza-consumo Trend per il consumo onsumo dinamico, proporzionale alla frequenza consumo onsumo complessivo 0 onsumo statico, indipendente dalla frequenza frequenza 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 8

9 onsumi: esempi ommario alcolare il consumo di una struttura R/W con: limentazione 3,3 V 70 uscite con R P = 2 k 130 ingressi con = 8 pf Frequenza di commutazione media Fm = 2 MHz, duty cycle medio 50% osa cambia portando Fm a 20 MHz? alcolare il consumo di una struttura W/W con: stessi parametri stessi parametri, tranne Fm = 50 MHz stessi parametri + off = 10 n (per ogni dispositivo) truttura delle porte logiche inverter e strutture N e OR tipo R/W e W/W funzioni logiche complesse Ritardi modello generale differenze tra le strutture R/W e W/W onsumo modello per strutture R/W modello per strutture W/W consumo statico e dinamico 03/03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ Lezione E1: domande riassuntive Prossima lezione Quanti interruttori (o transistori MO) occorrono per un NN a 3 ingressi con tecnica R/W? Quanti MO per un OR MO a 4 ingressi? n inverter R/W con R P = R OL può funzionare? Tracciare lo schema a interruttori che realizza la funzione = *(+*) a cosa dipende la potenza dissipata in un circuito logico? u quali elementi si può intervenire per ridurre il consumo dinamico di un circuito logico? Quanto varia la Potenza dinamica dissipata in una logica MO dimezzando la tensione di alimentazione? Elemento base di memoria Vari tipi di flip-flop pecifiche di temporizzazione Registri paralleli e a scorrimento ontatori asincroni Riferimenti al testo (Jaeger) 17.2, /03/ iselne /MZ 03/03/ iselne /MZ 2008 /MZ 9