Fondamenti di Informatica B Lezione n.5 n.5 ircuiti ombinatori e equenziali ircuiti Ben Formati Introduzione ai ircuiti equenziali Elementi di Memoria Fondamenti di Informatica B Lezione n.5 In questa lezione verranno considerate le differenze tra circuiti combinatori e circuiti sequenziali e introdotti i primi elementi sui circuiti sequenziali Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali I circuiti logici possono appartenere a due categorie: ircuiti ombinatori: Le uscite sono solo funzione del valore assunto nello stesso istante dagli ingressi Le variabili di uscita non dipendono solo dagli ingressi ma anche dalla storia precedente del circuito I circuiti sequenziali devono disporre di elementi in grado di mantenere memoria dello stato del sistema tato: riassunto finito della storia passata Fondamenti di Informatica B I circuiti combinatori si dicono well formed (w.f.) o ben formati se si ottengono a partire da porte logiche primitive secondo le seguenti regole: Una singola linea o una singola porta è un circuito w.f. La giustapposizione di due circuiti w.f. genera un circuito w.f. ircuiti equenziali: Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali 2 ircuiti ombinatori ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 3 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 4
ircuiti ombinatori e 1 e 2 sono due circuiti w.f. separati, il circuito che si ottiene collegando linee di uscita di 1 con linee di ingresso di 2 è w.f. ircuiti ombinatori e x i e x j sono linee di ingresso di un circuito w.f. e se si collega x i e x j tra loro in X, si ottiene un circuito w.f. X xi xj 1 2 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 5 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 6 ircuiti ombinatori I circuiti combinatori w.f. non contengono anelli e le uscite non sono mai collegate fra loro Eccezioni a questi comportamenti richiedono: la comprensione di meccanismi a livelli di astrazione inferiore o introducono meccanismi di memoria ircuiti ombinatori Esempio di un circuito combinatorio con le uscite collegate fra loro: richiede la comprensione di meccanismi a livelli di astrazione inferiore (tecnologia elettronica) NO!!! Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 7 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 8
ircuiti ombinatori Esempio di un circuito combinatorio con anelli: uò introdurre meccanismi di memoria NO!!! ircuiti ombinatori Esempio di un circuito combinatorio con anelli: uò introdurre meccanismi di memoria o situazioni instabili 0 1 f 0 NO!!! Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 9 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 10 ircuiti equenziali Un circuito sequenziale dispone di elementi di memoria per ricordare la storia passata Il più semplice elemento di memoria è il FLI-FLO FLO,, in grado di immagazzinare un bit di informazione per un tempo indefinito Il FLI-FLO FLO costituisce una cella di memoria ircuiti equenziali I FLI-FLO FLO o multivibratori bistabili sono elementi circuitali in grado di: permanere stabili in due stati diversi (MEMOIA) commutare da uno stato all'altro (ITTUA) manifestare lo stato interno (LETTUA) Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 11 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 12
Multivibratori Altri tipi di multivibratori sono gli: Flop I due stati stabili sono: Astabili: ontinuano indefinitamente a vibrare tra due configurazioni diverse Memorizza 1 Monostabili: ermangono in una configurazione stabile fino a che non vengono eccitati dall esterno. Dopo un transitorio, ritornano alla configurazione iniziale. Memorizza 0 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 13 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 14 Flop Esempio di funzionamento: Da ingresso =00 a =01 Funzionamento: Ingresso =00 Flop Memorizza 10 Memorizza 1 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 15 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 16
Funzionamento: Ingresso =01 Flop Funzionamento: Ingresso =00 Flop Memorizza 0 Memorizza 0 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 17 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 18 Funzionamento: Ingresso =10 Flop Funzionamento: Ingresso =11 Flop Memorizza 1 Memorizza? Il valore memorizzato quando o tornano a 0 dipende dalla specifica implementazione del circuito (ritorneremo a breve) Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 19 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 20
Flop crittura: ET=1 e EET=0 = 0 e = 1 EET=1 e ET=0 = 0 e = 1 uando entrambi tornano al valore 0, il circuito mantiene la stessa configurazione delle uscite uesti sono i modi per scrivere 0 o 1 nell elemento elemento di memoria Flop crittura: ET=1 e EET=0 = 0 e = 1 EET=1 e ET=0 = 0 e = 1 uando entrambi tornano al valore 0, il circuito mantiene la stessa configurazione delle uscite TATO 1 0 1 0 ET 0 1 0 1 EET 0 0 MEMOIA 1 1 0 0 NON VALIDO Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 21 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 22 Flop Diverse rappresentazioni: Flop Andamento temporale dei segnali: on porte NO on porte NAND Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 23 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 24
Fasi del Flop: Flop Flop itardi delle porte logiche: Memoria (zero) crittura (set) Memoria (uno) crittura (reset) Memoria (zero) Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 25 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 26 Flop tati del Flop non consistenti: Flop I ritardi delle porte possono portare a comportamenti indesiderati: f = ( x + x ) x y f x y f Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 27 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 28
Flop onfigurazione di ingresso non consentita: Flop onfigurazione di ingresso non consentita: 1 2 1 2 La porta 1 commuta per prima La porta 2 commuta per prima =11 non è consentita e non dovrà mai comparire all ingresso del FLI-FLO, in quanto: Forza uscite non complementari La transizione =11 00 porta a situazioni diverse in funzione del ritardo introdotto dalle singole porte (al termine il valore delle uscite non è definito) Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 29 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 30 orse critiche orse critiche e I fenomeni di questo tipo prendono il nome di corse critiche: onfigurazioni non volute si presentano agli ingressi di circuiti di memoria Differenze di comportamento tra i circuiti portano a evoluzioni casuali er eliminare le corse critiche e per razionalizzare il progetto viene introdotto il segnale di cadenza o di clock Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 31 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 32
Il egnale di Filp-Flop Flop adenzato LO A LIVELLO tato attivo 1 Vi avvengono le transizioni Ha la durata minima necessaria a garantire il cambiamento di stato di tutti i circuiti di memoria tato inattivo 0 Viene consentito alla rete combinatoria di modificare le uscite La durata minima consente in ogni caso l'evoluzione completa della rete Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 33 LO: con LO=0 ingressi bloccati, il sistema evolve con LO=1, e sono attivi LO: () e () forzano il FF in uno dei due stati, indipendentemente dal clock Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 34 Filp-Flop Flop adenzato Flop-Flop D-Latch Il D-Latch memorizza il dato in ingresso D D (n+1) X X 0 (n) 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 (n) 1 1 1 x I segnali di ingresso e non cambiano quando il segnale di LO vale 1 (per definizione) D (n+1) 1 1 1 0 1 0 1 0 (n) 0 0 (n) Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 35 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 36
Flop Edge-Triggered Flop Edge-Triggered I FF attivi sul livello richiedono un circuito complesso per la generazione del segnale di clock. I FF più sicuri (FF sincroni) commutano sui fronti di salita o sui fronti di discesa del segnale di LO basso duty-cycle, definito come t (=1) /t (=0) ono soggetti a rischio di transizioni multiple nello stesso intervallo di LO D D FF attivi sul fronte di salita FF attivi sul fronte di discesa Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 37 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 38 Altri tipi di FF incroni Flop i aggiunge una retroazione e i segnali di ingresso diventano e il segnale di LO è 0, gli ingressi vengono inibiti Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 39 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 40
Flop Flop i comporta come un FLI-FLO FLO - ma accetta in ingresso anche la combinazione =11 che inverte il valore delle uscite Infatti: se stato=0 e =11, lo stato viene complementato Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 41 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 42 Flop Altri Flop-Flop adenzati T D (n+1) X X 0 (n) 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 (n) 1 1 1 (n) T (n+1) - 1 0 1-0 1 0 0 0 0 (n) 1 1 1 (n) D (n+1) 1 1 0 1 0 0 1 0-0 0 (n) - 1 1 (n) FF-T: ad ogni colpo di clock commuta o no a seconda del valore di T FF-D: ad ogni colpo di clock scrive 1 o 0 a seconda del valore di D Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 43 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 44
Tabella riassuntiva Flop Master/lave Uscita Input 00 01 10 11 0 0 0 1-1 1 0 1 - Uscita Input D 0 1 0 0 1 1 0 1 D FF1 FF2 Uscita Input 00 01 10 11 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 Uscita Input T 0 1 0 0 1 1 1 0 T Il segnale di clock separa le variazioni dei dispositivi di memoria dall assestamento dei circuiti combinatori. =0: FF1 disabilitato, FF2 abilitato, le uscite commutano e potenzialmente tutti i circuiti che seguono =1: FF1 abilitato, FF2 disabilitato, le uscite sono stabili e FF1 si assesta in funzione del valore degli ingressi Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 45 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 46 w 0 s f w 1 Lez.5 - ircuiti ombinatori e equenziali Fondamenti di Informatica B 47