1

Digitális Rendszerek

1. Fejezet: Bevezetés

Slides to accompany the textbook Digital Design, with RTL Design, VHDL, and Verilog, 2nd Edition,

by Frank Vahid, John Wiley and Sons Publishers, 2010. http://www.ddvahid.com

Copyright © 2010 Frank Vahid

Instructors of courses requiring Vahid's Digital Design textbook (published by John Wiley and Sons) have permission to modify and use these slides for customary course-related activities, subject to keeping this copyright notice in place and unmodified. These slides may be posted as unanimated pdf versions on publicly-accessible course websites.. PowerPoint source (or pdf with animations) may not be posted to publicly-accessible websites, but may be posted for students on internal protected sites or distributed directly to students by other electronic means. Instructors may make printouts of the slides available to students for a reasonable photocopying charge, without incurring royalties. Any other use requires explicit permission. Instructors may obtain PowerPoint source or obtain special use permissions from Wiley – see http://www.ddvahid.com for information.

2

Miért Tanuljuk meg a Digitális Rendszereket?• Ha a számítógép dobozát kinyitjuk, akkor:

– Megértjük az egységek közötti kapcsolatot --=> Önbizalom a „belső szervek műtétjénél”, => programozáskor a hardver ismerete előny

• Egyre nagyobb méreteket ölt digitalizált világ– Egyre nagyobb fokú integráltság– Lehetőség:

• Jobb minőségű eszközök: hang rögzítők, videokamerák, autók, telefonok, orvosi műszerek,...

• Új lehetőségek: Video játékok, simogatós-telefönök, ...

– Más ismert elnevezés: „Beágyazott Rendszerek”• Évi több millió termék• Tervező mérnökök hiánya: potenciális karrier

lehetőség.

1995

Hordozhatólejátszók

1997

Műhold

1999

Mobil Telefonok

2001

DVDlejátszó

Videórrögzítés

Elektronikushangszerek

2003

Kamerák TVk ???

2005 2007• A megjelenés éve és elterjedésük

1.1

3

Mit jelent a “Digitalális” Szó?• Analóg jel

– Folytonos jel• Pl: A mikrofon kimenetén

megjelenő váltakozó feszültség

valu

e

time

valu

etime

microphone

Soundwaves

which movesthe magnet,

which createscurrent in the nearby wire

move themembrane,

Analóg jel

3 421

2 Digitális jel

• Digitális jel– Véges (két) értékű jel

• Pl: billentyűzet nyomógombjának állapota

01234

Lehetséges értékek:1.00, 1.01, 2.0000009, ... infinite possibilities

Lehetséges értékek :0, 1, 2, 3, or 4.That’s it.

1.2

a

a

4

Két (2) értékű Bináris Jelek• Binary – bináris - digitális jel – csak

két lehetséges értéke van– Általában 0 és 1 értékű jel– Egy binary digit – bináris digit az egy bit– A továbbiakban csak bináris digitális

jelekkel foglalkozunk– A bináris jel közkedvelt mert:

• Az áramkörök alapvető eleme a Tranzisztor, kapcsoló üzemű működése során csak 2 feszültség értéket veszünk figyelembe (lásd Chpt. 2)

• Két feszültség érték tárolása/továbbítása sokkal könnyebb mint három vagy több értéké (azaz, hangos beep vagy halk beep, visszaverődés vagy elnyelés)

valu

e

time

10

5

Digitalizálás Előnyei

• Az analóg jel minősége csökkenhet (e.g., audio, video)– A feszültség értékek mentése,

másolása, továbbítása nem tökéletes

• A Digitalizált jel mentése, másolása, továbbítása majdnem tökéletes.– Mintavételezéssel (megfelelő T

mintavételezési periódus)“ csökkenti a minták számát és a mintavételezés gyakoriságát

– A Feszültség szintek egy adott intervallumban mozognak

– Ezért megkülönböztethető a 0 és az 1

time

Vol

ts

01

2

3

original signal

leng

thy

tran

smis

sion

(e.g

, cel

l pho

ne)

time01

2

3

received signal

How fix -- higher, lower, ?

leng

thy

tran

smis

sion

(e.g

, cel

l pho

ne)

01 10 11 10 11

same

01 10 11 10 11

Vol

ts

digitized signal

time0

1

a2d

Vol

ts

01

2

3d2aMegfelelő kódólással:

1 V: “01” 2 V: “10” 3 V: “11”

time

Can fix—distinguish 0s/1s, restore

0

1

Nagyobb mintavételezési gyakoriságÉs jobb minőségű (több bites) kódolás javítja a Jel visszaállítás minőségét

a

A jel visszaállítása nem tökéletesAz adott minta miatt a2d and d2a

6

Digitization Benefit: Can Store on Digital Media

10 100100 11 11 11 01 10 10 000

1

2

3

Volts

analog signalon wire

time

0001101011111101101000

analog­to­digitalconverter

samples

digitized signalmicrophone

wire

(a)

0001101011111101101000 read from tape, CD, etc.

digital­to­analogconverter

wire

speaker

10 100100 11 11 11 01 10 10 000

1

3

Volts

analog signalreproduced fromdigitized signal

time

2

(b)

a

Store on CD, USB drive, etc. No deterioration.

7

Digitalizált Hang: A tömörítés előnyei• A digitalizált hang

tömörítehető– lásd MP3– Tömörítés nélkül legalább 20

dal írható CD-re– Tömörítéssel nagyjából 200

dal írható a CD-re

• Az adatok tömörítését digitalizált képek tárolásánál is alkalmazzuk (jpeg), (mpeg), stb.

• A digitalizálásnak egyéb előnye is van.

0000000000 0000000000 0000001111 1111111111

10000001111

Example compression scheme:00 means 000000000001 means 1111111111

1X means X

a

00 00 01

8

Hogyan ábrázoljuk (kódoljuk) a digitális rendszer adatait?

• Egyes bemenetek természetükből eredően binárisak– nyomógomb: not pressed

(0), pressed (1)• Egyes bemenetek

természetükből eredően digitálisak– Értelemszerűen binárisan

kódoljuk– Pl.: még több nyomógomb

kód: red=001, blue=010, ...• Más bemenetek: analóg

– analóg-digitális átalakítás– Lásd előző fóliákat –

mintavételezés kódolás

0

button

1

green blackbluered

0 00

red

0 10

green blackblue

1 00

green blackbluered

temperaturesensor

air

0 0 1 10 0 0 0

33 degrees

a

Érzékelők ésbemenetek

Digitális rendszer

Végrehajtó elemekés kimenetek

A2D

D2A

analógJel/jelenség

villamosjelek

digitálisjelek

digitálisjelek

villamosjelek

digitálisjelek

digitállisjelek

9

Szöveg ábrázolása (kódolása): ASCII, Unicode• ASCII: karakterek,

szimbólumok 7 vagy 8 bites kódolása

• Unicode: egyre népszerűbb 16 bites kódolás– Különböző

nyelvek (abc) kódolása

Kérdés: Mit jelent a következő ASCII szekvencia?

1010010 1000101 1010011 1010100

R E S Ta

Sample ASCII encodingsSymbolEncoding

010 0000   <space>␠010 0001        !010 0010        "010 0011       #010 0100       $010 0101       %010 0110       &010 0111        '010 1000       (010 1001       )010 1010       *010 1011       +010 1100        ,010 1101        ­010 1110        .010 1111        /

SymbolEncoding100 1110        N100 1111        O101 0000        P101 0001        Q101 0010        R101 0011        S101 0100        T101 0101        U101 0110        V101 0111        W101 1000        X101 1001        Y101 1010        Z

100 0001        A100 0010        B100 0011        C100 0100        D100 0101        E100 0110        F100 0111        G100 1000        H100 1001        I100 1010        J100 1011        K100 1100        L100 1101        M

SymbolEncoding

SymbolEncoding

011 0000        0011 0001        1011 0010        2011 0011        3011 0100        4011 0101        5011 0110        6011 0111        7011 1000        8011 1001        9

110 0001        a110 0010        b     ...111 1001        y111 1010        z

10

Számok bináris ábrázolása - számrendszerek• A helyérték egy adott mennyiséget

képvisel (x1; x10; stb); az adott helyértéken lévő szimbólum = azt adott mennyiség hányszorosa– Tízes „alapú” (decimális - decimal)

• Tízes szimbólumok: 0, 1, 2, ..., 8, és 9• Ha K> 9 – a következő helyértéken

ábrázoljuk– => minden helyérték 10 hatványa

• A 10-es számrendszert azért használjuk, mert 10 ujjunk van. (?!)

– Kettes számrendszer (binary-bináris)• 2 szimbólum: 0 és 1• Ha K>1 – következő helyértéken

ábrázoljuk– Tehát minden helyérték 2 hatványa

szerinti

24 23 22

1 0 1

21 20

104 103 102

5 2 3

101 100

Q: How much?+ =

4 1 5+ =

a

11

Digitális adatok használata a Digitális Rendszerekben

temperature sensor

0 0 1 10 0 0 0 "33"

Digital System

display N

"N"1 0 00 1 1 1

if (input <= "00100000") // "32"

   output = "1000110"  // "F"

else if (input >= "11010100") // "212"

   output = "1000010" // "B"

else

   output = "1001110"  // "N"

• Digitális Hőmérséklet mérés – az mérés eredménye bináris

• A rendszer beolvassa a hőmérséklet bináris értékét, az eredményt ASCII kódban ábrázoljuk:– “F” – hideg - freezing (0-32)– “B” – forró - boiling (212 < T)– “N” - normális - normal

• A kijelző átalakítja (convert) az ASCII kódot a megfelelő kijelző szimbólumra

a

12

Konverzió: Bináris szám => Decimális szám• Összeadjuk a súlyozás értékeit ahol 1-es van

– 12 = 1*20, vagy 110.

– 1102 =1*22 + 1*21 + 0*20, vagy 610. hatványra emelés után:

1*4 + 1*2 + 0*1, or 6. – 100002 = 1*16 + 0*8 + 0*4 + 0*2 + 0*1, vagy 1610.

– 100001112 = 1*128 + 1*4 + 1*2 + 1*1 = 13510. Megjegyzés: kihagytuk a 0 értékű „súlyokat”

– 001102 egyenértékű 1102 — a nagyobb helyértéken lévő 0 nem változtatja a számértéket.

a

24 23 22 21 2029 28 27 26 25

16 8 4 2 1512256128 64 32

16 8 4 2 1512 256 128 64 32Gyakorlat teszi a mestert! Hatványozzunk! 2n

„Hasznos” hatványok 2:a

13

Konverzió: Decimális szám => Bináris szám

• 2k hatványú helyértékre 1-et írunk. A 2k hatványú összeg = N-el A helyértékeket összegezzük

16 18 4 20

16 18 4 28

1

16 18 4 212

1 1

16 18 4 2vége 1 1 00

016 > 12, too big;A 24 helyérték 0

8 <= 12, tehátA 23 helyérték 1,Összeg =  8

8+4=12 <= 12, tehát22 helyérték 1,Összeg = 12

Konverzió vége N = 12,21 = 0 és 20 = 0

Decimális számN: 12

Összegsum

Binárisszám

(a)

(d)

(c)

(b)0

0

0

a

14

Konverzió: Decimális szám => Bináris szám

• Példa egy kompakt ábrázolásra

• 23-• 16• 7-• 4• 3-• 2• 1-• 1• 0

16 18 4 20

1

Decimálisszám: 23

Binárisszám

(a)

(d)(c)

(b)

sum:16

0

1620

1 1

2223

1

(e)

a

15

Példa: DIP-Switch által vezérelt csatorna• A ventilátor

vevőjének címe gyári beállítás szerint “73”

• Csak akkor érzékel ha cím= 73

• A vezérlés engedélyezés a DIP kapcsoló bináris értékétől függ (73)

channel receiver

Ventilátorvezérlő

0

if (InA = InB)   Out = 1else   Out = 0

0 1 0 10 1 0 0"73"

DIP switch

10

0 0 1 00 0 0 1

InA InB

Out

Desired value: 73

4

0 0

2

1

116

0

8

1

32

0

64

1

128

0

64 72 73sum:

"34"

(b)(a)

(c)

a

Q:

16

Hexadecimális számrendszer (16 alapú)

• Elönyos a 4 bites ábrázolás miatt • A Bináris számok tömör ábrázolása• hexadecimal, vagy hex

164 163 162

8 A F

8

100010101111

A F

161 160

0000

0001

0010001101000101

01100111

0

1

2345

67

hex binary

1000

1001

1010101111001101

11101111

8

9

ABCD

EF

hex binary

Q: Write 11110000 in hex

F 0 a

Q: Convert hex A01 to binary

1010 0000 0001

a

17

Konverzió: Decimális szám => Hex szám• Módszer: előszőr felírjuk a szám bináris értékét, majd

átalakítjuk hex – re

Példa: 9910 = ? H

1. lépés: Bináris konverzió:0 1 10 011

4 2 116 83264128

0

2. lépés: Bináris => hex:

6 3

(Ellenőrzés - Quick check: 6*16 + 3*1 = 96+3 = 99)

a

a

a

18

Példa Hex ábrázolásra: RFID bélyeg• Elektromágneses tér által táplált bélyeg –

rádiófrekvenciás azonosító RFID– Egyedi azonosító számot küld– Példa: 32 bites azonosító (id)

• 8-bit tájegység száma, 8-bit ország száma, 16-bit állat száma• A bélyeg binárisan tárolja az adatokat• DE a programozók a HEX-et használják írásra/olvasásra

writing/reading

RFIDtag

Province # City # Animal #

Province: 7 City: 160 Animal: 513

1010000000000111 00000010 00000001

A007 02 01

 Tag ID in hex: 07A00201

(a)

(b)

(c)(d)

(f)

(e)

19

Konverzió: Binaris -ról/ra: összegezés módszere

BinaryDecimal

16 8 4

0 1 0

2 1

1 1

16 + 8 + 2

To decimal

To hex

1  1010

= 2610

= 1A16

To octal

11  010= 328

2610

To binary

4

0 1

2

0

116

1

8

1

1616+8= 24 24 ­­24+2

= 26

20

Általános Konverzió: Osztással – Automatikus átalakítási módszer• A Hányadost addig osztjuk kettővel míg nulla nem lesz• Decimális szám konverziója binárisra (példa)

1. Divide decimal number by 2    Insert remainder into the binary number    Continue since quotient (6) is greater than 0

2. Divide quotient by 2    Insert remainder into the binary number    Continue since quotient (3) is greater than 0

01

18

14

02

01

14

02

01

01

02

Decimal Binary

122–12

0

6

62–6

0

3

3. Divide quotient by 2    Insert remainder into the binary number    Continue since quotient (1) is greater than 0

32–2

1

1

4. Divide quotient by 2    Insert remainder into the binary number    Quotient is 0, done

12–0

1

0

(current value: 12)

(current value: 4)

(current value: 0)

(current value: 0)

Note: Works for any base N—just divide by N instead

21

Byte, Kilobyte, Megabytes, és a többi• Byte: 8 bit• Nagyobb egységek:

– kilo (ezer vagy 103), mega (millió vagy 106), giga (milliárd vagy 109), és tera (trilliárd vagy 1012), pl.: kilobyte vagy KByte

• DE!!! A metrikus töbszörösöket helytelenül használják mert:– 216 = 65536 = “64 Kbyte”– Tipikus használati hiba a memória kapacitás leírásánál

• Megkülönböztetjük a “KB” = kilobyte és “Kb” = kilobit fogalmakat. FIGYLELJÜNK ODA!

22

Digitális Rendszerek megvalósítása: Microprocesszor programozás vagy Digitális áramköri tervezés?

• Mikroprocesszor gyakori választás a digitális feladatok megvalósításában– Könnyű programozni– olcsó (ár < $1)– Kereskedelemben

kapható

I3I4I5I6I7

I2I1I0

P3P4P5P6P7

P2P1P0 void main()

{ while (1) { P0 = I0 && !I1; // F = a and !b, }}

0F

b

a

1

0

10

1

6:00 7:057:06 9:009:01 time

Feladat: Éjszakai mozgásérzékelőMikroprocesszoros

megvalósításMegvalósítás

digitális áramkörrel

1.3

23

Digitális Tervezés: Amikor a Microprocesszor (uP) nem a jó megoldás

• uP olcsó, elérhető DE:– Nem mindig gyors– Vagy túl nagy– Vagy melegszik (nagy a

disszipált teljesítmény)– Vagy drága

– Jelőlés: IC – integrated Circuit– Azaz integrált áramkör

Feladat: Szárny dőlésszög vezérlő

• uP-vel a szükséges számítási idő 50 ms

• Digitális IC-vel a szükséges számítási idő 5 ms

Ha 100 végrehajtási ciklus/s akkor:

• 100 * 50 ms = 5000 ms = 5.0 s

• 100 * 5 ms = 500 ms = 0.5 s

A Mikroprocesszor túl lassú, IC JÓ (OK).

24

Digitális Tervezés: Amikor a Microprocesszor (uP) nem a jó megoldás• Rendszerfeladatok felosztása

mikroprocesszor feladatok, digitális áramköri feladatok:

• Pl. fényképezés (a)

Micro-processor

(Read,Compress,and Store)Memory

Image Sensor

(b)

(c)

Kép mintavételezési feladat (kép/s) :

Q: How long for each implementation option?

a

5+8+1=14 sec

.1+.5+.8=1.4 sec

.1+.5+1=1.6 sec

Good compromise

Readcircuit

Compresscircuit

Memory Storecircuit

Image Sensor

Compresscircuit

Microprocessor

(Store)

Memory

Image Sensor

Readcircuit

Task Microprocessor

Custom Digital Circuit

Olvasás 5 0.1

Tömörítés 8 0.5

Tárolás 1 0.8

25

Összefoglalás - Chapter Summary• A Digitális rendszerek mindenhol ott vannak

– (Sz)ámítógépek– Minden elektronikus eszközben ott vannak (beágyazott rendszerek)

• A Digitális rendszerek a bináris rendszeret használják (0 és 1)– Analóg jelek átalakítása digitálissá – elönyök/ hátrányok

• Pl: audió — jobb átviteli minőség tárolás/átvitel, tömörítés, stb.

– Kódolás 0 és 1: bináris számok

• Mikroprocesszorok (digitális gép) nagyon sok digitális rendszert valósít meg - könnyen és olcsón

• A uP nem mindig jó megoldás — felhasználó által tervezett áramkörök