Aula Expositiva 03. DCC 001 Programação de Computadores 2 o Semestre de 2011 Prof. Osvaldo Carvalho DCC

Transcrição

1 Aula Expositiva Síntese de Circuitos Combinatórios (7 segmentos) Multiplexadores e Demultiplexadores 2.3 Circuitos Sequenciais Flip-flops e registradores Barramentos e Controle de Fluxo de Dados Memórias Acumuladores 2.4 Processadores Uma Calculadora Osciladores ou Clocks DCC 001 Programação de Computadores 2 o Semestre de 2011 Prof. Osvaldo Carvalho DCC

2 DCC Display Hexadecimal com Lâmpada de 7 Segmentos

3 DCC Lâmpada de 7 Segmentos Dispositivo simples e eficaz para visualização de algarismos e algumas letras O Logisim oferece este componente, na biblioteca (Library) Input/Output Cada pino acende ou apaga um dos sete segmentos Um pino acende um ponto decimal, que não vamos usar

4 DCC O Circuito SeteSegmentos.circ Center Upper Right Lower Left Lower Right

5 DCC Display Hexadecimal 4 bits de entrada Circuito que queremos

6 Construção da Tabela da Verdade para Display Hexadecimal DCC

7 DCC O (sub-)circuito 4bits2hexa Complicado? Pode ser, mas isso não é um problema: O circuito foi construído automaticamente, usando uma tabela da verdade Pode ser usado como um módulo, e seus detalhes internos não interessam

8 DCC Multiplexadores, Demultiplexadores e Decodificadores

9 Controle de Fluxo de Dados Além de operações aritméticas e comparações, circuitos lógicos são também utilizados para conduzir fluxos de dados Multiplexador dirige uma única entre várias fontes de dados para um destino; a fonte é designada por um endereço Demultiplexador dirige uma entrada de dados para um entre vários destinos; o destino é designado por um endereço DCC

10 MUX / DMX Determina qual das entradas fica conectada à saída Determina qual das saídas fica conectada à entrada DCC

11 Multiplexador 1 bit Circuito DCC

12 DCC Multiplexador 2 bits Endereço MUX 1 bit MUX 1 bit MUX 1 bit O binário a 1 a 0 designa qual entrada fica ligada à saída

13 Demultiplexador 1 bit Circuito DCC

14 DCC Demultiplexador 2 bits DMX 1 bit DMX 1 bit DMX 1 bit Endereço

15 Decodificador construído com Demultiplexador Entrada codificada em binário Constante 1 Saída decodificada DCC

16 DCC Circuitos Sequenciais Flip-Flops e Registradores

17 Limitações de Circuitos Combinatórios Sua saída depende exclusivamente dos valores aplicados às suas entradas Com poucas variáveis de entrada, podem ser obtidos da tabela da verdade Com arranjos em cascata, podem tratar de entradas da ordem de algumas dezenas de bits Mas como fazer para somar, digamos, 50 inteiros de 32 bits cada um? DCC

18 DCC Circuitos Sequenciais São circuitos digitais cuja saída depende dos sinais aplicados às suas entradas de valores armazenados em memórias Possuem Memórias: Flip-flops Registradores Memórias RAM Podem realizar operações como a soma de 50 inteiros de 32 bits, realizando uma soma de cada vez, com resultados parciais acumulados em uma memória

19 Flip-Flop tipo D Poderia ser click ; funciona como um obturador de máquina fotográfica Bit Armazenado A entrada D é fotografada no instante em que o clock passa de 0 para 1 Pino Auxiliar: Impõe 1 Pino Auxiliar: Impõe 0 Complemento do Bit Armazenado DCC

20 7 Carta de Tempo FF tipo D Clock 0 4 Entrada D Saída Q Tempo DCC

21 DCC Registrador 4 bits Clock único para os 4 FFs Saídas Entradas

22 DCC Registradores Logisim - 1 Encontram-se na biblioteca Memory Permitem escolher a largura de dados (no. de bits armazenados) Têm possibilidade de digitação direta do conteúdo armazenado Também têm um pino de clear

23 DCC Registradores Logisim - 2 Registradores Largura de dados Valor armazenado no registrador, em hexadecimal

24 DCC Barramentos e Largura de Dados

25 DCC Largura de Dados Estes circuitos são equivalentes No de baixo, entradas, saídas, registradores e fios têm largura de bits (bit width) igual a 4

26 DCC Arquivo Splitter.circ Ramificações (Splitters) 5 bits 2 bits 8 bits 1 bit

27 DCC Barramentos Toda saída ligada ao barramento passa por um Controlled Buffer A todo instante, no máximo um controlled buffer pode ter o controle do barramento O dado no barramento é igual à saída com o controlled buffer ligado

28 DCC Controle de Fluxo de Dados Os sinais de clock dos registradores e dos controlled buffers podem ser usados para controlar o fluxo de dados entre componentes ligados a um barramento Dados são transferidos de um ponto para outro conectando e desconectando esses sinais em uma sequência apropriada para a transferência desejada

29 Controle de Fluxo de Dados Exemplo 1 DCC Sinal In = 7 In->Dbus = 1 A Clk = 1 A Clk = 0 In->Dbus = 0 Colocar 7 no registrador A Comentário Coloca 7 na entrada In A entrada In controla o barramento O registrador A copia o barramento Abaixa o clock do registrador A Libera o barramento

30 Controle de Fluxo de Dados Exemplo 2 DCC Sinal In = 3 In->Dbus = 1 B Clk = 1 B Clk = 0 In->Dbus = 0 Colocar 3 no registrador B Comentário Coloca 3 na entrada In A entrada In controla o barramento O registrador B copia o barramento Abaixa o clock do registrador B Libera o barramento

31 Controle de Fluxo de Dados Exemplo 3 DCC Sinal A->Dbus = 1 C Clk = 1 C Clk = 1 A->Dbus = 0 Copiar no registrador C o conteúdo de A Comentário O registrador A controla o barramento O registrador C copia o barramento Abaixa o clock do registrador C Libera o barramento

32 Memórias DCC

33 DCC Memórias - 1 O Logisim oferece memórias RAM (Random Access Memory) e ROM (Read Only Memory) Uma memória é composta por muitas unidades de armazenamento chamadas palavras Cada palavra possui um endereço que deve ser usado para ler ou escrever seu conteúdo Facilidades do simulador (não existem em circuitos reais) para alteração de conteúdo, e mesmo para a leitura de um arquivo com todo o conteúdo da memória

34 DCC Memórias - 2 Memórias têm como atributos a largura de dados, que é o número de bits em cada palavra a largura de endereço, que é o número de bits que compõem um endereço o tamanho, que é o número de palavras que a memória contém No Logisim o tamanho de uma memória é determinado por sua largura de endereço: com n bits de largura de endereço, temos 2 n palavras na memória

35 DCC Memory Address Register Memórias 3 Entrada e também saída de dados Na subida, copia D na posição A Controle de posse do barramento

36 DCC RAM Fluxo 1 Escrever 9 na posição de memória 15 (=ff) Sinal Comentário Input = 15 Coloca 15 ( ) na entrada Input In Clk = 1 O registrador In copia a sua entrada In Clk = 0 Abaixa o clock do registrador In In->Dbus = 1 O registrador In controla o barramento MAR Clk = 1 O registrador MAR copia a sua entrada; a entrada A da memória já contém o endereço desejado MAR Clk = 0 Abaixa o clock do registrador MAR Input = 9 Coloca 9 ( ) na entrada Input In Clk = 1 O registrador In copia a sua entrada In Clk =0 Abaixa o clock do registrador In RAM Clk = 1 A memória copia o barramento para a posição 15, indicada pela entrada A RAM Clk = 0 Abaixa o clock da memória In->Dbus = 0 Libera o barramento

37 DCC RAM Fluxo 2 Ler o conteúdo da posição de memória 15 (=ff) para o registrador Out Sinal Comentário Input = 15 Coloca 15 ( ) na entrada Input In Clk = 1 O registrador In copia a sua entrada In Clk = 0 Abaixa o clock do registrador In In->Dbus = 1 O registrador In controla o barramento MAR Clk = 1 O registrador MAR copia o barramento; a entrada A da memória já contém o endereço desejado MAR Clk = 0 Abaixa o clock do registrador MAR RAM->Dbus = 1 A memória controla o barramento, onde coloca o conteúdo da posição indicada por sua entrada A Out Clk = 1 O registrador Out copia o barramento Out Clk = 0 Abaixa o clock do registrador Out

38 Acumuladores e Loops DCC

39 DCC Acumulador - 1 Um registrador acumulador Tem sua entrada alimentada por um circuito aritmético, como um somador Sua saída é também uma das entradas deste circuito aritmético Este arranjo permite p. ex. somar 100 números, sequenciando as somas ao longo do tempo

40 DCC Acumulador 2 Circuito Soma (combinatório) Registrador Acumulador

41 DCC Acumulador Fluxo 1 Colocar 5 no Acumulador Sinal Comentário Acc Clr = 1 Zera o acumulador Acc Clr = 0 Abaixa o clear do acumulador In = 5 Coloca 5 na entrada In In->Dbus = 1 A entrada In controla o barramento Acc Clk = 1 O acumulador copia a entrada, que é a saída do circuito de soma, sendo = 5 Acc Clk = 10 Abaixa o clock do acumulador In->Dbus = 0 Libera o barramento

42 Acumulador Fluxo 2 Soma 7 (111) ao conteúdo do Acumulador, e transfere o resultado para o registrador Out Sinal Comentário In = 7 Coloca 7 na entrada In In->Dbus = 1 A entrada In controla o barramento O acumulador copia a entrada, que é a Acc Clk = 1 saída do circuito de soma, sendo igual a 12 (0c em hexa), soma do valor do acumulador com o do barramento Acc Clk = 0 Abaixa o clock do acumulador In->Dbus = 0 Libera o barramento Acc->Dbus = 1 O acumulador controla o barramento Out Clk = 1 O registrador Out copia o barramento Out Clk = 0 Abaixa o clock do registrador Out Acc->Dbus = 0 Libera o barramento DCC

43 Uma Calculadora DCC

44 Uma Calculadora Registrador de Dados Luzes para acompanhamento Unidade Lógico- Aritmética DCC

45 DCC Uso da Calculadora Problema: Somar os conteúdos das posições 1 e 2 da memória, e colocar o resultado na posição 3 Pode ser feito pelas etapas: 1. Carregar no acumulador o conteúdo da posição 1 da RAM 2. Somar ao acumulador o conteúdo da posição 2 da RAM 3. Armazenar o conteúdo do acumulador na posição 3 da memória

46 Etapa 1 ACC_Clear = 1 ACC_Clear = 0 Input = 1 In_Clk = 1 In_Clk = 0 In->Bus = 1 MAR_Clk = 1 MAR_Clk = 0 In->Bus = 0 RAM->Bus = 1 ACC_Clk = 1 ACC_Clk = 0 RAM->Bus = 0 Entrada de Operando Carrega no acumulador o conteúdo da posição 1 da RAM DCC

47 Etapa 2 Input = 2 In_Clk = 1 In Clk = 0 In->Bus = 1 MAR_Clk = 1 MAR_Clk = 0 In->Bus = 0 RAM->Bus = 1 ACC_Clk = 1 ACC_Clk = 0 RAM->Bus = 0 Soma ao acumulador o conteúdo da posição 2 da RAM DCC

48 Etapa 3 Input = 3 In_Clk = 1 In_Clk = 0 In->Bus = 1 MAR_Clk = 1 MAR_Clk = 0 In->Bus = 0 ACC->Bus = 1 RAM_Clk = 1 RAM_Clk = 0 ACC->Bus = 0 Armazena o conteúdo do acumulador na posição 3 da RAM DCC

49 Clocks DCC

50 De Calculadora a Processador Um processador é um circuito similar à calculadora, mas A emissão de sinais de controle e a entrada de operandos é automatizada, e segue um programa Vamos adicionar circuitos à calculadora para transformá-la em um processador DCC

51 Osciladores ou Clocks O propulsor de qualquer circuito digital é um oscilador ou clock Um clock é um circuito cuja saída oscila entre 0 e 1 com uma frequência conhecida Um computador de 1 GHz (1 giga hertz) utiliza um clock cuja saída varia entre 0 e 1 um milhão de vezes por segundo Deste sinal básico circuitos como registradores circulares obtêm sinais de tempo que são usados para coreografar o fluxo de dados de um circuito DCC

52 Registrador Circular DCC

53 DCC Registrador Circular Carta de Tempo t2 t1 t0 Clock Reset

54 Resumo - 1 (De)Multiplexadores são usados para conduzir dados em um circuito digital Um flip-flop armazena 1 bit Registradores são conjuntos de flipflops Memórias armazenam muitas palavras (conjuntos de bits) identificadas por um endereço DCC

55 Resumo - 2 A informação desloca-se entre dois pontos de armazenamento seguindo controles de fluxo de dados A informação é transformada por circuitos combinatórios colocados entre dois pontos de armazenamento Osciladores, divisores de frequência e circuitos correlatos permitem o controle no tempo do fluxo de dados DCC