Arquitetura de Computadores

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1 Arquitetura de Computadores Aula 11 - Circuitos Sequenciais Anderson L. S. Moreira anderson.moreira@recife.ifpe.edu.br Copyright 2010, IFPE. Creative Commons BY-SA 3.0 license Latest update: 30 de Mai de 2011, Document sources, updates: 1

2 Agenda Circuitos sequenciais conceito; Flip-flops; Registradores; Contadores. 2

3 Clocks e Sincronização Um clock é um dispositivo especial em que a saída alterna continuamente entre 0 e 1. clock period O tempo manipulado pelo clock torna o valor 1 para 0 e de volta para 1, isso é chamado de período de clock, ou ciclo de tempo do clock. A frequencia do clock é o inverso do período. A unidade de medida da frequencia é o hertz. Clocks são geralmente usados para sincronizar circuitos. Ele gera um padrão previsível e repetitivo, de 0s e 1s que pode disparar certos eventos em um circuito, como escrita na memória. Se vários circuitos compartilhar o mesmo sinal de clock,devem sincronizar suas atuações respeitando o funcionamento de um e de outro. É similar como os humanos usam relógios para sincronização. 3

4 Encapsulamento comum de CI 4

5 Encapsulamento comum de CI 5

6 Comparação entre operações 6

7 Diagrama Geral de um sistema digital 7

8 Circuitos Sequenciais Saídas são função tanto das entradas quanto dos valores de saída (estado atual) São construídos com portas lógicas com realimentação Possuem elementos de armazenamento (memórias) Exemplos: flip-flop registrador contador 8

9 Flip-flops Circuitos de memórias podem ser implementados em latches. Surgem alguns problemas: Precisa-se saber quando acionar o latch. Precisa-se saber quando desabilitar rapidamente um latch. Em outras palavras, é difícil controlar o tempo de latches em circuitos grandes. Resolve-se esses problemas com dois elementos: clocks e flip-flops Clocks estabelece quando escrever na memória. Flip-flops permite rapidamente escrever na memória em tempo claramente definidos. Usados juntos, podem-se criar circuitos sem se preocupar com temporização de memória. 9

10 Exemplo A S1 entradas saídas (estado) realimentação B S2 10

11 Exemplo de funcionamento A S1 B S2 (Simular a partir de A = B = S1 = 0 e S2 = 1) 11

12 Flip-flops e Latches São circuitos que podem assumir apenas dois estados diferentes, que se convenciona corresponderem aos valores binários 0 e 1 Podem se manter no estado em que se encontram (0 ou 1) enquanto não receberem sinais de entrada e/ou de controle que os façam mudar de estado Portanto, na prática são memórias com capacidade de armazenar o valor de 1 bit (0 ou 1) 12

13 Tipos de flip-flops uanto à forma de operação: tipo RS; tipo JK; tipo D; tipo T (toggle) uanto a sinais de controle (clock): sem sinal de controle (pouco usados) com sinal de controle resposta à borda borda positiva (0 1) borda negativa (1 0) resposta ao nível nível 0 nível 1 13

14 Flip-flop Tipo RS (implementação 1 - com portas NOR) R R S S R ( e s e t ) S ( e t ) t + 1 R e s u l t a d o 0 0 t E s t a d o f i c a i n a l t e r a d o E s t a d o p a s s a p a r a E s t a d o p a s s a p a r a I n d e t e r m i n a d o C o n d i ç ã o d e e r r o 14

15 Flip-flop Tipo RS (implementação 2 - com portas NAND) 1 S 0 1 R 0 S 1 R 1 R S t + 1 R e s u l t a d o 1 1 t E s t a d o f i c a i n a l t e r a d o E s t a d o p a s s a p a r a E s t a d o p a s s a p a r a I n d e t e r m i n a d o C o n d i ç ã o d e e r r o 15

16 Comportamento de um FF tipo RS t R S R S t

17 Exemplo com um controle C. Flip-flop RS C S R S R 0 x x 1 1 No change No change (reset) (set) Avoid! Note o padrão hierárquico A caixa azul é o flip-flop R'S'. As portas NAND adicionais são simplesmente usadas para gerar as entradas corretas para o flip-flop R'S'. A entrada de controle C atua para habilitar o circuito. 17

18 Flip-flop Tipo RS com controle S C R Ck S R C o n t r o l e R S t + 1 R e s u l t a d o I n a t i v o X X t E s t a d o f i c a i n a l t e r a d o A t i v o 0 0 t E s t a d o f i c a i n a l t e r a d o A t i v o E s t a d o p a s s a p a r a 1 A t i v o E s t a d o p a s s a p a r a 0 A t i v o 1 1 I n d e t e r m i n a d o C o n d i ç ã o d e e r r o 18

19 Sinal de Controle (Clock) borda negativa (descida) nível 1 borda positiva (subida) nível 0 19

20 Tipos de flip-flop x controle - notação Sensível à borda (flip-flop) Sensível ao nível (latch) R R positiva Ck S nível 1 Ck S R R negativa Ck S nível 0 Ck S 20

21 Flip-flop do tipo D Esse tipo é baseado no tipo R'S'. As portas adicionais geram sinais para o R'e o S', de acordo com a entrada D ( dados ) e C ( controle ). uando C = 0, S e R são 1, então o estado de saída não muda. uando C = 1, a saída será igual a entrada D. Sem confusão com a entrada correta C D 0 x No change Não tem mais a combinação de conflito. ualquer das quatro combinações para C e D são válidas. 21

22 Flip-flop tipo D (dado) D R D Ck Ck Ck S D C t + 1 X i n a t i v o t D a t i v o D 22

23 Flip-flop tipo D sensível ao nível (latch) D C 23

24 Flip-flop tipo D sensível à borda D C 24

25 Flip-flop tipo JK J Ck K J K C t + 1 X X i n a t i v o t 0 0 a t i v o t 0 1 a t i v o a t i v o a t i v o t 25

26 Flip-flop tipo T (toggle) Ck C t + 1 i n a t i v o t a t i v o t 26

27 Sinais de Controle Adicionais DC Set DC Set J J Ck Ck K K DC Reset DC Reset DC Set (ou Preset) - coloca FF no estado 1 DC Reset (ou Clear) - coloca FF no estado 0 ambos independem das demais entradas e do controle 27

28 Exercício Completar o diagrama de tempos (teórico) abaixo com os valores de e, considerando os valores dos demais sinais e o funcionamento do flip-flop mostrado no desenho Ck PR J J Ck K PR K CLR CLR 28

29 Bibliografia Arquitetura de Computadores Pessoais, Raul Weber, 2ª edição; Arquitetura de Computadores, Andrew S. Tannembaum, 8ª edição; Fundamentos de Arquitetura de Computadores, Saib e Weber, 4ª edição; 29