M. De Vincenzi1 Elettronica Digitale 1.Sistema binario 2.Rappresentazione di numeri 3.Algebra...
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M. De Vincenzi 1
Elettronica Digitale
1. Sistema binario
2. Rappresentazione di numeri
3. Algebra Booleana
4. Assiomi A. Booleana
5. Porte Logiche OR AND NOT
• Paragrafi del Millman
• Cap. 6 §§ 6.1- 6.4
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M. De Vincenzi 2
Sistema Binario
• Segnale Binario
• Dispositivo Binario
• Circuito Binario
HA DUE STATI PERMESSI
“1 – 0”, “VERO – FALSO”, “ALTO BASSO”, “SI – NO”
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M. De Vincenzi 3
Rappresentazione di Numeri
• Conversione Binaria Decimale
• Conversione Decimale Binaria
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M. De Vincenzi 4
Algebra Booleana (George Boole)
• L’algebra booleana e’ una logica simbolica a due valori che formalizza le regole della logica ed e’ alla base di tutti i sistemi digitali.
• Una variabile booleana ammette due valori in modo esclusivo
• Nel 1854 George Boole introdusse il formalismo che prese nome di Algebra Booleana.
• Premessa: Sia dato un insieme B e due operatori che agiscono sugli elementi dell’insieme: + (OR) e * (AND)
che soddisfano i seguenti assiomi:
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M. De Vincenzi 5
Algebra Booleana• The algebraic structures implicit in Boole's analysis were first explicitly
presented by Huntington in 1904 and termed "Boolean algebras" by Sheffer in 1913. As Huntington recognized, there are various equivalent ways of characterizing Boolean algebras. One of the most convenient definitions is the following:
A Boolean algebra is a structure (B,OR,AND, NOT, 0, 1), where B is a nonempty set, OR (+)e AND (.) are binary operations on B, NOT is a unary operation on B, and 0, 1 are distinct elements of B satisfying the following laws: for all x, y, z in B,
• associativity x + (y + z) = (x + y) + z x . (y . z) = (x . y) . z• commutativity x + y = y + x x . y = y . x• absorption x + (x . y) = x x . (x + y) = x• distributivity x + (y . z) = (x + y) . (x + z) x . (y + z) = (x . y) + (x . z)• complementation x + (–x) = 1 x . (–x) = 0.
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M. De Vincenzi 6
Leggi di De Morgan
CBACBA
CBACBA
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M. De Vincenzi 7
Porte Logiche OR e AND NOT
• Tavola della verità. => Tavola esaustiva di tutte le possibilita
OR
A B Y=A+B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
AND
A B Y=A . B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
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M. De Vincenzi 8
OR exsclusivo (XOR)
A(2) B(3) Y(1)
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 0
A •XOR• B = Y
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M. De Vincenzi 9
Realizzazioni dell’XOR
)()(
)()(
BABAY
BABAY
BABAY
BABAY
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M. De Vincenzi 10
La porta NOT
Proprieta’ elettroniche della porta1) Intervalli di tensione corrispondenti ai livelli logici 0 e 12) Regione di incertezza3) Velocita’ di commutazione4) Dissipazione di potenza5) Possibilita’ di carico in ingresso ed in uscita
vi
vo
Zona di incertezza
VOH
VOL VIL
VIH
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M. De Vincenzi 11
La porta NANDCon la porta NAND e possibile ottenere i circuiti fondamentali NOT AND OR
NOT AND
OR
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M. De Vincenzi 12
XOR con NAND
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M. De Vincenzi 13
Famiglie Logiche
TTL CMOS ECL
74LS 74AS 74ALS 74C 74HC 10k 100k
Alimentazione (V) 5 5 5 5 5 -5.2 -4.5
Max VoL 0.5 0.5 0.5 0.4 0.4 -1.7 -1.7
Min VoH 2.7 2.7 2.7 4.2 4.2 -0.9 -0.9
Max V1L 0.8 0.8 0.8 1.0 1.0 -1.4 -1.4
Min V1H 2.0 2.0 2.0 3.5 3.5 -1.2 -1.2
Dissipazione mW 2 20 1 ~0 0 24 40
Ritardo ns 10 1.5 4 30 10 2 0.75
Low Power Shottkey
Advanced Low Power Shottkey
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M. De Vincenzi 14
Logica Combinatoriale e Sequenziale
• Log. Combinatoriale: l’uscita dipende unicamente dallo stato degli ingressi
• Log. Sequenziale: l’uscita dipende dallo stato degli ingressi e dalla stato del circuito
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M. De Vincenzi 15
Multivibratori
MonostabiliAstabiliBistabili (Filip-Flop)
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M. De Vincenzi 16
Logica Combinatoriale
Logica ottenibile tramite le sola combinazioni dei segnali di ingresso. Le uscite delle porte nella logica combinatoriale dipendono solo dagli ingressi e non dal loro stato interno.
Porte che hanno degli stati propri (hanno una “memoria”) sono costruite inviando una parte delle uscite in ingresso.
•Sommatori Binari: Half – adder, full adder. •Encoder•Decoder•Multiplexer•Demultiplexer
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M. De Vincenzi 17
Circuito Half-Adder
Half Adder
HA HA
HA
OR
HA
HA
OR
C0 C1 C2
A0 B0 A1 B1
Full Adder
C=A+B
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M. De Vincenzi 18
Circuiti logici sequenziali
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M. De Vincenzi 19
Il FILP-FLOP SR
S
R
Qn
Qn
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Il FILP-FLOP JK
Q
Q
S
R
J
K
Q
QCk
Jn Kn Qn Qn Sn Rn Qn+1 Qn+1
1 0 1 0 0 0 Qn=1 Qn=0
1 0 0 1 1 0 1 0
0 1 1 0 0 1 0 1
0 1 0 1 0 0 Qn=0 Qn=1
0 0 1 0 0 0 Qn=1 Qn=0
0 0 0 1 0 0 Qn=0 Qn=1
1 1 1 0 0 1 0 1
1 1 0 1 1 0 1 0
} Qn+1=Qn
} Qn+1=Qn
} Qn+1=1
} Qn+1=0
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M. De Vincenzi 21
Il Flip-Flop JK e la “race around condition”
• L’uso del feedback nel FF SR risolve solo in linea di principio il problema dello stato S=R=1.
• Infatti per J=K=1, le uscite Q oscillano tra i 1 e 0 con una frequenza determinata dal tempo di attraversamento delle porte.
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M. De Vincenzi 22
Il FILP-FLOP MS
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M. De Vincenzi 23
Funzioni di Clear (Cr) e Preset (Pr)
CLEAR: (Q=0 e ~Q=1) Cr=0 AND Pr=1 AND Ck=0
PRESET : (Q=1 e ~Q=0) Cr=1 AND Pr=0 AND Ck=0
(Ingressi asincroni o diretti)
Durante il funzionamento con Clock Cr=1 AND Pr=1
Ck Cr Pr Q
Enable 1 1 1 *
Clear 0 0 1 0
Preset 0 1 0 1
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M. De Vincenzi 24
I FILP-FLOP tipo D e tipo T
CkS
R
Ck
J
K
Q
Q
“1”
Tipo D
Tipo T
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M. De Vincenzi 25
APPLICAZIONI DEI FILP-FLOP
SHIFT REGISTER
CONTATORI ASINCRONI
CONTATORI SINCRONI
R R R R R
SSSSS
Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
Shift Register a 5 bit
Ck Ck Ck Ck Ck
Ingresso seriale
Clock
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M. De Vincenzi 26
CONTATORI ASINCRONI (Millman Grabel Cap. 8 § 8-6
Ck Ck Ck Ck
Q0
J
K K K K
J J J
Q1 Q2 Q3
“1”