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Circuitos Sequenciais I
José Costa
Introdução à Arquitetura de Computadores
Departamento de Engenharia Informática (DEI)Instituto Superior Técnico
2013-11-01
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 1
Sumário
Básculas
Registos
Bancos de Registos
Memórias
Códigos Numéricos e Alfanuméricos
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 2
Circuitos Sequenciais
Circuitos combinatórios têm uma grande limitaçãoNão permitem guardar informação
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 3
Básculas Sensíveis ao Nível
SQ
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 4
Báscula SR
S R Q(n-1) Q(n)
0 0 0 00 0 1 10 1 0 00 1 1 01 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 1
R
S
Q
S Q
QR
RQ
S Q
SQ
RQ
S R Q(n)
0 0 Q(n-1)0 1 01 0 11 1 1
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 5
Outras Básculas
S Q
QR
c
D Q
Qc
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 6
Sinais de Relógio
Existem circuitos sequenciais síncronos e assíncronosSinal de relógio elimina sinais erróneos
Resultados das operações são sincronizados pelo sinal relógio
CLK
T
t1 t2
Se o período de relógio for de 100ns, T = 100ns, então a frequênciade relógio será de f = 10MHz:
f =1
T=
1
100ns=
1
10−7s= 107
Hz = 10MHz
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 7
Básculas Atualizadas no Flanco do Relógio
S Q
QR
CLK
D Q
Q
J Q
QKT Q
Q
J K Q(n) Q(n)
0 0 Q(n − 1) Q(n − 1)0 1 0 11 0 1 0
1 1 Q(n − 1) Q(n − 1)
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 8
Registos Básicos
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
CLK
A3 A2 A1 A0
B0B1B2B3
A
B
CLK
4
4
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 9
Sinais de Controlo de Registos
D Q
Q
CLK
A3
B3
MUX
0
1D Q
Q
A2
B2
MUX
0
1D Q
Q
A1
B1
MUX
0
1D Q
Q
A0
B0
MUX
0
1
Ld
A
B
CLK
4
4
Ld Ld
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 10
Sinais de Controlo de Registos
D Q
Q
CLK
A3
B3
D Q
Q
A2
B2
D Q
Q
A1
B1
D Q
Q
A0
B0
Cl
A
B
CLK
4
4
Cl Cl
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 11
Sinais de Controlo de Registos
Ld
D Q
Q
A0
B0
MUX
0
1
D Q
Q
A1
B1
MUX
0
1
D Q
Q
A2
B2
MUX
0
1
D Q
Q
A3
B3
MUX
0
1
CLK
Cl
A
B
CLK
4
4
Cl ClLd Ld
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 12
Sinais de Controlo de Registos
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
CLK
A3 A2 A1 A0
B0B1B2B3
Reset
RD RD RD RD
A
B
CLK
4
4
Reset Reset
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 13
Registos de Deslocamento
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
CLK
D
B0B1B2B3
D
B
CLK
4
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 14
Registos de Deslocamento
D Q
Q
CLK
A3
B3
MUX
01
D Q
Q
A2
B2
MUX
D Q
Q
A1
B1
MUX
D Q
Q
A0
B0
MUX
S
E
23
0123
0123
0123
D
S01
A
B
CLK
4
4
S0S1
D
SS
01
E
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 15
Sinais de Estado de Registos
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
CLK
A3 A2 A1 A0
B0B1B2B3
Z
A
B
CLK
4
4
Z Zero
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 16
Bancos de Registos
Banco de 8registos
A
SelA
Escrita
SelB
SelD
D
B
n
3
3 3
n n
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 17
Bancos de Registos
MUX7 4
Sel56 3 012
CLK n
Escrita
LdR7
n
LdR6
n
LdR5
n
LdR4
n
LdR3
n
LdR2
n
LdR1
n
LdR0
MUX7 4
Sel56 3 012
nn
SelA
SelB
A B
Des
codi
ficad
or
7
4
En56
3
012SelD
3
nn n n n n n n
n
D
3
3
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 18
Memórias
n bits
ppalavras
.
.
.
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 19
Memórias de Acesso Direto
R/W
CS
Dados
Endereços
n
m
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 20
Memórias de Acesso Direto
10ns
Endereços
Relógio
Mem Enable
Read / Write
T1 T2 T3 T0 T1
Tempo de acesso = 25ns
VálidosDados
Endereços válidos
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 21
Memórias de Acesso Direto
10ns
Endereços
Relógio
Mem Enable
Read / Write
T1 T2 T3 T0 T1
Tempo de acesso = 25ns
Dados
Endereços válidos
Dados
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 22
Memórias de Acesso Direto
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
Q
Q
D Q
Q
D Q
Q
0
1
2
3
2
D
D
D
Endereços(metade baixa)
Descodificador
1 023
2
R/W
Dados 1
Endereços(metade alta)
CS En
Descodificador
c c c c
c c c
c c c
c c c
c
c
c
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 23
Memórias de Acesso Direto
Descodificadorde coluna
D Q
Q
Dados
R/W
Descodificadorde linha
c
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 24
Memórias Dinâmicas
Descodificadorde coluna
Dados
Descodificadorde linha
C
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 25
Memórias FIFO
Leitura
Escrita
Lógicade
controlo
R
W
Dados
DadosVazioCheio
r
w
Inc
Inc
.
.
.
n
n
m
m
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 26
Memórias FIFO
W
R
Dados(entrada)n
Dados(saída) n
Vazio
Cheio
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 27
Códigos
Representação em base 2 permite a representação de númerosem sistemas digitais
Mas nem toda a informação é númerica
E.g. Texto
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 28
Codificação
Se quiseremos representar informação que pode ter um de doisvalores então usamos binário
Se no entanto a informação tiver mais que dois valores entãotemos que codificar essa informação
Exemplo
Elevador num edifício com 6 pisos: 2 caves, o r/c e mais 3 andares.Como codificar a informação sobre em que piso está o elevador?Do 0 até 5?Distinguindo os andares de cima dos da cave?Com restrições: dois bits a um, dois bits a zero?
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 29
Codificação
Código
Correspondência entre as entidades a representar e a sua codificação
Palavra do código
Cada uma das configurações
Comprimento do código
Número de bits da palavra do código
Importante: Não pode haver codificações repetidas!
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 30
Códigos Numéricos
Base 2 serve normalmente para representar números
Código binário natural
Mas pode haver necessidade de outro tipo de representação
Codificar algarismos decimais - 710 = 0111BCD
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 31
Códigos Refletidos
Também conhecidos como código de Grey
Em dois números sucessivos apenas sealtera 1 bit
Número Grey
0 0000
1 0001
2 0011
3 0010
4 0110
5 0111
6 0101
7 0100
8 1100
9 1101
10 1111
11 1110
12 1010
13 1011
14 1001
15 1000
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 32
Códigos Alfanuméricos
Como representar texto em sistemas digitais?
Solução: codificar cada caracter
Um dos códigos mais usados é o ASCII (American Standard Code forInformation Interchange)
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 33
ASCII
b6b5b4
000 001 010 011 100 101 110 111b3b2b1b0 0h 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h
Simbolos Letras LetrasControlo Números Maiusculas Minusculas
0000 0h NUL DLE SP 0 @ P ‘ p0001 1h SOH DC1 ! 1 A Q a q0010 2h STX DC2 " 2 B R b r0011 3h ETX DC3 # 3 C S c s0100 4h EOT DC4 $ 4 D T d t0101 5h ENQ NAK % 5 E U e u0110 6h ACK SYN & 6 F V f v0111 7h BEL ETB ’ 7 G W g w1000 8h BS CAN ( 8 H X h x1001 9h HT EM ) 9 I Y i y1010 Ah LF SUB * : J Z j z1011 Bh VT ESC + ; K [ k {1100 Ch FF FS , < L \ l |1101 Dh CR GS − = M ] m }1110 Eh SO RS . > N ^ n ~1111 Fh SI US / ? O _ o DEL
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 34
Páginas da Web
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 35
UTF-8
Número de caracteres Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4
27 = 128 0XXXXXXX211 = 2048 110XXXXX 10XXXXXX216 = 65536 1110XXXX 10XXXXXX 10XXXXXX
221 = 2097152 1110XXXX 10XXXXXX 10XXXXXX 10XXXXXX
Número de bytes Alfabetos
1 ASCII2 Derivados do Latim, Grego, Cirílico, Hebráico, Árabe, etc3 Restantes caracteres, ...4 Alfabetos antigos, ...
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 36
Representação Digital da Informação
1 bit não é suficiente para representar informação. Agrupam-sepor isso os bits em unidades de maior capacidade
Conjunto de 4 bits - nibble
Conjunto de 8 bits - byte ou octeto
palavra - unidade mínima processada ou armazenada pelosistema
Pode ser 4, 8, 16 (caso do P3) ou outra qualquer - 16 é o maiscomum
RepresentaçãoMúltiplo Potência em base 10 Denominação
1k 210 1 024d Kapa1M 220 1 048 576d Mega1G 230 1 073 741 824d Giga1T 240 1 099 511 627 776d Tera
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 37
Sumário
Básculas
Registos
Bancos de Registos
Memórias
Códigos Numéricos e Alfanuméricos
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 38
Referências
Arquitectura de Computadores: dos Sistemas Digitais aosMicroprocessadores,
G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira,Secções 1.3, 1.4 e 6
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 39
Próxima Aula
Circuitos Sequenciais (cont.)
José Costa (DEI/IST) Circuitos Sequenciais I 40