MC 542 Organizao de Computadores Teoria e Prtica

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MC 542 Organização de Computadores Teoria e Prática 2006 Prof. Paulo Cesar Centoducatte@ic. unicamp.

MC 542 Organização de Computadores Teoria e Prática 2006 Prof. Paulo Cesar Centoducatte@ic. unicamp. br www. ic. unicamp. br/~ducatte MC 542 1 S 2006 2. 1

MC 542 Circuitos Lógicos Tecnologia de Implementação “Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design”

MC 542 Circuitos Lógicos Tecnologia de Implementação “Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design” - (Capítulo 3) MC 542 1 S 2006 2. 2

Tecnologia de Implementação Sumário • • • Introdução Transistor Como Chave Portas Lógicas NMOS

Tecnologia de Implementação Sumário • • • Introdução Transistor Como Chave Portas Lógicas NMOS Portas Lógicas CMOS • • • Chips Padrões Gate Array e FPGAs CMOS: Fabricação e Comportamento – MC 542 Lógica Positiva e Negativa 1 S 2006 2. 3

Introdução Valores Lógicos como Voltagem MC 542 1 S 2006 2. 4

Introdução Valores Lógicos como Voltagem MC 542 1 S 2006 2. 4

Transistor como Chave MOSFET: Metal oxide semiconductor field-effect transistor x = "low" x =

Transistor como Chave MOSFET: Metal oxide semiconductor field-effect transistor x = "low" x = "high" A simple switch controlled by the input x Gate Source Drain Substrate (Body) MOSFET: NMOS e PMOS NMOS transistor VG VS VD Simplified symbol for an NMOS transistor MC 542 NMOS transistor as a switch 1 S 2006 2. 5

Transistor como Chave x = "high" x = "low" A switch with the opposite

Transistor como Chave x = "high" x = "low" A switch with the opposite behavior of Figure 3. 2 Gate Drain Source VDD Substrate (Body) PMOS transistor VG VS VD Simplified symbol for an PMOS transistor MC 542 PMOS transistor as a switch 1 S 2006 2. 6

Comportamento dos Transistores NMOS e PMOS em Circuitos VD VD = 0 V VD

Comportamento dos Transistores NMOS e PMOS em Circuitos VD VD = 0 V VD VG VS= 0 V Transistor NMOS VS= VDD Closed switch when VG = VDD Open switch when VG = 0 V VDD VG VD Transistor PMOS MC 542 VD Open switch when VG = VDD VD = VDD Closed switch when VG = 0 V 1 S 2006 2. 7

Portas Lógicas com NMOS VDD x f R R 5 V + Vf Vf

Portas Lógicas com NMOS VDD x f R R 5 V + Vf Vf - Vx Vx x Circuit diagram Graphical symbols f Simplified circuit diagram A NOT gate built using NMOS technology MC 542 1 S 2006 2. 8

Portas Lógicas com NMOS (NAND) VDD x 1 x 2 f x 1 0

Portas Lógicas com NMOS (NAND) VDD x 1 x 2 f x 1 0 0 1 1 Vf Vx 1 Vx 2 x 1 x 2 Circuito MC 542 x 2 0 1 f 1 1 1 0 f Símbolo grafico Tabela Verdade 1 S 2006 2. 9

Portas Lógicas com NMOS (NOR) MC 542 1 S 2006 2. 10

Portas Lógicas com NMOS (NOR) MC 542 1 S 2006 2. 10

Portas Lógicas com NMOS (AND) VDD Vf Vx 1 Vx 2 MC 542 x

Portas Lógicas com NMOS (AND) VDD Vf Vx 1 Vx 2 MC 542 x 1 x 2 f x 1 x 2 0 0 0 1 1 A x 1 x 2 f 0 0 0 1 f 1 S 2006 2. 11

Portas Lógicas com NMOS (OR) MC 542 1 S 2006 2. 12

Portas Lógicas com NMOS (OR) MC 542 1 S 2006 2. 12

Estrutura de um circuito NMOS MC 542 1 S 2006 2. 13

Estrutura de um circuito NMOS MC 542 1 S 2006 2. 13

Estrutura de um Circuito CMOS (NMOS + PMOS) A função é implementada por uma

Estrutura de um Circuito CMOS (NMOS + PMOS) A função é implementada por uma rede Nmos e uma Pmos simultaneamente MC 542 1 S 2006 2. 14

NOT CMOS VDD T 1 Vx Vf T MC 542 x T 2 f

NOT CMOS VDD T 1 Vx Vf T MC 542 x T 2 f 0 1 on off on 1 0 1 T 2 1 S 2006 2. 15

NAND CMOS f = x 1 + x 2 PUN PDN f = x

NAND CMOS f = x 1 + x 2 PUN PDN f = x 1. x 2 MC 542 1 S 2006 2. 16

NOR CMOS f = x 1. x 2 PUN PDN f = x 1+x

NOR CMOS f = x 1. x 2 PUN PDN f = x 1+x 2 MC 542 1 S 2006 2. 17

AND CMOS MC 542 1 S 2006 2. 18

AND CMOS MC 542 1 S 2006 2. 18

Exemplo: Circuito Complexo f = x 1 + x 2 x 3 MC 542

Exemplo: Circuito Complexo f = x 1 + x 2 x 3 MC 542 1 S 2006 2. 19

Exercício Qual a função implementada por: f = x 1 (x 2 x 3

Exercício Qual a função implementada por: f = x 1 (x 2 x 3 + x 4) MC 542 1 S 2006 2. 20

Níveis de Tensão no Circuito Tensão no circuito MC 542 1 S 2006 2.

Níveis de Tensão no Circuito Tensão no circuito MC 542 1 S 2006 2. 21

Lógica Positiva e Negativa V V x 1 x 2 L L H H

Lógica Positiva e Negativa V V x 1 x 2 L L H H L H V f H H H L Níveis de Tensão x x 1 2 f 0 0 1 1 1 0 0 1 x 1 x 2 f Logica Positiva: Tabela Verdade e Porta x x 1 2 f 1 1 0 0 0 1 1 0 x 1 x 2 f Logica Negativa: Tabela Verdade e Porta MC 542 1 S 2006 2. 22

Lógica Positiva e Negativa V V x 1 x 2 L L H H

Lógica Positiva e Negativa V V x 1 x 2 L L H H L H V x x 1 2 f 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 x 2 f f L L L H Níveis de Tensão Logica Positiva: Tabela Verdade e Porta x x 1 2 f 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 x 1 x 2 f Logica Negativa: Tabela Verdade e Porta MC 542 1 S 2006 2. 23

Chips Padrões Dual-inline package VDD Gnd Structure of 7404 chip MC 542 1 S

Chips Padrões Dual-inline package VDD Gnd Structure of 7404 chip MC 542 1 S 2006 2. 24

VDD 7404 7408 x 1 x 2 x 3 7432 f Implementation of f

VDD 7404 7408 x 1 x 2 x 3 7432 f Implementation of f = x 1 x 2 + x 2 x 3 MC 542 1 S 2006 2. 25

Sea-of-gates Gate Array MC 542 1 S 2006 2. 26

Sea-of-gates Gate Array MC 542 1 S 2006 2. 26

Gate Array MC 542 1 S 2006 2. 27

Gate Array MC 542 1 S 2006 2. 27

FPGA Field-Programmable Gate Array Interconnection switches I/O block Logic block I/O block MC 542

FPGA Field-Programmable Gate Array Interconnection switches I/O block Logic block I/O block MC 542 1 S 2006 2. 28

FPGA: Logic Block LUT – lookup table x 1 0/1 f 0/1 x 2

FPGA: Logic Block LUT – lookup table x 1 0/1 f 0/1 x 2 (a) Circuit for a two-input LUT x 1 x 2 f 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 (b) f 1 = x 1 x 2 + x 1 x 2 x 1 1 0 0 f 1 1 x 2 MC 542 (c) Storage cell contents in the LUT 1 S 2006 2. 29

FPGA LUT x x 1 2 0/1 0/1 f 0/1 0/1 x MC 542

FPGA LUT x x 1 2 0/1 0/1 f 0/1 0/1 x MC 542 3 1 S 2006 2. 30

FPGA Select Out Flip-flop In 1 In 2 D LUT Q In 3 Clock

FPGA Select Out Flip-flop In 1 In 2 D LUT Q In 3 Clock MC 542 1 S 2006 2. 31

FPGA MC 542 1 S 2006 2. 32

FPGA MC 542 1 S 2006 2. 32

CMOS: Fabricação e Comportamento Transistor Nmos - off V G = 0 V Si.

CMOS: Fabricação e Comportamento Transistor Nmos - off V G = 0 V Si. O V S 2 = 0 V VD ++++++ ++++++ ++++++ +++++++++++ Substrate (type p)+++++ Source (type n) MC 542 Drain (type n) When V GS = 0 V, the transistor is off 1 S 2006 2. 33

CMOS: Fabricação e Comportamento Transistor Nmos - on VDD VG = 5 V Si.

CMOS: Fabricação e Comportamento Transistor Nmos - on VDD VG = 5 V Si. O 2 VS = 0 V VD = 0 V ++++++ ++++++++++++ ++ ++++++++++ Channel (type n) When VGS = 5 V, the transistor is on MC 542 1 S 2006 2. 34

Transistor Nmos I D Triode 0 MC 542 V GS – V T Saturation

Transistor Nmos I D Triode 0 MC 542 V GS – V T Saturation VDS Current-voltage relationship in the NMOS transistor 1 S 2006 2. 35

Tensões em um Not Nmos VDD R Vf Vx (a) NMOS NOT gate MC

Tensões em um Not Nmos VDD R Vf Vx (a) NMOS NOT gate MC 542 I stat V f = V OL RDS (b) Vx = 5 V 1 S 2006 2. 36

Transferência de Voltagem Not Cmos Vf V OH = V DD Slope = –

Transferência de Voltagem Not Cmos Vf V OH = V DD Slope = – 1 V OL = 0 V VT MC 542 V IL V IH V DD — 2 ( V DD – V T ) V DD Vx 1 S 2006 2. 37

Margem de Ruído e Capacitância N 1 x NML = VIL - VOL N

Margem de Ruído e Capacitância N 1 x NML = VIL - VOL N 2 A f NMH = VOH - VIH NOT gate driving another NOT gate VDD VA Vx Vf C MC 542 The capacitive load at node A 1 S 2006 2. 38

Margem de Ruído e Capacitância VDD Vx 50% Gnd Propagation delay VDD 90% VA

Margem de Ruído e Capacitância VDD Vx 50% Gnd Propagation delay VDD 90% VA 90% 50% Gnd MC 542 10% tr 10% tf 1 S 2006 2. 39

Transistor MOS MC 542 1 S 2006 2. 40

Transistor MOS MC 542 1 S 2006 2. 40

Consumo de Potência VDD Vx ID Vf Vx Current flow when input Vx changes

Consumo de Potência VDD Vx ID Vf Vx Current flow when input Vx changes from 0 V to 5 V changes from 5 V to 0 V MC 542 1 S 2006 2. 41

Passagem de 1 s e 0 s em MOS VDD B A transistor NMOS

Passagem de 1 s e 0 s em MOS VDD B A transistor NMOS MC 542 transistor PMOS 1 S 2006 2. 42

Implementação “pobre” de um AND CMOS Vf Vx 1 x 2 Vx 2 0

Implementação “pobre” de um AND CMOS Vf Vx 1 x 2 Vx 2 0 0 1 1 VDD AND gate circuit MC 542 Logic value 0 1 Voltage Logic value Vf f 1. 5 V 3. 5 V 0 0 0 1 Truth table and voltage levels 1 S 2006 2. 43

Fan-IN V DD V f R = r 1 + r 2 + ….

Fan-IN V DD V f R = r 1 + r 2 + …. + rk V x 1 V x 2 Atraso Vf “ 0” V x 3 V xk MC 542 1 S 2006 2. 44

Fan-Out N 1 x f To inputs of n other inverters Vf x To

Fan-Out N 1 x f To inputs of n other inverters Vf x To inputs of n other inverters Cn inverter that drives n other inverters Equivalent circuit for timing purposes V f forn =1 VDD V f for n = 4 Gnd 0 Time Propagation times for different values of n MC 542 1 S 2006 2. 45

Buffer VDD Vx Vf Implementation of a buffer x f Graphical symbol MC 542

Buffer VDD Vx Vf Implementation of a buffer x f Graphical symbol MC 542 1 S 2006 2. 46

Tri-state e= 0 x e x f x tri-state buffer f e 0 0

Tri-state e= 0 x e x f x tri-state buffer f e 0 0 1 1 Z Z 0 1 x Truth table MC 542 e= 1 f Equivalent circuit e x 0 1 f f Implementation 1 S 2006 2. 47

Tri-state e f x (a) (b) e e f x (c) MC 542 e

Tri-state e f x (a) (b) e e f x (c) MC 542 e f x (d) 1 S 2006 2. 48

Uso de tri-state x 1 f s x 2 MC 542 1 S 2006

Uso de tri-state x 1 f s x 2 MC 542 1 S 2006 2. 49

Transmission Gates s x f s s f 0 1 Z x Truth table

Transmission Gates s x f s s f 0 1 Z x Truth table Circuit s= 0 x x s= 1 x f=x Equivalent circuit MC 542 s f=Z f s Graphical symbol 1 S 2006 2. 50

XOR x 1 x 2 0 0 1 1 f = x 1 Å

XOR x 1 x 2 0 0 1 1 f = x 1 Å x 2 0 1 Truth table 0 1 1 0 x 1 x 2 f = x 1 Å x 2 Graphical symbol x 1 x 2 f = x 1 Å x 2 MC 542 1 S 2006 2. 51

XOR – Transmission Gate x 1 x 2 f = x 1 Å x

XOR – Transmission Gate x 1 x 2 f = x 1 Å x 2 MC 542 1 S 2006 2. 52

Mux – Transmission Gate x 1 s x 2 MC 542 f 1 S

Mux – Transmission Gate x 1 s x 2 MC 542 f 1 S 2006 2. 53