Hovedpunkter. Digital Teknologi. Digitale Teknologi? Digitale Teknologi? Forelesning nr 1. Tall som kun er representert ved symbolene 0 og 1

Transkript

1 3 Digital Teknologi Forelesning nr Digitale Teknologi? Teknologi som opererer med digitale signaler, eller diskrete data. Vi skal se at det er mange fordeler med digitale systemer 4 Desimale / binære tall Hovedpunkter Digital hardware-representasjon Binær koding av bokstaver og lyd Boolsk algebra Digitale byggeblokker / sannhetstabell Generelle porter Fysisk innpakning Digitale Teknologi? Som oftest basert på Binære tall (ord): Tall som kun er representert ved symbolene og Digitale signaler: Sekvenser av binære tall i tid. Hvert tall kan bestå av ett eller flere bit,,, ---, Bit Binært tall Digitale system: System som håndterer digitale signaler tid

2 5 7 Den digitale revolusjon Digitale systemer CPU Datamaskinen Internett Den digitale revolusjon 3 lage små avanserte systemer. Eksempler: Fysiske widgets Kroppsmonitorering Internet of Things (IoT). Osv... Pillekamera 6 8 Den digitale revolusjon Digitale systemer overtar for analoge systemer Eksempler: Stereoanlegg (CD / vinylplate) Video (DVD / VHS) Foto (digitale kamera / 35mm) Mobiltelefon (GSM) Radio (DAB / FM) osv... Den digitale revolusjon 4 Silisium er biokompatibelt. Braingate USA 8 chip

3 Den digitale revolusjon 5 Sammensmelting av mikroelektronikk og nanoteknologi 9 Hva blir forskjellen på maskin og biologi? Det digitale egget Verden vi lever i er stort sett analog Skal vi bruke digitale system til å håndtere analoge fenomen trenger vi en Analog-til-Digital konverter + en Digital-til-Analog konverter ADC DAC Analogt signal inn Digitalt System Analogt signal ut Analog verden Hvorfor er digitale system bedre enn analoge system? Tapsfri lagring signaler (kopiering) Tapsfri signalbehandling Kraftigere muligheter for manipulering (filtrering) Enklere design Billigere Lydinnspilling 9

4 3 5 Transistoren 947 Bell labs. William Shockley Erstattet store og. Kan fungere som av/på bryter. Mikroelektronikk Den egentlige årsaken til teknologiutvikling Integrerte kretser Texas Instruments 958 germanium Fairchild Intel 968 Kanskje tidenes mest imponerende og viktigste industrielle revolusjon Jak S. Kilby Andy Grove Robert Noyce Gordon Moore 4 6 Transistoren kan vi benytte for å slå av og på Spenningen på B kontrollerer mellom C og E Tillsvarende som en vannkran. Billigere Mulighet for å lage store digital systemer.

5 Intel 44, mikro-chip 97 3 transistorer 8kHz klokke max 648 byte minne 4 bit bus 7 7 Digital krets, ca. x zoom Transistor 9 9nm Pentium 4 Ca. 8 >4 transistorer >3GHz klokke 9-8 nm 7 AMD EPYC 74P - 4-core server CPU 9,,, transistorer 4 nm teknologi, fortsatt 3GHz 8 Moores lov 965 Antall transistorer per chip dobles hver 8. mnd. Sett en eksponensiell vekst, men har begynt å avta. 5: I see here in the next decade or so.

6 3 Produksjon Silisium wafer Identiske chips ferdige til å sages Dyr prosess, men billig dersom man masseproduserer. Definisjoner VLSI (Very-Large-Scale-Integrated- Circuits) Mer enn porter på samme chip LSI (Large-Scale-Integrated-Circuits) SSI (Small- Scale-Integrated-Circuits) 4 Smartelefoner overtar utviklingen? Selges mer smarttelefoner enn PCer. Mye av utviklingen skjer derfor mye innen mobilmarkedet. Statig raskere, men også integrasjon av nye Digitale designmetoder I Hardware-basert design: SSI design (Smale-scale integration) Setter sammen SSI pakker på kretskort FPGA (Field Programmable Gate Array) Programmerbar logikk, eks. Xilinx, Altera, osv.. ASIC (Application Specified Integrated Circuit) Skreddersydd logikk (designer på transistor nivå) spesialfunksjoner / pris / kombinert analog-digital / andre spesielle formål 4

7 5 7 Digitale designmetoder II Software kombinert med generell hardware: MicroController (uc) brikke (datamaskin på en brikke) DSP (Digital Signal Processor) Microcontroller spesialbygd for rask signalbehandling, eks. video, audio, osv.. PC / smarttelefon passende I/O Desimale tall Et desimalt tall er representert ved symbolene,,,... 9 Kodingen er posisjons bestemt. titallsystemet. (739) dec = Tallsystemer Binære tall Tall må generelt ikke representeres ved symboler (antall fingre) binære tall Et binært tall er representert ved symbolene og Kodingen er posisjons bestemt () bin = + + () bin = (5) des

8 9 3 Binær telling Tilrådighet: symbolene, Tallet 3 Binær rep. Desimal rep. Tilrådighet: symbolene,,,3,4,5,6,7,8,9 3 Tallet Heksadesimale tall Et heksadesimalt tall er representert ved symbolene,,,... 8, 9, A, B, C, D, E, F - Kodingen er posisjonsbetinget med grunntall 6 (B9) heks = (B9) heks = (697) des 3 3 Oktale tall Et oktalt tall er representert ved symbolene,,,... 7 Kodingen er posisjonsbetinget med grunntall 8 (5) okt = (5) okt = (7) des Oktal og heksadesimal telling Heksadesimal A B C D E F 3 4 Desimal Oktal Binær Tallet () des

9 Konvertering fra grunntall r til desimal Generelt: (...a a a,a - a -...) r =... + a r + a r + a r + a - r - + a - r (A5,C) 6 = = (4,33) des 33 Konvertering fra desimal til binær Konverter tallet (4) des til binær 4/ = + / a = LSB / = + / a = / = 5 + / a = 5/ = + / a 3 = / = + / a 4 = / = + / a 5 = Dermed: (4) des = () bin Konvertering fra desimal til binær Prosedyre:. Del det desimale tallet på. Resten etter divisjon, multiplisert med blir LSB 3. Del det nye desimale tallet på 4. Resten etter divisjon, multiplisert med blir neste bit 5. Osv. Konvertering fra desimal til grunntall r Gjenta prosedyren fra forrige side. Bytt ut grunntallet med r. Resten multiplisert med r blir det aktuelle sifferet

10 37 39 Digital hardvare-representasjon To «historiske» eksempler Hullkort eller representeres ved hull i gitte områder. CD plate eller representeres ved refleksjon av lys i ett gitt område. Det binære tallsystemet er en effektiv utnyttelse av plassen når man kun har to kombinasjoner. Digital representasjon Alt kan kodes som binære tall Bokstaver ASCII Table (7-bit) American Standard Code for Information Interchange 38 4 Digital hardvare-representasjon PC og andre elektroniske systemer: representeres ved 5V på en ledning representeres ved V på samme ledning Harddisk: representeres ved tilstedeværelse av magnetisk felt i ett gitt område representeres ved fravær av magnetisk felt i samme område Tilsvarende for SSD (Solid-State Drive) Digitale systemer Alt kan kodes som binære tall Lyd Sampling og kvantisering

11 4 43 Digitale systemer På samme måte kan vi representere alle slags dokumenter, bilder, videor osv. Men for å kunne behandle binære data effektivt Binær logikk og boolsk algebra. Binær logikk eksempel: / kan tolkes som Sannhetstabell OR X Y Z X Y Z X Y Alle disse portene kan vi lage ved å sette sammen transistorer på forskjellige måter Binær logikk - boolsk algebra Definerer: Variable: og, og binære operasjoner. Ender opp med en fullverdig algebraisk struktur Definerte basis operasjoner: OR + Ved å kombinerer disse 3 operasjonene kan vi lage alle mulige digitale funksjoner Sannhetstabell Enda et par vanlige byggeblokker: X Y Z X Y Z

12 45 47 Sannhetstabell Den siste, vanlige byggeblokken XOR X Y Z Generelle porter Kan sette sammen -inputs porter til fler-inputs porter 3- A B C F inputs byggeblokker oversikt SSI - Fysisk innpakning SSI Small scale Integration Overflate-montert Hull-montert

13 49 5 SSI - fysisk innpakning kretsen CD74HC8 - Spenningsforsyning: Vcc eller Vdd = 5V Jord: Gnd eller Vss = V SSI teknologi To vanlige teknologier: TTL (transistor-transistor logikk) Bipolare transistorer Standard TTL (54/74), LS, F,S,AS CMOS logikk (Complementary MetalOxide Semiconduktor) Mos transistorer Standard 4, HC, AC, LV og HCT, ACT 5 5 Vanlige pakker,3 input OR input XOR Logiske inngangsnivå Hvilke inngangsspenninger oppfatter en port som og? Volts A,B TTL: V IH = V (min) V IL =.8V (max) CMOS: V IH = 3.3V (min) V IL =.5V (max) CMOS (HCT/ACT): V IH og V IL som for TTL V IH V IL

14 LSI - Fysisk innpakning LSI Large Scale Integration Programmerbar logikk 8 frie porter Flatpack 53 VLSI - Fysisk innpakning VLSI Large Scale Integration Intel Pentium4 Overside Underside 55 VLSI - Fysisk innpakning VLSI Large Scale Integration Flash-minne FUJITSU 54 Flatpack Oppsummering Desimale / binære tall Digital hardvare-representasjon Binær koding av bokstaver og lyd Boolsk algebra Digitale byggeblokker / sannhetstabell Generelle porter Fysisk innpakning SSI teknologi - CMOS/TTL Logiske inngangsnivå CMOS/TTL 56