Arquitetura de Computadores: Memórias - Nível lógico
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ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MEMÓRIAS: NÍVEL LÓGICO
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
• A nivel de circuito digital:
• Bit 0 = varia entre 0 e 0,5 volts• Bit 1 = varia entre 1 e 1,5 volts
• Um transistor pode funcionar como um comutador binário muito rápido
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
• O transistor bipolar tem três conexões– Coletor – Base– Emissor
• Em um circuito inversor (porta NOT):– Quando Vin está abaixo de certo valor, o
transistor desliga e Vout assume um valor próximo de 1,5V (Vcc)
– Quando Vin excede certo valor, o transistor liga e Vout assume um valor próximo de 0V (Terra)
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
Vin = tensão de entrada
Vout = tensão de saída
Vcc = entrada de energia elétrica (tensão)
Terra = sem tensão ou energia elétrica
Resistor: necessário para limitar a quantidade de corrente drenada pelo transistor, de modo que ele não queime!
Tempo para ir de um estado para o outro (ou seja, de 0 para 1): 1ns ou menos!
Transistor
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
Um transistor bipolar implementado. Você pode comprá-lo em lojas de eletrônica.
Esquema Digital
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
• PORTA NAND
• Dois transistores ligados em série;
• Se V1 e V2 forem tensões altas, ambos os transistores conduzirão energia elétrica e Vout cairá para zero.
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
PORTA NAND
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
• PORTA NOR
• Dois transistores ligados em paralelo;
• Se qualquer uma das entradas for alta, o transistor correspondente ligará e conectará a saída com o terra.
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
Observação: • Portas NAND e NOR requerem apenas dois transistores• Portas AND e OR requerem três transistores. É necessário incluir um circuito inversor
nessas portas para que a saída seja a desejada.• Esse é o motivo que leva à construção de computadores baseados apenas em portas
NAND e NOR (menos transistores)
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
• Observações
–BIPOLAR–MOS: semicondutor de óxido metálico– TTL: lógica transistor-transistor– ECL: lógica de emissor acoplado
– Porque usar MOS se a ECL e a TTL são mais rápidas?
O NÍVEL MAIS BAIXO: TRANSISTORES
• Vantagens da utilização da tecnologia MOS:
–Exigem bem menos energia elétrica;–Ocupam um espaço muito menor;–Grande parte pode ser empacotada
ou compactada;–Variedades: PMOS, NMOS e CMOS;
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Portas lógicas não são fabricadas nem vendidas de forma individual, mas sim em módulos, unidades, que são denominadas CIRCUITOS INTEGRADOS;
• É quadrado ou retangular de silício de tamanho variado, montados em pacotes de plástico ou cerâmica;
CIRCUITOS INTEGRADOS
• EXEMPLO:
• DIP: dual inline packages ou pacotes duos em linha. Podem ter 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 40, 64 ou 68 pinos, entre eles, um para o terra, um para fonte de energia e vários para entrada e saída;
• 1 chip tem mais de 1 milhão de transistores
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Exemplo:
• Quero construir um chip que contenha 500 milhões de portas NAND;
• Seriam necessários 1.500.000.002 pinos (mais de um bilhão de pinos);
• Espaço-padrão entre pinos: 1 milímetro;
• Tamanho real do chip a ser projetado usando Lang Grid Arrays (LGAs): 38 metros
• Isso é viável?
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Circuitos combinatórios: circuito com múltiplas entradas e múltiplas saídas, no qual as saídas são determinadas exclusivamente pelas entradas em questão. É um circuito para uso geral.
• Multiplexador: é um circuito combinatório. É um circuito com 2n entradas de dados, uma saída de dados e n entradas de controle que selecionam uma das entradas de dados.
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Demultiplexador: é o circuito combinatório inverso do multiplexador;
• Em suma, um mutiplexador/demultiplexador, é um dispositivo que codifica as informações de duas ou mais fontes de dados num único canal;
• Decodificador: toma um número n de bits como entrada e o usa para selecionar exatamente uma das 2n linhas de saída.
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Decodificador: é o circuito combinatório inverso do codificador;
• Em suma, um codificador/decodificador, codifica um sinal que se encontra em uma forma para outra forma, usando um tipo de código;
• Comparadores: é um circuito combinatório que compara duas entradas e gera uma saída.
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Circuitos Aritméticos: é um circuito combinatório de uso aritmético;
• Deslocador: é um circuito aritmético que trabalha com deslocamento de bits;
• O deslocamento de bits é uma operação elementar de lógica binária que consiste na rotação de um conjunto de bits de um byte (8 bits) ou de uma palavra (16 bits).
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Somadores: circuito aritmético para soma e subtração, essencial para toda e qualquer CPU;
• Meio-somador: não trata o “vem-um” (carry in);
• Somador Completo: composto de dois meio-somadores. Trata o “vai-um” (carry out) e o “vem-um”.
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Unidade Lógica Aritmética: é um circuito integrado combinatório aritmético;
• Efetua AND, OR e soma de duas palavras de máquina;
• Para palavras de n bits, é composto de n circuitos idênticos para as posições individuais de bits.
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Calcula: –A and B; (multiplicação booleana)–A or B; (soma booleana)–B negado;–A + B; (soma aritmética)
• Também possui um circuito decodificador e um circuito somador completo;
CIRCUITOS INTEGRADOS
CIRCUITOS INTEGRADOS
CIRCUITOS INTEGRADOS
CIRCUITOS INTEGRADOS
ULA de 1 bit
MEMÓRIA DE 1 BIT
• Circuito que se lembre de valores de entrada anteriores;
• Construido com base em duas portas NOR;
• Podem também ser construídos com portas NAND;
• O circuito é denominado LATCH SR. Latch significa algo como fecho ou travo. S significa setting (ativa o latch) e R resetting (restaura ou libera o latch).
LATCH SR
LATCH D
• É uma memória de 1 bit com apenas uma entrada, denominada D;
• O valor armazenado sempre estará disponível na saída Q;
• É composta por portas AND e NOR;
• Requer 11 transistores;
• Sua característica principal de funcionamento é transferir para a saída Q o valor da entrada de dados D sempre que CLK for 1, e manter o mesmo estado na saída se CLK for 0.
LATCH D
FLIP FLOP
• A transição de estado não ocorre quando o CLOCK é 1, mas durante transição de zero para um (borda ascendente), ou de um para zero (borada descendente)
• Diferença entre um FLIP FLOP e um LATCH: o LATCH é disparado pelo nível, enquanto que o FLIP FLOP é disparado pela borda. O disparo faz a mudança do estado do circuito.
FLIP FLOP
FLIP FLOP
Figura a) LATCH: O estado é carregado quando o CLOCK é 1
Figura b) LATCH: o CLOCK costuma ser 1, mas cai para 0 momentaneamento para carregar o estado a partir de D
Figura c) FLIP FLOP: muda de estado na borda ascendente do pulso do clock (transição de 0 para 1)
Figura d) FLIP FLOP: muda de estado na borda descendente do pulso do clock (transição de 1 para 0)