Apuntes FAC S3L2 Decodificadores 2023 S2 PDF

Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Decodificador Lección 5 Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Luis Alberto Chavarrı́a Zamora CE1107 Fundamentos de Arquitectura de Compu...

Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Decodificador Lección 5 Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Luis Alberto Chavarrı́a Zamora CE1107 Fundamentos de Arquitectura de Computadores Área de Ingenierı́a en Computadores Tecnológico de Costa Rica II Semestre, 2023 15 de agosto de 2023 Decodificador 1/ 29 Decodificador Contenido Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador 1 Introducción Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) 2 Repaso Glitches o fallos 3 Decodificador 4 Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 2/ 29 Decodificador Retrieval Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Quote: Ïnnovation is everything. When you’re on the forefront, you can see what the next innovation needs to be. When you’re behind, you have to spend your energy catching up.¨ Robert Noyce. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 3/ 29 Decodificador Repaso Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Repaso ¿Qué hemos visto hasta ahora? Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 4/ 29 Decodificador Repaso Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Repaso ¿Qué hemos visto hasta ahora? Temas • Simplificación con mapas K. • Código de Gray. • Siete segmentos. • Multiplexores. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 5/ 29 Decodificador Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Un decodificador tiene N entradas y 2n salidas. Cada salida va a depender de la combinación en la entrada. Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) ¿Cómo se construye un decodificador 2:4? Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 6/ 29 Decodificador Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Un decodificador tiene N entradas y 2n salidas. Cada salida va a depender de la combinación en la entrada. Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) ¿Cómo se construye un decodificador 2:4? Glitches o fallos A1 0 0 1 1 Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto A0 0 1 0 1 Y3 0 0 0 1 Decodificador Y2 0 0 1 0 Y1 0 1 0 0 Y0 1 0 0 0 7/ 29 Decodificador Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Un decodificador tiene N entradas y 2n salidas. Cada salida va a depender de la combinación en la entrada. Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) ¿Cómo se construye un decodificador 2:4? Glitches o fallos A1 0 0 1 1 A0 0 1 0 1 Y3 0 0 0 1 Y2 0 0 1 0 Y1 0 1 0 0 Y0 1 0 0 0 ¿Cómo se construye con solo compuertas AND y NOT? Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 8/ 29 Decodificador Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción A0 A1 Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Y0 Y1 Y2 Y3 Figura 1: Circuito decodificador 2:4 Decodificador 9/ 29 Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Decodificador Los decodificadores se pueden combinar con puertas OR para construir funciones lógicas. La siguiente figura muestra la función XNOR de dos entradas usando un decodificador 2:4 y una sola compuerta OR. En la siguiente figura se tiene Y = ĀB̄ + AB = A ⊕ B. Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto A B Mintérmino AB 00 01 Decodificador 2:4 10 AB̄ ĀB 11 ĀB̄ Y Figura 2: Circuito decodificador 2:4 Decodificador 10/ 29 Decodificador Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Cuando se usan decodificadores para construir lógica, es más fácil expresar funciones como una tabla de verdad o en forma canónica de suma de productos. Se puede construir una función de entrada N con M 1’s en la tabla de verdad con un decodificador N : 2N y una puerta OR de entrada M adjunta a todos los minitérminos que contienen 1’s en la tabla de verdad. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 11/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Cuando se usan decodificadores para construir lógica, es más fácil expresar funciones como una tabla de verdad o en forma canónica de suma de productos. Se puede construir una función de entrada N con M 1’s en la tabla de verdad con un decodificador N : 2N y una puerta OR de entrada M adjunta a todos los minitérminos que contienen 1’s en la tabla de verdad. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 12/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Cualquier diseñador de circuitos digitales atestiguará que uno de los problemas más desafiantes en el circuito el diseño es sincronización: hacer que un circuito corra rápido. Una salida tarda en cambiar en respuesta a un cambio de entrada. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 13/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Cualquier diseñador de circuitos digitales atestiguará que uno de los problemas más desafiantes en el circuito el diseño es sincronización: hacer que un circuito corra rápido. Una salida tarda en cambiar en respuesta a un cambio de entrada. ¿Por qué no es instantáneo? Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 14/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Propagación y retardos por ruido (contaminación) En la siguiente figura se muestra el retraso entre un cambio de entrada y el subsiguiente cambio de salida para un búfer. La figura se llama diagrama de tiempo; representa la respuesta transitoria del circuito amortiguador cuando una entrada cambios. Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Figura 3: Retardo en un búfer Decodificador 15/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos La transición de BAJO a ALTO se llama flanco ascendente. De manera similar, la transición de ALTO a BAJO (que no se muestra en la figura) es llamado borde descendente. La flecha azul indica que el flanco ascendente de Y es causado por el flanco ascendente de A. Medimos el retraso desde el punto 50 % de la señal de entrada, A, al punto del 50 % de la señal de salida, Y. El punto del 50 % es el punto en el que la señal está a la mitad (50 %) entre su Valores BAJO y ALTO a medida que transiciona. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 16/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos La lógica combinacional se caracteriza por su retardo de propagación y retardo de contaminación. El retardo de propagación tpd es el tiempo máximo desde que cambia cualquier entrada hasta que la salida o salidas alcanzan su valor final. El retraso de contaminación tcd es el tiempo mı́nimo desde que cualquier entrada cambia hasta que cualquier salida comienza a cambiar su valor. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 17/ 29 Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Figura 4: Retardo en un búfer Decodificador 18/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Propagación y retardos por ruido (contaminación) Las causas subyacentes de la demora en los circuitos incluyen el tiempo requerido para cargar la capacitancia en un circuito y la velocidad de la luz. tpd y tcd puede ser diferente por muchas razones, incluyendo: • Diferentes retrasos ascendentes y descendentes. • Múltiples entradas y salidas, algunas de las cuales son más rápidas que otras. • Circuitos que se ralentizan cuando están calientes y se aceleran cuando están frı́os. Calcular tpd y tcd requiere profundizar en los niveles inferiores de abstracción. Sin embargo, los fabricantes normalmente proporcionan hojas de datos que especifican estos retrasos para cada compuerta. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 19/ 29 Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Figura 5: Caracterı́sticas compuerta NOR 74LS27 Decodificador 20/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Propagación y retardos por ruido (contaminación) Junto con los factores ya enumerados, la propagación y la contaminación los retrasos también están determinados por la ruta que toma una señal desde la entrada a la salida. Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Figura 6: Circuito con la ruta crı́tica y la ruta más corta Decodificador 21/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos El retardo de propagación de un circuito combinacional es la suma de los retardos de propagación a través de cada elemento en el camino crı́tico. El retraso de contaminación es la suma de los retrasos de contaminación a través de cada elemento en el camino corto. Esto se observa en la siguiente ilustración: Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 22/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Figura 7: Formas de onda de circuito con la ruta crı́tica y la ruta más corta Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 23/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Propagación y retardos por ruido (contaminación) Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Figura 8: Circuito propuesto El circuito anterior se describe con las siguientes ecuaciones: Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto tpd = 2tpd AND + tpd OR tcd = tcd AND Decodificador 24/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Glitches o fallos Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Hasta ahora, hemos discutido el caso en el que una única transición de entrada provoca una única transición de salida. Sin embargo, es posible que una sola transición de entrada pueda causar múltiples transiciones de salida. Estos se llaman fallos o peligros. Aunque los fallos generalmente no causan problemas, es importante darse cuenta de que existen y reconocerlos al observar los diagramas de tiempo. Muchas veces se solucionan mediante la adición de compuertas. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 25/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Glitches o fallos Introducción Repaso C B A Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Y Figura 9: Circuito con posible glitch o fallo Decodificador 26/ 29 Decodificador Sincronización Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Glitches o fallos Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos Figura 10: Mapa K del circuito anterior Se observa cómo según la combinación de 0 y 1, puede existir un retardo diferente. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 27/ 29 Decodificador Referencia Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos • Harris, David Money, and Sarah L. Harris. Digital Design and Computer Architecture. Morgan Kaufmann, 2012. Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 28/ 29 Decodificador Chavarrı́aZamora, Luis Alberto Introducción Repaso Este documento ha sido elaborado con software libre incluyendo LATEX, Beamer, GNU-Make y Git en GNU/Linux Decodificador Sincronización Propagación y retardos por ruido (contaminación) Glitches o fallos © 2023 Luis Alberto Chavarrı́a-Zamora Área de Ingenierı́a en Computadores Instituto Tecnológico de Costa Rica Chavarrı́a-Zamora, Luis Alberto Decodificador 29/ 29