IAIK – Institut für Angewandte Informationsverarbeitung ... · Input/Output . 2 IAIK –...

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IAIK – Institut für Angewandte Informationsverarbeitung und Kommunikationstechnologie

Professor Horst Cerjak, 19.12.2005 1

T Nad, KC Posch Vorlesung 2012 Teil D1: Hardware from below

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O R

echnernetze und -Organisation

Rechnernetze und -Organisation

Teil D1: Hardware from below 2012

Tomislav Nad Karl C. Posch

www.iaik.tugraz.at/content/teaching/bachelor_courses/rechnernetze_und_organisation/

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Contents of lecture

TOY x86

Networks Hardware,

Stack, Input/Output

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Contents

•  Combinational functions •  Feedback, storage, and finite state automata •  How to build a RAM? •  Datapath and microcode

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Electrical circuits and schematics

CIRCuit = SchaltKREIS

+

-Erde, Masse, „0 Volt“, „0“

„1 Volt“, „1"

LampeBatterie

3

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Electrical circuits and schematics

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Switches: switch on and switch off

Symbol for “switch”

out1 = f(in1)

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Logisim

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echnernetze und -Organisation

Logisim

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+

-Erde, Masse, „0 Volt“, „0“

„1 Volt“, „1"

Lampe L

Batterie

Schaltermein_schalter

1

0

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Timing diagrams

time

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How many different functions are possible

Inverter

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Testing an inverter

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The internals of an inverter in MOS technology

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Inverter

+

-Erde, Masse, „0 Volt“, „0“

„1 Volt“, „1"

Lampe L

Schaltermein_schalter

1

0

Inverter

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Another logic function: AND

out = in1 & in2

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Other popular gates

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Other logic functions

a! b! c! s!0! 0! 0! 0!0! 0! 1! 1!0! 1! 0! 1!0! 1! 1! 0!1! 0! 0! 1!1! 0! 1! 0!1! 1! 0! 0!1! 1! 1! 1!

Caution: This table is wrong In your document.

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Arithmetic: Adding 2 bits – “half adder”

carry = a & b sum = a ^ b sum = (a + b) mod 2

sum

carry

a b

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Adding 3 bits: “full adder”

carry = (a & b) | (a & c) | (b & c) sum = a ^ b ^ c

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A full adder (version 1)

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Adding 1: “Increment”

out0 = ~in0 out1 = in0 ^ in1 out2 = (~in0 & in1 & in2) | (in2 & ~in1) | (in0 & in1 & ~in2)

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Increment (version 1)

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Increment (version 2)

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2-to-1 multiplexer: If-then-else

if (sel == 0) then q = d0;

else q = d1;

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Feedback, storage, and finite state automata

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Latch

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2 latches and 1 inverter make a flipflop

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The problem with the initial state

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Counter

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State diagram out = 0

out = 1

out = 2

out = 3

out = 4

out = 5

out = 6

out = 7

000

001

010

011

100

101

110

111

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Example “Lauflicht”

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Example “Lauflicht”

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State diagram of “Lauflicht” L0

L1

L2

L3

L4

L3

L2

L1

000

001

010

011

100

101

110

111

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“Lauflicht” with start/stop

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State diagram L0 000

111

en

L1en

L2en

L3en

001

010

011

10

1

1

1

0

0

0

L4 100en

L3en

L2en

L1en

101

110

10

1

1

1

0

0

0

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Splitter

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Moore and Mealy: 2 types of automata

Next-State-Logik

Output-LogikD Q

reset

reset clk

in out

Next-State-Logik

Output-Logik

D Q

reset

reset clk

in out

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Your turn now: A traffic light

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A RAM

Let’s start with a flipflop:

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4-times-4 bit RAM

4x4-RAM

din

wr_addr

rd_addr

wr

dout

clk

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A register with a load input

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A 4-bit register (with load input)

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A 4-to-1 multiplexor

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A decoder for decoding the address

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The complete 4*4-bit RAM D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

D Q

ld

00

01

10

11wr_addr

write

rd_addr

dout

din

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What is this?

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Aha, we are having a RAM

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This is cool

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More on adding: A 4-bit adder

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A register file with 2 read ports

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The datapath

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Microcode

Microcode! din! ld_din! wr! wr_addr! rd_addrA! rd_addrB!

ld R0, 3! 0011! 1! 1! 00! 00! 00!

R1 ! R0 + R0! XXXX! 0! 1! 01! 00! 00!

out R1! XXXX! 0! 0! XX! 01! XX!

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A program 0: ld R0, 1 goto 1 // Lade R0 mit 1 und gehe weiter zu Zeile 1 1: ld R1, 2 goto 2 // Lade R1 mit 2 und gehe weiter zu Zeile 2 2: R2 ! R0 + R1 goto 3 // Lade R2 mit dem Wert R1 + R2,

// gehe weiter zu Zeile 3 3: R3 ! R2 + R0 goto 4 4: out R0 goto 5 // schalte R0 auf den Ausgang,

// weiter mit Zeile 5 5: out R1 goto 6 6: out R2 goto 7 7: out R3 goto 4 // schalte R3 auf den Ausgang,

// weiter mit Zeile 4

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The controller

Next-State-Logik

Output-Logik für

dinD Q

clk

start dp_din

Output-Logik für

control_wordcontrol_word

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echnernetze und -Organisation

Controller

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Controller + datapath

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What should you know by now?

•  Electrical circuit •  Switch •  Ground •  Combinational function •  Inverter •  Truth table •  MOS technology •  AND, NAND, OR, NOR,… •  Half adder, full adder •  Carry & sum •  Look-up table •  Increment •  multiplexor

•  Feedback & storage •  Finite-state automaton •  Latch and flipflop •  State, initial state •  Counter •  State diagram •  Output of a finite-state machine •  Next-state logic function •  Moore machine & Mealy machine •  RAM •  Register with load input •  Decoder, address decoder •  N-bit adder

Understand the terms; understand the connections between them; be able to operate with them: