1. I207 Digitaalloogika ja -süsteemid
Peeter Ellervee
TTÜ - ICT
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

2. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Sissejuhatuse asemel
Me kõik teame, et vanasti ...
… oli lumi valgem, taevas sinisem, varblased suuremad, …
Tegelikkus on aga veelgi huvitavam
Ka transistor oli vanasti palju suurem!
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

3. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost ...
“Digitaalarvuti” - ~500 e.m.a. - abakus (abacus)
“Analoogarvuti” lükati (slide rule)
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

4. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost ...
Analoogarvutid
pommitus-arvuti
Norden
astrolaab
[16. saj.]
differentsiaal-analüsaator
[University of Pensylvania, ca 1942]
vesiarvuti
[NSLV 1936]
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

5. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost ...
1642 – Blaise Pascal ( )
liitmismasin
1834 – Charles Babbage ( )
analüütiline masin (analytical engine)
1906 valmistati osa protsessorist (töötas!)
1874 või 1885
Aritmomeeter
Frank S. Baldwin (US)
Willgodt T. Odhner (RU)
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

6. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost ...
Elektromehhaaniline relee – 19. saj.
Elektronlamp – 20. saj. algus
diood - J. A. Fleming [UK]
triood - L. De Forest [US]
1941 (dets.) – V3 (hilisem Z3) [D]
Konrad Zuse ( )
elektromehhaaniline (releed)
esimene programmeeritav kalkulaator
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

7. Ajaloost – Colossus [UK]
1943 (dets.)
varaseim programmeeritav elektronarvuti
2400 lampi,
5000 süm./sek.
“Enigma” koodi dešifreerimine
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

8. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost – ENIAC [US]
1946 Electronic Numerical Integrator and Computer
18000 lampi
~5000 liitm./sek.
30 tonni, 25 kW
ballistika, vesinikupomm
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

9. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost ...
1947. a. lõpp – transistor [Bell Labs]
W.B. Shockley, J. Bardeen & W.H. Brattain
Teise põlvkonna arvutid
Nairi
Minsk 32
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

10. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost ...
Esimene mikroskeem TI
Jack St. Clair Kilby
Esimene mälukiip
Intel - 1Kb
Esimene mikroprotsessor
Intel - i4004
4-bitti, 2300 transistori
~60 kOPs (108 kHz)
TRS-80
PDP-8
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

11. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost – VAX 780
3. põlvkonna arvutid
mikroskeemid
pooljuhtmälud
magnetlindid
kõvakettad
terminalid
arvutivõrgud
CAD/CAE
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

12. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost – EC seeria
protsessor
ketasmälu
printer
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

13. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Ajaloost ...
1950 – pehmeketas – Y. Nakamats
1965 – hiir – D. Englebart
1979 – CD
Neljanda põlvkonna arvutid
personaalarvutid, tööjaamad jne.
A Brief History of Computing
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

14. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Tänapäev
Gordon Moore seadus (1965)
kahekordistumine iga 18 kuuga
Head
jõudlus, odavus, töökindlus, energiasäästlikkus
Vead (?)
projekteerimise ja valmistamise maksumus
muutmise ja parandamise keerukus
SoC – System-on-a-Chip (kiipsüsteem)
NoC – Network-on-a-Chip (kiipvõrk)
SoP – System-on-a-Package
M500
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

15. Arvutisüsteemid tänapäeval
Sardsüsteem = programm + mikroskeem
== [rakendus + OS] + [digitaal + analoog]
programmeerimine & digitaal-loogika & elektroonika
I/O
ROM
CPU
RAM
DSP
siinid / loogika
ADC
DAC
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

16. Digitaalsüsteem Alamhulk süsteemidest süsteemid
I/O
ROM
CPU
RAM
DSP
siinid / loogika
ADC
DAC
süsteemid
elektroonilised alamsüsteemid
integraal-skeemid
EDA
digitaal-süsteemid
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

17. Arvuti == mälu & protsessor
Baby AT (IBM, 1985)
Von Neumanni arhitektuur
mälu
protsessor
juhtseade
ALU
Asus a8n VMCSM02
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

18. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Mälu & Protsessor
ASRock K7VT4A Pro
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

19. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Mälu & Protsessor
. . .
n=k+l;
Mälu
Protsessor
aadress
andmed
0306
programm
OS funktsioonid
andmed
kompilaator
add r3,r4,r2 CU
0306 PC IR
ALU RF
2r/1w
aadress
andmed
linker OS
teegid
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

20. Algoritm & realisatsioon
Ülesanne → algoritm → realisatsioon
Neli kahend-sisendit ja -väljundit
nt. 4 lülitit (S1-S4) ja 4 valgusdioodi (L1-L4)
Sisendite muutumine muudab väljundeid
kui S1=1 & S2=0, siis L1←1, muidu L1←0
kui S1=0 & S3↑, siis V++ (V[1]≡L2, V[0]≡L3)
kui S1=1 & S2=1 & S4↓, siis L4← ┐L4
Realisatsioon – “must kast” & 4 nuppu, 4 lampi
mikrokontroller & programm
loogikaskeem & juhtautomaat
Võimalik programm
int s3p=0, s4p=0, v=0; l4=0;
while (1) {
if (s1&!s2) l1=1; else l1=0;
if (!s1&((s3^s3p)&s3)) v++;
if (v>3) v=0;
l2=v/2; l3=v%2;
if (s1&s2&((s4^s4p)&!s4)) l4~=l4;
s3p=s3; s4p=s4; wait_100ms(); }
Protsessor e. täitur
muutujate salvestamine
registrid
operatsioonide täitmine
kombinatoorsed funktsioonid
operatsioonide järjestamine
juhtosa
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

21. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Protsessor
(C)PU – (Central) Processing Unit
sisendid/väljundid (lülitid, lambid, releed, ...)
vahetulemused (nt. muutujad registrites/mälus)
töötlus- e. arvutus-sõlm (nt. aritmeetika-loogikaseade)
juhtosa (käsuloendur ja -register, juhtautomaat, ...)
juhtautomaat
aritmeetika-
loogikaseade
registrid
sisend/
väljund
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

22. Protsessor kui digitaalsüsteem
The Central Processing Unit –
Java Applet on RT-Level Design –
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

23. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Projekteerimine
Programmist skeemini?
Millised käsud on olemas?
Kuidas järjestada käsud?
Mis töötleb käske?
Tulemuseks moodulid ehk struktuur-skeem
Skeemist transistorini?
Millest koosnevad moodulid?
Kuidas komponente siduda ja paigutada?
Tulemuseks trükkplaat / mikroskeem
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

24. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Turg e. $$$
Projekteerimise maksumus
projekteerimisaeg, kapitalimahutused, parandatavus
Muudatuste kõrge hind
tootmismahud, null-defekti, turusuundumused
Hind pöördvõrdeline tootmismahuga
üldotstarbelised protsessorid << ASIC << prototüübid << spetsrakendused
Rekonfigureeritavus
paindlikud tooted
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

25. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Automatiseerimine?
Soovunelm
Tegelikkus
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

26. Abstraktsioonitasemed
kümnendarvud
sümbolid /
Kasutajaliides
Operatsiooni-
süsteem
Pooljuhid:
Si, GaAs & Co
reaalarvud
Rakendus-
programmid
Progr.
keeled
Transistorid /
traadid
Assembler /
binaarkood
Loogika-
elemendid
kahendarvud /
kahendloogika
Arvutisüsteem:
CPU + RAM
RTL:
ALU & Co
Loogika-
funktsioonid
Protsessor
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

27. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Kursuse sisu
Loengud h [ 20 x 2 ]
Harjutustunnid h [ 8 x 2 ]
Praktikumid h [ 8 x 2 ]
Kirjandus:
John F. Wakerly, “Digital Design: Principles and Practices”.
Dirk Jansen et al. (editors), “The electronic design automation handbook”.
Harri Lensen, Margus Kruus, “Diskreetne matemaatika”.
Kalle Tammemäe, “Riistvara kirjeldamiskeel VHDL”.
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

28. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Kursuse sisu
L1. Sissejuhatus
L2-L3. Loogikafunktsioonid, teisendamine
L4. Digitaalsüsteem, struktuur
L5-L6. Riistvara kirjelduskeel VHDL
L7-L11. Kombinatsioonskeemide disain
Loogikafunktsioonide süsteemid
L12-L15. Mäluga süsteemide disain
Juht- ja operatsiooni-automaadid, süntees
L Loogikaelemendid & digitaalaritmeetika
L18-L20. Kompleksed digitaalsüsteemid
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

29. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Kursuse sisu
Harjutustunnid
H1-H3. Kahendloogika, avaldised ja - funktsioonid
H4. Loogikaskeemide koostamine
H5, H6. Heuristiline ja täpne minimeerimine
H7, H8. Automaadid, realiseerimine
Praktikumid
Loogikafunktsioonide modelleerimine & minimeerimine
Kombinatsioon- ja mäluga skeemide modelleerimine VHDL-s
Hindamine
Kodutöö – loogikafunktsiooni minimeerimine, realisatsioon ja modelleerimine (40%)
Praktikumide ülesannete kaitsmine (30%)
Kirjalik eksam (30%) – teoreetilised ja praktilised erineva keerukusega ülesanded, kestus 1 1/2 tundi
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

30. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Lõpetuseks...
Ka see on ajalugu ...
1899 – “Everything that can be invented has already been invented”
“Kõik, mis võimalik, on juba leiutatud”
C. H. Duell, USA Patendiameti direktor
1943 – “I think there is a world market for maybe five computers”
“Arvan, et ilmaturg vajab ehk viit arvutit”
Thomas Watson, IBM esimees
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

31. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Lõpetuseks...
1949 – “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons”
“Tulevikus võivad arvutid kaaluda vähem kui poolteist tonni”
ajakirja “Popular Mechanics” ennustus
1968 – “But what ... is it good for?”
“Jah aga, … milleks see ka kõlbab?”
IBM’I insener mikroskeemi kohta (Advanced Computing Systems Division)
1977 – “There is no reason anyone would want a computer in their home”
“Pole olemas põhjust, et keegi sooviks koju arvutit”
Ken Olson, DEC (Digital Equipment Corporation) president, esimees ja asutaja
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1

32. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1
Koduarvuti?
© Peeter Ellervee
I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L1