Conception de circuits numériques et architecture des ordinateurs

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1 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Frééric Pétrot Année universitaire 26-27

2 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Structure u cours C C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C C Coage es nombres en base 2, logiue booléenne, portes logiues, circuits combinatoires Circuits séuentiels Construction circuits complexes Micro-architecture et fonctionnement es mémoires Machines à état Synthèse e circuits PC/PO Optimisation e circuits PC/PO Interprétation 'instructions Interprétation 'instructions Interprétation 'instructions Introuction aux caches 2 / 26

3 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Intérêt Intérêt Mémoriser l'information ans es variables est une nécessité es programmes Les éléments séuentiels servent à cela. 3 / 26

4 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Plan Plan étaillé u cours 'aujour'hui Introuction 2 Éléments séuentiels Verrou D Bascule D 3 Circuits séuentiels 4 / 26

5 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Introuction Plan Introuction 2 Éléments séuentiels Verrou D Bascule D 3 Circuits séuentiels 5 / 26

6 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Introuction Utilité es circuits séuentiels Un circuit combinatoire implémente une fonction pour une valeur onnée e ses entrées, il prouit toujours la même sortie, inépenamment e la séuence 'entrées lui ayant été préalablement appliué n entrées, 2 n cas Question : Comment conserver une information binaire ans un circuit si ses entrées changent? 6 / 26

7 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Introuction Utilité es circuits séuentiels Un élément séuentiel conserve un état, ainsi un circuit séuentiel n'est pas une fonction pour une valeur onnée e ses entrées, la sortie épen non seulement es entrées, mais aussi e la séuence 'entrées ui à été appliuée jusu'à l'instant présent impossible à représenter sous forme e tables e vérité n entrées, m éléments séuentiels, 2 n+m cas Éléments séuentiels contiennent les variables La séuentialité est importante : a se b a iérent e b a se a 7 / 26

8 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Introuction Représentation es séuences On utilise classiuement : es iagrammes e temps ou chronogrammes écrivent graphiuement une séuence particulière u fonctionnement signaux i i n o o m temps es automates à états : cours n 5 écrivent formellement le fonctionnement complet 8 / 26

9 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Plan Introuction 2 Éléments séuentiels Verrou D Bascule D 3 Circuits séuentiels 9 / 26

10 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Bistable fonctionnellement inutile Élement mémorisant le plus simple : inverseurs couplés Pren sa valeur à la mise sous tension et n'en change pas Mémorisation épenance e l'entrée 'une porte sur sa sortie Que se passerait-il s'il y a avait 3 inverseurs? Tableau. Sauf ans le cas es mémoires ynamiues, mais c'est une autre histoire, c.f. cours n 4 / 26

11 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Verrou Reset/Set Permet e forcer une valeur et e la conserver r mise à u verrou (reset) s mise à u verrou (set) r et s jamais à simultanément r s r s Changement e valeur e la sortie sur l'état es entrées / 26

12 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Verrou Reset/Set : comportement temporel Chronogramme u comportement : r s 2 / 26

13 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Verrou Reset/Set : implantation Portes nor couplées r s porte bien mal son nom! r s 3 / 26

14 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Stocker une information RS : force à ou à une sortie utile pour contrôler une sortie mais repose sur la connaissance e r et s Comment stocker une information? Utiliser un verrou e type D Conserve une information ont la valeur ( ou ) est inconnue 4 / 26

15 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Verrou D Verrou D (D latch) Échantillonne entrée e onnée sur niveau e commane entrée e onnée sortie e onnée c entrée e commane (aussi appellée e pour enable ou g pour guar) si active à l'état bas : = { si c =, si c =. c 2 si active à l'état haut : = { si c =, si c =. c Changement e valeur e la sortie sur l'état e c 5 / 26

16 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Verrou D Verrou D : comportement temporel Chronogramme u comportement pour un latch actif à : c temps 6 / 26

17 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Verrou D Verrou D : comportement temporel Précisions très importantes : c c t hol t setup Conséuences pratiues oit être stable lorsue c c pren la valeur ue possèe avant le front chronogrammes montrent c et changent en même temps 7 / 26

18 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Verrou D Verrou D : implantations c c 8 / 26

19 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Bascule D Bascule D (D ip-op) Échantillonne entrée e onnée sur évènement e commane entrée e onnée sortie e onnée ck entrée 'horloge (aussi appellée clk) si active sur front escenant : = { si ck subit, sinon. ck 2 si active sur front montant : = { si ck subit, sinon. ck Changement e valeur e la sortie uniuement sur un front e ck 9 / 26

20 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Bascule D Bascule D : comportement temporel Chronogramme u comportement pour une bascule active sur front montant : ck temps 2 / 26

21 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Bascule D Bascule D : comportement temporel Précisions très importantes : ck ck t hol t setup Conséuences pratiues oit être stable lorsue ck eectue ck eectue pren la valeur ue possèe avant le front chronogrammes montrent ck et changent en même temps t p(ck,) > t hol pour échantillonnage correct 2 / 26

22 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Bascule D Bascule D : principes 'implantations Master-Slave ip-op Pulse-Triggere ip-op L L2 L c c c ck ck Maître-Esclave : attention à c L et c L2 Impulsion : écalage e c L par rapport à ck 22 / 26

23 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Bascule D Bascule D : implantations ck c 23 / 26

24 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Éléments séuentiels Bascule D Autres entrés Verrous et bascules D peuvent avoir : une entréé e reset (ou clear) une entréé e set (ou preset) Sur les bascules D, ces entrées peuvent avoir un eet : imméiat : asynchrones lié au front sensible suivant : synchrones Et peuvent être actives à ou à Les bascules D peuvent avoir aussi : une entrée 'autorisation 'écriture : WE pour write enable ou E pour enable ou L pour loa cette entrée est toujours lié à l'horloge 24 / 26

25 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Circuits séuentiels Plan Introuction 2 Éléments séuentiels Verrou D Bascule D 3 Circuits séuentiels 25 / 26

26 Conception e circuits numériues et architecture es orinateurs Circuits séuentiels Principes Intègrent es éléments mémorisants et es portes logiues! logiue ck t p (logiue) tp(ck,) ck t setup Périoe minimale e l'horloge (entre 2 ) : t ckmin = t p(ck,) + t logiue + t setup + t skew avec t skew : écalage temporel entre les 2 entrées ck et t p(ck,) + t logiue + t skew > t hol Pour info : CPU à 4 GHz t ckmin = 25ps Combien e cm à la vitesse e la lumière? 26 / 26