273. CAD/Computer Systems Laboratory Dept. of Electronics Engineering
전자공학 개론
[ Digital / Computer 시스템편]
1. Digital Systems
2. Digital Logic
CAD/Computer Systems Laboratory
Dept. of Electronics Engineering
디지탈/컴퓨터
서강대학교 전자공학과

274. Digital Systems - Digital vs. Analog Systems (1)
Basics
Discrete vs. continuous
Mixed (hybrid) systems
ADC (Analog to Digital Conversion)
quantization/digitization
DAC (Digital to Analog Conversion) V 
Analog
Signal
Time
Discrete Signal
( n : # encoding bits )
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275. Digital Systems - Binary Systems
Most information processing systems are constructed using switches
A sequence of decision making processes
Immune to noise, more reliable
Switches
Mechanical Semiconductor
PMOS switch
NMOS switch
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276. Digital Systems - Structure and Behavior (1)
Functional modules (components) and their interconnections
Block diagram, schematic diagram
generic block symbols replaced by symbols with distinctive/standardized shapes
Behavior
Functionality, input/output relationships
Truth table, equation, function, …
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277. Digital Systems - Structure and Behavior (2)
Structure Behavior a b
out
If (a==1) out = b else out = 0
VHDL structural description
VHDL behavioral description
Entity and2 is
port (a, b : in bit; out : out bit );
end and2;
architecture structure of and2 is
component AND
port( a, b : in bit; c : out bit );
end component;
begin
C1 : AND port map(a, b, out);
end structure;
Entity and2 is
port (a, b : in bit; out : out bit );
end and2;
architecture behavior of and2 is
begin
process
if (a=‘1’) then out <= b ;
else out <= ‘0’;
endif;
end process;
end behavior;
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278. Digital Systems - Digital system Design (1)
Refinement process
from specification to implementation
or behavior to structure (Synthesis)
Design levels
Design can be described at various levels of abstraction or complexity
Design hierarchy
A component Ci at level i can be expanded (refined) to a multicomponent system at level i+1
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279. Digital Systems - Digital system Design (2)
Hierarchical design
to reduce design complexity
to partition a system into subsystems with manageable size
Concurrent design by team members
Reusable components (libraries)
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280. Digital Systems - Digital system Design (3)
Top-down vs. Bottom-up
Architectural
Logic
Physical
Full-custom design - Standard cell
Semi-custom design (ASIC)
Gate array, sea-of-gates, FPGA
* IP-based Design, Platform-based Design
Top-down
design
Bottom-up
design
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281. Digital Systems - Digital Systems and Digital Circuits
Datapath
Data storage
Data transformation
Data transfer
Controller
Hardwired
Multi-level logic
Two-level logic (PLA)
Micro program
Datapath
Control
FSM
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282. Digital Systems - Two-level Circuit vs. Multi-level Circuit
Two-level circuit Multi-level circuit
Area O(2#inputs) O(#inputs) ~ O(#inputs2)
Delay * g > 2 * g (< 2 * g in MOS)
Power large small
#fan-ins / large small
#fan-outs
Implementation PLA random/hardwired logic
※  g : unit gate delay
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283. Digital Systems - Digital Circuits (1)
Combinational circuits
Outputs determined by current inputs
Structure : two- and multi-level logic
Combinational
Circuit
Inputs X
Outputs Z
Output function 
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284. Digital Systems - Digital Circuits (2)
Sequential circuits
Outputs depend not only on current inputs but also on past inputs (stored as ‘state’)
Model
Memory
Comb. Circuit
Inputs X
Outputs Z Y
Output function 
next-state function 
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285. Digital Systems - Digital Circuits (3)
Synchronous and asynchronous circuits
Synchronous circuit employs an independent, periodic clock signal C to synchronize all internal changes of state.
Asynchronous circuit does not employ a periodic clock signal C to synchronize its internal changes of state.
cf. Synchronous vs. asynchronous systems.
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286. Digital Systems - Design Goals
Functional specification implementations
simulation/verification simulation/verification
Cost
Performance
Propagation delay
Access time (storage elements)
Bandwidth
Power consumption
Testability and Reliability
correct
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287. Digital Systems - Design Tradeoffs
Cost / Performance tradeoffs
Engineering experiences
Delay/Area/Power
Cost
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288. 군사용 기기 (Missiles, 위치 추적, … ) Consumer 용 (HDTV, DVD, … ) 컴퓨터 시스템
Digital Systems - 응용 분야
Intelligent 시스템
자동화 기기 (레이저 프린터, 복사기, … )
통신용 기기 (모뎀, 휴대폰, … )
산업용 기기 (공작기, 생산 자동화 기기, … )
군사용 기기 (Missiles, 위치 추적, … )
Consumer 용 (HDTV, DVD, … )
컴퓨터 시스템
Microcomputers, PCs, workstations,
minicomputers, mainframes, supercomputers
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289. Digital Logic - 조합회로 (1) 특징 출력은 현재 입력 값에 의해 결정. 기억 소자를 포함하고 있지 않음. 모델
Combinational
Circuit
Inputs X
Outputs Z
Output function 
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290. Two-level design Multi-level design
Digital Logic - 조합 회로 (2)
설계 방식
Two-level design Multi-level design a b c d f a b c d f
Area : 9 (#lits)
Delay : 2 * g
Power : 23.6 W
Area : 7 (#lits)
Delay : 3 * g (2 *  g in MOS)
Power : 17.4 W
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291. Digital Logic - 조합 회로 (3) 구현 방식 응용
Standard cell, Gate array, Sea-of-gates
FPGA (Field-Programmable Gate Arrays)
PLD (Programmable Logic Device)
PLA (Programmable Logic Array) 응용
MUX (Multiplexer) / DEMUX (Demultiplexer)
Decoder / Encoder
Adder / Subtracter
Multiplier / Divider
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292. MUX는 S 값에 따라 입력 중 하나의 값을 선택하여 출력으로 보내는 회로.
Digital Logic - 조합 회로 (4)
MUX 설계 예제
MUX는 S 값에 따라 입력 중 하나의 값을 선택하여 출력으로 보내는 회로. A B C S
Circuit Symbol
진리표
S A B Y
x 0
x 1
1 x
1 x
구현된 회로
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293. 출력은 현재 입력값과 회로의 내부 상태값에 의해 결정 기억 소자를 포함. 모델
Digital Logic - 순차 회로 (1) 특징
출력은 현재 입력값과 회로의 내부 상태값에 의해 결정
기억 소자를 포함. 모델
Memory
Comb. Circuit
Inputs X
Outputs Z Y
Output function 
next-state function 
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294. Mealy Model Moore Model
Digital Logic - 순차 회로 (2)
설계 방식
상태 전이표
입력 현재상태 다음상태 출력
다이어그램
Mealy Model Moore Model
입력/출력 1
1/1
1/0
0/0
0/1
상태/출력 입력 상태
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295. Digital Logic - 순차 회로 (3) 순차 회로 설계 과정 State behavior specification
State minimization
State assignment
Combinational function specification
Combinational circuit design
Gate-level circuit
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296. Digital Logic - 순차 회로 (4) 응용 Vending Machine Elevator Controller
Traffic Controller
System Controllers
Processors
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