はじめに、授業計画pdf 最近の更新履歴 Hideo Fujiwara

論理設計

藤原秀雄

講義スタイル

◆ 教科書を使って講義します。

 図や表はスライド（プロジェクター）を使い、

 教科書の内容は、ホワイトボードに板書しながら説明します。

◆_{毎回出席を取ります。}

 講義の理解を深めるために、毎回簡単な小テストを行います。

◆ 定期試験では教科書持ち込み可です。

 日頃から、授業の予習、復習に、教科書を活用してください。  評価基準・方法：

定期試験（筆記試験）   ６０％

教科書

藤原秀雄著_: コンピュータ設計概論、工学図書 , 円 �

論理回路 年前期 と

論理設計 年後期 の両方の教科書

第 章_〜第 章 論理回路 第 章_〜第８章 論理設計

講義テーマ・概要

 半導体技術の進歩により、ディジタルシステムは現代の情報社 会に広く浸透しており、通常のコンピュータの他、マイクロプロ セッサ、メモリ、各種専用回路を一つのチップ上に集積したシス テムオンチップとして実現されます。  

 本講義では、このようなコンピュータやシステムオンチップな どのディジタルシステムをどのように設計するかに関する方法論 を理解し、関連する基礎知識を習得することを目的としています。 コンピュータの構成、設計論を学ぶことにより、コンピュータの 中身を理解し、簡単なコンピュータが設計できるようになります。 同時に、ハードウエアとしてのコンピュータに関連する基礎知識、 ならびに専門知識を習得できます。

5

講義スケジュール（授業計画）

第１回  はじめ

第２回  論理回路（１）… 第１章∼３章（要点だけ） 第３回  論理回路（２）… 第１章∼３章（要点だけ） 第４回  コンピュータの原理（１）

第５回  コンピュータの原理（２） 第６回  コンピュータの原理（３）

第７回  レジスタ転送レベルの設計（１） 第８回  レジスタ転送レベルの設計（２） 第９回  演算部の設計（１）

第１０回 演算部の設計（２） 第１１回 制御部の設計（１） 第１２回 制御部の設計（２）

第１３回 コンピュータの設計（１） 第１４回 コンピュータの設計（２） 第１５回 コンピュータの設計（３） 第１６回 定期試験（筆記試験）

評価基準・方法 定期試験 ６０％

第１回目の授業内容   

  コンピュータの種類，その中身

  ディジタル表現と２進数 

  論理演算とスイッチ回路

  _論理回路

今日は第１回目なので、教科書を使わず、

コンピュータとは何か、論理回路とは何かを簡単に紹介します。

コンピュータ   

  パソコン, 携帯電話, …

  _{個人用に広く普及}

  _{ワークステーション}

  設計や科学計算に用いられ、PCより高速処理が可能

  メインフレーム（大型コンピュータ）

  銀行などの大量のデータを処理

  スーパーコンピュータ

  気象の予測など、超高速処理が目的

 理化学研究所＋富士通の「京（けい）」    一昨年世界最速（世界１位）

コンピュータの中身

  ^LSI_{（集積回路）}

  多数の半導体素子で構成された電子部品

  コンピュータは論理回路で構成されている

CPU

制御回路 論理回路 演算回路 論理回路

リ 集積回路 _LSI

論理素子と真理値表

AND^{の真理値表}

A B _A・B 0 0

0 1 1 0 1 1

0 0 0 1

OR^{の真理値表}

A B _A+B 0 0

0 1 1 0 1 1

0 1 1 1

NOT^{の真理値表}

A _A 0

1

1 0

A^A

B ^{A B}

A^A

B ^{A + B A A}

論理回路のシミュレーション

０

１

１

論理回路のシミュレーション

０

１

１

０

１

１

論理回路のシミュレーション

０

１

１

０

１

１

０

０

AND 0 0

0 1 1 0 1 1

0 0 0 1

NOT 0

1

1 0

論理回路のシミュレーション

０

１

１

０

１

１

０

０

０

OR 0 0

0 1 1 0 1 1

0 1 1 1

論理回路のシミュレーション

０

１

１

０

１

１

０

０

０

シミュレ ション結果

論理回路のシミュレーション

１

１

１

論理回路のシミュレーション

１

１

１

１

１

１

論理回路のシミュレーション

１

１

１

１

１

１

１

０

AND 0 0

0 1 1 0 1 1

0 0 0 1

NOT 0

1

1 0

論理回路のシミュレーション

１

１

１

１

１

１

１

０

１

OR 0 0

0 1 1 0

0 1 1

論理回路のシミュレーション

１

１

１

１

１

１

１

０

１

シミュレ ション結果

論理回路と真理値表

A B C _X 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

1 0 1 0 1 0 1

１

１

１

１

１

１

０

１

１

０

１

１

０

０

０

真理値表

論理回路と真理値表

A B C _X 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

1 0 1 0 1 0 1 1 真理値表

論理式

論理図

X = A B + C

C

A・B

A・B + C

等価な論理式

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1 x_１x_２x_３ f₂

0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0

0 0 0 1 1 1 1

等価な論理式

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f₂ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

等価な論理式

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f₂ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0

0 0 0 1 1 1 1

等価な論理式

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f₂ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

等価な論理式

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f₂ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0

0 0 0 1 1 1 1

等価な論理式

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1 x_１x_２x_３ f₂

0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

等価な論理式

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f₂ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0

0 0 0 1 1 1 1

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

等価な論理式

f = x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

+ x

x

x

f = x

+ x

x

x_１x_２x_３ f_１ 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1 x_１x_２x_３ f₂

0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1

より小さな論理回路で実現

f = x

+ x

x

コンピュータの設計自動化

コンピュ タを用いて コンピュ タが設計されています

Computer-Aided Design (CAD)

仕様決定 設計 製造

全加算器のVHDL記述

library IEEE;

use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all;

entity FULL_ADDER is

port( x, y, z : in std_logic; s, c : out std_logic ); end FULL_ADDER;

architecture struct of FULL_ADDER is component HALF_ADDER

port( x, y : in std_logic; s, c : out std_logic ); end component;

signal hadd1_c, hadd1_s, hadd2_c : std_logic;

begin

half_adder1: HALF_ADDER port map( x, y, hadd1_s, hadd1_c ); half_adder2: HALF_ADDER port map( hadd1_s, z, s, hadd2_c ); c <= hadd1_c or hadd2_c;

end;

architecture struct of HALF_ADDER is begin

s <= x xor y; c <= x and b; end;

library IEEE;

use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all;

entity HALF_ADDER is

port( x, y : in std_logic; s, c : out std_logic ); end HALF_ADDER;

半加算器の真理値表・論理式・論理図

X Y C S 0

1 0

1

0

0 1

1

0

0 0

1

0

1 1

0

入力 出力

半加算器の真理値表

XY

C

Y

X

Y

X

Y

X

S

=

⊕

=

+

=

論理式

Design Compilerによる半加算器の合成

全加算器の真理値表・論理式

X Y C S 0

0 0

0

0

1 0

1

0

0 0

1

0

1 1

0

入力 出力

全加算器の真理値表

YZ

XZ

XY

C

XYZ

Z

Y

X

Z

Y

X

Z

Y

X

S

+

+

=

+

+

+

=

論理式

Z 0

0 1

1 1

1 1

1

0

1 0

1

0

1 1

1

1

0 0

1 0

0 1

1

Y)

Z(X

XY

C

Z

Y

X

S

⊕

+

=

⊕

⊕

=

論理式の簡単化

Design Compiler による全加算器の論理合成

Design Compiler初期画面 Design Compiler : Synopsys

Design Compiler による全加算器の論理合成

合成ファイル読み出し画面

論理合成ファイル読み出し後

Design Compiler による全加算器の論理合成

論理合成前の1ビット全加算器の論理図

（全加算器を2個の半加算器とORゲートで表したもの）

Design Compiler による全加算器の論理合成

Design Compiler による4ビット並列加算器の論理合成

以上のまとめ   

  _{コンピュータとは}

  コンピュータは、０と１からなる２進数などのディジタル

情報を演算、処理する

  コンピュータは論理回路で構成されている

  コンピュータの設計自動化

  コンピュータはコンピュータを使って設計する

次回からは   

教科書を使って講義を行うので 、

まだ教科書を買っていない人は、買っておいてください。

予め教科書をよく読み、予習•復習することを奨めます 。

教科書

藤原秀雄著: コンピュータ設計概論、工学図書 (2,310円)