1.-Unidad I

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    12-Jun-2015

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<p>ELECTRONICA DIGITAL I I</p> <p>UNIDAD 1.- Lgica Secuencial Sncrona Objetivo: Al trmino del tema, el alumno, comprender y aprender los sistemas secuenciales sncronos, para adquirir la competencia de analizar y desarrollar sistemas secuenciales con HDL. Contenido de la Unidad I.- Lgica Secuencial Sncrona. 1.1 Modelo de Mealy 1.2 Modelo de Moore 1.3 Tablas de Transicin 1.4 Diagramas de Transicin 1.5 Anlisis de Circuitos 1.1 Modelo de Mealy. Objetivo: Al trmino del tema, el alumno, comprender y aprender el autmata de Mealy, adquiriendo la competencia para instrumentar una Maquina de Mealy. Antes de hablar de los sistemas secuenciales de Mealy, se definir la palabra Sistema, conjunto de elementos relacionados entre si para realizar una tarea especfica. De la definicin podemos inferir la definicin de sistema digital que es un conjunto de elementos relacionados entre si para manipular informacin discreta. Cuando se trabaja con sistemas digitales en esencia se trabaja con circuitos conmutados los cuales en forma ideal conmutan de 5 voltios a 0 voltios. Los sistemas digitales se dividen en dos grandes areas: Sistemas Digitales Combinacionales y Sistemas Digitales Secuenciales. O simplemente sistema combinacional y sistema secuencial. 1.1.1.- Sistema Combinacional. Se denomina sistema combinacional a todo sistema digital en el que sus salidas son funcin exclusiva de sus entradas en un momento dado. Un sistema combinacional esta definido por una expresin Booleana, de acuerdo con las reglas del lgebra de Boole, lo cual se conoce como Lgica binaria, donde cada seal de entrada es una variable de la expresin booleana. Por ejemplo, un sistema combinacional compuesto exclusivamente por una compuerta AND de dos entradas A y B. Su funcin booleana seria F=AB, para una compuerta OR sera F=A+B . 1.1.2.-Sistema Secuencial. Un sistema secuencial es aquel en el que su salida en un momento dado depende de sus seales de entrada en ese momento dado y de los estados internos. El sistema secuencial ms simple es el multivibrador biestable, (flip-flop). Los sistemas secuenciales se caracterizan por estar gobernados por seales de reloj, pudiendo tener, en general, ms de una que se suelen obtener dividiendo la seal principal. Si todos los circuitos de los que consta el sistema poseen la misma seal de reloj, el sistema se denomina sncrono y en caso contrario asncrono. 1ELECTRONICA DIGITAL I I UNIDAD I LOGICA SECUENCIAL SINCRONA. M. C. BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>UNIDAD I</p> <p>M. C .BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>ELECTRONICA DIGITAL I I</p> <p>A continuacin se indican los principales sistemas secuenciales que pueden encontrarse en forma de circuito integrado o como estructuras en sistemas programados: Contador Registro de desplazamiento Registro tubo Registro pila La teora de mquinas de estado es el nombre con el que se conocen los mtodos de Anlisis y Diseo de los Sistemas Secuenciales Sincrnos. Las mquinas de estado son sistemas secuenciales que se encuentran constituidos por una etapa combinacional y una etapa de memoria, relacionadas de tal forma que conforman un sistema secuencial para algn propsito especial. En todo sistema secuencial nos encontraremos con: Un conjunto finito, n, de variables de entrada (X1, X2,..., Xn). Un conjunto finito, m, de estados internos, de aqu que los estados secuenciales tambin sean denominados autmatas finitos. Estos estados proporcionarn m variables internas (Y1,Y2,..., Ym). Un conjunto finito, p, de funciones de salida (Z1, Z2,..., Zp). Dependiendo de como se obtengan las funciones de salida, Z, los sistemas secuenciales pueden tener dos estructuras denominadas maquina de Moore, y maquina de Mealy. Modelo de Mealy: En esta mquina de estados las salidas se encuentran determinadas por los estados internos y por las entradas del sistema no. El diagrama de bloques se muestra en la figura 1.1.</p> <p>UNIDAD I</p> <p>M. C .BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>Figura 7.1.1. Maquina de estados de Mealy Mquina de Moore: Las salidas solo dependen del estado interno y de cualquier entrada sincronizada con el circuito, como se observa en la figura 7.1.2. donde las salidas del sistema son nicamente sincrnicas. Un ejemplo de este tipo de mquinas de estado son los contadores (ver captulo 6).</p> <p>2ELECTRONICA DIGITAL I I UNIDAD I LOGICA SECUENCIAL SINCRONA. M. C. BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>ELECTRONICA DIGITAL I I</p> <p>UNIDAD I</p> <p>M. C .BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>Figura 7.1.2. Maquina de estados de Moore CONTADORES Los contadores son circuitos secuenciales cuya salida representa el nmero de impulsos que se la aplica a la entrada de reloj. Est formado bsicamente por biestables interconectados. Pueden contar de forma ascendente si su contenido se incrementa con cada impulso o si decrementa, aunque por lo general los contadores pueden realizar esta funcin de ambas maneras segn el estado de una entrada. Las aplicaciones de los contadores son las siguientes: Relojes y temporizadores Divisores de frecuencia. Frecuencmetros. Segn la forma de conectar la seal de reloj, los contadores pueden clasificarse en asncronos y sncronos. Contadores Asncronos: En este tipo, la seal de reloj se conecta slo al primer biestable, mientras que las otras entradas se conectan a la salida del biestable anterior. El conectarse de esta forma la seal de reloj provoca que todos los biestables no cambien de estado al mismo tiempo, por ello reciben el nombre de asncronos. Las salidas pueden atacar a un display visualizador de siete segmentos, por ejemplo. Su funcionamiento es el siguiente, se parte de que todos los flip-flops estn reseteados, cuando se produce un flanco activo de la seal de reloj, las salidas del primer biestable cambian Q=0 y Q=1, Q conectada a la seal de reloj del segundo biestable, produce un flaco activo, cambiando el segundo biestable el estado de sus salidas, este proceso se produce de forma indefinida a lo largo de los biestables. Podemos realizar un contador descendente si lo que conectamos a la seal de reloj es la salida Q y no Q. El asncrono adems de indicar el nmero de impulsos de seal recibidos puede dividir la frecuencia de la seal de reloj. Como ejemplo la salida de la seal del primer flip-flop tiene la mitad de frecuencia que la salida de seal de reloj original, la salida del segundo flip-flop, una frecuencia 4 veces menor, as sucesivamente obteniendo divisiones en cada salida mltiplos de 2. El inconveniente de este divisor de frecuencias viene dado por el tiempo de propagacin de la seal, que hace que si cambiamos el estado del primer biestable deben cambiar de estado ste y el siguiente, provocando que la seal de reloj tenga un 3ELECTRONICA DIGITAL I I UNIDAD I LOGICA SECUENCIAL SINCRONA. M. C. BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>ELECTRONICA DIGITAL I I</p> <p>retardo al bascular. Si se conectan ms, el tiempo de espera que corresponde con el tiempo de propagacin, aumenta, lo que limita la frecuencia de funcionamiento del contador. Esta frecuencia mxima viene determinada por la siguiente frmula F&lt; 1/n.tp (tp= tiempo de propagacin y n= nmero de biestables). Ampliacin de contadores asncronos: El mtodo para conseguir contadores asncronos de ms bits consiste en conectar en cascada tantos biestables como nmero de bits que queramos que tenga el contador., llevando la seal de reloj externa al primero de3 ellos y la salida de cada biestable a la entrada del reloj siguiente. El nmero mximo de estados por los que pasa un contador se denomina mdulo del contador. Este nmero viene determinado por la expresin 2^n donde n indica el nmero de bis del contador. Ejemplo, un contador de mdulo 4 pasa por 4 estados, y contara del 0 al 3. Si necesitamos un contador con un mdulo distinto de 2^n, lo que haremos es aadir un circuito combinacional (puerta NAND) cuyas entradas sean las salidas a 1 del contador, y aadir la salida del circuito a todas las entradas CLEAR de los biestables. Contadores Sncronos: En este tipo de biestables, la seas de reloj externa se conecta a todos los biestables. Con ello se consigue que todos los biestables evolucionen a la vez, y por lo tanto no se produzcan tiempos de retardo ni transitorios. Para conseguirlo hay que aadir una lgica combinacional para implementarla en el contador, mientras que los biestables hacen de memoria para saber en qu estado se encuentra, la lgica combinacional se encargar de calcular cual ser el siguiente estado al que debe pasar el contador. Diseo de un contador sncrono: El diseo de un contador sncrono debe pasar por varias fases de diseo: Dibujar el diagrama de estados. Se representa en l la forma simblica del funcionamiento del sistema, representando los estados que deseamos y las transiciones precisas. Realizar la tabla simblica de transiciones. Es otra forma de representar el anterior diagrama de estados, y est compuesta por dos columnas, la de estado actual (estado en el que se encuentra el sistema) y estado futuro (el estado que pretendemos que evolucione el sistema). Realizar la tabla de codificacin de estados. Se trata de codificarlo en binario, el nmero de biestables del sistema depende del nmero de estados del mismo. Por ejemplo, si queremos un contador de 8 estados (mdulo 8) siguiendo la relacin N=2^n; n=log(2)N, seran necesarios 3 biestables para codificar los estados del contador. 7(10)=111(2) son tres bits, por lo tanto necesitamos 3 biestables. Pasamos a binario tanto el estado actual como el estado futuro y cada bit de salida es una salida de un biestable. Crear una tabla de transiciones codificada. Tiene dos columnas al igual que la tabla simblica de transiciones, pero ya codificada en binario. El estado actual representa el valor de la salida de los biestables (salida Q) y el estado futuro representa el valor de la salida que deben tomar Q en el siguiente flanco activo, denominndose Q+. Realizacin de las tablas de excitacin. Para conseguir que un biestable pase de un estado actual a un estado futuro, es preciso aplicarle la excitacin conveniente a sus entradas. Para ello se aplican tablas de excitacin, que son las tablas de verdad de los biestables pero vistas 4ELECTRONICA DIGITAL I I UNIDAD I LOGICA SECUENCIAL SINCRONA. M. C. BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>UNIDAD I</p> <p>M. C .BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>1. 2. 3.</p> <p>4.</p> <p>5.</p> <p>ELECTRONICA DIGITAL I I</p> <p>a la inversa, es decir, la entrada en funcin de la salida. Como ejemplo ponemos la tabla de excitacin de los biestables J-K y D. FLIP-FLOP J-K Q+ J 0 0 1 1 0 X 1 X FLIP-FLOP D Q+ 0 1 0 1</p> <p>UNIDAD I</p> <p>M. C .BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>Q 0 0 1 1</p> <p>K X X 1 0</p> <p>Q 0 0 1 1</p> <p>D 0 1 0 1</p> <p>6. Obtencin del circuito combinacional necesario, simplificacin e implementacin. Una vez obtenida la tabla de excitacin del contador sncrono, el problema se reduce al obtener las funciones de las excitaciones, utilizando para ello Karnaugh. Una vez obtenidas las funciones, se puede implementar el circuito, conectado las salidas Q a las entradas de los siguientes biestables a travs del combinacional. A finales de la dcada de 1960 apareci el circuito integrado (CI), que posibilit la fabricacin de varios transistores en un nico sustrato de silicio en el que los cables de interconexin iban soldados. Tambin llamado chip, un circuito integrado tpico consta de varios elementos como restatos, condensadores y transistores integrados en una nica pieza de silicio. En los ms pequeos, los elementos del circuito pueden tener un tamao de apenas unos centenares de tomos, lo que ha permitido crear sofisticadas computadoras del tamao de un cuaderno. Los circuitos integrados han hecho posible la fabricacin de la computadora. Sin ellos, los circuitos individuales y sus componentes ocuparan demasiado espacio como para poder conseguir un diseo compacto. El desarrollo de las computadoras fue posible gracias al circuito integrado, CI (acrnimo de Integrated Circuit), que fue desarrollado en 1959, y el microprocesador que apareci por primera vez en 1971. El microprocesador se convirti en una realidad a mediados de la dcada de 1970. El C. I. permite la miniaturizacin de los circuitos de memoria de la computadora y el microprocesador redujo el tamao de la CPU al de una sola pastilla o chip de silicio. El hecho de que la CPU calcule, realice operaciones lgicas, contenga instrucciones de operacin y administre los flujos de informacin favoreci el desarrollo de las computadoras. 1.2.-LA COMPUTADORA. 1.2.1.- La computadora. La computadora es algo esencial en nuestros das, en los 70s, cuando empez su auge se pens que eran algo extraordinario. Sin embargo en nuestros das la computadora es vista cmo una herramienta bsica de trabajo, y podemos ver que es utilizada en todos los sectores, como lo es el hogar, la industria. Todas las empresas en la actualidad rigen todos sus sistemas, en especial los administrativos, mediante equipos de cmputo. 5ELECTRONICA DIGITAL I I UNIDAD I LOGICA SECUENCIAL SINCRONA. M. C. BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>ELECTRONICA DIGITAL I I</p> <p>UNIDAD I</p> <p>M. C .BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>Una computadora es un dispositivo electrnico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando clculos sobre los datos numricos, o bien compilando y correlacionando diferentes tipos de informacin. Otra definicin de computadora es que es un calculador electrnico de elevada potencia equipado de memorias de gran capacidad y aparatos perifricos, que permite solucionar con gran rapidez y sin intervencin humana, durante el desarrollo del proceso problemas lgicos y aritmticos muy complejos. MODELO DE VON NEWMAN: Es el modelo actual para PCS.</p> <p>Figura.- Modelo de Von Newman El primer sistema de escritorio con tales caractersticas, diseado especficamente para uso personal, fue presentado en 1974 por Micro Instrumentation Telemetry Systems (MITS). El editor de una revista de divulgacin tecnolgica convenci a los propietarios de este sistema para crear y vender por correo un equipo de computadora a travs de su revista. El precio de venta de esta computadora, que recibi el nombre de Altair, era relativamente accesible. La demanda de este equipo fue inmediata, inesperada y totalmente abrumadora. La primera gran empresa de electrnica que fabric y vendi computadoras personales, (PC) Tandy Corporation (Radio Shack), introdujo su modelo en 1977. Rpidamente domin el sector, gracias a la combinacin de dos atractivas caractersticas: un teclado y un terminal de pantalla de rayos catdicos. Tambin se hizo popular porque se poda programar y el usuario poda guardar la informacin en una cinta de casette. 1.1.1.- EFECTOS DE LAS COMPUTADORAS EN LA SOCIEDAD. Poco tiempo despus de la presentacin del nuevo modelo de Tandy, dos ingenieros programadores, Stephen Wozniak y Steven Jobs, crearon una nueva compaa de fabricacin de computadoras llamada Apple Computers. Algunas de las nuevas caractersticas que introdujeron en sus microcomputadoras fueron la memoria 6ELECTRONICA DIGITAL I I UNIDAD I LOGICA SECUENCIAL SINCRONA. M. C. BENITO BAEZ SANCHEZ</p> <p>ELECTRONICA DIGITAL I I</p> <p>expandida, programas en disco y almacenamiento de datos de bajo precio y los grficos en color. Apple Computers se conv...</p>