UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones LABORATORIO VIRTUAL DE LÓGICA DIGITAL COMBINACIONAL TRABAJO PRÁCTICO EDUCATIVO QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES P R E S E N T A N : Isaías Yazmani Angeles Solis Luis Alberto Salinas Arroyo DIRECTOR: M.I. LUIS DAVID RAMÍREZ GONZÁLEZ ASESOR: M.C. CELIA MARÍA CALDERÓN RAMÓN Poza Rica, Ver. 2009

2 ÍNDICE i INDICE CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES ESENCIALES 1 CAPÍTULO 2 SISTEMAS NUMÉRICOS Y CÓDIGOS 2.1 SISTEMAS DE NUMERACIÓN DE BASE N Números Decimales Números Binarios La Estructura de Pesos de los Números Binarios Números Hexadecimales Números Octales CONVERSIÓN DE NÚMEROS ENTRE BASES DIFERENTES Conversión Binario Decimal Conversión Decimal Binario Conversión de Fracciones Decimales a Binario Conversión Binario Hexadecimal Conversión Hexadecimal Binario Conversión Hexadecimal Decimal Conversión Decimal Hexadecimal Conversión Octal Decimal Conversión Decimal Octal Conversión Octal Binario Conversión Binario Octal OPERACIONES CON NÚMEROS DE BASE N Y COMPLEMENTOS A N Y A N Suma Binaria, Octal y Hexadecimal Resta Binaria, Octal y Hexadecimal Multiplicación Binaria, Octal y Hexadecimal División Binaria, Octal y Hexadecimal Complemento de un Número con Respecto a la Base del Sistema Complemento Disminuido en Uno a la Base del Sistema Complemento Disminuido a Uno del Sistema Binario, Octal y Hexadecimal Complemento a Uno Complemento a Dos Representación Numérica en Complemento a Dos Operaciones Aritméticas en Complemento a Dos CODIFICACIÓN DIGITAL Códigos Numéricos Códigos Alfanuméricos DETECCIÓN Y CORRECCIÓN DE ERRORES EN TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN DIGITAL Detección de Errores Corrección de Errores 40

3 ÍNDICE ii CAPÍTULO 3 LÓGICA BINARIA 3.1 TEOREMAS Y PROPIEDADES DE LA LÓGICA BINARIA Álgebra de Boole Leyes y Reglas del Álgebra de Boole Teoremas de Demorgan Aplicación de los Teoremas de Demorgan VARIABLES BINARIAS Y OPERACIONES Funciones Binarias REPRESENTACIONES DE FUNCIONES LÓGICAS CON TABLAS DE VERDAD COMPUERTAS LÓGICAS Compuerta NOT Compuerta AND Compuerta OR Compuerta NAND Compuerta NOR Compuertas OR-EXCLUSIVA Compuerta NOR-EXCLUSIVA IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS CON COMPUERTAS DIGITALES 66 CAPÍTULO 4 MÉTODOS DE SIMPLIFICACIÓN 4.1 SIMPLIFICACIÓN MEDIANTE EL ÁLGEBRA DE BOOLE Formas Estándar de las Expresiones Booleanas (Minitérminos Maxitérminos) Suma de Productos (Minitérminos) Producto de Sumas (Maxitérminos) Conversión de una Suma de Productos Estándar a Producto de Sumas Estándar Expresiones Booleanas y Tablas de Verdad MAPAS DE KARNAUGH Mapa de Karnaugh de Tres Variables Mapa de Karnaugh de Cuatro Variables Minimización de una Suma de Productos Mediante el Mapa de Karnaugh Mapa de Karnaugh de una Suma de Productos Estándar Mapa de Karnaugh de una Suma de Productos No Estándar Simplificación de una Suma de Productos Mediante el Mapa de Karnaugh Determinación de la Expresión Suma de Productos Mínima a Partir del Mapa Obtención Directa del Mapa de Karnaugh a Partir de la Tabla de Verdad Minimización de un Producto de Sumas Mediante el Mapa de Karnaugh Simplificación Mediante el Mapa de Karnaugh de Expresiones Producto de Sumas Conversión Entre Suma de Productos y Productos de Sumas Mediante el Mapa de Karnaugh Mapa de Karnaugh de Cinco Variables 94

4 ÍNDICE iii CAPÍTULO 5 CIRCUITOS COMBINACIONALES 5.1 TÉCNICAS BÁSICAS DE ANÁLISIS Y DISEÑO ARITMÉTICA DIGITAL Sumadores Sumadores Binarios en Paralelo Sumadores en Paralelo de Cuatro Bits Tabla de Verdad de un Sumador en Paralelo de 4 Bits Expansión de Sumadores Restador Binario Desbordamiento Comparadores Desigualdad DECODIFICADORES El Decodificador Binario Básico El Decodificador de 4 Bits El Decodificador BCD a Decimal El Decodificador BCD a 7 Segmentos CODIFICADORES Codificador Decimal-BCD Codificador con Prioridad Decimal a BCD MULTIPLEXORES (SELECTOR DE DATOS) DEMULTIPLEXORES 120 CAPÍTULO 6 PRÁCTICAS DE LABORATORIO VIRTUAL 6.1 COMPUERTA NOT COMPUERTA AND COMPUERTA OR CIRCUITOS CON COMPUERTAS: AND, OR Y NOT Pista de Aterrizaje Circuito Lógico Combinatorio COMPUERTA NAND COMPUERTA NOR CIRCUITOS DE COMPUERTAS: NAND, NOR Colector Automático de Peaje Generador de Complemento a Nueve COMPUERTA OR-EXCLUSIVA COMPUERTA NOR-EXCLUSIVA CIRCUITOS CON COMPUERTAS: OR- EXCLUSIVA Y NOR- EXCLUSIVA Convertidor BCD a EXCESO Contador CIRCUITOS ARITMÉTICOS Y LÓGICOS Semisumador Semirestador Comparador CODIFICADOR DE 10 ENTRADAS Y 4 SALIDAS DECODIFICADOR BCD A 7 SEGMENTOS MULTIPLEXOR DEMULTIPLEXOR 215

5 ÍNDICE iv CONCLUSIONES 220 APÉNDICES: APÉNDICE A: Tutorial del Simulador de Construcción de Circuitos Digitales con Escenarios Virtuales Versión APÉNDICE B: Configuración de los Circuitos Integrados 236 APÉNDICE C: Dimensiones de los Circuitos Integrados 244 BIBLIOGRAFÍA 246

6 CAPÍTULO 1 Introducción 1 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 JUSTIFICACIÓN En la actualidad la tecnología está avanzando a pasos agigantados en todas sus áreas, en especial en las áreas de electrónica y comunicaciones. Donde el diseño de aparatos requiere de un gran esfuerzo en el análisis de circuitos electrónicos con el fin de obtener una mejor calidad, menor costo y así brindar un funcionamiento óptimo para el usuario. Este trabajo recepcional tiene la finalidad de ser un auxiliar del Laboratorio Tradicional; haciendo uso del Laboratorio Virtual (Simulador de Construcción de Circuitos Digitales con Escenarios Virtuales Versión 0.9.4). Con el presente trabajo se pretende contribuir en la elaboración de prácticas de Laboratorio Virtual de Electrónica Digital específicamente en lo que se refiere a la Lógica Combinacional acorde a la experiencia educativa de circuitos lógicos para el nuevo Modelo Educativo Integral y Flexible (MEIF) de la carrera de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones. 1.2 OBJETIVO Proporcionar una herramienta computacional para realizar diseño de los circuitos lógicos a través del Laboratorio Virtual. 1.3 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES ESENCIALES Este trabajo tiene como característica y función esencial el de dar a conocer y proporcionar un panorama general sobre la teoría y simulación de circuitos lógicos. El Simulador de Construcción de Circuitos Digitales_094 es un software que permite a los estudiantes diseñar circuitos en un ambiente virtual en muy poco tiempo. El programa se ejecuta en MS Windows con una resolución de pantalla de al menos 1024 x 768. Este programa es gratuito, de copia y uso libre, y se encuentra en constante mejora. Este simulador contiene una gran librería de compuertas lógicas y digitales y sus características son las siguientes:

7 CAPÍTULO 1 Introducción 2 Compuertas básicas: AND, NAND, NOT, NOR, OR, XOR, AND OR INVERT. Codificadores. Decodificadores. Multiplexores. ALU. Un protoboard. 18 LEDS: 8 rojos, 4 amarillos y un arreglo de 6 LEDS de un semáforo. 3 visualizadores de 7 segmentos. Temporizadores: un reloj de 1Hz y otro de 10Hz (aproximadamente). 12 interruptores: 4 verdes y 8 rojos. Pulsadores azules. Alimentación VCC y GND. CAPÍTULO 2 SISTEMAS NUMÉRICOS Y CÓDIGOS En éste capítulo se pretende dar a conocer los sistemas de numeración, los cuales son usadas en los sistemas digitales. Sabemos que el sistema decimal es el que utilizamos en todo el mundo para representar cualquier cantidad, pero habrá necesidad de utilizar los otros sistemas, por ejemplo el Binario ya que se ocupa para el Lenguaje Máquina, por lo tanto estos dos sistemas son importantes para el análisis y realizaciones de los circuitos lógicos que son la base de los digitales. Además de estos dos sistemas existen otros dos que también son importantes para los sistemas lógicos y digitales como lo son los sistemas hexadecimales y los octales. Todos estos sistemas de numeración, describen las representaciones que se pueden presentar en diferentes situaciones, además de estos sistemas numéricos, existen otros tipos de códigos, que sirven para almacenar y transmitir información (como los códigos BCD, ASCII, Gray entre otros), que también se abordarán en este Trabajo Práctico Educativo. CAPÍTULO 3 LÓGICA BINARIA Como se sabe la lógica binaria trabaja con variables binarias y operaciones lógicas que toman valores discretos y que tienen un significado lógico. Así, las variables sólo tomarán dos valores discretos: V (verdadero) y F (falso), si y no, 1 y 0, etc. En éste capítulo se dará a conocer los teoremas de la lógica binaria, sus propiedades, funciones y operaciones.

8 CAPÍTULO 1 Introducción 3 CAPÍTULO 4 MÉTODOS DE SIMPLICACIÓN En éste capítulo se proporcionara los diferentes métodos de simplificación: Álgebra Booleana. Mapas de Karnaugh. CAPÍTULO 5 CIRCUITOS COMBINACIONALES Los circuitos combinacionales son todos aquellos que no tiene en cuenta una variable de tiempo y carecen de memoria, por lo que sus salidas dependen de sus entradas.además éstos están formados por diversas combinaciones de compuertas lógicas. En éste capítulo se abordará el problema del diseño y síntesis de los circuitos combinacionales. CAPÍTULO 6 PRÁCTICAS DE LABORATORIO VIRTUAL En éste capítulo se llevarán acabo prácticas en el módulo del Laboratorio Virtual, haciendo referencia a todas las técnicas aprendidas en los capítulos anteriores.

9 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 4 CAPÍTULO 2 SISTEMAS NUMÉRICOS Y CÓDIGOS INTRODUCCIÓN Este capítulo está enfocado principalmente al sistema de numeración binario y sus relaciones con otros sistemas de numeración tales como el Decimal, Hexadecimal y Octal. Se cubren las operaciones aritméticas con números binarios, con el fin de proporcionar una base para entender cómo trabajan las computadoras y muchos otros tipos de sistemas digitales. También se abordan códigos digitales tales como el código decimal binario (Binary Coded Decimal, BCD), el código Gray, el código ASCII entre otros. Se introducen los métodos para la detección y corrección de errores en los códigos. 2.1 SISTEMAS DE NUMERACIÓN DE BASE N Números Decimales El Sistema Decimal tiene la siguiente estructura de pesos. Los pesos para los números enteros son potencias positivas de diez, que aumentan de derecha a izquierda, comenzando por Para números fraccionarios, los pesos son potencias negativas de diez que aumentan de izquierda a derecha, comenzando por , Coma decimal El valor de un número decimal es la suma de los dígitos después de haber multiplicado cada dígito por su peso, los siguientes ejemplos ilustran lo antes mencionado. Ejemplo 1: Se pide expresar el número decimal 47 como suma de los valores de cada dígito. Solución: Como indican sus respectivas posiciones, el dígito 4 tiene un peso de 10, que es El dígito 7 tiene un peso de 1, que corresponde a (4x10 ) (4x10) 0 (7x10 ) (7x1) 40 7

10 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 5 Ejemplo 2: Expresar el número decimal como suma de los valores de cada dígito. Solución: El dígito 5 de la parte entera del número tiene un peso de 100, es decir 2 10 ; el dígito 6 tiene un peso de 10, que corresponde a 1 10 ; el dígito 8 tiene un peso de 1, que es 0 10 el dígito 2 de la parte fraccionaria tiene un peso de 0.1, es decir 1 10 ; y el dígito 3 tiene un peso de 0.01, que es (5x10 ) (6x10 ) (8x10 ) (2x10 ) (3x10 ) (5x100) (6x10) (8x1) (2x0.1) (3x0.01) (500) (60) (8) (0.2) (0.03) Números Binarios El Sistema de Numeración Binario es simplemente otra forma de representar magnitudes esta cuenta con solo dos dígitos. Al principio puede parecer más complicado por no ser familiar. El Sistema Decimal con sus diez dígitos es un sistema en Base Diez, el Sistema Binario con sus dos dígitos es un sistema en Base Dos. Los dos dígitos binarios (bits) son 1 y 0. La posición de un 1 o un 0 en un número binario indica su peso, o valor dentro del número, así como la posición de un dígito decimal determina el valor de ese dígito. Los pesos de un número binario están basados en las potencias de dos. Conteo en Binario: Para aprender a contar en el Sistema Binario, en primer lugar, hay que observar cómo contamos en el sistema decimal. Empezamos en cero y contamos hasta nueve antes de quedarnos sin dígitos. Luego, comenzamos con otra posición de dígito (a la izquierda) y contamos desde 10 hasta 99. En este punto, se terminan todas las combinaciones con dos dígitos, por lo que es necesaria una tercera posición de dígito para contar desde 100 hasta 999. Cuando contamos en binario se produce una situación comparable, excepto que ahora sólo tenemos dos dígitos, llamados bits. Empecemos a contar: 0, 1. Hasta aquí, ya hemos usado los dos dígitos, por lo que incluimos otra posición de dígito y continuamos: 10, 11. Ahora, hemos agotado todas las combinaciones de dos dígitos, por lo que se requiere una tercera posición. Con tres dígitos podemos continuar contando: 100, 101, 110 y 111. Para continuar, necesitamos una cuarta posición de dígito, y así sucesivamente. En la tabla 2.1 se muestra cómo se cuenta de cero hasta quince. Observe la alternancia de 1s y 0s en cada columna. Como puede verse en la tabla 2.1, se requieren cuatro bits para contar desde cero hasta 15. En general, con n bits se puede contar hasta un número igual a 2 n 1. Máximo número decimal = 2 n 1 Por ejemplo, con cinco bits (n = 5) se puede contar desde 0 hasta treinta y uno. n (2 1) (32 1) 31 Con seis bits (n = 6) se puede contar desde 0 hasta sesenta y tres. n (2 1) (64 1) 63

11 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 6 Número Decimal Número Binario Número Decimal Número Binario Tabla 2.1 Números decimales y su equivalencia en binario La Estructura de Pesos de los Números Binarios Un número binario es un número con peso. El bit más a la derecha es el Bit Menos Significativo (LSB, Least Significant Bit) en un número entero binario y tiene un peso de Los pesos de los respectivos bits crecen de derecha a izquierda según las potencias de dos. El bit más a la izquierda es el Bit Más Significativo (MSB, Most Significant Bit), y su peso depende del tamaño del número binario. Los números con parte fraccionaria también se pueden representar en binario, colocando bits a la derecha del punto binario, del mismo modo que los dígitos decimales fraccionarios se colocan a la derecha del punto decimal. En un número binario con parte fraccionaria, el bit más a la izquierda es el MSB, y tiene un peso de Los pesos fraccionarios de los respectivos bits decrecen de izquierda a derecha según las potencias negativas de dos. La estructura de pesos de un número binario es: 2 n , n Coma binaria Donde n es el número de bits a partir del punto binario. Luego todos los bits a la izquierda de la coma binaria tienen pesos que son potencias positivas de dos, como previamente se estableció. Todos los bits a la derecha de la coma binaria tienen pesos potencias negativas de dos, o pesos fraccionales. En la tabla 2.2 se muestran las potencias de dos y su equivalente decimal de un número entero binario de 8 bits y de un número fraccionario binario de 6 bits. Obsérvese que el peso se duplica para cada potencia de dos y se divide por dos para cada potencia negativa de dos. Puede ampliar fácilmente esta tabla duplicando el peso de la potencia positiva de dos más significativa y dividiendo por dos el peso de la potencia negativa de dos menos significativa; Por ejemplo, y

12 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 7 Potencias Positivas de Dos (Número Entero) Potencias Negativas de Dos (Número Fraccionario) /2 1/4 1/8 1/16 1/32 1/ Tabla 2.2 Pesos binarios Números Hexadecimales El Sistema de Numeración Hexadecimal consta de dieciséis dígitos y se usa, fundamentalmente como una forma simplificada de representar o escribir los números binarios. Puesto que las computadoras y microprocesadores sólo entienden los 1s y los 0s, es necesario emplear estos dígitos cuando se programa en Lenguaje Máquina. Imaginemos tener que escribir una instrucción de sesenta bits para un sistema de microprocesador utilizando 1s y 0s. Es mucho más efectivo utilizar los números hexadecimales u octales. El Sistema Hexadecimal es un sistema en Base Dieciséis, es decir, está formado por 16 dígitos y caracteres alfabéticos. La mayoría de los sistemas digitales procesan grupos de datos binarios que son múltiplos de cuatro bits, lo que hace al número hexadecimal muy adecuado, ya que cada dígito hexadecimal se representa mediante un número binario de 4 bits (tabla 2.3). Diez dígitos numéricos y seis caracteres alfabéticos forman el Sistema de Numeración Hexadecimal. El uso de las letras A, B, C, D, E y F para representar números puede parecer extraño al principio, pero hay que tener en mente que cualquier sistema de numeración es sólo un conjunto de símbolos secuenciales. Utilizaremos el subíndice 16 para designar a los números hexadecimales y evitar así cualquier confusión con los números decimales. En ocasiones, puede verse la letra h detrás de un número hexadecimal. Número Decimal Número Binario Número Hexadecimal Número Decimal Número Binario A B C D E F Tabla 2.3 Números decimales, binarios y hexadecimales. Número Hexadecimal Conteo en Hexadecimal: Cómo se cuenta en hexadecimal una vez que se ha llegado a la F? Sencillamente se inicia otra columna y se continúa así:

13 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 8 l0, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 30, Con dos dígitos hexadecimales, se puede contar hasta FF, que corresponde al decimal 255. Para continuar contando, son necesarios tres dígitos hexadecimales. Por ejemplo, 100 es el 256 decimal, 10l es el decimal 257, y así sucesivamente. El máximo número hexadecimal de 3 dígitos es FFF 16 (es decir el decimal El máximo número hexadecimal de 4 dígitos es FFFF 16, que es el decimal Números Octales El Sistema Octal proporciona un método adecuado para expresar los códigos y números binarios. Sin embargo, se usa menos frecuentemente que el hexadecimal en las computadoras y microprocesadores para expresar magnitudes binarias con propósitos de entrada y salida. El Sistema de Numeración Octal está formado por ocho dígitos, que son: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Para contar por encima de 7, añadimos otra columna y continuamos así: 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 20,21 Y así sucesivamente. Contar en octal es parecido a contar en decimal, excepto que los dígitos 8 y 9 no se usan. Para distinguir los números octales de los números decimales y hexadecimales, utilizaremos el subíndice 8 para indicar un número octal. Por ejemplo, 15 es equivalente a 1310 en decimal y a D en hexadecimal. En ocasiones, puede verse una O o una Q detrás de un número octal CONVERSIÓN DE NÚMEROS ENTRE BASES DIFERENTES Conversión Binario a Decimal El valor decimal de cualquier número binario se puede determinar sumando los pesos de todos los bits que son 1, y descartando los pesos de todos los bits que son 0. Los dos ejemplos siguientes ilustran esto. Ejemplo 1: Convertir el número entero binario a decimal. Solución: Para resolver este tipo de conversión se determina el peso de cada bit que está a 1, y luego se obtiene la suma de los pesos para obtener el número decimal.

14 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos Pesode posición: Númerobinario: (64) (32) (8) (4) (1) Ejemplo 2: Convertir el número binario fraccionario en decimal. Solución: Para resolver este ejemplo en primer lugar, se determina el peso de cada bit que está a 1, y luego se suman los pesos para obtener la fracción decimal. 1 2 Pesode posición: Númerobinario: (0.5) (0.125) (0.625) Conversión Decimal-Binario Para convertir un número decimal a binario se pueden utilizar dos métodos los cuales son: Método de la suma de pesos y el Método de la división sucesiva por 2. Método de la Suma de Pesos: Una forma de calcular el número binario equivalente a un número decimal dado es determinar el conjunto de pesos binarios, cuya suma es igual al número decimal. Una forma fácil de recordar los pesos binarios es que el peso más bajo es 1, 0 es decir 2, y que duplicando cualquier peso, se obtiene el siguiente peso superior; por tanto, la lista de los siete primeros pesos binarios sería: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64. Ejemplo 1: Convertir el número decimal 9 a formato binario. Solución: Puede expresarse como la suma de los pesos binarios siguientes (8 1) 9 (2 2 ) Colocando los 1s en las posiciones de pesos adecuadas, 3 2 y 1 y 2, se determina el número binario correspondiente al decimal (1001) 0 9 en binario 0 2 los 0s en las posiciones Ejemplo 2: Convertir los siguientes números decimales a formato binario; a) 12 b) 25 c)58 d)

15 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 10 Solución: a)12 b)25 c)58 d) Método de la División Sucesiva por 2: Un método sistemático para convertir a binario números enteros decimales es el proceso de la división sucesiva por 2. Por ejemplo, para convertir a binario el número decimal 12, comenzamos dividiendo 12 entre 2. Luego cada cociente resultante se divide por 2 hasta que se obtiene un cociente cuya parte entera es 0. Los restos generados en cada división forman el número binario. El primer resto es el Bit Menos Significativo (LSB) del número binario, y el último resto es el Bit Más Significativo (MSB). Este procedimiento se muestra en los siguientes ejemplos. Ejemplo 1: Convertir el número decimal 12 en número binario. Solución: Ejemplo 2: Convertir el siguiente número decimal en número binario, a) 19 b) 20. Solución: a) b)

16 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos Conversión de Fracciones Decimales a Binario En los ejemplos anteriores se han mostrado conversiones de números enteros. Ahora, vamos a ver la conversión de números fraccionarios. Una forma fácil de recordar los pesos 1 binarios fraccionarios es que el peso más significativo es 0.5, es decir 2, y que dividiendo por dos cualquier peso, se puede obtener el siguiente peso menor; a continuación se da una lista para los cuatro primeros pesos binarios fraccionarios: 0.5; 0.25; 0.125; Suma de Pesos: El método de la suma de pesos se puede aplicar a números decimales fraccionarios, como se muestra en el siguiente ejemplo. Ejemplo: Convertir el número decimal fraccionario a número binario. Solución: Lo que indica que en la posición un hay un 1, en la posición 2 2 un 0 y en la posición Multiplicación Sucesiva por 2: Los números decimales fraccionarios pueden convertirse en números binarios mediante la multiplicación sucesiva por 2. Por ejemplo, para convertir a binario el número decimal fraccionario , empezamos multiplicando por 2, y después se multiplica cada parte fraccional resultante del producto por 2, hasta que el producto fraccionario sea cero o hasta que se alcance el número deseado de posiciones decimales. Los dígitos acarreados, o acarreos, generados por las multiplicaciones dan lugar al número binario. El primer acarreo que se obtiene es el MSB, y el último acarreo es el LSB. Este procedimiento se ilustra como sigue: Conversión Binario - Hexadecimal La conversión de un número binario en hexadecimal es un procedimiento muy sencillo. Simplemente se parte el número binario en grupos de 4 bits, comenzando por el bit más a la derecha, y se reemplaza cada grupo de 4 bits por su símbolo hexadecimal equivalente, como se ilustra en el siguiente ejemplo.

17 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 12 Ejemplo: Convertir a hexadecimal los siguientes números binarios; a) b) 11l Solución: a) b) C A 5 7 = CA F = 3F En el apartado b) se han añadido dos ceros para completar el grupo de 4 bits de la izquierda Conversión Hexadecimal - Binario Para convertir un número hexadecimal en un número binario se realiza el proceso inverso, reemplazando cada símbolo hexadecimal por el grupo de cuatro bits adecuado, como se ilustra en el siguiente ejemplo. Ejemplo: Determinar los números binarios correspondientes a los siguientes números hexadecimales, a) 10 A416, b) CF 8E16 y c) Solución: En el apartado a), el MSB se entiende que tiene tres ceros delante del 1 para formar un grupo de 4 bits Conversión Hexadecimal-Decimal Un método para encontrar el equivalente decimal de un número hexadecimal es, primero, convertir el número hexadecimal a binario, y después, el binario a decimal. El ejemplo siguiente ilustra este procedimiento. Ejemplo 1: Convertir a decimal los siguientes números hexadecimales: a) 1C 16 b) A85. Solución: En primer lugar, hay que convertir a binario el número hexadecimal, y después a decimal.

18 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 13 Otro método para convertir un número hexadecimal a su equivalente decimal es multiplicar el valor decimal de cada dígito hexadecimal por su peso, y luego realizar la suma de estos productos. Los pesos de un número hexadecimal crecen según las potencias de 16 (de derecha a izquierda). Para un número hexadecimal de 4 dígitos, los pesos son: A continuación se da un ejemplo que muestra éste método de conversión. Ejemplo 2: Convertir a decimal los siguientes números hexadecimales; a) E5 16 b) B2F8 16. Solución: En la tabla 2.3 puede verse que las letras de la A hasta a la F representan los números decimales de 10 hasta 15, respectivamente Conversión Decimal - Hexadecimal La división sucesiva por 16 de un número decimal generará el número hexadecimal equivalente formado por los restos de las divisiones. El primer resto que se genera es el Dígito Menos Significativo (LSD). Cada división sucesiva por 16 dará un resto que será un dígito del número hexadecimal equivalente. Este procedimiento es similar a la división sucesiva por 2 para la Conversión Decimal - Binario. El siguiente ejemplo ilustra el procedimiento. Se observa que cuando un cociente tiene parte fraccionaria, ésta se multiplica por el divisor para obtener el resto. Ejemplo: Convertir a hexadecimal el número decimal 650 por el método de la división sucesiva por 16. Solución:

19 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos Conversión Octal - Decimal Puesto que el sistema de numeración octal es un sistema en base ocho, cada posición sucesiva de dígito es una potencia superior de ocho, empezando por el dígito situado más a la 0 derecha con 8. La evaluación de un número octal en términos de su equivalente decimal se consigue multiplicando cada dígito por su peso y sumando los productos, como se muestra a continuación para Conversión Decimal - Octal Un método para convertir un número decimal en un número octal es el método de la división sucesiva por 8, que es parecido al método utilizado en la conversión a binario o a hexadecimal de los números decimales. Para mostrar cómo se hace, convertimos a octal el número decimal 359. Cada división sucesiva por 8 da un resto que será un dígito del número octal equivalente. El primer resto que se genera es el dígito menos significativo Conversión Octal - Binario Puesto que cada dígito octal se puede representar mediante un número binario de 3 dígitos, es fácil convertir a binario un número octal. Cada dígito octal se representa mediante tres bits (tabla 2.4). Dígito Octal Dígito Binario Dígito Octal Dígito Binario Tabla 2.4 Conversión Octal Binario.

20 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 15 Para convertir un número octal en un número binario, simplemente se reemplaza cada dígito octal por el correspondiente grupo de tres bits. Este procedimiento se ilustra a continuación: Ejemplo: Convertir a binario los siguientes números octales; )138 a b)258 c)1408 )75268 d. Solución: Conversión Binario -Octal La conversión de un número binario a un número octal es el inverso de la conversión de octal a binario. El procedimiento es el siguiente: Se comienza por el grupo de tres bits más a la derecha y, moviéndose de derecha a izquierda, se convierte cada grupo de 3 bits en el dígito octal equivalente. Si para el grupo más a la izquierda no hay disponibles tres bits, se añaden uno o dos ceros para completar el grupo. Estos ceros no afectan al valor del número binario. Ejemplo: Convertir a octal los siguientes números binarios; a) b) c) y d) Solución: 2.3 OPERACIONES CON NÚMEROS DE BASE N Y COMPLEMENTOS A N Y A N - 1 Al igual que en el sistema decimal, también en otros sistemas de numeración, se pueden realizar operaciones aritméticas, tales como: Suma, resta, multiplicación y división tomando como referencia la base del sistema dado Suma Binaria, Octal y Hexadecimal En general, para realizar la suma se procede de la misma forma como se hace en el sistema decimal.

21 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 16 Suma Binaria: Las cuatro reglas básicas para sumar dígitos binarios son las siguientes = 0 suma 0 con acarreo = 1 suma 1 con acarreo = 1 suma 1 con acarreo = 10 suma 0 con acarreo 1 Observe que las tres primeras reglas dan lugar a un resultado de un único bit, y la cuarta regla, la suma de dos 1s, da lugar a 2 en binario (10). Cuando se suman números binarios, teniendo en cuenta la última regla se obtiene en la columna dada la suma 0 y un acarreo de 1 que pasa a la siguiente columna de la izquierda, tal y como se muestra en la siguiente suma de : En la columna de la derecha = 0 con acarreo 1, que pasa a la siguiente columna de la izquierda. En la columna central, = 0 con acarreo 1, que pasa a la siguiente columna de la izquierda. Y en la columna de la izquierda, = 1. Cuando existe un acarreo igual a 1, se produce una situación en la que se deben sumar tres bits (un bit de cada uno de los números y un bit de acarreo). Esta situación se ilustra como sigue: Suma Octal: Se debe restar o dividir la semisuma de cada columna, cuando la misma exceda la base del sistema, y colocar en la columna inmediata del lado izquierdo, el valor del acarreo tantas veces se haya superado la base del sistema. De esta misma forma cada unidad que se acarree equivale a ocho unidades de la columna anterior. Ejemplo: Dado los números A = y B = , Obtener A + B. Solución: Suma Hexadecimal: Se debe restar o dividir la semisuma de cada columna, cuando la misma exceda la base del sistema, y colocar en la columna inmediata del lado izquierdo, el valor del acarreo tantas veces se haya superado la base del sistema. Cada unidad que se acarree equivale a dieciséis unidades de la columna anterior.

22 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 17 Ejemplo: Dado los números binarios X=F3BC 16, Y= 9DD0 16 y Z =3A Obtener X + Y + Z. Solución: Resta Binaria, Octal y Hexadecimal La operación aritmética de restar se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal. Resta Binaria: Las cuatro reglas básicas para la resta de números binarios son las siguientes. 0 0 = 0 } 1 1 = = = con acarreo negativo de 1 Cuando se restan números, algunas veces se genera un acarreo negativo que pasa a la siguiente columna de la izquierda. En binario, sólo se produce acarreo negativo cuando se intenta restar 1 de 0. En este caso, cuando se acarrea un 1 a la siguiente columna de la izquierda, en la columna que se está restando se genera un 10, y entonces debe aplicarse la última de las cuatro reglas enumeradas. Los ejemplos siguientes ilustran la resta binaria, y se muestra también la resta decimal equivalente. Ejemplo 1: Realizar las siguientes sustracciones binarias; a) b) Solución: a) 11 3 b) En este ejemplo no se han generado acarreos negativos. El número binario 01 es el mismo que el 1. Ejemplo 2: Restar 011 de 101. Solución:

23 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 18 Examinemos detalladamente cómo se ha obtenido la resta de los dos números binarios, ya que es necesario un acarreo negativo. Empezamos por la columna de la derecha. Resta Octal y Hexadecimal: Se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal. Estas operaciones se ilustran en el siguiente ejemplo. Ejemplo: Realizar las siguientes restas; a) Resta octal b) Resta hexadecimal B39BCD BC 16. Solución: a) b) Multiplicación Binaria, Octal y Hexadecimal La operación aritmética de multiplicar se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal Multiplicación Binaria: Las cuatro reglas básicas de la multiplicación de bits son las siguientes. 0 x 0 = 0 0 x 1 = 0 1 x 0 = 0 1 x 1 = 1 La multiplicación con números binarios se realiza de la misma forma que con números decimales. Se realizan los productos parciales, desplazando cada producto parcial una posición a la izquierda, y luego se suman dichos productos. El siguiente ejemplo ilustra éste procedimiento y muestra como referencia la multiplicación decimal equivalente. Ejemplo: Realizar las siguientes multiplicaciones binarias; a) 11 x 11 b) 101 x 111.

24 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 19 Solución: Multiplicación Octal y Hexadecimal: Se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal. Estas operaciones se ilustran en el siguiente ejemplo. Ejemplo: Realizar las siguientes multiplicaciones; a) Multiplicación octal x 16 8 b) Multiplicación hexadecimal 67D34 16 x Solución: a) b) División Binaria, Octal y Hexadecimal La división se efectúa del mismo modo que en el sistema numérico decimal y se realiza directamente en la misma base del sistema octal o hexadecimal. Sin embargo, también se puede obtener previamente la conversión en binario y proceder a realizarla en binario; y después el resultado transformarlo de nuevo al sistema numérico original. División Binaria: Se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal. Esta operación se ilustra en el siguiente ejemplo. Ejemplo : Realizar las siguientes divisiones binarias; a) 110 / 11 b) 110/10. Solución: División Octal y División Hexadecimal: Se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal. Estas operaciones se ilustran en el siguiente ejemplo. Ejemplo : Realizar las siguientes divisiones; a) División octal / b) División hexadecimal 1BFC13 16 /

25 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 20 Solución: a) b) Complemento de un Número con Respecto a la Base del Sistema Las representaciones de los números en los distintos sistemas son hechas por convenciones y acuerdos. La finalidad de esto es buscar formas sencillas de manejar universalmente operaciones y representaciones numéricas, representar números fraccionarios, números negativos, etc. El complemento de un número sirve para normalizar y reglamentar las operaciones aritméticas con signo, de forma que puedan ser procesadas por los circuitos internos de una calculadora o computadora. El complemento a la base de un número se define por la siguiente fórmula: Donde: C n N b b Nb (2.1) C Nb Es el número complementado a la base b del sistema. N Es la cantidad de dígitos N Es el número dado. b Ejemplo 1: Hallar el complemento a diez del número Solución: El número esta dado en el sistema decimal y la cantidad de dígitos es seis. N C Ejemplo 2: Hallar el complemento a dos del número Solución: El número está dado en el sistema binario y la cantidad de dígitos es doce. N C Ejemplo 3: Hallar el complemento a ocho del número Solución: El número está dado en el sistema octal y la cantidad de dígitos es cinco. N C

26 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 21 Ejemplo 4: Hallar el complemento a dieciséis del número A9EFC Solución: El número está dado en el sistema hexadecimal y la cantidad de dígitos es siete. N C A9EFC A9EFC DF Complemento Disminuido en Uno a la Base del Sistema Existe otra forma de hallar el complemento a la base del sistema, ésta es, obteniendo el complemento disminuido a uno y luego sumando uno. Para obtener esta fórmula se procede con un artificio en la ecuación (2.1) de la siguiente forma: C n n Nb (b Nb) 1 1 [(b 1) Nb] 1 (2.2) C 1 n N b (b 1) Nb (2.3) Se conoce como el complemento de la base disminuido a uno. También se le denomina complemento a uno del sistema numérico correspondiente y por lo tanto, para hallar el complemento a la base solamente se le debe sumar uno a la ecuación (2.3) Complemento Disminuido a Uno del Sistema Binario, Octal y Hexadecimal El complemento disminuido a uno se obtiene aplicando la ecuación (2.3) en cualquiera de los sistemas numéricos. La expresión (b n -1) se debe usar como minuendo en el tope de la potencia (b n 1), lo que significa tener una cifra compuesta por los dígitos más significativos y de mayor valor del sistema numérico. Ejemplo 1: Hallar el minuendo de Solución: En el sistema octal, se tiene n = 5; entonces = = Ahora, para hallar el complemento disminuido a uno se resta el número dado: C 1 N b En cualquier sistema de numeración el complemento disminuido a uno se puede hallar con la n fórmula siguiente: [( b 1) Nb] [(b 1)(b 1)...( b 1)(b 1) (a n 1)(a n 2)...( a1)(a 0)] Donde cada (b-1) corresponde al dígito de mayor peso en el sistema de numeración de base b. Los a j son los n dígitos del número que se va complementar, con j = 0, 1,., n-2, n-1. El complemento disminuido a uno se halla, en forma directa, de la siguiente manera: N 0 C 1 b [(b 1) a n 1][(b 1) a n 2]...[( b 1) a2][(b 1) a1][(b 1) a ] (2.3.1)

27 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 22 Ejemplo 2: Hallar el complemento disminuido a uno de los siguientes números; a) FCBC40 16 ; b) Solución: C 1 a) N 16 FFFFFF16 FCBC BF16 C 1 b) N Complemento a Uno Es un caso particular del complemento disminuido a uno de la base binaria, tiene muchas aplicaciones en los circuitos digitales y sistemas de computación. Sirven para representar tablas numéricas de cantidades positivas y negativas, invertir los estados de los bits que conforman el dato binario y es utilizado como paso previo para hallar el complemento a dos. De la ecuación (2.3) se puede determinar que el complemento a uno se obtiene invirtiendo el estado o nivel de los bits que conforman la cifra. Ejemplo: Hallar el complemento a uno de los siguientes números binarios; a) ; b) C 1 C 1 Solución: a) N b) N Complemento a Dos Es un caso particular del complemento a la base del sistema binario, tiene muchas aplicaciones en los circuitos digitales y sistemas de computación. Sirven para representar tablas numéricas de cantidades positivas y negativas, invertir los estados de los bits que conforman el dato binario y realizar operaciones aritméticas con signo en el sistema binario. Con la ecuación (2.1) se puede determinar el complemento a dos de un número binario; no obstante, con la misma ecuación se puede hallar un método directo para obtener también el complemento a dos. Este método consiste en ir seleccionando y colocando de derecha a izquierda los dígitos binarios hasta conseguir el primer bit en uno, de ahí en adelante se cambian de estado todos los bits restantes. El otro método para hallar el complemento a dos consiste en obtener el complemento a uno de la cifra y luego sumarle uno; esto último está reflejado en la ecuación (2.2). Ejemplo: Hallar el complemento a dos de los siguientes números binarios; a) ; b) ; c) Solución: C a) N C b) N C c) N

28 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos Representación Numérica en Complemento a Dos En el sistema binario, la forma más utilizada para representar los números enteros con signo es la de complemento a dos. Los circuitos microprocesadores poseen internamente unidades de procesamiento aritmético que trabajan bajo éste formato, el cual puede estar constituido por n bits múltiplos de la potencia de base dos. Por ejemplo, para representar los números positivos y negativos se definen datos con tamaño estándar: 8 bits, 16 bits, 32 bits, etc. En este formato, el bit más significativo (MSB) del dato se utiliza para indicar el signo y los bits restantes representan la magnitud del número. En la figura 2.1 se puede apreciar la representación del formato utilizado para 16 bits, donde el más significativo (B15) indica que el signo es negativo si vale uno o positivo si vale cero. Las cantidades positivas se encuentran en binario normal, mientras que los números negativos están en complemento a dos, esto significa que estos últimos, se deben complementar para poder hallar su verdadero valor. Figura 2.1 Formato de 16 bits para representación numérica con signo. El complemento de un número, en éste formato, es igual que cambiar el signo del mismo. Por otra parte, el complemento del complemento da como resultado el mismo número. N C 2 (N C 2 (X)) X Ejemplo: Determinar el valor de los siguientes números dados en representación con signo de 16 bits (formato de 16 bits). Solución: a) ; b) 7FA8 16 ; c) ; d) ; e) FA8 16. a) El bit 15 del dato vale uno; esto significa que el número es negativo y está dado en complemento a dos. Primero se debe complementar el dato para hallar su verdadero valor en binario y después se transforma a decimal. N C b) Se debe transformar hexadecimal a binario y completar con ceros a la izquierda en caso de que el dato no tenga los 16 bits completos. Luego se hace la transformación a decimal. 7 FA

29 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 24 c) El bit 15 del dato vale uno; esto significa que el número es negativo y está dado en complemento a dos. Primero se debe complementar el dato para hallar su verdadero valor en binario y después se transforma a decimal. N C d) Se debe transformar octal a binario y completar con ceros a la izquierda en caso de que el dato no tenga los 16 bits completos. Luego se hace la transformación a decimal N C e) Se debe transformar hexadecimal a binario y completar con ceros a la izquierda en caso de que el dato no tenga los 16 bits completos. Luego se hace la transformación a decimal. FA Operaciones Aritméticas en Complemento a Dos La suma y resta son las operaciones básicas realizadas por los microprocesadores, cualquiera otra operación, es consecuencia recursiva de éstas. A continuación se describen estas dos operaciones aritméticas, realizadas con números binarios en complemento a dos utilizando formato de signo y magnitud de 16 bits. Suma en Complemento a Dos: Son cuatro casos que se presentan al sumar dos datos en formato con signo de complemento a dos. I) Suma de dos números positivos: El resultado debe ser positivo, y el bit más significativo de la suma, siempre dará cero. Ejemplo: Realizar la siguiente suma en complemento a dos. A = ; B = Solución: AcarreodelBit 16 A 0,B 0 0; Antes de realizar la suma binaria se debe tener la precaución de sumar en decimal los números. De esta manera se puede chequear el resultado de la suma para tener la certeza de que no exceda el valor y por lo tanto no sobrepasar el formato de 16 bits (Esto se conoce como OVERFLOW). También el 16vo bit en uno señala el sobre flujo de la operación.

30 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 25 II) Suma de uno negativo y otro positivo: El resultado debe poseer el signo del que tenga mayor valor absoluto. En este caso el resultado es positivo y el 16vo bit vale cero. Ejemplo: Realizar la siguiente suma en complemento a dos. A = ; B = Solución: AcarreodelBit 16 A 0,B 0 0; III) Suma de uno positivo y otro negativo: El resultado debe poseer el signo del que tenga mayor valor absoluto. En este caso el resultado es negativo y el 16vo bit vale cero; del mismo modo no se debe tomar en cuenta el acarreo del 17vo bit. Ejemplo: Realizar la siguiente suma en complemento a dos; A = ; B = Solución: AcarreodelBit 16 0;A 0,B 0 Con dos números de distintos signos se dan los casos de acarreo en el 17vo bit. Si éste acarreo es cero significa que el resultado es negativo y se debe complementar para hallar su verdadero valor de la otra forma, si el acarreo es uno, entonces el signo del resultado es mayor o igual a cero y se encuentra en verdadero valor. IV) Suma de dos números negativos: El resultado debe ser negativo, por lo tanto el bit más significativo de la suma siempre dará uno. Ejemplos: Realizar la siguiente suma en complemento a dos; a) A = B = ; b) C = D = Solución: a) b) AcarreodelBit 16 1;A 0,B AcarreodelBit 16 AcarreodelBit 17 1;A 1 0,B 0

31 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 26 Antes de realizar la suma binaria se debe tener la precaución de sumar en decimal los números. De esta manera se puede chequear el resultado de la suma para tener la certeza de que no exceda el valor y por lo tanto no sobrepasar el formato de 16 bits (Esto se conoce como OVERFLOW). También el 16vo y/o 17vo bits en cero señalan el sobre flujo de la operación. Resta en Complemento a Dos: La resta en complemento a dos resuelve el problema de esta operación con los signos. Por ejemplo, el sustraendo negativo y minuendo positivo produce un resultado positivo; la resta de dos números A y B negativos puede dar resultados positivos o negativos. Para realizarla se procede con la fórmula definida de la siguiente forma: A B A C 1 C N2 (B) 1 A N2 (B) (2.4) La diferencia de dos números, A - B es equivalente a la suma de A más el complemento a dos de B. I) Resta de dos números positivos: El resultado puede presentar varias formas que se determinan con los siguientes casos. Caso 1 (A mayor o igual que B). Ejemplo : realizar la siguiente resta en complemento a dos. A = ; B = Solución: AcarreodelBit 16 AcarreodelBit ;A 0,B 0, A B De esta manera, el resultado queda en forma binaria normal y es igual a valor del 17vo bit no se toma en cuenta para el resultado. En decimal A = y B = ; entonces A-B = = Caso 2 (A menor que B). Ejemplo : realizar la siguiente resta en complemento a dos. A = ; B = Solución: AcarreodelBit 16 AcarreodelBit ;A 0,B 0, A B

32 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 27 De esta manera, el resultado es negativo y queda en forma de complemento a dos, el acarreo del 17vo bit no se toma en cuenta. Sin embargo, para saber el verdadero valor, el resultado se debe complementar a dos. Este es un número binario negativo de 16 bits, lo cual tiene un C C valor de N2 ( N2 ( B)) En decimal la operación se efectúa: A = y B = entonces el resultado es A - B = II) Resta de dos números negativos y de distinto signo: El resultado puede presentar varias formas que se determinan aplicando los mismos casos de la suma en formato de 16 bits. Operación Acarreo 17vo bit Acarreo 16vo bit Resultado Observaciones A + B A > 0; B > Positivo en binario normal. A + B A > 0; B < Negativo en complemento a (**) dos. A + B A < 0; B > Positivo en binario normal. (**) A + B A < 0; B < Negativo en complemento a dos. A - B A > 0; B > 0 A B A - B A > 0; B > 0 A < B A - B 1 0 Positivo en binario normal. 0 1 Negativo en complemento a dos. A > 0; B < Positivo en binario normal. A - B A < 0; B > Negativo en complemento a dos. A - B A < 0; B < 0 (**) 0 1 Negativo en complemento a dos o positivo normal. Chequear para no exceder el formato de 16 bits. Complementar los 16 bits para obtener el verdadero valor. El 17vo bit no se toma en cuenta para el resultado. Complementar los 16 bits para obtener el verdadero valor, analizar para no exceder el formato de 16 bits y el 17vo bit no se toma en cuenta. El 17vo bit no se toma en cuenta para el resultado. Complementar los 16 bits para obtener el verdadero valor. Analizar para no exceder el formato de 16 bits. Complementar los 16 bits para obtener el verdadero valor, Analizar para no exceder el formato de 16 bits y el 17vo bit no se toma en cuenta. Complementar los 16 bits para obtener el verdadero valor o dejarlo igual. Todo depende de la magnitud de A y B. (**) Se producen resultados negativos o positivos dependiendo del mayor entre A y B. Tabla 2.5 Resumen de las operaciones suma y resta binaria con los datos A y B utilizando el formato de 16 bits.

33 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos CODIFICACIÓN DIGITAL Existen muchos códigos especializados que se usan en los sistemas digitales. Los códigos en los sistemas digitales se clasifican en tres tipos: códigos numéricos, códigos alfanuméricos y códigos detectores y correctores de errores. El objetivo de los códigos es simplificar la comunicación entre los distintos circuitos digitales, normalizar el funcionamiento de los mismos y detectar posibles fallas de datos para su posterior corrección Códigos Numéricos Los más utilizados, en circuitos digitales combinacionales son el código BCD, Exceso 3, Aiken o 2421, 5421, Biquinario, Dos de Cinco. Existen otros códigos de tipo secuencial cíclicos, dos de ellos son el código Johnson y el código Gray. En la tabla 2.6 se describen algunos de ellos con sus respectivos equivalentes decimales. Decimal BCD Exceso Biquinario Dos de cinco Gray Tabla 2.6 Equivalencia de algunos códigos. Código Decimal Binario (BCD): El código decimal binario (BCD Binary Coded Decimal) es una forma de expresar cada uno de los dígitos decimales con un código binario. Puesto que en el sistema BCD sólo existen diez grupos de código, es muy fácil convertir entre decimal y BCD. Como nosotros leemos y escribimos en decimal, el código BCD proporciona una excelente interfaz para los sistemas binarios. Ejemplos de estas interfaces son las entradas por teclado y las salidas digitales. Código 8421: El código 8421 es un tipo de código decimal binario (BCD). Código decimal binario significa que cada dígito decimal, de 0 hasta 9, se representa mediante un código binario de cuatro bits. La designación 8421 indica los pesos binarios de los cuatro bits ( ). El código 8421 es el código BCD más importante, y cuando hacemos referencia a BCD, siempre es al código 8421, a no ser que se indique otra cosa. Las seis combinaciones que no se emplean (1010, 1011, 1100, 1101, l110 y 1111) es decir; que no son válidas en éste código.

34 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 29 Código Exceso 3: Es un código igual al BCD, sin embargo se deben añadir tres unidades a este para transformarlo en Exceso 3. Código AIKEN ó 2421: La ponderación de este código es diferente al BCD, para hallar su peso se debe tomar también grupos de cuatro bits, considerando los valores 2421, por dígito decimal. Este código se conoce como auto complementado a uno porque sus diez valores, en la tabla 2.6 se pueden formar, complementando, a partir de los primeros cinco dígitos. Código 5421: La ponderación de este código es diferente al BCD, para hallar su peso se debe tomar también grupos de cuatro bits, considerando los valores 5421, por dígito decimal. Código Biquinario: Necesita siete bits para formarse; siempre hay dos bits en nivel alto (uno) y los restantes cinco deben estar en nivel bajo (cero). El primer bit del código, en uno, se usa para indicar si el dígito se encuentra comprendido entre 5 y 9; el segundo bit del código, en uno, señala que se encuentra en el rango de 0 a 4. La desventaja de este código es la cantidad de bits que se deben utilizar para transmitir información, siete por cada dígito. Sin embargo, tiene la ventaja de poder realizar fáciles algoritmos para el chequeo de errores de transmisión; solamente se debe detectar que hayan dos bits, en nivel uno, por cada dato. Uno de estos se debe encontrar entre los primeros dos bits y el otro en los cinco restantes que forman el dígito. Código Dos de Cinco: Este código es similar al Biquinario, pero requiere de cinco bits para el correcto funcionamiento. Dos bits deben estar en nivel alto y los otros tres en cero. Código Gray: Es un código sin pesos y no aritmético, es decir, no existen pesos específicos asignados a las posiciones de los bits. La característica más importante de este código es que sólo varía un bit de un código al siguiente. Esta propiedad es importante en muchas aplicaciones, tales como los codificadores de eje de posición, en los que la susceptibilidad de error aumenta con el número de cambios de bit entre números adyacentes dentro de una secuencia. La tabla 2.7 presenta el código Gray de cuatro bits para los números decimales del 0 al 15. Como referencia se muestran también en la tabla los números binarios. Como en los números binarios, el código Gray puede tener cualquier número de bits. Obsérvese que, en este código, sólo cambia un bit entre los sucesivos números. Por ejemplo, para pasar del decimal 3 al 4, el código Gray lo hace de 0010 a 0110, mientras que el código binario lo hace de 0011 a 0100, cambiando tres bits. En este código, el único bit que cambia es el tercer bit de la derecha, los restantes permanecen igual.

35 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 30 Decimal Binario Gray Tabla 2.7 Código Gray Códigos Alfanuméricos Para la comunicación, no sólo se necesitan números, sino también letras y otros símbolos. En sentido estricto, los códigos alfanuméricos son códigos que representan números y caracteres alfabéticos (letras). Sin embargo, la mayoría de estos códigos también representan otros caracteres tales como símbolos y distintas instrucciones necesarias para la transferencia de información. Como mínimo, un código alfanumérico debe poder representar los diez dígitos decimales y las 26 letras del alfabeto, es decir, un total de 36 elementos. Esta cantidad requiere seis bits para cada combinación de código, puesto que cinco son insuficientes ( ). Con seis bits se tiene un total de 64 combinaciones, por lo que 28 de ellas no se utilizan. Obviamente, en muchas aplicaciones, para completar la comunicación, son necesarios otros símbolos además de los números y las letras. Se necesitan espacios, punto, dos puntos, punto y coma, signo de interrogación, etcétera. También se necesitan instrucciones para comunicar al sistema receptor qué hacer con la información. De este modo, con códigos con una longitud de seis bits, se pueden manejar números decimales, el alfabeto y otros 28 símbolos. Esto debería dar una idea de los requerimientos para un código alfanumérico básico. Código Baudot: El código Baudot (a veces llamado código Telex) fue el primer código de caracteres de tamaño fijo.

36 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 31 Este código fue desarrollado por un ingeniero postal francés, Thomas Murray, en 1875 y nombrado después Emile Baudot, un pionero en la impresión telegráfica. Este código de caracteres de 5 bits que se usa principalmente para equipo de teletipo de baja velocidad, tal como el sistema TWX/Telex. Con el código de 5 bits existen sólo 25 o 32 combinaciones posibles lo cual es insuficiente para representar las 26 letras del alfabeto, los 10 dígitos y los diversos signos de puntuación, así como caracteres de control. Por lo tanto, el código Baudot usa caracteres de cambio de posición de letra, para expandir su capacidad a 58 caracteres. La última versión del código Baudot está recomendada por la CCITT como el Alfabeto internacional No. 2 (tabla 2.8). Tabla 2.8 Código Baudot. ASCII: El American Standard Code for Information Interchange (ASCII, código estándar americano para el intercambio de información) es un código alfanumérico universalmente aceptado, que se usa en la mayoría de las computadoras y otros equipos electrónicos. La mayor parte de los teclados de computadora se estandarizan de acuerdo con el código ASCII, y cuando se pulsa una letra, un número o un comando de control, es el código ASCII el que se introduce en la computadora.

37 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 32 El código ASCII dispone de 128 caracteres que se representan mediante un código binario de 7 bits. Realmente, el código ASCII puede considerarse como un código de 8 bits en el que el MSB siempre es 0. En hexadecimal, este código de 8 bits va de 00 hasta 7F. Los primeros 32 caracteres ASCII son comandos no gráficos, que nunca se imprimen o presentan en pantalla, y sólo se utilizan para propósitos de control. Ejemplos de caracteres de control son el carácter nulo, avance de línea, inicio de texto y escape. Los demás caracteres son símbolos gráficos que pueden imprimirse o mostrarse en pantalla, e incluyen las letras del alfabeto (mayúsculas y minúsculas), los diez dígitos decimales, los signos de puntuación y otros símbolos comúnmente utilizados. La tabla 2.9 presenta un listado del código ASCII, con su representación decimal, hexadecimal y octal para cada carácter y símbolo. En la primera columna de la tabla se enumeran los nombres de los 32 caracteres de control (en hexadecimal de 00 hasta 1F), y en las restantes columnas se muestran los símbolos gráficos (en hexadecimal, de 20 hasta 7F). Tabla 2.9 Código ASCII. UNICODE: Es un código universal actualizado de propósito general, sirve para representar todos los símbolos utilizados en los alfabetos internacionales. Es una nueva norma de códigos alfanuméricos de 16 bits. Los símbolos se representan con cuatro dígitos hexadecimales (tabla 2.10).

38 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 33 El código ASCII es un subconjunto de éste y está representado desde hasta 007F 16. En la figura 2.2, se observa la distribución del código en cuatro zonas que van desde hasta FFFF 16. La zona A comprende los códigos para alfabetos, sílabas, y símbolos. En la zona I están los códigos ideográficos como lo son los alfabetos chinos y japoneses. La zona O no es utilizada actualmente, sin embargo, está reservada para futuros ideogramas. La zona R es de uso restringido. Se subdivide en Área de uso privado, Área de compatibilidad y Códigos especiales, FFFE y FFFF no son códigos de carácter y se excluyen específicamente del UNICODE. El Área de uso privado está a disposición de quienes necesiten caracteres especiales para sus programas de aplicación; por ejemplo, los iconos empleados en los menús podrían especificarse por medio de códigos de carácter en esta área. La zona de compatibilidad tiene caracteres correlacionados con otras áreas del espacio global de código. La transmisión serial de un carácter UNICODE se realiza con dos bytes (byte 0 y byte 1). Primero se envía la palabra de control FFFE o FEFF indicando cual de los dos bytes es el más significativo; Por ejemplo, al enviar los símbolos FFFE, 4100, 4E00, 4700, 4500, 4C00 indica que se debe cambiar el orden de los bytes, esto es: 0041, 004E, 0047, 0045, 004C que se codifica como 'ANGEL'. Sin embargo, en caso de haber enviado la palabra de control FEFF indicaba que el orden de los bytes era el mismo. Lo que no correspondía con los códigos ASCII del UNICODE. Estos ordenamientos en los bytes del UNICODE guardan relación con los formatos de datos para comunicación de computadoras Litle-Endian o Big-Endian. Figura 2.2 Distribución del código UNICODE. HEX A 00B 00C 00D 00E 00F 0 CTL CTL SP P ` P Ç É á _ + ð Ó 1 CTL CTL! 1 A Q a Q ü æ í _ - Ð ß ± 2 CTL CTL " 2 B R b R é Æ ó _ - Ê Ô _ 3 CTL CTL # 3 C S c S â ô ú + Ë Ò ¾ 4 CTL CTL $ 4 D T d T ä ö ñ - È õ 5 CTL CTL % 5 E U e U à ò Ñ Á + I Õ 6 CTL CTL & 6 F V f V å û ª Â Ã Í µ 7 CTL CTL ' 7 G W g W ç ù º À Ã Î Þ 8 CTL CTL ( 8 H X h X ê ÿ + Ï Þ 9 CTL CTL ) 9 I Y i Y ë Ö + + Ú A CTL CTL * : J Z j Z è Ü - + Û B CTL CTL + ; K [ k { ï ø ½ + - _ Ù ¹ C CTL CTL, < L \ l î ¼ + _ Ý ³ D CTL CTL - = M ] m } ì Ø - Ý ² E CTL CTL. > N ^ n ~ Ä «+ Ì _ F CTL CTL /? O _ o CTL Å ƒ» + CTL _ SP Tabla 2.10 Código UNICODE.

39 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos DETECCIÓN Y CORRECCIÓN DE ERRORES EN TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN DIGITAL Un circuito de comunicación de datos puede ser tan corto, de unos cuantos pies o, tan largo, de varios miles de millas; el medio de transmisión puede ser tan sencillo, como un pedazo de cable o, tan complejo, como un sistema de microondas, satélite o fibra óptica. Por lo tanto, debido a las características no ideales, que están asociadas con cualquier sistema de comunicación, es inevitable que ocurran errores y es necesario desarrollar e implantar procedimientos para control de errores. El control de errores puede dividirse en dos categorías generales, detección de errores y corrección de errores Detección de Errores La detección de errores es simplemente el proceso de monitorear la información recibida y determinar cuando un error de transmisión ha ocurrido. Las técnicas de detección de errores no identifican cual bit (o bits) es erróneo, solamente indica que ha ocurrido un error. El propósito de la detección de errores no es impedir que ocurran errores, pero previene que los errores no detectados ocurran. Cómo reacciona un sistema a los errores de transmisión, depende del sistema y varía considerablemente. Las técnicas de detección de errores más comunes usados para los circuitos de comunicación de datos son: redundancia, codificación de cuenta exacta, paridad, chequeo de redundancia vertical y longitudinal y chequeo de redundancia cíclica. Redundancia: Esta involucra transmitir cada carácter dos veces. Si el mismo carácter no se recibe dos veces sucesivamente, ha ocurrido un error de transmisión. El mismo concepto puede usarse para los mensajes. Si la misma secuencia de caracteres no se recibe dos veces sucesivamente, en exactamente el mismo orden, ha ocurrido un error de transmisión. Codificación de Cuenta Exacta: Con la codificación de cuenta exacta, el número de unos, en cada carácter, es el mismo. Un ejemplo de un esquema de la codificación de cuenta exacta es el código ARQ, mostrado en la tabla Con el código ARQ, cada carácter tiene tres unos en él y, por lo tanto, una cuenta sencilla de la cantidad de unos recibidos, en cada carácter, determina si ha ocurrido un error de transmisión. Paridad: Muchos sistemas emplean un bit de paridad como medio para la detección de errores de bit. Cualquier grupo de bits contiene un número par o impar de 1s. Un bit de paridad se añade al grupo de bits para hacer que el número total de 1s en el grupo sea siempre par o siempre impar. Un bit de paridad par hace que el número total de 1s sea par, y un bit de paridad impar hace que el número total de 1s del grupo sea impar. Un determinado sistema puede funcionar con paridad par o impar, pero no con ambas. Por ejemplo, si un sistema trabaja con paridad par, una comprobación que se realice en cada grupo de bits recibidos tiene que asegurar que el número total de 1s en ese grupo es par. Si hay un número impar de ls, quiere decir que se ha producido un error.

40 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 35 Tabla 2.11 Código cuenta exacta ARQ. La tabla 2.12 enumera los bits de paridad de cada número BCD, tanto en el caso de paridad par como de paridad impar. El bit de paridad para cada número BCD se indica en la columna P. Paridad Par Paridad Impar P BCD P BCD Tabla 2.12 Código BCD.

41 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 36 El bit de paridad se puede añadir al principio o al final del código, dependiendo del diseño del sistema. Obsérvese que el número total de 1s, incluyendo el bit de paridad, siempre es par para paridad par, y siempre es impar para paridad impar. Un bit de paridad facilita la detección de un único error de bit (o de cualquier número impar de errores, lo cual es muy improbable), pero no puede detectar dos errores dentro de un grupo. Por ejemplo, supongamos que deseamos transmitir el código BCD 0101 (el método de paridad puede usarse con cualquier número de bits, ahora usamos cuatro con propósitos de ilustración). El código total transmitido incluyendo el bit de paridad par es: Ahora, supongamos que se ha producido un error en el tercer bit de la izquierda (el 1 se transmite como 0) como sigue: Cuando se recibe este código, la circuitería de comprobación de paridad determina que sólo hay un 1 (impar), cuando debería haber un número par de ls. Puesto que, en el código recibido no aparece un número par de ls, esto indica que se ha producido un error. Un bit de paridad impar también facilita de forma similar la detección de un único error en un grupo de bits dado. Ejemplo: Asignar el bit de paridad par apropiado a los siguientes grupos de código; a) 1010 b) c) d) e) Solución: El bit de paridad par debe ser 1 o 0 de modo que el número total de 1s sea par. El bit de paridad será el bit más a la izquierda (tramado). a) b) c) d) e) Un sistema de paridad impar recibe los siguientes grupos de códigos: 10110, 11010, , y 1 l000l0l0l0l0. Determinar qué grupos, si hay alguno, tienen error. Puesto que se requiere paridad impar, cualquier grupo con un número par de ls es incorrecto. Los siguientes grupos contienen error: y

42 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 37 Chequeo de Redundancia Vertical y Horizontal: El chequeo de redundancia vertical (VRC), es un esquema de detección de errores que usa la paridad para determinar un error de transmisión ha ocurrido dentro de un carácter. Por lo tanto, el VRC a veces se llama paridad de carácter. Con el VRC, cada carácter tiene un bit de paridad agregado a él, antes de la transmisión. Puede usar paridad par o impar. El ejemplo mostrado bajo el tema paridad involucrando el carácter de ASCII C, es un ejemplo de cómo se usa el VRC. El chequeo de redundancia horizontal y longitudinal (HRC o LRC, es un esquema de detección de errores que utiliza la paridad para determinar si un error de transmisión ha ocurrido en un mensaje y, por lo tanto, a veces es llamado paridad de mensaje. Con el LRC cada posición de bit tiene un bit de paridad. En otras palabras, b 0 de cada carácter en el mensaje usa XOR con b 0 de todos los demás caracteres en el mensaje. De manera semejante, b 1, b 2 y así sucesivamente, utilizan XOR con sus bits respectivos de todos los demás caracteres en el mensaje. Esencialmente, el LRC es el resultado de usar XOR con los caracteres que componen un mensaje, mientras que el VRC es el uso de XOR en los bits con un solo carácter. Con el LRC, sólo la paridad par será usada. La secuencia del bit en el LRC se calcula en el transmisor, antes de enviar la información, después se transmite como si fuera el último carácter del mensaje. En el receptor, el LRC se recalcula en los datos y el LRC recalculado se compara con el LRC transmitido con el mensaje. Si son iguales, se asume que ningún error de transmisión ha ocurrido. Si son diferentes, un error de transmisión debe haber ocurrido. El ejemplo siguiente muestra cómo el VRC y el LRC son determinados. Ejemplo: Determine el VCR y el LCR (tabla 2.13) para el siguiente mensaje codificado ASCII; THE CAT (EL GATO). Utilice la paridad impar para el VCR y paridad par el LCR. Solución: Carácter T H E sp C A T LRC Hex F b LSB b b Código b ASCII b b MSB b VRC b Tabla del ejemplo. El LRC es 2FH o binario. En ASCII, éste es el carácter /. El bit VRC para cada carácter se calcula en dirección vertical y los bits del LCR se calculan en dirección horizontal. Este es el mismo esquema que fue usado con las primeras cintas de papel para teletipo y tarjetas de perforación y subsecuentemente en las aplicaciones de comunicación de datos actuales.

43 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 38 El grupo de caracteres que componen el mensaje (es decir, EL GATO) a menudo se llama bloque de información. Por lo tanto, la secuencia del bit para el LCR frecuentemente se llama carácter de chequeo de bloque (SCC) o una secuencia de chequeo de bloque (BCS). El BCS es más apropiado, porque el LRC no tiene función como un carácter (o sea, no es un carácter alfa/numérico, gráfico o enlazado con datos); el LRC es simplemente una secuencia de bits usada para la detección de errores. Históricamente, LRC detecta entre 75 y 98% de todas las transmisiones de errores. El LRC no detectará errores de transmisión cuando un número par de caracteres tienen un error en la misma posición del bit. Por ejemplo, si b 4 en dos diferentes caracteres está en error, el LRC aún es válido, aunque hayan ocurrido múltiples errores de transmisión. Si los VRC y LRC se usan simultáneamente, la única vez que un error no se detecta es cuando un número par de bits, en un número par de caracteres, estuviera en un error y las mismas posiciones del bit, en cada carácter, están en error, lo cual no es muy probable que suceda. El VRC no identifica cuál bit está en error en un carácter, y el LRC no identifica cuál carácter tiene un error en él. Sin embargo, para los errores de bit sencillo, el VRC usado junto con el LRC, identifica cual bit está en un error. De otra manera, los VRC y LRC sólo identifican que un error ha ocurrido. Revisión de Redundancia Cíclica: Probablemente, el esquema más confiable para la detección de errores es el chequeo de redundancia cíclica (CRC). Con CRC, aproximadamente el 99.95% de todos los errores de transmisión se detectan. El CRC se usa generalmente con códigos de 8 bits, tales como EBCD1C o códigos de 7 bits, cuando no se usa la paridad. En Estados Unidos el código CRC más común es el CRC-16, el cual es idéntico al estándar internacional, CCITT V.41. Con el CRC-16, se utilizan 16 bits para, el BCS. Esencialmente, el carácter CRC es el sobrante de un proceso de división. Un mensaje de datos polinómico G(x) se divide por una función de polinómico del generador P(x), el cociente se descarta, y el residuo se trunca en 16 bits y se agrega al mensaje como el BCS. Con la generación de CRC, la división no se logra con un proceso de división aritmética estándar. En vez de usar una resta común, el residuo se deriva de una operación XOR. En el receptor, el flujo de datos y el BCS se dividen por la misma función de generación P(x). Si ningún error de transmisión ha ocurrida, el residuo será cero. El polinomio generado para CRC-16 es: En donde x 0 1. P (x) x 16 x 12 x 5 x 0 El número de bits en el código CRC es igual al exponente más alto del polinomio generado. Los exponentes identifican las posiciones del bit que contiene un 1. Por lo tanto, b 16, b 12 y b 0 son todos unos y todas las demás posiciones de bits son ceros. La figura 2.3 muestra el diagrama a bloques para un circuito que generará un CRC-16 BCS, para el estándar CCITT V.41. Observe que para cada posición de bit del polinomio generado 0 en donde hay un 1 se coloca una compuerta excepto por x.

44 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 39 Ejemplo: Determine el BSC para los siguientes polinomios generadores de datos y CRC. Solución: datosg(x) x 7 x 5 x 4 x 2 x 1 x 0 o CRCP(x) x 5 x 3 x 1 x 0 o Primero G(x) es multiplicado por el número de bits en el código CRC, 5. x 5 (x 7 x 5 x 4 x 2 x 1 x 0 ) x 12 x 10 x 9 x 7 x 6 x Después divida el resultado por P(x). Figura 2.3 Circuito generador CRC-1 6 (CCITT V.4 1). El CRC se agrega a los datos para dar el siguiente flujo de datos transmitido. En el receptor, los datos transmitidos son nuevamente divididos por P(x).

45 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos Corrección de Errores Esencialmente, hay tres métodos de corrección de errores: sustitución de símbolos, retransmisión y seguimiento de corrección de un error. Sustitución de Símbolos: La sustitución de símbolos se diseñó para usarse en un ambiente, en donde el humano, ubicado en la terminal de recepción, analiza los datos recibidos y toma decisiones sobre su integridad. Con la sustitución de símbolos, si un carácter se recibe en error, en vez de revertirse a un nivel superior de corrección de errores o mostrar el carácter incorrecto, un carácter único que es indefinido por el código de caracteres, tal como un signo de interrogación invertido( ), se sustituye por el carácter malo. Si el carácter erróneo no puede distinguirse por el operador, la retransmisión es para llamada (o sea, la sustitución de símbolos es una forma de retransmisión selectiva). Por ejemplo, si el mensaje Nombre tenía un error en el primer carácter, se mostraría como ombre, Un operador puede discernir el mensaje correcto por inspección, y la retransmisión no es necesaria. Sin embargo, si el mensaje $?, se recibiera, un operador no podría determinar el carácter correcto y la retransmisión sería requerida. Retransmisión: La retransmisión, como el nombre lo implica, es volver a enviar un mensaje, cuando es recibido en error, y la terminal de recepción automáticamente pide la retransmisión de todo el mensaje. La retransmisión frecuentemente se llama ARQ, el cual es un término antiguo de la comunicación de radio, que significa petición automática para retransmisión. ARQ es probablemente el método más confiable de corrección de errores, aunque no siempre es el más eficiente. Las dificultades en el medio de transmisión ocurren en ráfagas. Si se usan mensajes cortos, la probabilidad de que una dificultad ocurra, durante la transmisión, es pequeña. Sin embargo, los mensajes cortos requieren de más reconocimientos y regresos de línea que los mensajes largos. Los reconocimientos y regresos de línea para el control de errores son formas de encabezamientos (caracteres diferentes a los datos que se deben transmitir). Con los mensajes largos, menos tiempo de regreso es necesario, aunque la probabilidad de que un error de transmisión ocurra es mayor que para los mensajes cortos. Se puede mostrar, de manera estadística, que los bloques de mensajes entre 256 y 512 caracteres son de tamaño óptimo, cuando se utiliza ARQ para corrección de errores. Seguimiento de Corrección de Error: El seguimiento de corrección de error (FEC), es el único esquema de corrección de error que detecta y corrige los errores de transmisión, del lado receptor, sin pedir retransmisión. Con FEC, se agregan bits al mensaje antes de la transmisión. Un código de corrección de errores popular, es el código de Hamming, desarrollado por R. W. Hamming en 1950, en los Laboratorios Bell. R. W. Hamming introdujo éste método para detectar y corregir errores de datos en los sistemas de comunicación donde las distancias pueden ser mayores a la unidad. Este código trabaja con una distancia mínima de tres y puede detectar errores con cambios de 1 o 2 bits y corregir cambios de un solo bit.

46 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 41 Los bits necesarios para el código Hamming se dividen en dos grupos; m bits de información y k bits de chequeo o paridad, por lo que, el tamaño del dato a transmitir debe ser n = m + k bits. Éste debe cumplir con la siguiente ecuación: 2 k m k 1 (2.5) Algunos autores escriben la ecuación (2.5) cambiando la letra k por la letra n, quedando de la siguiente manera: 2 n m n 1 (2.6) La paridad del código puede ser par o impar, sin embargo, toda la información relacionada está dada en paridad par. Por lo tanto, los ejemplos se realizaran tomando como referencia codificación Hamming de paridad par con el número de bits n igual a siete. En la figura 2.4 se observa la distribución de paridades para los bits de chequeo con formato de siete bits de dato. De esta forma, al aplicar la ecuación (2.5) se determina que m = 4 y k = 3, por lo tanto la información que se puede transmitir va desde hasta ; éstos están distribuidos, en la figura 2.4 como I 7, I 6, I 5, I 3 y deben mezclarse con los de chequeo C 4, C 2, C 1. Estos últimos ocupan las posiciones de la potencia en base 2 indicada por los subíndices dos, uno y cero respectivamente. Subíndice del dato Dato enviado o recibido D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D I 7 I 8 I 6 C 4 I 2 C 2 C 1 I 7 I 8 I 6 C 4 I 2 C 2 C 1 I 7 I 8 I 6 C 4 I 2 C 2 C 1 Figura 2.4 Formación del código Hamming de 7 bits. Paridad Par C 4 ; 4, 5, 6,7 C 2 ; 2, 3, 6, 7 C 1 ; 1, 3, 5,7 El código se forma entrelazando los bits de información (q3, q2, q1, q0) con los bits de control (h 2, h 1, h 0 ) de forma que los subíndices de h correspondan con la posición decimal del código formado. Los bits (q 3, q 2, q 1, q 0 ) de información se hacen corresponder, en la figura 2.4, con los bits (I 7, I 6, I 5, I 3 ) respectivamente; la finalidad es ubicarlos en la posición decimal del código. Del mismo modo, (h 2, h 1, h 0 ) es equivalente con las posiciones según en subíndice h 2 = C 2 2 = C 4 ; h 1 = C 2 1 = C 2 ; h 0 = C 2 0 = C 1. Finalmente el código de siete bits queda formado de la siguiente manera: q 3 q 2 q 1 h 2 q 0 h 1 h 0 I 7 I 6 I 5 C 4 I 3 C 2 C 1 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 Al enviar el dato de siete bits, este es recibido como un paquete formado por (D 6, D 5, D 4, D 3, D 2, D 1, D 0 ) donde no se reconoce quien es información y/o quien es control. Sin embargo, con el método se realizan tres grupos de detección y corrección formado por cuatro bits cada uno, los cuales siempre deben tener paridad par.

47 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 42 Estos grupos están resaltados de gris en la figura 2.4 y forman tres cuartetos agrupados de la siguiente forma: (I 7 I 5 I 3 C 1 ); (I 7 I 6 I 3 C 2 ); (I 7 I 6 I 5 C 4 ). Ellos sirven tanto para generar, detectar y corregir datos con distancia uno y dos respectivamente. Por ejemplo, para enviar el dato de información (1100) codificado en Hamming se deben agregar tres bits de control de manera que los cuartetos tengan paridad par: Primero hay que hacer corresponder los bits de información; (1100)= (I 7 I 6 I 5 I 3 ), después se organizan los cuartetos de forma que la paridad sea par: Los bits de control generados son: (C 4 C 2 C 1 ) = (001); en consecuencia el dato a enviar es (D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 ) = (I 7 I 6 I 5 C 4 I 3 C 2 C 1 ) = ( ). De la misma forma se procede a obtener la codificación de los bits en código Hamming. En la tabla 2.14 están representados los 4 bits de información y los tres bits de chequeo del código Hamming de 7 bits. También se puede observar que la mínima distancia, entre dos datos consecutivos, es tres. Decimal Información Control Dato codificado I 7 I 6 I 5 I 3 C 4 C 2 C 1 I 7 I 6 I 5 C 4 I 3 C 2 C Tabla 2.14 Código Hamming de 7 Bits. También se pueden corregir errores de datos con distancia uno de la siguiente forma: Ejemplo 1: Se han recibido los datos a, b, c, d codificados en Hamming de 7 bits con paridad par, y es necesario detectar y corregir los bits con errores.

48 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 43 Solución: a) ; b) ; c) ; d) a) Para mantener la paridad par en el grupo 2, 3, 6, 7 debe cambiarse el bit de la posición 2 (C 2 ). El dato corresponde a I 7 I 6 I 5 C 4 I 3 C 2 C b) Para mantener la paridad par en los grupos 2, 3, 6, 7 y 4, 5, 6, 7 se debe cambiar el bit de la posición 6 (I 6 ) para obtener la paridad correcta. El dato es: I 7 I 6 I 5 C 4 I 3 C 2 C c) En este caso, no hay error en el dato enviado. I 7 I 6 I 5 C 4 I 3 C 2 C I 7 I 6 I 5 C I 7 I 6 I 3 C I 7 I 5 I 3 C d) Para mantener la paridad par en los grupos 4, 5, 6, 7 se debe cambiar el bit de la posición 4 (C 4 ) para obtener la paridad correcta. El dato es: I 7 I 6 I 5 C 4 I 3 C 2 C

49 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 44 Los casos a y d pueden ser aceptados como errores dobles o simple. Sin embargo, al asumir algún cambio en los bits de chequeo implica descartar errores dobles en los bits de información. Debido a esto, en el ejemplo (a) pueden ser considerado los cambios de los bits I 7 e I 5. De esta misma forma, en el ejemplo (d) 2 2 m n 1 En donde: n número de bits de Hamming. m número de bits en el carácter de datos. Ejemplo 2: En una cadena de datos de 12 - bits de , determine el número de bits de Hamming requerido, coloque arbitrariamente los bits de Hamming en la cadena de datos, determine la condición de cada bit de Hamming, asuma un error de transmisión de bit sencillo arbitrario y compruebe que el código de Hamming detectará el error. Solución: Sustituyendo en la ecuación 2.6, el número de bits de Hamming es el siguiente. Para n = 4: 2 2 m n m n < 17; por lo tanto, 4 bits de Hamming son insuficientes. Para n = 5: m n > 18; por lo tanto, 5 bits de Hamming son suficientes para llenar el criterio de la m ecuación 2.6. Por lo tanto, un total de = 17 bits componen el f1ujo de datos. Coloque arbitrariamente 5 bits de Hamming en el flujo de datos: Para determinar la condición lógica de los bits de Hamming, exprese todas las posiciones de bit que contienen un 1, como un número binario de 5 bits y usando XOR juntos. b 17 = 1, b 13 = 0, b 9 = 1, b 8 =1, b 4 = 0

50 CAPÍTULO 2 Sistemas Numéricos y Códigos 45 El flujo de datos codificados de 17 bits se convierte en: H H H H H Asuma que durante la transmisión, un error ocurre en la posición de bit 14. El flujo de datos recibido es: En el receptor, para determinar el bit en error, extraiga los bits de Hamming y usando XOR con el código binario para cada posición de bit de datos que contiene un l. La posición de bit 14 fue recibida en error. Para arreglar el error, simplemente complemente el bit 14. El código de Hamming, detectara sólo errores de un solo bit. No se puede usar para identificar errores de bits múltiples o errores en los bits de l Hamming. El código de Hamming, como todos los códigos FEC, requiere de la adición de los bits a los datos, alargando consecuentemente el mensaje transmitido. El propósito de los códigos FEC es reducir o eliminar el tiempo gastado de retransmisiones. Sin embargo, la suma de los bits FEC a cada mensaje gasta el tiempo de transmisión. El FEC frecuentemente se usa para transmisiones sencillas a muchos receptores, cuando los reconocimientos no son prácticos.

51 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 46 CAPÍTULO 3 LÓGICA BINARIA INTRODUCCIÓN Este capítulo se ocupa de las leyes, reglas y teoremas del álgebra booleana y sus aplicaciones a los circuitos digitales. Se aprenderá a definir un circuito mediante una expresión booleana y a determinar su funcionamiento. También se tratará la lógica binaria, así como a las compuertas lógicas, dando énfasis en el funcionamiento lógico de las mismas. Los símbolos lógicos que se usan para representar las compuertas lógicas están de acuerdo con el estándar ANSI/IEEE Este estándar ha sido adoptado por la industria privada, y la industria militar la utiliza para su documentación interna así como para sus publicaciones. 3.1 TEOREMAS Y PROPIEDADES DE LA LÓGICA BINARIA Álgebra de Boole En 1854, George Boole publicó una obra titulada Investigación de las leyes del pensamiento, sobre las que se basan las teorías matemáticas de la lógica y la probabilidad. En esta publicación se formuló la idea de un Álgebra de las Operaciones Lógicas, que se conoce hoy en día como Álgebra de Boole. El Álgebra de Boole es una forma muy adecuada para expresar y analizar las operaciones de los circuitos lógicos. Claude Shannon fue el primero en aplicar la obra de Boole al análisis y diseño de circuitos. En 1938, Shannon escribió su tesis doctoral en el MIT (Massachussets Institute of Technology) titulada Análisis simbólico de los circuitos de conmutación y relés Leyes y Reglas del Álgebra de Boole Al igual que en otras áreas de las matemáticas, existe en el Álgebra de Boole una serie de reglas y leyes bien determinadas que tienen que seguirse para aplicarla correctamente. Las más importantes son las que se presentan en esta sección. Las leyes básicas del Álgebra de Boole (las leyes conmutativas de la suma y la multiplicación, las leyes asociativas de la suma y la multiplicación y la ley distributiva) son las mismas que las del álgebra ordinaria. Cada una de las leyes se ilustra con dos o tres variables, pero el número de variables no está limitado a esta cantidad. Leyes Conmutativas: La ley conmutativa de la suma para dos variables se escribe como sigue. A B B A

52 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 47 Esta ley establece que el orden en que se aplica a las variables la operación OR es indiferente. Recuerde que cuando se aplica a los circuitos lógicos la terminología del Álgebra de Boole, la adición y la operación OR son una misma cosa. La figura 3.1 nos muestra la ley conmutativa aplicada a una compuerta OR, en la que se puede ver que es indistinto a qué entrada asignemos cada una de las variables. (El símbolo significa equivalente a ). Figura 3.1 Aplicación de la ley conmutativa de la adicción. La ley conmutativa de la multiplicación para dos variables es: AB BA Esta ley establece que el orden en que se aplica a las variables la operación AND es indiferente. La figura 3.2 muestra esta ley cuando se aplica a una compuerta AND. Figura 3.2 Aplicación de la ley conmutativa de la multiplicación. Leyes Asociativas: La ley asociativa de la adición para tres variables se escribe, en forma algebraica, de la siguiente manera. A ( B C) ( A B) C Esta ley establece que al aplicar la operación OR a más de dos variables, el resultado es el mismo independientemente de la forma en que se agrupen las variables. En la figura 3.3 podemos ver esta ley aplicada a las compuertas OR. Figura 3.3 Aplicación de la ley asociativa de la adición. La ley asociativa de la multiplicación para tres variables se escribe de la siguiente manera: A ( BC) ( AB) C Esta ley establece que al aplicar la operación AND a más de dos variables, el resultado es el mismo independientemente de la forma en que se agrupen las variables. En la figura 3.4 podemos ver esta ley aplicada a las compuertas AND.

53 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 48 Figura 3.4 Aplicación de la ley asociativa de la multiplicación. Ley Distributiva: La ley distributiva para tres variables se escribe de la siguiente manera. A ( B C) AB AC Esta ley establece que aplicar la operación OR a dos o más variables y luego aplicar la operación AND al resultado de esta operación y a otra variable aislada, es equivalente a aplicar la operación AND a la variable aislada con cada uno de los sumandos y luego aplicar la operación OR a los productos resultantes. La ley distributiva también expresa el proceso de sacar factor común, en el que la variable común A se saca como factor de los productos parciales, como, por ejemplo, en AB AC A(B C). La figura 3.5 ilustra la ley distributiva mediante su implementación de compuertas. Figura 3.5 Aplicación de la ley distributiva. Reglas del Álgebra Booleana: La tabla 3.1 enumera las doce reglas básicas, muy útiles, para la manipulación y simplificación de expresiones booleanas. Las nueve primeras reglas las veremos en términos de su aplicación a las compuertas lógicas. Las reglas 10 a 12 se obtendrán a partir de las reglas más sencillas y de las leyes anteriormente explicadas A 0 A 07.- A A A A A A A A 04.- A 1 A 10.- A AB A 05.- A A A 11.- A AB A B 06.- A A ( A B)(A C) A BC Tabla 3.1 Reglas básicas del Álgebra de Boole. 1.- A 0 A. Si aplicamos la operación OR a una variable cualquiera y a 0, el resultado es siempre igual a la variable. Si A es 1, la salida es igual a 1 y, por tanto, igual a A. Si A es 0, la salida es 0 e igualmente idéntica a A. Esta ley se ilustra en la figura 3.6, en la que la entrada inferior está siempre a 0.

54 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 49 Figura 3.6 Regla 1: A 0 A. 2.- A 1 1. Si se aplica la operación OR a una variable y a 1, el resultado es siempre igual a 1. Un 1 en una entrada de una compuerta OR produce siempre un 1 en la salida, independientemente del valor de la otra entrada. Esta regla se ilustra en la figura 3.7, en la que la entrada inferior está siempre a 1. Figura 3.7 Regla 2: A A 0 0. Si se aplica la operación AND a una variable y a 0, el resultado es siempre igual a 0. Siempre que una de las entradas de una compuerta AND sea 0, la salida es siempre 0, independientemente del valor de la otra entrada. Esta regla se ilustra en la figura 3.8, en la que la entrada inferior está siempre a 0. Figura 3.8 Regla 3: A A 1 A. Si se aplica la operación AND a 1 y a otra variable, el resultado es siempre igual a la variable. Si la variable A es 0, la salida de la compuerta AND será siempre 0, mientras que si A es 1, la salida será 1, dado que las dos entradas son 1. Esta regla se ilustra en la figura 3.9, en la que la entrada inferior está siempre a 1. Figura 3.9 Regla 4: A 1 A. 5.- A A A. Si se aplica la operación OR a una variable consigo misma, el resultado es siempre igual a la variable. Si A es 0, entonces 0 + 0= 0, mientras que si A es 1, = 1. Esto se muestra en la figura 3.10, en la que se aplica la misma variable a ambas entradas. Figura 3.10 Regla 5: A A A.

55 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria A A 1. Si se aplica la operación OR a una variable y a su complemento, el resultado es siempre igual a 1. Si A es 0, entonces Si A es 1, entonces En la figura 3.11 podemos ver una compuerta OR en la que sus entradas son una variable y su complemento. Figura 3.11 Reg1a 6: A A A A A. Si se aplica la operación AND a una variable consigo misma, el resultado siempre es igual a la variable. Si A = 0, entonces 0 0 0, y si A = 1, entonces Esta regla se ilustra en la figura Figura 3.12 Regla 7: A A A. 8.- A A 0. Si se aplica la operación AND a una variable y a su complemento, el resultado es siempre igual a 0. Esta regla se basa en que siempre A o A será 0, y además en que cuando se aplica un 0 a una de las entradas de una compuerta AND la salida siempre es 0. En la figura 3.13 se muestra esta regla. Figura 3.13 Regla 8: A A A A. El complemento del complemento de una variable es siempre la propia variable. El complemento de la variable A es A y el complemento de A será de nuevo A, que es la variable original. Esta regla se muestra en la figura 3.14, mediante el uso de dos inversores. Figura 3.14 Regla 9: A A A AB A. Esta regla se puede obtener aplicando la ley distributiva, reglas 2 y 4 de la manera siguiente:

56 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 51 En la tabla 3.2 podemos ver la tabla de verdad y la simplificación del circuito lógico resultante. Tabla 3.2 Tabla de verdad 11.- A AB A B. Esta regla se puede demostrar de la manera siguiente: En la tabla 3.3 podemos ver la tabla de verdad y la simplificación del circuito lógico resultante. Tabla 3.3 Tabla de verdad 12.- ( A B)(A C) A BC. Esta regla se puede demostrar de la manera siguiente: En la tabla 3.4 podemos ver la tabla de verdad y la simplificación del circuito lógico resultante. Tabla 3.4 Tabla de verdad

57 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria Teoremas de Demorgan DeMorgan, matemático que conoció a Boole, propuso dos teoremas que constituyen una parte muy importante del Álgebra de Boole. En términos prácticos, los teoremas de DeMorgan nos demuestran la equivalencia entre las compuertas NAND y negativa - OR, y las compuertas NOR y negativa - AND. El primer teorema de DeMorgan se enuncia de la siguiente forma: El complemento de un producto de variables es igual a la suma de los complementos de las variables. O dicho de otra manera: El complemento de dos o más variables a las que se aplica la operación AND es equivalente a aplicar la operación OR a los complementos de cada variable. La fórmula para expresar este teorema para dos variables es: El segundo teorema de DeMorgan se enuncia así: X.Y X Y (3.1) El complemento de una suma de variables es igual al producto de los complementos de las variables. Dicho de otra manera: El complemento de dos o más variables a las que se aplica la operación OR es equivalente a aplicar la operación AND a los complementos de cada variable. La fórmula para expresar este teorema es: X Y X.Y (3.2) Las compuertas equivalentes y tablas de verdad correspondientes a las ecuaciones 3.1 y 3.2 se muestran en la figura Figura 3.15 Compuertas NAND y NOR.

58 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 53 Equivalencias de las compuertas lógicas y tablas de verdad que ilustran los teoremas de DeMorgan. Nótese la igualdad entre las dos columnas de salida de cada tabla. Esto indica que las compuertas equivalentes realizan la misma función. Como se ha comentado, los teoremas de DeMorgan se aplican también a expresiones en las que existen más de dos variables. Los siguientes ejemplos ilustran la aplicación de los teoremas de DeMorgan a expresiones de 3 y 4 variables. Ejemplo 1: Aplicar los teoremas de DeMorgan a las expresiones XYZ y X Y Z. Solución: XYZ X Y X Z Y Z XYZ Ejemplo 2: Aplicar los teoremas de DeMorgan a las expresiones W X Y Z. WXYZ y Solución: WXYZ W X Y Z W X Y Z WXYZ Como se ha establecido en las ecuaciones 3.1 y 3.2 que enuncian los teoremas de DeMorgan, cada variable puede representar una combinación de otras variables. Por ejemplo, X puede ser igual al término AB C, e Y puede ser igual a A BC. De esta forma, si aplicamos el teorema de DeMorgan para dos variables expresado según XY X Y a la expresión ( AB C)(A BC) obtenemos el siguiente resultado: ( AB C)(A BC) (AB C) (A BC) En el resultado anterior se observa que hay dos términos, podemos aplicar otra vez el teorema de DeMorgan X Y AB C y AB C a los que XY, obteniendo: ( AB C) (A BC) (AB)C A(BC) De esta manera obtenemos otros dos términos en la expresión a los que de nuevo podemos aplicar el teorema de DeMorgan. Estos términos son AB y BC. Una última aplicación del teorema de DeMorgan nos proporciona el siguiente resultado: ( AB)C A(BC) (A B)C A(B C) Los teoremas de DeMorgan ya no pueden seguir aplicándose, aunque este resultado puede ser simplificado aún más mediante el uso de las reglas y leyes de Boole.

59 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria Aplicación de los Teoremas de Demorgan El siguiente algoritmo ilustra al teorema de DeMorgan y del Álgebra de Boole a una determinada expresión (los corchetes son equivalentes a los paréntesis): A BC D(E F) Paso 1.- Identificar los términos a los que se puede aplicar los teoremas de DeMorgan y considerar cada término como una única variable. Definimos: A BC X y D(E F) Y Paso 2.- Dado que X Y XY. A BC D(E F) A BC D(E F) Paso 3.- Utilizar la regla 9 ( A = A) para eliminar la barra doble sobre el término de la izquierda (esta parte no tiene que ver con los teoremas de DeMorgan): A BC D(E F) A BC D(E F) Paso 4.- En el término de la derecha se define a Z E F. A BC D(E F) A BC DZ Paso 5.- Como DZ D Z. A BC D(E F) A BC D (E F) Paso 6.- Utilizando la regla 9 ( A = A) para eliminar la barra doble del término E F : ( A BC)(D E F) (A BC)(D E F) El siguiente ejemplo ilustrará detalladamente cómo emplear los teoremas de DeMorgan. Ejemplo: Aplicar los teoremas de DeMorgan a las siguientes expresiones. a) (A B C)D b) ABC DEF c) AB CD EF Solución: (a) Sean A B C X y D Y. La expresión ( A B C) D está escrita en la forma X Y X Y y puede expresarse como:

60 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 55 ( A B C)D A B C D. A continuación, aplicamos el teorema de DeMorgan al término A B C. A B C D ABC D (b) Sean X Y ABC X y DEF Y. La expresión: ABC DEF está escrita en la forma XY, y puede expresarse como: ABC DEF (ABC)(DEF). A continuación aplicamos el teorema de DeMorgan a cada uno de los términos ABC y DEF: ( ABC)(DEF) (A B C)(D E F) (c) Sean X Y A B X, C D Y y EF Z. La expresión A B CD EF está escrita en la forma Z XYZ, y puede expresarse como: A B CD EF (AB)(CD)(EF) A continuación aplicamos el teorema de DeMorgan a cada uno de los términos EF: ( AB)(CD)(EF) (A B)(C D)(E F). A B, CD y 3.2 VARIABLES BINARIAS Y OPERACIONES El Álgebra de Boole son las matemáticas de los sistemas digitales. Es indispensable tener unos conocimientos básicos del álgebra booleana para estudiar y analizar los circuitos lógicos. Los términos variable, complemento y literal son términos ampliamente utilizados en el Álgebra de Boole. Una variable es un símbolo que se utiliza para representar magnitudes lógicas. Cualquier variable puede tener un valor 1 o 0. El complemento es el inverso de la variable y se indica mediante una barra encima de la misma. Por ejemplo, el complemento de la variable A es A. Si A 1, entonces A 0. El complemento de la variable A se lee como A negada o complementada. Algunas veces también se utiliza un apóstrofe para indicar el complemento de una variable en lugar de la barra. Por ejemplo, el complemento de B puede escribirse como B. Un literal se define como una variable o el complemento de una variable. Adición Binaria: La suma booleana es equivalente a la operación OR y sus reglas son

61 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 56 En el Álgebra de Boole, un término suma es una suma de literales. En los circuitos lógicos, un término suma se produce mediante la operación OR, sin que exista ninguna operación AND en la expresión. Algunos ejemplos son: A B, A B, A B C y A B C D. Un término suma es igual a 1 cuando uno o más de los literales es un 1. Un término suma es igual a 0 si y sólo si cada uno de los literales es 0. Ejemplo: Determinar los valores de A, B, C y D que hacen que el término igual a 0. A B C D sea Solución: Para que la suma sea 0, cada uno de los literales tiene que ser 0. Por consiguiente, A = 0, B = 1 (para que B 0), C = 0 y D = 1 (para que D 0). A B C D Multiplicación Booleana: Es equivalente a la operación AND y sus reglas básicas son En el Álgebra de Boole, un término producto es el producto de literales. En los circuitos lógicos, un término producto se produce mediante la operación AND, sin que aparezca ninguna operación OR en la expresión. Algunos ejemplos de términos producto son: A B, ABCy A BC D. Un término producto es igual a 1 si y sólo si cada uno de los literales es 1. Un término producto es igual a 0 si uno o más de sus literales es 0. Ejemplo: Determinar los valores de A, B, C y D que hacen que el producto a 1. A BC D sea igual Solución: Para que este producto sea 1, cada uno de los literales del término tiene que ser 1. A = l, B = 0, para B 1; C = l y D = 0, para D 1. A BCD

62 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria Funciones Binarias La lógica binaria se ocupa de variables que adoptan dos valores discretos y de operaciones que asumen un significado lógico. Los dos valores que pueden adoptar las variables reciben diferentes nombres (verdadero y falso, sí y no, etcétera), pero para nuestros fines es conveniente pensar en ellos en términos de bits y asignarles los valores 1 y 0. La lógica binaria consiste en variables binarias y operaciones lógicas. Las variables se designan con letras del alfabeto, como A, B, C, x, y, z. etcétera, y cada variable tiene dos y sólo dos posibles valores: 1 y 0. Hay tres operaciones lógicas básicas: AND, OR y NOT. 1.-AND: Esta operación se representa con un punto u omitiendo el operador. Por ejemplo, x y xy ó xy z se lee x AND y es igual a z. La operación lógica AND significa que z = 1 si sólo si x = 1 y y = 1; de lo contrario, z = 0. (Recordemos que x, y y z son variables binarias y solo pueden valer 1 o 0). 2.-OR: Esta operación se representa con un signo más. Por ejemplo, x y z se lee, x OR y es igual a z, y significa que z = 1 si x = 1 o si y = 1 o si x = 1 y y = 1. Si x = 0 y y = 0, entonces z = NOT: Esta operación se representa con un apóstrofe (y a veces con una testa). Por ejemplo, x = z (o x z ) se lee como no x es igual a z y significa que z es lo contrario de x. Dicho de otro modo, si x = 1, entonces z = 0; pero si x = 0, entonces z = 1. La operación NOT también se llama operación de complemento, ya que cambia un 1 por 0 y un 0 por 1. La lógica binaria se parece a la aritmética binaria, y las operaciones AND y OR tienen similitudes con la multiplicación y la suma, respectivamente. De hecho, los símbolos que se usan para AND y OR son los mismos que los empleados para la multiplicación y la suma. No obstante, la lógica binaria no debe confundirse con la aritmética binaria. Una variable lógica siempre es 0 o 1. Para cada combinación de los valores de x y y, la definición de la operación lógica especifica un valor de z. Dichas definiciones se pueden presentar en forma compacta con tablas de verdad. Una tabla de verdad es una tabla de todas las posibles combinaciones de las variables, y muestra la relación entre los valores que las variables pueden adoptar y el resultado de la operación. Las tablas de verdad de las operaciones AND y OR con variables x y y se obtienen enumerando todos los posibles valores que pueden tener las variables cuando se les combina en pares. Luego, se anota en una fila aparte el resultado de la operación para cada combinación. En la tabla 3.5 se presentan las tablas de verdad para AND, OR y NOT, estas tablas muestran claramente la definición de las operaciones. Entrada Salida X Z Entradas Salida X Y Z Entradas Salida X Y Z NOT AND OR Tabla 3.5 Tablas de verdad de operaciones lógicas.

63 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria REPRESENTACIONES DE FUNCIONES LÓGICAS CON TABLAS DE VERDAD El Álgebra de Boole proporciona una manera concisa de expresar el funcionamiento de un circuito lógico formado por una combinación de compuertas lógicas, de tal forma que la salida puede determinarse por la combinación de los valores de entrada. Expresión Booleana de un Circuito Lógico: Para obtener la expresión booleana de un determinado circuito lógico, la manera de proceder consiste en comenzar con las entradas situadas más a la izquierda e ir avanzando hasta las líneas de salida, escribiendo la expresión para cada compuerta. Ejemplo: Determinar la expresión booleana para el circuito de la figura Solución: La expresión booleana se determina de la siguiente manera. 1. La expresión de la compuerta AND situada más a la izquierda cuyas entradas son C y D es CD. 2. La salida de la compuerta AND situada más a la izquierda es una de las entradas de la compuerta OR y B es su otra entrada. Por tanto, la expresión para la compuerta OR es: B + CD 3. La salida de la compuerta OR es una de las entradas de la compuerta AND situada más a la derecha, siendo A su otra entrada. Por tanto, la expresión de esta compuerta AND será A (B + CD), que es la expresión final de salida del circuito completo. Figura 3.16 Circuito lógico que muestra el desarrollo de la expresión booleana para la salida. Elaboración de la Tabla de Verdad de un Circuito Lógico: Una vez que se ha determinado la expresión booleana de un circuito dado, puede desarrollarse una tabla de verdad que represente la salida del circuito lógico para todos los valores posibles de las variables de entrada. Esto requiere que se evalúe la expresión Booleana para todas las posibles combinaciones de valores de las variables de entrada. En el caso del circuito de la figura 3.16, existen cuatro variables de entrada (A, B, C y D) y por tanto, hay 2 4 = 16 posibles combinaciones de valores.

64 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 59 Evaluación de la Expresión: Para evaluar la expresión A (B + CD), en primer lugar, utilizando las reglas de la adición y multiplicación booleanas, se localizan los valores de las variables que hacen que la expresión sea igual a 1. En este caso, la expresión es igual a 1 sólo si A=1 y (B + CD) = 1, ya que: A (B CD) Ahora, se determina cuándo el término B + CD es igual a 1. La expresión B + CD es si B = 1 o CD = 1, o ambos son igual a 1, ya que: B B B CD CD CD El término CD es 1 solo si D y C son 1. Para resumir, la expresión A (B + CD) = 1 cuando A = 1 y B = 1, independientemente del valor de C y D, o cuando A = 1 y C = 1 y D = 1, independientemente del valor de B. La expresión A (B + CD) vale 0 para el resto de combinaciones posibles de las variables. Representación de los Resultados en una Tabla de Verdad: El primer paso consiste en enumerar las dieciséis combinaciones de unos y ceros de las variables de entrada en una secuencia binaria, como muestra la tabla 3.6. A continuación, se pone un 1 en la columna de salida para las combinaciones de variables de entrada que se han determinado en la evaluación de la expresión. Finalmente, se escribe un 0 en la columna de salida para el resto de las combinaciones de las variables de entrada. Estos resultados se muestran en la siguiente tabla. Entradas Salida Entradas Salida A B C D A(B+CD) A B C D A(B+CD) Tabla 3.6 Tabla de verdad del circuito lógico de la figura 3.7.

65 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria COMPUERTAS LÓGICAS Compuerta NOT El inversor (compuerta NOT), realiza la operación denominada inversión o complementación. El inversor cambia un nivel lógico al nivel opuesto. En términos de bits, cambia un 1 por un 0, y un 0 por un 1. Este cuenta con un indicador de negación el cual es un círculo (O) (figura 3.17 a) o es un triángulo ( ) que indica inversión o complementación (figura 3.17 b), cuando aparece en la entrada o en la salida de un elemento lógico. El modo de operación de un inversor (compuerta NOT) puede expresarse del siguiente modo: si la variable de entrada se designa por A y la variable de salida por X, entonces. A Esta expresión establece que la salida es el complemento de la entrada, es decir, si A = 0, entonces X = 1; y si A = 1, entonces X = 0. La variable complementada se lee como A negada. Los símbolos lógicos cumplen el estándar ANSI/IEEE X Figura 3.17 Símbolos lógicos estándar de la compuerta inversora (Estándar ANSI/IEEE ). El funcionamiento de la compuerta NOT es el siguiente: Cuando la entrada está a nivel BAJO, la salida está a nivel ALTO; y cuando la entrada está a nivel ALTO, la salida está a nivel BAJO, lo que da lugar a un impulso de salida invertido (figura 3.18). Figura 3.18 Impulso de entrada en el inversor. A partir del funcionamiento de ésta compuerta obtenemos la tabla de verdad (tabla 3.7). Entrada Salida A X Tabla 3.7 Tabla de verdad de la compuerta NOT.

66 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria Compuerta AND La compuerta AND es una de las compuertas básicas con la que se construyen todas las funciones lógicas. Una compuerta AND (figura 3.19 a y b) puede tener dos o más entradas y realiza la operación que se conoce como multiplicación lógica. Figura 3.19 Símbolos lógicos estándar de la compuerta AND con dos entradas (estándar ANSI/IEEE ,1.) El funcionamiento de la compuerta AND de dos entradas es el siguiente: La salida X es un nivel ALTO si A y B están a nivel ALTO; y X es un nivel BAJO si A es un nivel BAJO, o si B es un nivel BAJO, o si A y B están a nivel BAJO. A partir del funcionamiento de ésta compuerta obtenemos la tabla de verdad (tabla 3.8). Entradas Salida A B X Tabla 3.8 Tabla de verdad para una compuerta AND de dos entradas. El número total de posibles combinaciones de entradas binarias a una compuerta viene determinado por la siguiente fórmula: n N 2 Donde N son todas las posibles combinaciones, y n es el número de variables de entrada, luego: Para dos variables de entradas: N 2 4combinaciones. Para tres variables de entradas: N 2 8combinaciones. Para cuatro variables de entradas: N 2 16 combinaciones. El funcionamiento de una compuerta AND de dos entradas puede expresarse en forma de ecuación como sigue: Sí una variable de entrada es A y la otra variable es B, y la variable de salida es X, entonces la expresión booleana es. X AB

67 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria Compuerta OR La compuerta OR es otra de las compuertas básicas con las que se construyen todas las funciones lógicas. Una compuerta OR (figura 3.20 a y b) puede tener dos o más entradas y realiza la operación que se conoce como suma lógica. Figura 3.20 Símbolos lógicos estándar de la compuerta OR con dos entradas (Estándar ANSI / IEEE ). La operación de una compuerta OR de dos entradas es la siguiente: La salida X es un nivel ALTO si cualquiera de las entradas, A o B, o ambas, están a nivel ALTO; X es un nivel BAJO si ambas entradas, A y B, están a nivel BAJO (figura 3.21). Figura 3.21 Todos los posibles niveles lógicos para una compuerta OR de 2 entradas. En la tabla 3.9 se describe el funcionamiento lógico de una compuerta OR de dos entradas. Entradas Salida A B X Tabla 3.9 Tabla de verdad para una compuerta OR de dos entradas. El funcionamiento de una compuerta OR de 2 entradas se puede expresar como sigue: Sí una variable de entrada es A y la otra variable de entrada es B, y la variable de salida es X, entonces la expresión booleana es. X A B

68 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria Compuerta NAND La compuerta NAND es un elemento lógico popular, debido a que se puede utilizar como una compuerta universal, es decir, las compuertas NAND se pueden combinar para implementar las operaciones de las compuertas AND, OR y del inversor. El término NAND es una contracción de NOT-AND, e implica una función AND con la salida complementada (negada). En la figura 3.22 (a) se muestra el símbolo lógico estándar para la compuerta NAND de 2 entradas y su equivalente empleando los símbolos de la compuerta AND seguida de un inversor. En la parte (b) se muestra el símbolo rectangular. Figura 3.22 Símbolos lógicos estándar de la compuerta NAND (ANSI-/IEEE ). La operación de una compuerta NAND de dos entradas es la siguiente: La salida X es un nivel BAJO si las entradas A y B están a nivel ALTO; X es un nivel ALTO si A o B están a nivel BAJO o si ambas, A y B, están a nivel BAJO (tabla 3.10). Entradas Salida A B X Tabla 3.10 Tabla de verdad de la compuerta NAND de 2 entradas. La expresión booleana para la compuerta NAND de dos entradas es: X Esta expresión significa que las dos variables de entrada, A y B, se multiplican (AND) primero y luego se complementan, tal y como indica la barra sobre la expresión lógica correspondiente a AND. AB Compuerta NOR La compuerta NOR, al igual que la compuerta NAND, es un útil elemento lógico porque también se puede emplear como una compuerta universal, es decir, las compuertas NOR se pueden usar en combinación para implementar las operaciones AND, OR y del inversor. El término NOR es una contracción de NOT - OR e implica una función OR con la salida invertida (complementada). En la figura 3.23(a) se muestra el símbolo lógico están para dar para la compuerta NOR de 2 entradas y su equivalente empleando los símbolos de la compuerta OR seguida de un inversor. En la figura 3.23 (b) se muestra el símbolo rectangular.

69 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 64 Figura 3.23 Símbolo lógico estándar para la compuerta NOR (ANSI / IEEE Std ). La operación de una compuerta NOR de dos entradas es el siguiente: La salida X es un nivel BAJO si cualquiera de sus entradas A o B está a nivel ALTO, o si ambas entradas A y B están a nivel ALTO; X es un nivel ALTO si A y B están a nivel BAJO (tabla 3.11). Entradas Salida A B X Tabla 3.11 Tabla de verdad de la compuerta NOR de 2 entradas. La expresión booleana para la salida de una compuerta NOR de dos entradas se expresa así: X A B Compuerta OR-EXCLUSIVA En la figura 3.24 se muestran los símbolos estándar para la compuerta OR - EXCLUSIVA (XOR). La compuerta XOR tiene sólo dos entradas. Figura 3.24 Símbolos lógicos estándar de la compuerta OR-EXCLUSIVA. La operación de una compuerta OR EXCLUSIVA (figura 3.25) es el siguiente: La salida X es un nivel ALTO si la entrada A está a nivel BAJO y la entrada B está a nivel ALTO; o si la entrada A está a nivel ALTO y la entrada B está a nivel BAJO; X es un nivel BAJO si tanto A como B están a nivel ALTO o BAJO. El funcionamiento lógico se muestra en la tabla Figura 3.25 Todos los niveles lógicos posibles para una compuerta OR-EXCLUSIVA.

70 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 65 Entradas Salida A B X Tabla 3.12 Tabla de verdad de la compuerta OR-EXCLUSIVA. La expresión booleana para la salida de una compuerta OR- EXCLUSIVA de dos entradas se expresa así: X AB AB A B Compuerta NOR-EXCLUSIVA En la figura 3.26 se presentan los símbolos estándar de la compuerta NOR - EXCLUSIVA (XNOR). Al igual que la compuerta XOR, la compuerta XNOR sólo tiene dos entradas. El círculo en la salida del símbolo de la compuerta XNOR indica que su salida es la opuesta a la de la compuerta XOR. Cuando dos niveles lógicos de entrada son opuestos, la salida de la compuerta NOR - EXCLUSIVA es un nivel BAJO. La operación se puede expresar del siguiente modo (A y B son las entradas, y X es la salida). La operación de una compuerta NOR-EXCLUSIVA es el siguiente: La salida X es un nivel BAJO si la entrada A está a nivel BAJO y la entrada B está a nivel ALTO, o si A está a nivel ALTO y B está a nivel BAJO; X es un nivel ALTO si A y B están ambas a nivel ALTO o BAJO. Figura 3.26 Símbolos lógicos estándar para la compuerta NOR-EXCLUSIVA. En la figura 3.27 se muestran las cuatro posibles combinaciones de entrada y las salidas resultantes para la compuerta XNOR. La operación lógica se resume en la tabla Obsérvese que la salida es un nivel ALTO cuando las dos entradas están al mismo nivel. Figura 3.27 Todos los niveles lógicos posibles para una compuerta NOR-EXCLUSIVA.

71 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 66 Entradas Salida A B X Tabla 3.13 Tabla de verdad de la compuerta NOR-EXCLUSIVA. La expresión booleana para la salida de una compuerta NOR- EXCLUSIVA de dos entradas se expresa así: X AB AB A B 3.6 IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS CON COMPUERTAS DIGITALES En esta sección se usan ejemplos para ilustrar cómo implementar un circuito lógico a partir de una expresión booleana o una tabla de verdad. Obtención del Circuito Lógico a Partir de una Expresión Booleana: Examinemos la siguiente expresión booleanas X AB CDE. Una rápida inspección revela que esta expresión consta de dos términos, AB y CDE, y que hay un total de cinco variables. El primer término es la multiplicación (AND) de A y B y el segundo término es la multiplicación de C, D y E. Luego, los dos términos se suman (OR) para generar la salida X. Estas operaciones se indican en la siguiente estructura de la expresión: Obsérvese que, en esta expresión, las operaciones AND son dos términos individuales, AB y CDE, que deben efectuarse antes de aplicar la operación OR. Para implementar esta expresión booleana se requiere una compuerta AND de 2 entradas para obtener el término AB, y una compuerta AND de tres entradas para generar el término CDE. Para combinar los dos términos obtenidos en las compuertas AND se requiere una compuerta OR de 2 entradas. El resultado se muestra en la figura Figura 3.28 Circuito lógico para X = AB + CDE.

72 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 67 Ejemplo: Obtener el circuito de la siguiente función X AB(CD EF). Solución: Si se divide esta expresión, vemos que los términos A, B y C D EF se multiplican (AND). El término C D EF está formado por la multiplicación (AND) de C y D y la multiplicación (AND) de E y E, y después estos dos términos se suman (OR). Esta estructura se expresa del siguiente modo. Antes de generar la expresión completa, debe obtener el término C D EF. Para ello, previamente hay que disponer de los términos C D y EF, pero antes de obtener el término C D es necesario tener D. Luego, como puede verse, las operaciones lógicas deben efectuarse en el orden adecuado. Las compuertas lógicas que se requieren para implementar la expresión X AB(CD EF) son las siguientes: 1.- Un inversor para obtener D. 2.- Dos compuertas AND de 2 entradas para obtener C D y EF. 3.- Una compuerta OR de 2 entradas para obtener C D EF. 4.- Una compuerta AND de 3 entradas para obtener X. En la figura 3.29(a) se muestra el circuito lógico correspondiente a esta expresión. Obsérvese que hay un máximo de tres compuertas y un inversor entre una entrada y la salida del circuito (de la entrada D a la salida). A menudo, el retardo de propagación a través del circuito lógico es una consideración de gran importancia. Los retardos de propagación se suman, luego cuantos más inversores y compuertas haya entre la entrada y la salida, mayor es el retardo de propagación. AB (CD EF) ABCD ABEF Figura 3.29 Circuitos lógicos para la expresión X AB(CD EF) ABCD ABEF

73 CAPÍTULO 3 Lógica Binaria 68 A menos que un término intermedio, tal como C D EF de la figura 3.29(a), se requiera como salida para algún otro propósito, usualmente lo mejor es reducir el circuito a su suma de productos. La expresión se convierte en suma de productos como sigue, y el circuito resultante se muestra en la figura 3.29 (b). Obtención del Circuito Lógico a Partir de la Tabla de Verdad: Si en lugar de partir de una expresión se parte de una tabla de verdad, puede escribirse la suma de productos que se obtiene de la tabla de verdad, y luego implementar el circuito lógico. La tabla 3.14 especifica una función lógica. Entradas A B C X Salida Tabla 3.14 Implementación del circuito lógico y su tabla de verdad. La expresión booleana suma de productos que se obtiene a partir de la tabla de verdad, haciendo la suma de los productos para los que X es 1 es: X ABC ABC El primer término de la expresión se obtiene haciendo el producto lógico (AND) de las tres variables A, B y C. El segundo término se forma aplicando la operación AND a las tres variables A, B y C. Las compuertas lógicas requeridas para implementar esta expresión son las siguientes: tres inversores para obtener las variables A, B y C, dos compuertas AND de 3 entradas para obtener los términos A BC y A BC, una compuerta OR de 2 entradas para conseguir la función de salida final A BC ABC. La figura 3.30 ilustra la implementación de esta función lógica. Figura 3.30 Circuito lógico para X ABC ABC.

74 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 69 CAPÍTULO 4 MÉTODOS DE SIMPLIFICACIÓN INTRODUCCIÓN El diseñador digital está rodeado por restricciones sobre tamaño, velocidad, disipación de potencia y costo de cualquier circuito digital y, en general, busca una solución que optimice estas cuatro restricciones. Casi siempre es posible optimizar los cuatro parámetros al mismo tiempo mediante la minimización del número de compuertas y del número de entradas. Para hacer esto, es necesario minimizar la función de conmutación antes de implantarla en hardware. El objetivo del ingeniero de diseño es minimizar el número de compuertas, el número de entradas y el número de inversores necesarios para implantar un circuito. En éste capítulo se estudian los métodos para la minimización de funciones lógicas. 4.1 SIMPLIFICACIÓN MEDIANTE EL ÁLGEBRA DE BOOLE Muchas veces, a la hora de aplicar el álgebra booleana, hay que reducir una expresión a su forma más simple o cambiarla a una forma más conveniente para conseguir una implementación más eficiente. El método que se va a tratar en ésta sección utiliza las reglas, leyes y teoremas del Álgebra de Boole para manipular y simplificar una expresión. Este método requiere un profundo conocimiento del álgebra booleana y una considerable experiencia en su aplicación, por no mencionar también un poquito de ingenio y destreza. Una expresión booleana simplificada emplea el menor número posible de compuertas en la implementación de una determinada expresión. A continuación, se presentan algunos ejemplos de simplificación descritos paso a paso, utilizando las reglas básicas del Álgebra de Boole. Ejemplo 1: Mediante las técnicas del Álgebra de Boole, simplificar la siguiente expresión AB A(B C) B(B C). Solución: Para éste problema el método que se aplica no es necesariamente el único posible. Paso 1.- Aplicar la ley distributiva al segundo y tercer término de la expresión del siguiente modo: AB AB AC BB BC Paso 2.- Aplicar la regla 7 ( BB B) al cuarto término: AB AB AC B BC Paso 3.- Aplicar la regla 5 ( AB AB AB) a los dos primeros términos: AB AC B BC

75 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 70 Paso 4.- Aplicar la regla 10 ( BC B B) a los dos últimos términos: AB AC B Paso 5.- Aplicar la regla 10 ( AB B B) a los términos primero y tercero: B AC En éste instante, la expresión ya no puede seguir simplificándose. Según se vaya adquiriendo experiencia en la aplicación del Álgebra de Boole, se podrán combinar muchos pasos individuales. La figura 4.1 muestra cómo el proceso de simplificación del ejemplo ha reducido significativamente el número de compuertas lógicas necesarias para implementar la expresión. En la figura 4.1 (a) se puede ver que son necesarias cinco compuertas para implementar dicha expresión en su forma original, mientras que sólo se requieren dos para hacerlo una vez simplificada, como se muestra en la figura 4.1 (b). Es importante resaltar que estas dos redes de compuertas son equivalentes, es decir, para cualquier combinación de valores en las entradas A, B y C, obtenemos siempre la misma salida en ambos circuitos. Figura 4.1 Redes de compuertas para el ejemplo anterior Ejemplo 2: Simplificar la expresión booleana [ AB(C BD) AB] C. Los corchetes y paréntesis significan lo mismo: el término de su interior se multiplica (AND) por el término exterior. Paso 1.- Aplicar la ley distributiva a los términos entre corchetes: ( ABC A B D AB)C Paso 2.- Aplicar la regla 8 ( BB 0) al segundo término entre paréntesis: ( ABC A 0 D AB)C Paso 3.- Aplicar la regla 3 ( A 0 D 0) al segundo término: ( ABC 0 AB)C Paso 4.- Aplicar la regla 1 (quitar el 0) dentro del paréntesis: ( ABC AB)C

76 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 71 Paso 5.- Aplicar la ley distributiva: A BCC ABC Paso 6.- Aplicar la regla 7 ( CC C) al primer término: A BC ABC Paso 7.- Sacar factor común B C: B C(A A) Paso 8.- Aplicar la regla 6 ( A A 1) : B C 1 Paso 9.- Aplicar la regla 4 (quitar el 1): B C Formas Estándar de las Expresiones Booleanas (Minitérminos - Maxitérminos) Todas las expresiones booleanas, independientemente de su forma, pueden convertirse en cualquiera de las dos formas estándar: Suma de Productos o Producto de Sumas. Esto posibilita que la evaluación, simplificación e implementación de las expresiones booleanas sea mucho más sistemática y sencilla Suma de Productos (Minitérminos) El término producto se define como un término que es el producto (multiplicación booleana) de literales (variables o sus complementos). Cuando dos o más productos se suman mediante la adición booleana, la expresión resultante se denomina suma de productos (SOP, Sum Of Products). Algunos ejemplos son: AB ABC ABC AB CDE ABC BCD Una suma de productos puede también contener términos de una única variable, como A ABC BCD. Si vo1vemos a los ejemplos de simplificación de la última sección, puede observarse que cada término de la expresión resultante era o un producto aislado o una suma de productos. En una expresión con formato suma de productos, una barra no puede extenderse sobre más de una variable, aunque más de una variable pueda tener una barra encima. Por ejemplo, una suma de productos puede contener el término A BC, pero no el ABC. Dominio de una Expresión Booleana: El dominio de una expresión booleana es el conjunto de variables (o sus complementos) contenido en una expresión. Por ejemplo, el dominio de la expresión A B ABC es el conjunto de variables A, B, C; y el dominio de la expresión AB C CDE BCD es el conjunto A, B, C, D, E. AC

77 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 72 Implementación de una Suma de Productos: La implementación de una suma de productos simplemente requiere aplicar la operación OR a las salidas de dos o más compuertas AND. Una operación AND da lugar a un producto, y la adición de dos o más productos se realiza mediante compuertas OR. Por tanto, una expresión suma de productos puede implementarse mediante un circuito lógico AND - OR en el que las salidas de las compuertas AND, cuyo número es igual al de productos que contenga la expresión, son las entradas de una compuerta OR, como se muestra en la figura 4.2 para la expresión AB BCD AC. La salida X de la compuerta OR es igual a la suma de productos. Figura 4.2 Implementación de la suma de productos AB BCD AC. Conversión de una Expresión General a Formato Suma de Productos: Cualquier expresión lógica puede ser transformada a una expresión suma de productos, aplicando el Álgebra de Boole. Por ejemplo, la expresión A (B CD) puede convertirse en una suma de productos aplicando la ley distributiva A (B CD) AB ACD. Ejemplo: Convertir cada una de las siguientes expresiones booleanas a su forma suma de productos; a) AB B(CD EF) b) (A B)(B C D) c) (A B) C. Solución: a) AB B(CD EF) AB BCD BEF b) (A B)(B C D) AB AC AD BB BC BD c) (A B) C (A B)C AC BC Conversión de Suma de Productos a su Forma Estándar: Cada término producto de una suma de productos que no contenga todas las variables del dominio, puede ser transformado a su forma estándar de manera que incluya todas las variables del dominio o sus complementos. Como se muestra a continuación, una suma de productos puede convertirse en forma estándar mediante la regla 6 del álgebra booleana ( A A 1) de la tabla 4.1, que establece que una variable sumada con su complemento es siempre igual a 1.

78 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación A 0 A 07.- A A A A A A A A 04.- A 1 A 10.- A AB A 05.- A A A 11.- A AB A B 06.- A A ( A B)(A C) A BC Tabla 4.1 Reglas básicas del Álgebra de Boole. Paso 1.- Multiplicar cada término producto no estándar por un término formado por la suma de la variable que falta y su complemento. Con esto se obtienen dos términos producto. Como se sabe, se puede multiplicar por 1 cualquier expresión sin que se altere su valor. Paso 2.- Repetir el paso 1 hasta que todos los términos de la expresión contengan todas las variables (o sus complementos) del dominio. Al convertir cada producto a su forma estándar, el número de términos producto se duplica por cada variable que falta. Ejemplo: Convertir la siguiente expresión booleana al formato suma de productos estándar A BC AB ABCD. Solución: El dominio de esta suma de productos es A, B, C, D. Considerando cada término por separado, se comprueba que al primer término, A BC le falta la variable D o D, por lo que lo multiplicamos por D o D, obteniendo A BC ABC(D D) ABCD ABC D. En este caso, se obtienen dos productos estándar. En el segundo término, A B faltan las variables C o C y D o D, de manera que multiplicamos primero por C +C : A B AB(C C) ABC ABC Los dos términos que obtenemos carecen de la variable D o D, por lo que multiplicamos por D+ D : AB ABC ABC AB ABC(D D) ABC(D D) AB ABCD ABCD ABCD ABCD) En este caso, el resultado son cuatro productos estándar. El tercer término AB CD, ya está en formato estándar. La suma de productos estándar que obtenemos es finalmente: A BC AB ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD Representación Binaria de un Término Producto Estándar: Un término producto estándar es igual a 1 sólo para una combinación de los valores de las variables. Por ejemplo, el término A BCD es igual a 1 cuando A = 1, B = 0, C = 1 y D = 0, como se muestra más abajo, y es cero para el resto de combinaciones de valores de las variables.

79 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 74 A BCD En este caso, el término producto tiene un valor binario de 1010 (diez en decimal). Recordemos que un producto se implementa mediante una compuerta AND,cuya salida es 1 si y sólo si todas sus entradas son 1. Para generar el complemento de una variable se utilizan inversores. Una Suma de Productos (SOP) es igual a 1 si y sólo si uno o más de los términos producto que forman la expresión es igual a 1. Ejemplo: Determinar los valores binarios para que la siguiente suma de productos estándar sea igual a 1 ABCD ABCD ABC D. Solución: El término ABCD es igual a 1 si A = 1, B = 1, C = 1 y D = 1. ABCD El término A BCD es igual a l si A = l, B = 0, C = 0 y D = l. A BCD El término A BCD es igual a 1 cuando A = 0, B = 0, C = 0 y D = 0. A BCD La suma de productos es igual a 1 sólo cuando cualquiera de los tres términos, o todos, son igual a Producto de Sumas (Maxitérminos) El término suma se define como un término formado por la adición (adición booleana) de literales (variables o sus complementos).cuando dos o más términos suma se multiplican, la expresión resultante es un producto de sumas (POS, Product Of Sums). Algunos ejemplos son: (A B)(A B C) (A B C)(C D E)(B C D) (A B)(A B C)(A C)

80 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 75 Un producto de sumas puede contener términos con una única variable, como en A (A B C)(B C D). En un producto de sumas, una barra no puede extenderse nunca sobre más de una variable, aunque más de una variable puede tener una barra encima. Por ejemplo, un producto de sumas puede contener el término A B C pero no el A B C. Implementación de un Producto de Sumas: La implementación de un producto de sumas requiere simplemente la aplicación de la operación AND a las salidas de dos o más compuertas OR. Un sumando se origina mediante la operación OR, y el producto de varios términos suma se realiza por medio de la operación AND. Por consiguiente, un producto de sumas puede implementarse a partir de compuertas lógicas OR (cuyo número será igual al de sumandos de la expresión) cuyas salidas se conectan a las entradas de una compuerta AND, como muestra la figura 4.3 para la expresión ( A B)(B C D)(A C). La salida X de la compuerta AND es igual al producto de sumas. Figura 4.3 Implementación del producto de sumas (A B)(B C D)(A C). Conversión de un Producto de Sumas a su Forma Estándar: Cada operación suma de un producto de sumas que no contenga todas las variables del dominio puede pasarse a formato estándar, de manera que incluya todas las variables del dominio o sus complementos. Como se muestra a continuación, un producto de sumas no estándar se pasa a formato estándar utilizando la regla booleana número 8 ( A A 0), de la tabla 4.1, la cual establece que una variable multiplicada por su complemento es igual a 0. Paso 1.- Añadir a cada término suma no estándar un término consistente en el producto de la variable que falta y su complemento; esto da lugar a la aparición de dos sumandos en la expresión. Como ya se sabe, siempre se puede sumar 0 sin que se altere el valor de una expresión. Paso 2.- Aplicar la regla 12 de la tabla 4. 1 A BC (A B)(A C). Paso 3.- Repetir el paso 1 hasta que todos los sumandos resultantes contengan todas las variables del dominio o sus complementos.

81 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 76 Ejemplo: Convertir la siguiente expresión booleana a formato producto de sumas estándar ( A B C)(B C D)(A B C D). Solución: El dominio de esta expresión es A, B, C, y D. Vamos a considerar término por término. El primero, A B C no contiene la variable D o D, por lo que añadimos D D, y aplicamos la regla 12 como sigue: A B C A B C DD (A B C D)(A B C D) El segundo término, B C D carece de la variable A o A, por lo que añadimos A A y aplicamos la regla 12 del siguiente modo: B C D B C D AA (A B C D)(A B C D) El tercer término, A B C D ya está escrito en su forma estándar. El producto de sumas estándar de la expresión original es: (A B C)(B C D)(A B C D) (A B C D)(A B C D)(A B C D)(A B C D) Representación Binaria de un Término Suma Estándar: Un término suma estándar es igual a 0 sólo para una única combinación de los valores de las variables. Por ejemplo, la suma A B C D es 0 cuando A = 0, B = 1, C = 0 y D = 1, como se muestra más abajo, y es 1 para el resto de combinaciones de los valores de las variables. A B C D En este caso, el valor binario de la suma es 0101 (5 en decimal). Recuerde que una suma se implementa mediante una compuerta OR cuya salida es 0 si y sólo si cada una de sus entradas es 0. Para complementar las variables se utilizan inversores. Un Producto de Sumas (POS) es igual a 0, sí y sólo sí uno o más términos suma de la expresión son igual a 0.

82 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación Conversión de una Suma de Productos Estándar a Producto de Sumas Estándar Los valores binarios de los términos producto en una suma de productos estándar dada no aparecen en su producto de sumas estándar equivalente. Así mismo, los valores binarios que no están representados en una suma de productos sí aparecen en el producto de sumas equivalente. Por lo tanto, para pasar de la suma de productos estándar al producto de sumas estándar hay que realizar los siguientes pasos: Paso 1.- Evaluar cada término de la expresión suma de productos; es decir, determinar los valores binarios que representan estos términos. Paso 2.- Determinar todos los números binarios no incluidos al realizar el cálculo del paso 1. Paso 3.- Escribir los términos suma equivalentes para cada valor binario del paso 2 y expresarlos en forma de producto de sumas. Mediante un procedimiento similar se puede pasar de un producto de sumas a una suma de productos. Ejemplo: Convertir la siguiente expresión suma de productos en su expresión equivalente como producto de sumas A BC ABC ABC ABC ABC. Solución: El resultado de la evaluación es el siguiente Puesto que son tres las variables que conforman el dominio de esta expresión, existe un total 3 de ocho ( 2 ) posibles combinaciones. La expresión suma de productos contiene cinco de estas combinaciones, luego la expresión producto de sumas debe contener las otras tres, que son 001, 100 y 110. Recuerde que estos son los valores binarios que hacen que cada operación suma sea igual a cero. El producto de sumas equivalente es: ( A B C)(A B C)(A B C) Expresiones Booleanas y Tablas de Verdad Todas las expresiones booleanas pueden ser fácilmente convertidas en tablas de verdad utilizando los valores binarios de cada término de la expresión. La tabla de verdad es una forma muy común, en un formato muy conciso, de expresar el funcionamiento lógico de un circuito.además, las expresiones suma de productos y producto de sumas pueden calcularse mediante las tablas de verdad. Las tablas de verdad se pueden encontrar en las hojas de especificaciones y en otras documentaciones relativas al funcionamiento de los circuitos y sistemas digitales.

83 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 78 Conversión de una Suma de Productos a Tabla de Verdad: Una suma de productos (Minitérminos) es igual a 1 si y sólo si al menos uno de los productos es igual a 1. Una tabla de verdad es sencillamente una lista de las posibles combinaciones de valores de las variables de entrada y sus correspondientes valores de salida (1 o 0). Para una expresión cuyo dominio es de dos variables, existen cuatro combinaciones distintas de estas variables ( 2 2 4). Para una expresión cuyo dominio consiste en tres variables, existen ocho ( ) combinaciones diferentes de estas variables. Para una expresión cuyo dominio contiene cuatro variables, el número de combinaciones es ( ), y así sucesivamente. El primer paso a seguir para elaborar una tabla de verdad es enumerar todas las posibles combinaciones de los valores de las variables de la expresión. A continuación, hay que pasar la suma de productos a su formato estándar, si no lo está ya. Por último, se escribe un 1 en la columna de salida (X) para cada valor binario que hace que la suma de productos estándar sea 1, y se escribe un 0 para los restantes valores. Este procedimiento se muestra en el siguiente ejemplo. Ejemplo: Desarrollar una tabla de verdad para la expresión suma de productos estándar A BC ABC ABC. Solución: Existen tres variables en el dominio, de forma que hay ocho posibles combinaciones de valores binarios de las variables, como se muestra en las tres primeras columnas de la tabla 4.2. Los valores binarios que hacen que los productos de la expresión sean 1 son A BC: 001: ABC: 100 ; y ABC : 111. Para cada uno de estos valores binarios, se escribe un 1 en la columna de salida como se muestra en la tabla. Para cada una de las restantes combinaciones, se coloca un 0 en la columna de salida. Entradas Salida A B C X Tabla 4.2 Tabla de verdad de las suma de productos estándar. Conversión de un Producto de Sumas a Tabla de Verdad: Recordemos que un producto de sumas (Maxitérminos) es igual a 0 solamente si al menos uno de los términos suma es igual a 0. Para elaborar la tabla de verdad de un producto de sumas, se enumeran todas las posibles combinaciones de valores binarios de las variables, del mismo modo que se ha hecho anteriormente para la suma de productos. A continuación, se pasa la expresión producto de sumas a su formato estándar, si todavía no lo está. Por último, se escribe un 0 en la columna de salida (X) para cada valor binario que hace que la expresión sea cero, y se escribe un 1 en el resto de las posibles combinaciones. Este procedimiento se ilustra en el ejemplo siguiente.

84 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 79 Ejemplo: Determinar la tabla de verdad (tabla 4.3) de la siguiente expresión producto de sumas estándar ( A B C)(A B C)(A B C)(A B C)(A B C). Solución: Existen tres variables en el dominio y ocho posibles valores binarios, como se muestra en las tres columnas de la izquierda de la tabla 4.3. Los valores binarios que hacen que los términos suma sean cero son. A B C:000: A B C:010: A B C:011: A B C:101: A B C:110 Para cada uno de estos valores binarios, se escribe un cero en la columna de salida como se indica en la tabla. Para las restantes combinaciones de valores binarios, se escribe un 1 en la columna de salida. Entradas Salida A B C X Tabla 4.3 Tabla de verdad. Observar que la tabla de verdad de este ejemplo es la misma que la del ejemplo anterior esto significa que la suma de productos del ejemplo anterior y el producto de sumas de este ejemplo son equivalentes. 4.2 MAPAS DE KARNAUGH Un mapa de Karnaugh proporciona un método sistemático de simplificación de expresiones booleanas y, si se aplica adecuadamente, genera las expresiones suma de productos y producto de sumas más simples posibles. Como hemos visto, la efectividad de la simplificación algebraica depende de nuestra familiaridad con las leyes, reglas y teoremas del álgebra booleana y de nuestra habilidad a la hora de aplicarlas. Por otro lado, el mapa de Karnaugh es básicamente una receta para la simplificación. Un mapa de Karnaugh es similar a una tabla de verdad, ya que muestra todos los posibles valores de las variables de entrada y la salida resultante para cada valor.

85 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 80 En vez de estar organizada en filas y columnas como una tabla de verdad, el mapa de Karnaugh es una secuencia de celdas en la que cada celda representa un valor binario de las variables de entrada. Las celdas se disponen de manera que la simplificación de una determinada expresión consiste en agrupar adecuadamente las celdas. Los mapas de Karnaugh pueden utilizarse para expresiones de dos, tres, cuatro y cinco variables. El número de celdas de un mapa de Karnaugh es igual al número total de posibles combinaciones de las variables de entrada, al igual que el número de filas de una tabla de verdad. Para tres variables, el número de celdas necesarias es de Para cuatro variables, el número de celdas es de Mapa de Karnaugh de Tres Variables El mapa de Karnaugh de 3 variables es un conjunto de ocho celdas, como se muestra en la figura 4.4 (a). En este caso, A, B y C se utilizan para denominar a las variables, aunque se podrían usar otras letras. Los valores binarios de A y B se encuentran en la parte izquierda (observar la secuencia) y los valores de C en la parte superior. Figura 4.4 Mapa de Karnaugh de tres variables. El valor de una determinada celda es el valor binario de A y B, en la parte izquierda de la misma fila, combinado con el valor de C en la parte superior de la misma columna. Por ejemplo, la celda de la esquina superior izquierda tiene un valor binario de 000 y la celda de la esquina inferior derecha tiene un valor de 101. La figura 4.4 (b) muestra los términos producto estándar representados por cada celda del mapa de Karnaugh.

86 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación Mapa de Karnaugh de Cuatro Variables El mapa de Karnaugh de cuatro variables es una matriz de 16 celdas, como se muestra en la figura 4.5 (a). Los valores binarios de A y B se encuentran en la parte izquierda de la tabla, mientras que los de C y D están en la parte superior. El valor de una determinada celda es el valor binario de A y B en la parte izquierda de la misma fila, combinado con los valores binarios de C y D en la parte superior de la misma columna. Por ejemplo, la celda de la esquina superior derecha tiene un valor de 0010 y la de la esquina inferior derecha tiene un valor de La figura 4.5 (b) muestra los términos producto estándar representados por cada celda del mapa de Karnaugh de cuatro variables. Figura 4.5 Mapa de Karnaugh de cuatro variables. Adyacencia de Celdas: Las celdas de un mapa de Karnaugh se disponen de manera que sólo cambia una única variable entre celdas adyacentes. La adyacencia se define por un cambio de una única variable. Las celdas que difieren en una única variable son adyacentes. Por ejemplo, en el mapa de 3 variables, la celda 010 es adyacente a la celda 000, a la 011 y a la 110. Las celdas cuyo valor difiere en más de una variable no son adyacentes. Físicamente, cada celda es adyacente a las celdas que están situadas inmediatas a ella por cualquiera de sus cuatro lados. Una celda no es adyacente a aquellas que tocan diagonalmente alguna de sus esquinas. Además, las celdas de la fila superior son adyacentes a las de la fila inferior y las celdas de la columna izquierda son adyacentes a las situadas en la columna de la derecha. Esto se denomina adyacencia cíclica, ya que podemos pensar que el mapa de Karnaugh se dobla de forma que se toquen los extremos superior e inferior como si fuera un cilindro o los extremos de la derecha e izquierda para formar la misma figura. La figura 4.6 muestra la adyacencia de celdas de un mapa de Karnaugh de 4 variables, aunque las reglas de la adyacencia se aplican por igual a todas las tablas, independientemente de su número de variables.

87 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 82 Figura 4.6 Adyacencia de celdas en un mapa de Karnaugh, las flechas apuntan a las celdas adyacentes Minimización de una Suma de Productos Mediante el Mapa de Karnaugh Como se ha enunciado en la sección anterior, el mapa de Karnaugh se utiliza para reducir expresiones booleanas a su mínima expresión. Una expresión suma de productos minimizada está formada por el mínimo número de términos producto posibles con el mínimo número de variables por término. Generalmente, una expresión suma de productos minimizada puede ser implementada mediante un número de compuertas menor que su expresión estándar, lo cual constituye la finalidad del proceso de simplificación Mapa de Karnaugh de una Suma de Productos Estándar Por cada término de la expresión suma de productos, se coloca un 1 en el mapa de Karnaugh en la celda correspondiente al valor del producto. Por ejemplo, para el término A BC se situaría un 1 en la celda 101 en un mapa de Karnaugh de 3 variables. Cuando se ha completado el mapa de Karnaugh correspondiente a la suma de productos dada, en dicho mapa habrá tantos unos como términos en la expresión. Las celdas que no tienen un 1 son aquellas para las que la expresión es 0. Generalmente, cuando se trabaja con una expresión suma de productos, los 0s se dejan fuera del mapa. Los siguientes pasos y la figura 4.7 nos ilustran cómo completar los mapas de Karnaugh. Paso 1.- Determinar el valor binario de cada término producto de la suma de productos estándar. Tras un poco de práctica, la evaluación de términos la podremos realizar mentalmente.

88 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 83 Paso 2.- A medida que evaluamos cada término, colocamos un 1 en el mapa de Karnaugh, en la celda que tiene el mismo valor que dicho término. Figura 4.7 Ejemplo de transformación a mapa de Karnaugh de una suma de productos estándar. En los dos ejemplos siguientes se verá este proceso de transformación. Ejemplo 1: Transformar la siguiente suma de productos estándar en un mapa de Karnaugh A BC ABC ABC ABC. Solución: Se introduce un 1 en el mapa de Karnaugh de tres variables de la figura 4.8 por cada producto estándar de la expresión. A BC ABC ABC ABC Figura 4.8 Solución del ejemplo 1. Ejemplo 2: Transformar la siguiente suma de productos estándar en un mapa de Karnaugh A BCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD. Solución: La expresión se evalúa como se muestra a continuación. Se coloca un 1 en el mapa de Karnaugh de la figura 4.9 por cada producto estándar de la expresión.

89 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 84 A BCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD Figura 4.9 Solución del ejemplo Mapa de Karnaugh de una Suma de Productos No Estándar Antes de poder utilizar un mapa de Karnaugh las expresiones booleanas deben estar en su forma estándar. Si una expresión no lo está, se pasará al formato estándar mediante el procedimiento descrito en la Sección o mediante desarrollo numérico. Dado que, en cualquier caso, las expresiones tienen que evaluarse antes de pasarlas al mapa de Karnaugh, el desarrollo numérico es quizá el método más eficaz. Desarrollo Numérico de un Producto No Estándar: Recuerde que a un término en forma no estándar le faltan una o más variables en su expresión. Por ejemplo, supongamos que uno de los productos de una cierta suma de productos de tres variables es A B. Este término se puede desarrollar numéricamente para obtener una expresión estándar de la manera siguiente. En primer lugar, se escribe el valor binario de las dos variables y le añadimos un 0 que corresponde a la variable que falta C : 100. A continuación, se escribe el valor binario de las dos variables y le añadimos un 1, que corresponde a la variable que falta C : 101. Los dos valores binarios resultantes son los valores respectivos de los términos de la expresión suma de productos estándar A BC y A BC. Veamos otro ejemplo; se supone que uno de los términos de una expresión de tres variables es B (recuérdese que una variable única se considera como un término producto en una suma de productos). Este término se puede desarrollar numéricamente para obtener su formato estándar del siguiente modo: se escribe el valor binario de la variable y luego se añaden todos los posibles valores de las variables que faltan, A y C. B

90 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 85 Los cuatro números binarios resultantes son los valores correspondientes a la suma de productos estándar, es decir, A BC,ABC,ABC y ABC. Ejemplo: Transformar la siguiente expresión suma de productos en un mapa de Karnaugh A AB ABC. Solución: Obviamente, la suma de productos no está en formato estándar, ya que cada término no contiene las tres variables. El primer término no posee dos de las tres variables; el segundo carece de una, mientras que el tercero sí es estándar. En primer lugar, desarrollamos los términos numéricamente de la siguiente forma. A AB 100 ABC 110 Cada uno de los valores binarios resultantes se traslada al mapa, colocando un 1 en la celda apropiada del mapa de Karnaugh de 3 variables de la figura Figura 4.10 Solución del ejemplo anterior Simplificación de una Suma de Productos Mediante el Mapa de Karnaugh El proceso que genera una expresión que contiene el menor número posible de términos con el mínimo número de variables posibles se denomina minimización. Después de haber obtenido el mapa de Karnaugh de una suma de productos, se deben seguir tres pasos para obtener la expresión suma de productos mínima: agrupar los 1s, determinar el término producto correspondiente a cada grupo y sumar los términos productos obtenidos. Agrupación de 1s: Podemos agrupar los 1s del mapa de Karnaugh de acuerdo con las reglas siguientes, rodeando las celdas adyacentes que contengan 1s. La finalidad es maximizar el tamaño de los grupos y minimizar el número de estos grupos. 1.- Un grupo tiene que contener 1, 2, 4, 8 o 16 celdas. En el caso de un mapa de Karnaugh de 3 variables, el grupo máximo puede contener 8 celdas.

91 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación Cada celda de un grupo tiene que ser adyacente a una o más celdas del mismo grupo, pero no todas las celdas del grupo tienen que ser adyacentes entre sí. 3.- Incluir siempre en cada grupo el mayor número posible de 1s de acuerdo a la regla número Cada 1 del mapa tiene que estar incluido en al menos un grupo. Los 1s que ya pertenezcan a un grupo pueden estar incluidos en otro, siempre que los grupos que se solapen contengan 1s no comunes. Ejemplo: Agrupar los 1s en cada uno de los mapas de Karnaugh de la figura 4.11 (A), (b), (c) y (d). Figura 4.11 Problemas propuestos. Solución: En la figura 4.12 se muestran las soluciones a los grupos. En algunos casos, puede existir más de una forma de agrupar los ls para formar grupos máximos. Figura 4.12 Solución a los problemas propuestos Determinación de la Expresión Suma de Productos Mínima a Partir del Mapa Cuando todos los 1s que representan los términos productos estándar de una expresión se han trasladado al mapa y se han agrupado adecuadamente, comienza el proceso de obtención de la suma de productos mínima. Para encontrar los términos mínimos y la expresión suma de productos mínima se aplican las siguientes reglas:

92 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación Agrupar las celdas que contienen 1s. Cada grupo de celdas que contiene 1s da lugar a un término producto compuesto por todas las variables que aparecen en el grupo en sólo una forma (no complementada o complementada). Las variables que aparecen complementadas y sin complementar dentro del mismo grupo se eliminan. A éstas se les denomina variables contradictorias. 2.- Determinar la operación producto mínima para cada grupo. (a) Para un mapa de 3 variables: (1) Un grupo formado por una única celda da lugar a un término producto de tres variables. (2) Un grupo formado por 2 celdas da lugar a un término producto de dos variables. (3) Un grupo formado por 4 celdas da lugar a un término de una variable. (4) Un grupo formado por 8 celdas indica que la expresión vale 1. (b) Para un mapa de 4 variables: (1) Un grupo formado por 1 celda da lugar a un término producto de cuatro variables. (2) Un grupo formado por 2 celdas da lugar a un término producto de tres variables. (3) Un grupo formado por 4 celdas da lugar a un término producto de dos variables. (4) Un grupo formado por 8 celdas da lugar a un término de una variable. (5) Un grupo formado por 16 celdas indica que la expresión vale Cuando se han obtenido todos los términos mínimos a partir del mapa de Karnaugh, se suman para obtener la expresión suma de productos mínima. Ejemplo 1: Determinar los productos para el mapa de Karnaugh de la figura 4.13 y escribir la expresión suma de productos mínima resultante. Figura 4.13 Solución del ejemplo 1. Solución: En la figura 4.13, el producto correspondiente al grupo de 8 celdas es B puesto que las celdas que forman el grupo contienen A y A, C y C, D y D, por lo que estas variables se eliminan. En el grupo formado por 4 celdas, aparecen B B D y D, de forma que el producto es A C. El grupo formado por 2 celdas, contiene a B y B, siendo A CD el producto. Obsérvese cómo se superponen los grupos para que éstos sean de tamaño máximo.

93 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 88 La expresión suma de productos mínima que resulta es la suma de todos los productos obtenidos. B AC ACD Ejemplo 2: Reducir mediante el mapa de Karnaugh minimizar la suma de productos estándar siguiente A BC ABC ABC ABC ABC. Solución: Los valores binarios de la expresión son La suma de productos estándar se pasa al mapa y las celdas se agrupan como se muestra en la figura Figura 4.14 Solución del ejemplo 1. Obsérvese el grupo de 4 celdas en los extremos del mapa que incluye las filas superior e inferior de 1s. El 1 restante se incluye en otro grupo superpuesto de dos celdas. El grupo de los cuatro ls origina un término con una única variable B. Esto se deduce del hecho de que, dentro del grupo, B es la única variable que no varía de celda a celda. El grupo de los dos 1s da lugar a un producto de dos variables A C. Este término se obtiene observando que, dentro de este grupo, A y C no varían de una celda a la siguiente. La correspondiente expresión suma de productos mínima es : B AC No debe olvidarse que esta expresión mínima es equivalente a la expresión estándar original Obtención Directa del Mapa de Karnaugh a Partir de la Tabla de Verdad Las expresiones booleanas se transforman en mapas de Karnaugh. Ahora se aprenderá cómo pasar de una tabla de verdad a un mapa de Karnaugh. Recuérdese que una tabla de verdad proporciona la salida de una expresión booleana para todas las posibles combinaciones de las variables de entrada. En la figura 4.15 se facilita un ejemplo de expresión booleana junto con su tabla de verdad. Obsérvese que la salida X es 1 para cuatro distintas combinaciones de las variables de entrada. Los unos de la columna de salida de la tabla de verdad se trasladan directamente al mapa de Karnaugh, a las celdas correspondientes a los valores asociados de las combinaciones de variables de entrada, como muestra la figura 4.15.

94 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 89 En ésta figura puede verse que tanto la expresión booleana, la tabla de verdad como el mapa de Karnaugh son distintas maneras de representar una función lógica. Condiciones No Importa: Algunas veces se producen situaciones en las que algunas combinaciones de las variables de entrada no están permitidas. Por ejemplo, recuérdese que en el código BCD, visto en el Capítulo 2, existían seis combinaciones no válidas: 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 y Dado que estos estados no permitidos no ocurren nunca en una aplicación que emplee el código BCD, pueden considerarse como términos indiferentes con respecto a su efecto en la salida. Esto significa que a estos términos se les puede asignar tanto un 1 como un 0 en la salida; realmente no son importantes dado que nunca van a generarse. Los términos indiferentes también son conocidos como condiciones de indiferencia (Don t Care) o condiciones de no importa. Ejemplo: Obtenga la función a partir de la tabla de verdad. Figura 4.15 Ejemplo de obtención directa de un mapa de Karnaugh a partir de una tabla de verdad. Solución: X ABC ABC ABC ABC. Los términos No importa pueden utilizarse para aprovechar mejor el método del mapa de Karnaugh. La figura 4.16 muestra que, para cada término indiferente, se escribe una X en la celda. Cuando se agrupan los 1s, las X pueden ser consideradas también como 1s para agrandar los grupos, o como 0s si no obtenemos ninguna ventaja. Cuanto mayor sea el grupo, más sencillo será el término resultante. La tabla de verdad de la figura 4.16 a describe una función lógica que tiene sólo salida igual a 1 cuando el código BCD de 7, 8 o 9 se introduce a la entrada. Utilizando los términos no importa como unos, el resultado que obtenemos para la función es A BCD. Si no se emplean estos términos indiferentes, la expresión obtenida sería A BC ABCD.

95 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 90 Luego puede verse que el utilizar los términos indiferentes contribuye a obtener una expresión más sencilla. Figura 4.16 Ejemplo de la utilización de las condiciones indiferentes para simplificar una expresión Minimización de un Producto de Sumas Mediante el Mapa de Karnaugh En ésta sección se va a estudiar la minimización de una expresión producto de sumas.los métodos son muy similares a los usados en la minimización de una expresión suma de productos mediante el mapa de Karnaugh, así que para ésta sección los 0s representan las operaciones de suma estándar y se colocan en el mapa de Karnaugh en lugar de los 1s. Conversión de una Expresión Producto de Sumas Estándar a Mapa de Karnaugh: Para un producto de sumas en forma estándar, se introduce un 0 en el mapa de Karnaugh por cada término suma de la expresión. Cada 0 se sitúa en la celda correspondiente al valor de un término suma. Por ejemplo, para la suma A B C. A se escribe un 0 en la celda 010 del mapa de Karnaugh de 3 variables. Cuando un producto de sumas se ha trasladado por completo al mapa, habrá tantos 0s en el mapa como términos suma en la expresión del producto de sumas estándar. Las celdas que no contienen un 0 son aquellas para las que la expresión vale 1. Generalmente, cuando se trabaja con productos de sumas, los 1s no se escriben. Los siguientes pasos junto con la figura 4.17 ilustran este proceso.

96 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 91 Paso 1.- Determinar el valor binario de cada término suma del producto de sumas estándar. Éste es el valor binario que hace que dicho término sea igual a 0. Paso 2.- Cada vez que se evalúa un término suma, se introduce un 0 en la correspondiente celda del mapa de Karnaugh. Ejemplo 1: Obtener del mapa de Karnaugh un producto de sumas estándar. Solución: La figura 4.17 nos ilustrará más detalladamente este proceso. Figura 4.17 Ejemplo de obtención del mapa de Karnaugh de un producto de sumas estándar. Ejemplo 2: Transformar la siguiente expresión suma de productos estándar en un mapa de Karnaugh ( A B C D)(A B C D)(A B C D)(A B C D)(A B C D). Solución: La expresión se evalúa como se indica más abajo y se coloca un 0 en el mapa de Karnaugh de la figura 4.18 por cada término suma estándar de la expresión. ( A B C D)(A B C D)(A B C D)(A B C D)(A B C D) Figura 4.18 Solución del ejemplo 2.

97 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación Simplificación Mediante el Mapa de Karnaugh de Expresiones Producto de Sumas El proceso de minimización de un producto de sumas es básicamente el mismo que para una expresión suma de productos, excepto que ahora hay que agrupar los 0s para generar el mínimo número de términos suma, en lugar de los 1s para obtener el número mínimo de términos producto. Ejemplo 1: Utilizar el mapa de Karnaugh para minimizar el siguiente producto de sumas estándar ( A B C)(A B C)(A B C)(A B C)(A B C). Solución: Las combinaciones de los valores binarios de la expresión son. ( )( )( )( )( ) La expresión de la suma de productos estándar se traslada al mapa de Karnaugh, y las celdas se agrupan como se muestra en la figura Figura 4.19 Solución de las sumas estándar Obsérvese que el 0 de la celda 110 se incluye en un grupo de dos celdas, utilizando el 0 del grupo de cuatro celdas. El término suma para cada grupo se muestra en la figura 4.19 y la expresión suma de productos mínima resultante es : A (B C). Esta expresión suma de productos mínima es equivalente a la expresión suma de productos estándar. Agrupando los ls como se indica en las áreas de color gris se obtiene una expresión suma de productos que es equivalente a agrupar los 0s. AC AB A(B C)

98 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 93 Ejemplo 2: Utilizar un mapa de Karnaugh para minimizar el siguiente producto de sumas ( B C D)(A B C D)(A B C D)(A B C D)(A B C D). Solución: El primer término tiene que ampliarse a A B C D y A B C D para conseguir una expresión producto de sumas estándar, que luego se pasa a un mapa de Karnaugh, y en la que las celdas se agrupan como muestra la figura En ella se indican los términos suma correspondiente a cada grupo, y el producto de sumas mínimo es ( C D)(A B D)(A B C). Figura 4.20 Solución de los productos de sumas Conversión Entre Suma de Productos y Productos de Sumas Mediante el Mapa de Karnaugh Cuando un producto de sumas se traslada a un mapa de Karnaugh, puede fácilmente pasarse a la suma de productos equivalente directamente a partir de dicho mapa. También, dado un mapa de Karnaugh de una suma de productos, el producto de sumas equivalente puede obtenerse directamente a partir del mapa. Esto proporciona una excelente manera de comparar ambas formas mínimas de una expresión, para determinar si una de ellas puede implementarse con menos compuertas que la otra. Para un producto de sumas, todas las celdas que no contienen 0s contienen ls, de lo que se deriva su expresión suma de productos. De igual manera, para una suma de productos, todas las celdas que no contienen ls contendrán 0s, de los que se obtiene la expresión producto de sumas. El siguiente ejemplo ilustra esta conversión. Ejemplo: Utilizando un mapa de Karnaugh, convertir el siguiente producto de sumas estándar en; un producto de sumas mínimo, una suma de productos estándar y una suma de productos mínima. ( A B C D)(A B C D)(A B C D) ( A B C D)(A B C D)(A B C D)

99 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 94 Solución: Los ceros de la expresión producto de sumas estándar se transforman y agrupan para obtener el producto de sumas mínimo, como se indica en la figura 4.21(a). En la figura 4.21 (b), se añaden en las celdas que no contienen 0s. De cada celda que contenga un 1, se obtiene un término producto estándar, como se indica. Estos términos producto forman la expresión suma de productos estándar. En la figura 4.21 (c), se agrupan los 1s y se obtiene una expresión suma de productos mínima. Figura 4.21 Procedimiento del producto de sumas Mapa de Karnaugh de Cinco Variables Las funciones booleanas de cinco variables pueden simplificarse mediante un mapa de Karnaugh de 32 celdas. Realmente, para construir un mapa de 5 variables se utilizan dos mapas de cuatro variables (con 16 celdas cada uno). Ya conocemos la adyacencia de celdas en los mapas de 4 variables y cómo se forman los grupos de celdas que contengan 1s para simplificar una suma de productos. Luego todo lo que se necesita aprender para manejar cinco variables es la adyacencia de celdas entre dos mapas de 4 variables y cómo agruparlas. Un mapa de Karnaugh de cinco variables (ABCDE) puede crearse utilizando dos mapas de 4 variables, con los que ya estamos familiarizados. Cada mapa contiene 16 celdas con todas las posibles combinaciones de las variables B, C, D y E. Un mapa es para A = 0, mientras que el otro es para A = 1 (figura 4.22).

100 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 95 Figura 4.22 Mapa de Karnaugh de 5 variables. Adyacencia de Celdas: Ya conocemos cómo determinar celdas adyacentes dentro de un mapa de cuatro variables. La mejor manera de visualizar la adyacencia de celdas entre los dos mapas de 16 celdas consiste en imaginar que el mapa A = 0 está colocado encima del mapa A = 1. Cada celda del mapa A = 0 es adyacente con la celda que está justo debajo en el mapa A = 1. Para ilustrar esto, la figura 4.23 muestra un ejemplo con cuatro grupos, con los mapas en disposición tridimensional. Los 1s de las celdas punteadas forman un grupo de 8 bits (cuatro correspondientes al mapa A = 0 combinadas con cuatro del mapa A = 1). Los 1s de las celdas rayadas forman un grupo de 4 bits. Los 1s de las celdas gris oscuro constituyen un grupo de 4 bits sólo en el mapa A = 0. El 1 de la celda gris claro del mapa A = 1 se agrupa con el 1 de la celda gris oscuro de la parte inferior derecha del mapa A = 0 para formar un grupo de 2 bits. Figura 4.23 Ilustración de la agrupación de 1s en celda adyacentes de un mapa de 5 variables.

101 CAPÍTULO 4 Métodos de Simplificación 96 Expresión Booleana Simplificada: La expresión booleana suma de productos original que está dibujada en el mapa de Karnaugh de la figura 4.23 contiene 17 términos de cinco variables, ya que existen diecisiete 1s en el mapa. Como ya sabemos, sólo las variables que no cambian dentro de un grupo permanecen en la expresión correspondiente a ese grupo. La expresión simplificada se obtiene a partir del mapa de la manera siguiente: El término del grupo punteado es El término del grupo rayado es D E. B CE. El término del grupo gris oscuro es A BD. El término de la celda gris claro junto con la celda gris oscuro es B CDE. Combinando estos términos obtenemos la suma de productos simplificada siguiente: X DE BCE ABD BCDE Ejemplo: Utilizar un mapa de Karnaugh para minimizar la siguiente expresión estándar de la suma de productos de 5 variables. X ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE A BCDE ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE Solución: Se traslada la suma de productos al mapa de Karnaugh y se realizan las agrupaciones indicando los términos correspondientes (figura 4.24). Combinando estos términos se obtiene la siguiente expresión suma de productos minimizada: X ADE ABCD BCE ACDE Figura 4.24 Solución del ejemplo anterior.

102 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 97 CAPÍTULO 5 CIRCUITOS COMBINACIONALES INTRODUCCION El propósito del presente capítulo es utilizar los conocimientos adquiridos en capítulos anteriores y formular procedimientos sistemáticos para el análisis y diseño de circuitos combinacionales. Hay varios circuitos combinacionales que se usan ampliamente en el diseño de sistemas digitales. Esos circuitos pueden conseguirse en circuitos integrados y se clasifican como componentes estándar. Efectúan funciones digitales específicas que se necesitan a menudo en el diseño de sistemas digitales. En éste capítulo presentaremos los circuitos combinacionales estándar más importantes, como los sumadores, restadores, comparadores, codificadores, decodificadores y multiplexores. 5.1 TÉCNICAS BÁSICAS DE ANÁLISIS Y DISEÑO Un circuito combinacional realiza una operación que se puede especificar lógicamente con un conjunto de funciones booleanas. Éste tipo de circuito lógico consiste en variables de entrada, compuertas lógicas y variables de salida. Las compuertas lógicas aceptan señales de las entradas y generan señales para las salidas. Análisis: El análisis de un circuito combinacional requiere deducir la función que realiza el circuito. Este proceso parte de un diagrama lógico dado y culmina en un conjunto de funciones booleanas, una tabla de verdad o una posible explicación del funcionamiento del circuito. Si el diagrama lógico a analizar va acompañado de un nombre de función o de una explicación de lo que se supone que hace, el problema de análisis se reducirá a una verificación de la función planteada. El análisis se efectúa manualmente encontrando las funciones booleanas o la tabla de verdad, o bien, utilizando un programa de simulación en computadora. El primer paso del análisis consiste en asegurarse de que el circuito dado sea combinacional y no secuencial. El diagrama de un circuito combinacional tiene compuertas lógicas sin trayectorias de retroalimentación ni elementos de memoria. Una trayectoria de retroalimentación es una conexión de la salida de una compuerta a la entrada de una segunda compuerta que forma parte de la entrada a la primera compuerta. Las trayectorias de retroalimentación en un circuito digital definen a un circuito secuencial y deben analizarse de acuerdo a los procedimientos que correspondan.

103 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 98 Una vez que se verifica que el diagrama lógico representa un circuito combinacional, se procede a obtener las funciones booleanas de salida o la tabla de verdad. Si se está investigando la función del circuito, será necesario interpretar la operación de éste a partir ecuaciones booleanas o la tabla de verdad obtenidas. Para obtener las funciones booleanas procedimiento es el siguiente: de salida a partir de un diagrama lógico, el 1.- Indique con símbolos arbitrarios todas las salidas de compuerta que son función de variables de entrada. Determine las funciones booleanas para cada salida de la compuerta. 2.- Indique con otros símbolos arbitrarios las compuertas que son función de variables de entrada y de compuertas previamente indicadas. Obtenga las funciones booleanas de estas compuertas. 3.- Repita el proceso bosquejado en el paso 2 hasta obtener las salidas del circuito. 4.- Por sustitución repetida de funciones previamente definidas, obtenga las funciones booleanas de salida en términos de variables de entrada. El análisis del circuito combinacional de la figura 5.1 ilustra el procedimiento propuesto. El circuito tiene tres entradas binarias A, B y C y dos salidas binarias F 1 y F 2. Las salidas de diversas compuertas están rotuladas con símbolos intermedios. Las salidas de compuertas que son función únicamente de variables de entrada son T 1 y T 2. La salida F 2 se deduce fácilmente de las variables de entrada. Las funciones booleanas de estas tres salidas son: F 2 AB AC BC T 1 A B C ABC T 2 Figura 5.1 Diagrama lógico para el ejemplo de análisis. A continuación consideramos las salidas de compuertas que son función de símbolos ya definidos. F2 F T T 3 T1 1 3 T2

104 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 99 Para obtener F 1 en función de A, B y C se realiza la siguiente serie de sustituciones: F 1 T3 T2 F 2 T 1 ABC (AB AC (A B)(A C)(B C)(A (A ABC BC)(AB ABC AC ABC BC ABC BC)(A B BC) C) B ABC C) ABC ABC La deducción de la tabla de verdad del circuito es un proceso sencillo una vez que se conocen las funciones booleanas de salida. Para obtener la tabla de verdad directamente del diagrama lógico sin tener que deducir las funciones booleanas se procede así: 1.- Determine el número de variables de entrada del circuito. Para sus entradas, forme las 2 n posibles combinaciones y haga una lista de los números binarios de 0 a 2 n en una tabla. 2.- Indique las salidas de compuertas selectas con símbolos arbitrarios. 3.- Obtenga la tabla de verdad para las salidas de aquellas compuertas que son función únicamente de las variables de entrada. 4.- Obtenga la tabla de verdad para las salidas de aquellas compuertas que son función de valores previamente definidos, hasta llenar las columnas de todas las salidas. Diseño: El diseño de circuitos combinacionales parte de la especificación de un diagrama lógico de circuitos o un conjunto de funciones booleanas a partir de las cuales se puede obtener el diagrama lógico. El procedimiento implica los pasos siguientes: 1.- De las especificaciones del circuito, deduzca el número requerido de entradas y salidas; asigne un símbolo a cada una. 2.- Deduzca la tabla de verdad que define la relación requerida entre las entradas y las salidas binarias. 3.- Obtenga las funciones booleanas simplificadas para cada salida en función de las variables arbitrarias de entrada. 4.- Dibuje el diagrama lógico y verifique que el diseño sea correcto. 5.2 ARITMÉTICA DIGITAL Sumadores Los sumadores son muy importantes no solamente en las computadoras, sino en muchos tipos de sistemas digitales en los que se procesan datos numéricos. Comprender el funcionamiento de un sumador es fundamental en el estudio de los sistemas digitales. En esta sección estudiaremos el semisumador y el sumador completo.

105 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 100 El Semisumador: Todas las operaciones que corresponden a las reglas básicas de la suma binaria se realizan mediante un circuito lógico denominado semisumador. Un Semisumador admite dos dígitos binarios en sus entradas y genera dos dígitos binarios en sus salidas: un bit de suma y un bit de acarreo. Los semisumadores se representan mediante el símbolo lógico (figura 5.2). Figura 5.2 Símbolo lógico de un semisumador. Lógica del semisumador: A partir del funcionamiento lógico de un semisumador, expuesto en la tabla 5.1, las expresiones correspondientes a la suma y al acarreo de salida se pueden obtener como funciones de las entradas. Obsérvese que la salida de acarreo ( C out) es 1 sólo cuando A y B son 1; por tanto, ( C out), puede expresarse como una operación AND de las variables de entrada. C out AB (5.1) Obsérvese ahora que la salida correspondiente a la suma ( ) es 1 sólo si las variables A y B son distintas. Por tanto, la suma puede expresarse como una operación OR - EXCLUSIVA de las variables de entrada. A B (5.2) A B C OUT Tabla 5.1 Tabla de verdad de un semisumador. A partir de las ecuaciones (5. 1) y (5.2), se puede desarrollar la implementación lógica del funcionamiento de un semisumador. La salida de acarreo se produce mediante una compuerta AND, siendo A y B sus dos entradas, y la salida de la suma se obtiene mediante una compuerta OR - EXCLUSIVA (figura 5.3). Figura 5.3 Diagrama lógico de un semisumador.

106 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 101 El Sumador Completo: El segundo tipo de sumador es el sumador completo. Un Sumador Completo acepta dos bits de entrada y un acarreo de entrada, y genera una salida de suma y un acarreo de salida. La diferencia principal entre un sumador completo y un semisumador es que el sumador completo acepta un acarreo de entrada. El símbolo lógico de un sumador completo (figura 5.4) y la tabla de verdad (tabla 5.2) describe su funcionamiento. Figura 5.4 Símbolo lógico de un sumador completo. Entradas Salidas A B C In C OUT Tabla 5.2 Tabla de verdad de un sumador completo. Lógica del sumador completo: Un sumador completo suma los dos bits de entrada y el bit de acarreo de entrada. A partir del semisumador, ya conocemos que la suma de los dos bits de entrada A y B consiste en la operación OR - EXCLUSIVA entre estas dos variables A B. Para sumar el acarreo de entrada ( C in ) a los bits de entrada, hay que volver a aplicar la operación OR - EXCLUSIVA, obteniéndose la siguiente ecuación de salida para el sumador completo. ( A B) (5.3) Esto significa que, para implementar la función de un sumador completo, se pueden utilizar dos compuertas OR - EXCLUSIVA. La primera tiene que generar el término A B, y la segunda toma como entradas la salida de la primera compuerta XOR y el acarreo de entrada (figura 5.5 a). C in

107 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 102 Figura 5.5 Lógica de un sumador completo. El acarreo de salida es 1 cuando las dos entradas de la primera compuerta XOR son 1, o cuando las dos entradas de la segunda compuerta XOR son 1. Esto se puede comprobar analizando la tabla 5.2. El acarreo de salida del sumador completo se obtiene a partir del producto lógico (AND) de las entradas A y B, y del producto lógico (AND) de A B y de C in, sumando (OR) después ambos términos resultantes, como se muestra en la ecuación (5.4). Esta función, una vez implementada, se combina con la de la suma lógica para constituir un circuito sumador completo (figura 5.5 b). C AB (A B) (5.4) out C in Obsérvese que, en la figura 5.5 (b), existen dos semisumadores conectados, como se muestra en el diagrama de bloques (figura 5.6 a), cuyos acarreos de salida se aplican a una compuerta OR. El símbolo lógico mostrado en la figura 5.6 (b) será el que normalmente empleemos para representar un sumador completo. Figura 5.6 Sumador completo implementado mediante semisumadores.

108 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales Sumadores Binarios en Paralelo Para formar un sumador binario en paralelo se conectan dos o más sumadores completos. En esta sección aprenderemos los principios básicos de este tipo de sumador, de manera que podamos entender todas las funciones necesarias de entrada y salida cuando se trabaja con este tipo de dispositivos. Como se ha visto, un único sumador completo es capaz de sumar dos números binarios de 1 bit y un acarreo de entrada. Para sumar números binarios de más de un bit, se tienen que utilizar sumadores completos adicionales. Cuando se suman dos números binarios, cada columna genera un bit de suma y un 1 o 0, correspondiente al bit de acarreo, que se añade a la columna inmediata de la izquierda, como se muestra a continuación con dos números de 2 bits. Para sumar dos números binarios, se necesita un sumador completo por cada bit que tengan los números que se quieren sumar. Así, para números de dos bits se necesitan dos sumadores; para números de cuatro bits hacen falta cuatro sumadores, y así sucesivamente. La salida de acarreo de cada sumador se conecta a la entrada de acarreo del sumador de orden inmediatamente superior, para un sumador de 2 bits (figura 5.7). Téngase en cuenta que se puede usar un semisumador para la posición menos significativa, o bien se puede poner a 0 (masa) la entrada de acarreo de un sumador completo, ya que no existe entrada de acarreo en la posición del bit menos significativo. Figura 5.7 Diagrama a bloques de un sumador paralelo de 2 bits básico utilizando dos sumadores completos. En la figura 5.7 los bits menos significativos (LSB) de los dos números se representan como A 1 y B 1.Los siguientes bits de orden superior se representan como A 2 y B 2.Los tres bits de suma son 1, 2 y 3.Obsérvese que el acarreo de salida del sumador completo de más a la izquierda se convierte en el bit más significativo (MSB) en la suma 3.

109 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales Sumadores en Paralelo de Cuatro Bits Un grupo de cuatro bits se denomina nibble. Un sumador básico en paralelo de 4 bits se implementa mediante cuatro sumadores completos (figura 5.8). De nuevo, los bits menos significativos ( A 1 y B 1) de cada número que se suma, se introducen en el sumador completo que está más a la derecha; los bits de orden más alto se introducen sucesivamente en los siguientes sumadores, aplicando los bits más significativos de cada número ( A 4 y B 4 ) al sumador que está más a la izquierda. La salida de acarreo de cada sumador se conecta a la entrada de acarreo del siguiente sumador de orden superior. Estos acarreos se denominan acarreos internos. En la mayoría de las hojas de características suministradas por los fabricantes, se denomina C 0 al acarreo de entrada del sumador del bit menos significativo C 4, en el caso de cuatro bits, sería el acarreo de salida del sumador del bit más significativo; (LSB) hasta (MSB) 1 4 son las sumas de salida. El símbolo lógico correspondiente se muestra en la figura 5.8 (b). Figura 5.8 Sumador en paralelo de 4 bits. En función del método utilizado para manipular los acarreos en un sumador paralelo, existen dos tipos: el sumador de acarreo serie y el sumador de acarreo anticipado. Sumador de Acarreo Serie: Es aquel en el que la salida de acarreo de cada sumador completo se conecta a la entrada de acarreo de la siguiente etapa de orden inmediatamente superior (una etapa es un sumador completo). La suma y el acarreo de salida de cualquier etapa no se pueden generar hasta que tiene lugar el acarreo de entrada, lo que da lugar a un retardo temporal en el proceso de adición. El retardo de propagación del acarreo para cada sumador completo es el tiempo transcurrido desde la aplicación del acarreo de entrada hasta que se produce el acarreo de salida, suponiendo que las entradas A y B ya existan.

110 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 105 Un método que permite acelerar el proceso de adición eliminando este retardo del acarreo serie es la adición con acarreo anticipado. Sumador de Acarreo Anticipado: Este sumador anticipa el acarreo de salida de cada etapa y, en función de los bits de entrada de ambos sumandos, genera el acarreo de salida bien mediante la generación de acarreo o la propagación de acarreo. La generación de acarreo tiene lugar cuando el sumador completo genera internamente un acarreo de salida. Sólo cuando ambos bits de entrada son 1 se genera un acarreo. El acarreo generado, C g se expresa como la función AND de los 2 bits de entrada, A y B. C g AB. La propagación de acarreo tiene lugar cuando el acarreo de entrada se transmite como acarreo de salida. Un acarreo de entrada puede ser propagado por el sumador completo cuando uno o ambos bits de entrada son igual a 1. El acarreo propagado, C p se expresa como la función OR de los bits de entrada. C p A B Tabla de Verdad de un Sumador en Paralelo de 4 Bits La tabla 5.3 es la tabla de verdad de un sumador de 4 bits. En algunas hojas de características, las tablas de verdad se denominan tablas de función o tablas de verdad funcionales. El subíndice n representa los bits del sumador y puede ser igual a 1, 2, 3 o 4 para un sumador de 4 bitsc n 1 es el acarreo del sumador previo. Los acarreos C 1, C 2 y C 3 se generan internamente C 0 es un acarreo de entrada externo y C 4 es una salida. C n-1 A n B n n C n Tabla 5.3 Tabla de verdad para cada etapa de un sumador en paralelo de 4bits. Ejemplo: Utilizar la tabla de verdad del sumador en paralelo de 4 bits (tabla 5.3) para encontrar la suma y el acarreo de salida correspondientes a los siguientes dos números binarios de 4 bits, siendo el acarreo de entrada ( C n 1 ) igual a 0. A4 A3A2A y B4B3B2B1 1100

111 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 106 Solución: Para n = 1: A 1 0, B 1 0 y C n 1 0. Según la primera fila de la tabla, 1 0 y C 1 0. Para n = 2: A 2 0, B 2 0 y C n 1 0. Según la primera fila de la tabla, 2 0 y C 2 0. Para n = 3: A 3 1, B 3 1 y C n 1 0. Según la cuarta fila de la tabla, 3 0 y C 3 1. Para n = 4: A 4 1, B 4 1 y C n 1 1. Según la última fila de la tabla, 4 1 y C 4 1. C 4: Será el acarreo de salida; la suma de 1100 y 1100 es Expansión de Sumadores Un sumador en paralelo de 4 bits se puede expandir para realizar sumas de dos números de 8 bits, utilizando dos sumadores de cuatro bits y conectando la entrada de acarreo del sumador de menor orden ( C 0) a tierra, ya que no existe acarreo en la posición del bit menos significativo, y la salida de acarreo del sumador de menor orden se conecta a la entrada de acarreo del sumador de orden superior (figura 5.9 a). Este proceso se denomina conexión en cascada. Figura 5.9 Ejemplos de expansión de sumadores.

112 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 107 Obsérvese que, en este caso, el acarreo de salida se designa como C 8, dado que se genera a partir del bit que se encuentra en la posición número ocho. El sumador de menor orden es el que realiza la suma de los cuatro bits menos significativos, mientras que el sumador de orden superior es el que suma los cuatro bits más significativos de los dos números binarios de 8 bits. De forma similar, se pueden emplear cuatro sumadores de 4 bits en cascada para sumar dos números de 16 bits (figura 5.9 b). Obsérvese que el acarreo de salida se designa como C 16, ya que se genera a partir del bit que se encuentra en la posición dieciséis Restador Binario La forma más conveniente de efectuar la resta de números binarios sin signo es utilizando complementos. Recuerde que la resta A - B se efectúa obteniendo el complemento a dos de B y sumándolo a A. El complemento a dos se obtiene calculando el complemento a uno y sumando 1 al par de bits menos significativo. El complemento a uno se implementa con inversores, y el 1 se suma a través del acarreo de entrada. El circuito para restar A - B consiste en un sumador con inversores colocados entre cada entrada de datos B y la entrada correspondiente del sumador completo. El acarreo de entrada C 0 debe ser igual a 1 al restar. La operación se convierte entonces en A más el complemento a uno de B más 1. Esto es igual a A más el complemento a dos de B. En el caso de números sin signo, esto da A - B si A B, o el complemento a dos de (B - A) si A < B. En el caso de números con signo, el resultado es A - B, siempre que no haya desbordamiento. Las operaciones de suma y resta se pueden combinar en un solo circuito que tiene un sumador binario compartido. Esto se hace incluyendo una compuerta OR - EXCLUSIVA con cada sumador completo. En la figura 5.10 se reproduce un circuito sumador-restador de cuatro bits. Figura 5.10 Sumador restador de cuatro bits.

113 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 108 Funcionamiento del Circuito Sumador Restador: La entrada de modo M controla la operación. Si M = 0, el circuito es un sumador; y si M = 1, el circuito se convierte en un restador. Cada compuerta OR - EXCLUSIVA recibe la entrada M y una de las entradas de B. Cuando M = 0, tenemos B 0 B. Los sumadores completos reciben el valor de B, el acarreo de entrada es 0, y el circuito efectúa A más B. Cuando M = 1, tenemos B 1 B y C 0 1. Todas las entradas de B se complementan y se suma un 1 a través del acarreo de entrada. El circuito efectúa la operación A más el complemento a dos de B (La OR - EXCLUSIVA con salida V es para detectar un desbordamiento). Vale la pena señalar que los números binarios en el sistema de complemento con signo se suman y restan con las mismas reglas básicas de suma y resta que los números sin signo. Por tanto, las computadoras sólo necesitan un circuito compartido en hardware para manejar ambos tipos de aritmética. El usuario o el programador deberán interpretar los resultados de tales sumas o restas de forma distinta, dependiendo de si se supone que los números tienen signo o no Desbordamiento Cuando dos números de n dígitos cada uno se suman y la suma ocupa n + 1 dígitos, decimos que hubo un desbordamiento. Esto se cumple con los números binarios y decimales, con y sin signo. Cuando sumamos con lápiz y papel, el desbordamiento no causa problemas, porque la anchura del papel no limita la escritura de la suma. En las computadoras digitales el desbordamiento sí representa un problema porque el número de bits que contienen al número es finito, y un resultado que contiene n + 1 bits no cabe. Por ello, muchas computadoras detectan cuando ocurre un desbordamiento, y encienden un flip-flop específico que el usuario puede verificar. Detección de Desbordamiento: La detección de un desbordamiento después de la suma de dos números binarios depende de si se considera que los números tienen signo o no. Cuando se suman dos números sin signo, el desbordamiento se detecta en el acarreo final de la posición más significativa. En el caso de números con signo, el bit de la extrema izquierda siempre representa al signo y los números negativos están en forma de complemento a dos. Cuando se suman dos números con signo, el bit de signo se trata como parte del número y el acarreo final no indica un desbordamiento. Inexistencia de desbordamiento: No existe desbordamiento si un número es positivo y el otro es negativo, ya que la suma de un número positivo y uno negativo produce un resultado más pequeño que el mayor de los dos números originales. Podría haber un desbordamiento si los dos números sumados son ambos positivos o ambos negativos. Para entender esto, considere el ejemplo siguiente. Dos números binarios con signo, +70 y +80 se almacenan en dos registros de ocho bits. El intervalo de números al que cada registro puede dar cabida es del +127 binario al -128 binario. Puesto que la suma de los dos números es +150, excederá la capacidad de un registro de 8 bits. Esto se cumple si ambos números son positivos o negativos.

114 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 109 A continuación mostramos las dos sumas en binario, junto con los últimos dos acarreos: Observe que el resultado de ocho bits que debería haber sido positivo tiene un bit de signo negativo, y el resultado de ocho bits que debería haber sido negativo tiene un bit de signo positivo. En cambio, si tomamos el acarreo de salida de la posición de bit de signo como bit de signo del resultado, la respuesta de nueve bits así obtenida será correcta. Puesto que la respuesta no cabe en ocho bits, decimos que se ha presentado un desbordamiento. Es posible detectar la condición de desbordamiento observando el acarreo que llega a la posición de bit de signo y el acarreo que sale de ella. Si los dos acarreos son distintos, ha habido un desbordamiento. Esto se hace evidente en los ejemplos, donde se muestran explícitamente los dos acarreos. Si estos dos acarreos se aplican a una compuerta OR - EXCLUSIVA, se detectará un desbordamiento cuando la salida de esa compuerta sea 1. Para que este método funcione correctamente, es preciso calcular el complemento a dos obteniendo el complemento a uno y sumándole 1. Esto da cuenta de la condición en la que se complementa el número negativo máximo. El circuito sumador-restador binario con salidas C y V se representa en la figura Si se considera que los dos números binarios carecen de signo, el bit C detectará un acarreo después de la suma o un préstamo después de la resta. Si se considera que los números tienen signo, el bit V detectará un desbordamiento. Si V = 0 después de una suma o resta, querrá decir que no hubo desbordamiento y que el resultado de n bits es correcto. Si V = 1, el resultado de la operación tiene n + 1 bits, pero sólo los n bits de la derecha del número caben en el espacio disponible, así que ha habido un desbordamiento. El (n + 1) enésimo bit es el signo real, que ha sido desplazado de su posición Comparadores La función básica de un comparador consiste en comparar las magnitudes de dos cantidades binarias para determinar su relación. En su forma más sencilla, un circuito comparador determina si dos números son iguales. Figura 5.11 Funcionamiento del comparador básico.

115 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 110 Para comparar números binarios de dos bits, se necesita una compuerta OR - EXCLUSIVA adicional. Los dos bits menos significativos (LSB) de ambos números se comparan mediante la compuerta G 1 y los dos más significativos (MSB) son comparados mediante la compuerta G 2 (figura 5.11). Si los dos números son iguales, sus correspondientes bits también lo son, y la salida de cada compuerta OR - EXCLUSIVA será 0. Si los correspondientes conjuntos de bits no son idénticos, la salida de la compuerta OR - EXCLUSIVA será un 1. Para obtener un único resultado de salida que indique la igualdad o desigualdad entre los dos números, se pueden usar dos inversores y una compuerta AND (figura 5.12). La salida de cada compuerta OR - EXCLUSIVA se invierte y se aplica a la entrada de la compuerta AND. Cuando los bits de entrada de cada OR - EXCLUSIVA son iguales, lo que quiere decir que los bits de ambos números son iguales, las entradas de la compuerta AND son 1, por lo que el resultado a su salida también será 1. Cuando los dos números no son iguales, al menos uno o ambos conjuntos de bits será distinto, lo que da lugar a, al menos, un 0 en una de las entradas de la compuerta AND, y el resultado a su salida será 0. Por tanto, la salida de la compuerta AND indica la igualdad (1) o desigualdad (0) entre dos números. Figura 5.12 Diagrama lógico de la comparación de dos números de 2 bits. El siguiente ejemplo ilustra esta operación para dos casos específicos. La compuerta OR - EXCLUSIVA y el inversor se han reemplazado por un símbolo NOR - EXCLUSIVA. Ejemplo: Aplicar cada uno de los siguientes conjuntos de números binarios a las entradas del comparador (figura 5.13) y determinar la salida, evaluando los niveles lógicos a través del circuito. (a) 00 y l0 y (b) 11 y l0. Solución: (a) La salida es 1 para las entradas 00 y l0, (figura 5.13 a); (b) La salida es 0 para las entradas 11 y 10, (figura 5.13 b). Figura 5.13 Circuito comparador para el ejemplo.

116 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 111 Un circuito comparador básico se puede ampliar para poder tratar cualquier número de bits. La compuerta AND establece la condición de que todos los bits de los dos números que se comparan tienen que ser iguales si los números lo son Desigualdad Además de disponer de una salida que indica si los dos números son iguales, muchos circuitos integrados comparadores tienen salidas adicionales que indican cuál de los dos números que se comparan es el mayor. Esto significa que existe una salida que indica cuándo el número A es mayor que el número B (A > B) y otra salida que indica cuándo A es menor que B (A < B), como se muestra en el símbolo lógico del comparador de cuatro bits (figura 5.14). Figura 5.14 Símbolo lógico para un comparador de 4 bits con indicación de desigualdad. Para determinar una desigualdad entre los números binarios A y B, en primer lugar se examina el bit de mayor orden de cada número. Las posibles condiciones son las siguientes: 1.- Si A 3 1 y B 3 0, entonces A es mayor que B. 2.- Si A 3 0 y B 3 1, entonces A es menor que B. 3.- Si A 3 B3, entonces tenemos que examinar los siguientes bits de orden inmediatamente inferior. Estas tres proposiciones son válidas para cada posición que ocupen los bits dentro del número. El procedimiento general consiste en comprobar una desigualdad en cualquier posición, comenzando por los bits más significativos (MSB). Cuando se encuentra una desigualdad, la relación entre ambos números queda establecida y cualquier otra desigualdad entre bits con posiciones de orden menor debe ignorarse, ya que podrían indicar una relación entre los números completamente opuesta. La relación de más alto orden es la que tiene prioridad.

117 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 112 Ejemplo: Determinar las salidas A = B, A > B y A < B para los números de entrada en el comparador (figura 5.15). Figura 5.15 Comparador de 4 bits para el ejemplo. Solución: El número que hay en las entradas A es 0110 y el número que hay en las entradas B es La salida A > B está a nivel ALTO y las restantes salidas están a nivel BAJO. 5.3 DECODIFICADORES La función básica de un decodificador es detectar la presencia de una determinada combinación de bits (código) en sus entradas y señalar la presencia de este código mediante un cierto nivel de salida. En su forma más general, un decodificador posee, líneas de entrada n para gestionar n bits, y en una de las 2 líneas de salida indica la presencia de una o más combinaciones de n bits. En esta sección, se presentarán varios tipos de decodificadores. Los principios básicos se pueden extender a otros tipos de decodificadores El Decodificador Binario Básico Supongamos que necesitamos determinar cuándo aparece el número binario 1001 en las entradas de un circuito digital. Se puede utilizar una compuerta AND como elemento básico de decodificación, ya que produce una salida a nivel ALTO sólo cuando todas sus entradas están a nivel ALTO. Por tanto, debe asegurarse de que todas las entradas de la compuerta AND estén a nivel ALTO cuando se introduce el número 1001, lo cual se puede conseguir invirtiendo las dos entradas centrales, cuyos bits son 0 (figura 5.16). Figura 5.16 Lógica de decodificación del código binario 1001 con una salida activa a nivel ALTO.

118 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 113 La ecuación lógica para el decodificador (figura 5.16 a) se desarrolla como se ilustra en la figura 5.16 (b). Se debe comprobar que la salida es siempre 0 excepto cuando se aplican las entradas A 0 1, A 1 0, A 2 0 y A 3 1. A 0, es el bit menos significativo y A 3 el más significativo. Cuando se representa un número binario o cualquier otro código de pesos, el bit menos significativo siempre es el situado más a la derecha cuando el número se escribe en sentido horizontal, y el de más arriba cuando se escribe en vertical, a menos que se indique lo contrario. Si se utiliza una compuerta NAND en lugar de una AND, una salida a nivel BAJO indicará la presencia del código binario adecuado, que en este caso es Ejemplo: Determinar la lógica requerida para decodificar el número binario 1011 de manera que produzca un nivel ALTO en la salida. Solución: La función de decodificación la podemos realizar complementando sólo las variables cuyo valor es 0 en el número binario deseado, tal y como sigue. X A3 A2A1A0 (1011) Esta función puede implementarse conectando las variables verdaderas (no complementadas) A 0, A 1 y A3 directamente a las entradas de la compuerta AND, e invirtiendo la variable A2 antes de aplicarla a la compuerta AND (figura 5.17). Figura 5.17 Lógica de decodificación para obtener una salida a nivel ALTO al aplicar el código 1011 en las entradas El Decodificador de 4 Bits Para poder decodificar todas las posibles combinaciones de cuatro bits, se necesitan 16 compuertas de decodificación Este tipo de decodificador se denomina comúnmente decodificador de 4 líneas a 16 líneas, ya que existen 4 entradas y 16 salidas, o también se le llama decodificador 1 de 16, ya que para cualquier código dado en las entradas, sólo se activa una de las dieciséis posibles salidas. En la tabla 5.4 se muestra una lista de los 16 códigos binarios y sus correspondientes funciones de decodificación.

119 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 114 Si se necesita una salida activa a nivel BAJO para cada número decodificado, el decodificador completo se puede implementar mediante compuertas NAND e inversores. Para decodificar cada uno de los 16 códigos binarios se requieren 16 compuertas NAND (las compuertas AND se pueden usar para producir salidas activas a nivel ALTO). Dígito Decimal Entadas Binarias Función de decodificación A A2,A 1, Salidas , A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2, A 1, A A 3, A2, A 1, A A 3, A2, A 1, A A 3, A2,A 1, A A Tabla 5.4 Funciones y tabla de verdad para un decodificador de 4 líneas a 16 líneas con salidas activas a nivel BAJO. El símbolo lógico de un decodificador de 4 líneas a 16 líneas (1 de 16) con salidas activas a nivel BAJO (figura 5.18). La etiqueta BIN/DEC indica que una entrada binaria produce su correspondiente salida decimal. Las etiquetas 8, 4, 2 y 1 en las entradas representan los pesos binarios de los bits de entrada Figura 5.18 Símbolo lógico de un decodificador de 4 líneas a 16 líneas (1 de 16).

120 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales El Decodificador BCD a Decimal Un decodificador BCD a decimal convierte cada código BCD (código 8421) en uno de los diez posibles dígitos decimales. Frecuentemente, se le denomina decodificador de 4 líneas a 10 líneas o decodificador 1 de 10. El método de implementación es el mismo que hemos visto anteriormente para el decodificador de 4 líneas a 16 líneas, excepto que ahora sólo se requieren 10 compuertas decodificadoras, dado que el código BCD sólo representa los diez dígitos decimales de 0 a 9. En la tabla 5.5 se muestra una lista de los diez códigos BCD y sus correspondientes funciones de descodificación. Cada una de estas funciones se implementa mediante compuertas NAND para proporcionar salidas activas a nivel BAJO. Si se requirieran salidas activas a nivel ALTO, se utilizarían compuertas AND para la decodificación. La lógica es idéntica a la de las diez primeras compuertas del decodificador de 4 - líneas a 16 líneas (tabla 5.4). Dígito decimal Código BCD A 3 A 2 A 1 A 0 Función de decodificación A A2,A 1, , A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A A 3, A2,A 1, A0 3 A Tabla 5.5 Funciones de decodificación BCD El Decodificador BCD a 7 Segmentos Este tipo de decodificador acepta código BCD en sus entradas y proporciona salidas capaces de excitar un display de 7 segmentos para indicar un dígito decimal (figura 5.19). Figura 5.19 Símbolo lógico de un decodificador/controlador BCD a 7 segmentos con salidas activas a nivel BAJO.

121 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales CODIFICADORES Un codificador es un circuito lógico combinacional que, esencialmente, realiza la función inversa del decodificador. Un codificador permite que se introduzca en una de sus entradas un nivel activo que representa un dígito, como puede ser un dígito decimal u octal, y lo convierte en una salida codificada, como BCD o binario. Los codificadores se pueden diseñar también para codificar símbolos diversos y caracteres alfabéticos. El proceso de conversión de símbolos comunes o números a un formato codificado recibe el nombre de codificación Codificador Decimal - BCD Este tipo de codificador posee diez entradas, una para cada dígito decimal, y cuatro salidas que corresponden al código BCD (figura 5.20). Este es un codificador básico de 10 líneas a 4 líneas. El código BCD (8421) se muestra en la tabla 5.6. A partir de esta tabla podemos determinar la relación entre cada bit BCD y los dígitos decimales, con el fin de analizar la lógica. Por ejemplo, el bit más significativo del código BCD, A 3, es siempre un 1 para los dígitos decimales 8 o 9. La expresión OR para el bit A 3 en función de los dígitos decimales puede por tanto escribirse como: 8 9 A 3 Figura 5.20 Símbolo lógico de un codificador Decimal a BCD. El bit A 2, es siempre un 1 para los dígitos decimales 4, 5, 6 o 7 y puede expresarse como una función OR de la manera siguiente: A 2 El bit A 1 es siempre un 1 para los dígitos decimales 2, 3, 6 o 7 y puede expresarse como: A Finalmente, A 0 es siempre un 1 para los dígitos 1, 3, 5, 7 o 9. La expresión para A 0 es: A

122 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 117 Dígito decimal Código BCD A 3 A 2 A 1 A Tabla 5.6 Código BCD. Ahora vamos a implementar el circuito lógico necesario para codificar en código BCD cada dígito decimal, utilizando las expresiones lógicas que se acaban de desarrollar. Consiste simplemente en aplicar la operación OR a los dígitos decimales de entrada apropiados, para así formar cada salida BCD. La figura 5.21 muestra la lógica del codificador que resulta de las expresiones. Funcionamiento del Circuito Codificador Decimal BCD: En el circuito de la figura 5.21 cuando aparece un nivel ALTO en una de las líneas de entrada correspondientes a los dígitos decimales, se generan los niveles apropiados en las cuatro líneas BCD de salida. Por ejemplo, si la línea de entrada 9 está a nivel ALTO (suponiendo que todas las demás entradas están a nivel BAJO), esta condición producirá un nivel ALTO en las salidas A 0 y A 3, y un nivel BAJO en A 1 y A 2, que es el código BCD (1001) del número decimal 9. Figura 5.21 Diagrama lógico básico de un codificador Decimal BCD. El diagrama lógico básico de un codificador decimal-bcd no necesita una entrada para el dígito 0, ya que las salidas BCD están todas a nivel BAJO cuando no hay entradas a nivel ALTO Codificador con Prioridad Decimal a BCD Este tipo de codificador realiza la misma función de codificación básica que hemos visto anteriormente. Además, ofrece una flexibilidad adicional en lo relativo a que puede utilizarse en aplicaciones que requieren detección de prioridad. La función de prioridad significa que el codificador producirá una salida BCD correspondiente al dígito decimal de entrada de más alto orden que se encuentre activo, e ignorará cualquier otra entrada de menor orden que esté activa. Por ejemplo, si las entradas 6 y 3 se encuentran activas, la salida BCD será 0110 (que representa al número decimal 6).

123 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales MULTIPLEXORES (SELECTORES DE DATOS) Un multiplexor (MUX) es un dispositivo que permite dirigir la información digital procedente de diversas fuentes a una única línea para ser transmitida a través de dicha línea a un destino común. El multiplexor básico posee varias líneas de entrada de datos y una única línea de salida. También posee entradas de selección de datos, que permiten conmutar los datos digitales provenientes de cualquier entrada hacia la línea de salida. A los multiplexores también se les conoce como selectores de datos. El símbolo lógico de un multiplexor (MUX) de cuatro entradas (figura 5.22). Obsérvese que dispone de dos líneas de selección de datos, dado que con dos bits se puede seleccionar cualquiera de las cuatro líneas de entrada de datos. Un código binario de dos bits en las entradas de selección de datos (S) va a permitir que los datos de la entrada seleccionada pasen a la salida de datos. Si aplicamos un 0 binario ( S 1 0 y S 0 0 ) a las líneas de selección de datos, los datos de la entrada D 0 aparecerán en la línea de datos de salida. Si aplicamos un 1 binario ( S 1 0 y S 0 1), los datos de la entrada D 1 aparecerán en la salida de datos. Si se aplica un 2 binario ( S 1 1 y S 0 0 ), obtendremos en la salida los datos de D 2. Si aplicamos un 3 binario ( S 1 1 y S 0 1), los datos de D 3 serán conmutados a la línea de salida (tabla 5.7). Figura 5.22 Símbolo lógico de un selector/multiplexor de datos de una salida y cuatro entradas. Entrada de selección de datos Entrada Seleccionada S 1 S D D D D 3 Tabla 5.7 Selección de datos de un multiplexor de 1 salida y 4 entradas. Vamos a fijarnos ahora en la circuitería lógica necesaria para realizar la multiplexación. La salida de datos es igual a la entrada de datos seleccionada. Podemos, por consiguiente, derivar una expresión lógica para la salida en función de la entrada de datos y de las entradas de selección de datos.

124 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 119 La salida de datos es igual a D 0 si y sólo si S 1 0 y S 0 0 : Y D0S1S0. La salida de datos es igual a D1 si y sólo si S 1 0 y S 1 1: Y D1S1S 0. La salida de datos es igual a D2 si y sólo si S 1 1 y S 0 0 : Y D2S1S0. La salida de datos es igual a D3 si y sólo si S 1 1 y S 1 1: Y D3S1S 0. Cuando sumamos lógicamente (operación OR) estos términos, la expresión total para los datos de salida será: Y D S S D S S D S S Y D S S0 La implementación de esta ecuación requiere cuatro compuertas AND de tres entradas, una compuerta OR de cuatro entradas y dos inversores para generar los complementos de S 1 y S 0, (figura 5.23). Dado que los datos pueden ser seleccionados desde cualquier línea de entrada, se conoce también a este circuito con el nombre de selector de datos. Figura 5.23 Diagrama lógico de un multiplexor de cuatro entradas. Ejemplo: Se aplican las formas de onda (figura 5.24 a) a la entrada de datos y a la entrada de selección del multiplexor de la figura Determinar la señal de salida en relación a las entradas. Figura 5.24 Diagrama de tiempo para el ejemplo.

125 CAPÍTULO 5 Circuitos Combinacionales 120 Solución: El estado binario de las entradas de selección de datos durante cada intervalo determina cuál es la entrada de datos seleccionada. Obsérvese que las entradas de selección de datos siguen la secuencia binaria repetitiva 00, 01, 10, 11, 00, 01, 10, 11, etc. La forma de onda de salida resultante (figura 5.24 b). 5.6 DEMULTIPLEXORES Un demultiplexor (DEMUX) básicamente realiza la función contraria a la del multiplexor. Toma datos de una línea y los distribuye a un determinado número de líneas de salida. Por este motivo, el demultiplexor se conoce también como distribuidor de datos. Como veremos, los decodificadores pueden utilizarse también como demultiplexores. La figura 5.25 muestra un circuito demultiplexor (DEMUX) de 1 línea a 4 líneas. La línea de entrada de datos está conectada a todas las compuertas AND. Las dos líneas de selección de datos activan únicamente una compuerta cada vez y los datos que aparecen en la línea de entrada de datos pasarán a través de la compuerta seleccionada hasta la línea de salida de datos asociada. Figura 5.25 Demultiplexor de 1 línea a 4 líneas. Ejemplo: En la figura 5.26 se muestra una forma de onda de entrada de datos serie y las entradas de selección de datos ( S0 y S 1). Determinar las formas de onda de datos de salida que obtendríamos en las salidas D 0 hasta la D 3 para el demultiplexor de la figura Figura 5.26 Forma de onda de entrada de datos serie y entradas de selección de datos. Solución: Las líneas de selección de datos reciben una secuencia binaria que hace que cada bit de entrada sucesivo sea redirigido hacia D 0, D 1, D 2 y D 3 secuencialmente, como se puede ver en la señal de salida (figura 5.26).

126 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 121 CAPÍTULO 6 PRÁCTICAS DE LABORATORIO VIRTUAL 6.1 COMPUERTA NOT Realizar la siguiente práctica mediante la compuerta básica NOT (figura 6.1) y comprobarla con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.1). Entrada Salida A S Figura 6.1 Símbolo lógico de la compuerta NOT. Tabla 6.1 Tabla de verdad de la compuerta NOT. Objetivo: Utilizar el simulador de circuitos digitales_094, observar y comprobar el funcionamiento de la compuerta NOT. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuerta NOT Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable (figura 6.2), el cuál manda a pantalla un módulo virtual con su protoboard ó tablilla virtual (figura 6.3). Figura 6.2 Archivo ejecutable. 2. Ubicar la compuerta a ocupar en la práctica. - Dar clic izquierdo con el ratón en el menú circuitos (figura 6.4). - Se despliegan las opciones y se da clic izquierdo en la opción puertas básicas. - Se despliega otro menú donde se muestra la compuerta a utilizar. - Elegir la compuerta NOT 7404 dando clic izquierdo, esta se visualizará en el simulador (figura 6.5).

127 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 122 Figura 6.3 Módulo virtual. Figura 6.4 Ubicación de la compuerta NOT en el menú circuitos.

128 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 123 Figura 6.5 Visualización de la compuerta NOT Arrastrar la compuerta NOT con el ratón dando un clic izquierdo en ella y sin soltarla, llévela hasta el protoboard virtual (figura 6.6). Figura 6.6 Desplazamiento de la compuerta NOT al protoboard virtual.

129 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Dar las características deseadas al cable. - Ir al menú cable. - Seleccionar el color y el grosor del cable (figuras 6.7 y 6.8). Figura 6.7 Ubicación del menú cable (color y anchura). Figura 6.8 Selección del color y anchura del cable. 5. Realizar las interconexiones de la práctica virtual, como una práctica real. - Conectar la alimentación (figura 6.9). - Realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.10).

130 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 125 Figura 6.9 Alimentación de la compuerta NOT. Figura 6.10 Conexiones a realizar en la compuerta NOT, entrada y salida.

131 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla Encender el módulo, se activa el LED ON (figura 6.11). Figura 6.11 Módulo encendido. - Hacer las secuencias según la tabla de verdad (tabla 6.1) de la compuerta NOT, el LED 1 se activa cuando la entrada es 0 (figura 6.12). Figura 6.12 Comprobando la tabla de verdad de la compuerta NOT.

132 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 127 Nota: Para visualizar la comprobación (figura 6.12) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color oscuro cuando están encendidos. 7. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.13). 8. Para consultar la práctica se abre el menú archivo, se selecciona la opción abrir...y listo. Figura 6.13 Guardar el archivo de la práctica compuerta NOT.

133 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual COMPUERTA AND Realizar la siguiente práctica mediante la compuerta básica AND (figura 6.14) y comprobarla con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.2). Entradas Salida A B S Figura 6.14 Símbolo lógico de la compuerta AND. Tabla 6.2 Tabla de verdad de la compuerta AND. Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento de la compuerta AND en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuerta AND Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar la compuerta a ocupar en la práctica. - Abrir con un clic izquierdo del ratón el menú circuitos (figura 6.15). Figura 6.15 Insertando la compuerta lógica AND en el protoboard virtual.

134 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Se despliegan las opciones y se da clic izquierdo en la opción puertas básicas. - Se despliega otro menú donde se muestra la compuerta a utilizar. - Se elige con un clic izquierdo el tipo de compuerta AND a utilizar, en este caso es la 7408, esta se visualizará en el simulador (figura 6.16). Figura 6.16 Visualización de la compuerta AND Arrastrar la compuerta AND con el ratón dando un clic izquierdo en ella y sin soltarla llévela hasta el protoboard virtual (figura 6.17). Figura 6.17 Desplazamiento de la compuerta AND al protoboard virtual.

135 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Dar las características deseadas al cable. - Ir al menú cable (figura 6.18). - Seleccionar el color y el grosor del cable (figura 6.19). Figura 6.18 Ubicación del menú cable (color y anchura). Figura 6.19 Selección del color y anchura del cable. 4. Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación (figura 6.20). - Realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.21).

136 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 131 Figura 6.20 Alimentación de la compuerta AND. Figura 6.21 Conexiones a realizar en la compuerta AND, entradas y salida.

137 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 132 Nota: En las figuras 6.20 y 6.21 se seleccionaron diferentes colores para el cable con la finalidad de señalar el VCC, GND, las entradas y la salida de la compuerta AND. 5. Se procede a comprobar el circuito, utilizar la tabla Encender el módulo, se activa el LED ON (figura 6.22). Figura 6.22 Módulo encendido. - Comprobar la tabla de verdad (tabla 6.2) de la compuerta AND (figura 6.23), el LED 1 solo se activa con la combinación 11. Figura 6.23 Comprobando la tabla de verdad de la compuerta AND.

138 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 133 Nota: Para visualizar la comprobación (figura 6.23) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color oscuro cuando están encendidos. 6. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.24). 7. Para consultar la práctica se abre el menú archivo, se selecciona la opción abrir...y listo. Figura 6.24 Guardar el archivo de la práctica compuerta AND.

139 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual COMPUERTA OR Realizar la siguiente práctica mediante la compuerta básica OR (figura 6.25) y comprobarla con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.3). Entradas Salida A B S Figura 6.25 Símbolo lógico de la compuerta OR. Tabla 6.3 Tabla de verdad de la compuerta OR. Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento de la compuerta OR en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuerta OR Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar la compuerta a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. Figura 6.26 Insertando la compuerta lógica OR en el protoboard virtual.

140 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Seleccionar la compuerta OR de 2 entradas 7432 (figura 6.26) con un clic izquierdo, la cual se visualizará en el protoboard virtual (figura 6.27). Figura 6.27 Visualización de la compuerta OR Arrastrar la compuerta OR con el ratón dando un clic izquierdo en ella y sin soltarla, llévela hasta el protoboard virtual (figura 6.28). Figura 6.28 Desplazamiento de la compuerta OR 7432 al protoboard virtual.

141 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Dar las características deseadas al cable. - Ir al menú cable y seleccionar tanto el color como el grosor del cable (figura 6.29). Figura 6.29 Ubicación del menú cable (color y anchura). 4. Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación (figura 6.30). - Realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.31). Figura 6.30 Alimentación de la compuerta OR.

142 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 137 Figura 6.31 Conexiones de la compuerta OR. 5. Se procede a comprobar el circuito, utilizar la tabla Encender el módulo virtual, se activa el LED ON (figura 6.32). Figura 6.32 Módulo encendido.

143 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Hacer las secuencias según la tabla de verdad (tabla 6.3) de la compuerta OR, el LED 1 solo se activa en las combinaciones 01,10 y 11 (figura 6.33). Figura 6.33 Comprobando la tabla de verdad de la compuerta OR. Nota: Para observar la comprobación (figura 6.33) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS apagados y un color oscuro cuando están activados. 6. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.34).

144 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Para consultar la práctica se abre el menú archivo, se selecciona la opción abrir...y listo. Figura 6.34 Guardar el archivo de la práctica compuerta OR.

145 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual CIRCUITOS CON COMPUERTAS: AND, OR Y NOT Pista de Aterrizaje Diseñe un circuito que indique al operador de la torre de control de un aeropuerto, que avión puede aterrizar cuando algunas pistas estén ocupadas. El aeropuerto tiene 3 pistas (A, B, C), en el pueden aterrizar jumbos 747 ó DC9, considere que un 747 necesita 2 pistas continuas para aterrizar y un DC9 solo 1, además el 747 tiene mayor prioridad sobre el DC9. Solución: a) Se determina la tabla de verdad (tabla 6.4). Entradas Salidas A B C F 1 F Tabla 6.4 Determinación de la tabla de verdad. Nota: Se usa F 1 para representar al jumbo 747 mientras que la F 2 denota al jumbo DC9. b) Se usa el Álgebra Booleana como método para obtener las ecuaciones a implementar. De la tabla de verdad tenemos las siguientes ecuaciones: F 1 ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC Reduciendo la primera ecuación se obtiene: F 1 ABC ABC ABC F 1 (ABC ABC) (ABC ABC) Regla 5 F 1 AB(C C) BC(A A) Regla 6 F 1 F 1 Reduciendo la segunda ecuación se obtiene: F 2 F 2 ABC ABC ABC ABC ABC (ABC ABC) (ABC ABC) (ABC ABC) ABC Regla 5 F 2 AC(B B) AB(C C) BC(A A) ABC Regla 6 F 2 AB(1) BC(1) B(A C) AC AB BC ABC F 2

146 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 141 c) Se implementa el circuito (figura 6.35). Figura 6.35 Diagrama de implementación del circuito. Objetivo: Realizar un circuito combinacional usando solo las compuertas básicas AND, OR y NOT en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas: 2 AND 7408, 1 OR 7432 y 1 NOT Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Dar clic izquierdo en el menú circuitos y seleccionar las compuertas a utilizar: 2 compuertas AND de 2 entradas 7408, 1 NOT 7404 y 1 OR 7432 (figura 6.36). - Arrastrar las compuertas y colocarlas en el protoboard virtual (figura 6.37). Figura 6.36 Ubicación de las compuertas básicas.

147 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 142 Figura 6.37 Desplazamiento de las compuertas básicas en el protoboard virtual. 2. Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas AND, OR y NOT (figura 6.38). - Realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.39). Figura 6.38 Alimentación de las compuertas AND, OR y NOT.

148 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 143 Figura 6.39 Conexiones pertinentes al diagrama de la figura Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.4). - Encender el módulo. - Hacer las secuencias según la tabla 6.4 (figuras 6.40 a, b, c y d). Figura 6.40 (a) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

149 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 144 Figura 6.40 (b) Comprobando la tabla de verdad de la práctica. Figura 6.40 (c) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

150 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 145 Figura 6.40 (d) Comprobando la tabla de verdad de la práctica. Nota: Para visualizar la comprobación (figuras 6.40 a, b, c y d) se cambió el color de los LEDS, mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.41). Figura 6.41 Guardar el archivo de la práctica circuito de la torre de control.

151 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Circuito Lógico Combinatorio Diseñar un circuito lógico combinatorio que detecte, mediante unos, los números pares de tres variables de entrada. Solución: a) Se obtiene la tabla de verdad para tres variables (tabla 6.5). b) Se usa el mapa de Karnaugh (Mapas K ) como método de solución (figura 6.42). Tabla 6.5 Entradas Salida A B C F Determinación de la tabla de verdad. Figura 6.42 Método Mapas K. c) Se implementa el circuito (figura 6.43) para la función obtenida: F (A,B,C) AC BC. Figura 6.43 Diagrama de implementación del circuito. Objetivo: Realizar un circuito combinacional usando solo las compuertas básicas AND, OR y NOT en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas: 1 AND 7408, 1 OR 7432 y 1 NOT Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Dar clic izquierdo en el menú circuitos y seleccionar las compuertas a utilizar: 1 compuerta AND de 2 entradas 7408, 1 NOT 7404 y 1 OR 7432 (figura 6.44). - Arrastrar las compuertas y colocarlas en el protoboard virtual (figura 6.45).

152 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 147 Figura 6.44 Ubicación de las compuertas básicas. Figura 6.45 Desplazamiento de las compuertas básicas en el protoboard virtual.

153 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas AND, OR, NOT y realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.46). Figura 6.46 Conexiones VCC, GND e interconexiones. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.5). - Encender el módulo. - Hacer las secuencias según la tabla 6.5 (figuras 6.47 a, b, y c). Figura 6.47 (a) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

154 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 149 Figura 6.47 (b) Comprobando la tabla de verdad de la práctica. Figura 6.47 (c) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

155 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 150 Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras 6.47 a, b, y c) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. Para dar diferentes gamas de colores a los cables, se abre el menú cable y se modifica el color. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.48). Figura 6.48 Guardar el archivo de la práctica circuito lógico combinatorio.

156 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual COMPUERTA NAND Realizar la siguiente práctica mediante la compuerta NAND (figura 6.49) y comprobarla con su respectiva tabla de verdad 6.6. Entradas Salida A B S Figura 6.49 Símbolo lógico de la compuerta NAND. Tabla 6.6 Tabla de verdad de la compuerta NAND. Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento de la compuerta NAND en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuerta NAND Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar la compuerta a ocupar en la práctica. - Dar clic en el menú circuitos y seleccionar la compuerta NAND 7400 (figura 6.50). - Arrastrar la compuerta y colocarla en el protoboard virtual (figura 6.51). Figura 6.50 Ubicación de la compuerta NAND 7400.

157 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 152 Figura 6.51 Colocación de la compuerta NAND en el protoboard virtual. 2. Conectar la alimentación a la compuerta NAND y realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.52). Figura 6.52 Conexiones de la compuerta NAND.

158 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla Encender el módulo. - Hacer las secuencias según la tabla de verdad de la compuerta NAND (figura 6.53). Figura 6.53 Comprobando la tabla de verdad de la compuerta NAND. Nota: Para visualizar la comprobación (figura 6.53) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. Para dar las características deseadas al cable se abre el menú cable. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.54). Figura 6.54 Guardar el archivo de la práctica compuerta NAND.

159 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual COMPUERTA NOR Realizar la siguiente práctica mediante la compuerta NOR (figura 6.55) y comprobarla con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.7). Entradas Salida A B S Figura 6.55 Símbolo lógico de la compuerta NOR. Tabla 6.7 Tabla de verdad de la compuerta NOR. Objetivos: Observar y comprobar el funcionamiento de la compuerta NOR en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuerta NOR Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar la compuerta a ocupar en la práctica. - Dar clic izquierdo con el ratón en el menú circuitos y seleccionar la compuerta NOR 7402 (figura 6.56). - Arrastrar la compuerta y colocarla en el protoboard virtual (figura 6.57). Figura 6.56 Ubicación de la compuerta NOR 7402.

160 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 155 Figura 6.57 Colocación de la compuerta NOR en el protoboard virtual. 2. Conectar la alimentación de la compuerta NOR y realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.58). Figura 6.58 Conexiones de la compuerta NOR.

161 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla Encender el módulo. - Hacer las secuencias según la tabla de verdad de la compuerta NOR (figura 6.59). Figura 6.59 Comprobando la tabla de verdad de la compuerta NOR. Nota: Para visualizar la comprobación (figura 6.59) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. Para dar las características deseadas al cable se abre el menú cable. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.60). Figura 6.60 Guardar el archivo de la práctica compuerta NOR.

162 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual APLICACIONES CON COMPUERTAS: NAND, NOR Colector Automático de Peaje Se han construido colectores automáticos de peaje en diversas casetas de autopistas para acelerar el flujo de tráfico. Se nos pide construir un circuito lógico combinatorio que sea parte del colector automático. El circuito es para contar la cantidad de monedas que han sido colocadas en el colector. Si se depositan 15 pesos (únicamente monedas de 5 y 10 pesos), entonces se enciende una luz de pasa (color verde) y se envía una señal al colector para colectar las monedas; de otra manera, la luz alto (color rojo) permanecerá encendida.utilice solo compuertas NAND para su solución. Solución: a) Para determinar la tabla de verdad del colector automático de peaje, se analiza cuidadosamente el planeamiento del problema. Una vez hecho esto, se podrá observar que hay dos señales de entrada y una señal de salida. Estas señales se definen a continuación. C = Número de monedas de cinco pesos depositadas. D = Numero de monedas de diez pesos depositadas. Z = Comando para la señal luminosa y el control de recolección Estas variables tomarán los siguientes valores enteros y lógicos. 0 C 3 Número de monedas de cinco pesos. 0 D 1 Número de monedas de diez pesos. Z = 0 Luz roja, no contiene los 15 pesos. Z = 1 Luz verde, si contiene los 15 pesos. Ahora, se puede codificar la información como sigue: C C 1, C 2 0, 0 Cero pesos 0,1 Cinco pesos 1,0 Diez pesos D D 1 1, 1 Quince pesos 0 Cero pesos 1 Diez pesos Todo lo anterior lo expresamos en la tabla de verdad (tabla 6.8). Entradas Salida C 1 C 2 D 1 Z Tabla 6.8 Tabla de verdad del colector automático de peaje.

163 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 158 b) Se usa el mapa de Karnaugh (Mapas K ) como método de solución (figura 6.61). Figura 6.61 Método Mapas K. c) Se implementa el circuito (figura 6.62) para la función obtenida: Z (C1,C2,D1) C1C2 C2D1 C1D1 (C1C2)(C2D1)(C1D1) Nota: Para implementar el circuito colector automático de peaje se colocará una compuerta NAND en la salida como la negadora para que encienda la luz roja. Figura 6.62 Implementación del circuito colector de automático de peaje. Objetivo: Realizar un circuito combinacional usando solo compuertas NAND en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas: 2 NAND 7400 y 1 NAND 7410 Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos y seleccionar las compuertas: 2 NAND de 2 entradas 7400 y 1 NAND 7410 (figura 6.63). - Arrastrar las compuertas y colocarlas en el protoboard virtual (figura 6.64).

164 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 159 Figura 6.63 Ubicación de las compuertas NAND 7400 y Figura 6.64 Desplazamiento de las compuertas NAND al protoboard virtual.

165 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Conectar la alimentación de las compuertas NAND y realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.65). Figura 6.65 Conexiones de la práctica. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.7). - Encender el módulo y hacer las secuencias según la tabla 6.7 (figura 6.66 a, b, c). Figura 6.66 (a) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

166 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 161 Figura 6.66 (b) Comprobando la tabla de verdad de la práctica. Figura 6.66 (c) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

167 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 162 Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras 6.66 a, b, y c) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. Para dar diferentes gamas de colores a los cables, se abre el menú cable y se modifica el color. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.67). Figura 6.67 Guardar el archivo de la práctica colector automático de peaje.

168 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Generador de Complemento a Nueve Diseñar un generador de complemento a nueve teniendo en cuenta que solo se pueden utilizar compuertas AND, OR, NOT y NOR. Solución: a) Realizamos la tabla de verdad (tabla 6.9) en base a lo que se nos está pidiendo. Al ser un generador de complemento a nueve, la tabla de verdad iniciará en la combinación 0000 para finalizar con la combinación Entonces la primer salida sería 1001 y la última Cabe mencionar que solo se tendrán esas posibles combinaciones. Entradas Salidas Salida Decimal D C B A F 8 F 4 F 2 F Tabla 6.9 Tabla de verdad para el generador de complemento a nueve. b) Se usa el mapa de Karnaugh (Mapas K ) como método de solución. Tomaremos en cuenta las condiciones de no importa para simplificar aún más las expresiones. F 1 A F 2 B

169 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 164 F 4 BC BC B C BCD B C D c) Se implementa el circuito (figura 6.68) para las funciones obtenidas: F 1 A F 2 B F 4 BC BC B C BCD B C D F 8 F 8 Figura 6.68 Diagrama de implementación del circuito. Objetivo: Realizar un circuito combinacional usando las compuertas AND, OR, NOT y NOR en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Procedimiento: Fuente de alimentación. Compuertas: 1 AND 7408, 1 OR 7432, 1 NOT 7404 y 1 NOR de tres entradas Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos y seleccionar las compuertas: 1 AND 7408, 1 OR 7432, 1 NOT 7404 y 1 NOR de tres entradas 7427 (figura 6.69). - Arrastrar las compuertas al protoboard virtual (figura 6.70). 2. Conectar las alimentaciones de las compuertas a utilizar y realizar las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.71).

170 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 165 Figura 6.69 Ubicación de las compuertas AND, OR, NOT y NOR. Figura 6.70 Desplazamiento de las compuertas AND, OR, NOT y NOR al protoboard virtual.

171 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 166 Figura 6.71 Conexiones de la práctica. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.9). - Encender el módulo y hacer las secuencias según la tabla 6.9 (figuras 6.72 a, b, c, d y e). Figura 6.72 (a) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

172 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 167 Figura 6.72 (b) Comprobando la tabla de verdad de la práctica. Figura 6.72 (c) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

173 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 168 Figura 6.72 (d) Comprobando la tabla de verdad de la práctica. Figura 6.72 (e) Comprobando la tabla de verdad de la práctica.

174 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 169 Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras 6.72 a, b, c, d y e) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. Para dar diferentes gamas de colores a los cables, se abre el menú cable y se modifica el color. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.73). Menú Guardar Figura 6.73 Guardar el archivo de la práctica generador de complemento a nueve.

175 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual COMPUERTA: OR- EXCLUSIVA Realizar la siguiente práctica mediante la compuerta OR- EXCLUSIVA (figura 6.74) y comprobarla con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.10). Entradas Salida A B S Figura 6.74 Símbolo lógico de la compuerta EXOR. Tabla 6.10 Tabla de verdad de la compuerta EXOR Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento de la compuerta OR-EXCLUSIVA en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuerta OR-EXCLUSIVA Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar la compuerta a ocupar en la práctica. - Dar clic en el menú circuitos. - Se despliegan las opciones y se da clic en la opción puertas básicas. - Se despliega el menú donde se muestra la compuerta a utilizar. - Elegir la compuerta OR - EXCLUSIVA 7486 con un clic, esta se visualizará en el simulador (figura 6.75). - Arrastrar la compuerta y colocarla en el protoboard virtual (figura 6.76).

176 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 171 Figura 6.75 Ubicación de la compuerta OR-EXCLUSIVA en el menú circuitos. Figura 6.76 Desplazamiento de la compuerta OR-EXCLUSIVA al protoboard virtual.

177 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de la compuerta OR - EXCLUSIVA y las conexiones pertinentes al diagrama (figura 6.77). Figura 6.77 Conexiones en la compuerta OR- EXCLUSIVA. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad de la compuerta EXOR. - Encender el módulo y hacer las secuencias según la tabla 6.10 (figura 6.78). Figura 6.78 Comprobando la tabla de verdad de la compuerta OR-EXCLUSIVA.

178 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 173 Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figura 6.78) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. Para dar diferentes gamas de colores a los cables, se abre el menú cable y se modifica el color. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.79). Figura 6.79 Guardar el archivo de la práctica compuerta OR - EXCLUSIVA.

179 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual COMPUERTA NOR- EXCLUSIVA Realizar la siguiente práctica mediante la compuerta NOR - EXCLUSIVA (figura 6.80) y comprobarla con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.11). Entradas Salida A B X Figura 6.80 Símbolo lógico de la compuerta EXNOR. Tabla 6.11 Tabla de verdad de la compuerta EXNOR. Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento de la compuerta NOR-EXCLUSIVA en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuerta OR-EXCLUSIVA 7486 y compuerta NOT Nota: Para generar la compuerta NOR - EXCLUSIVA se necesitará combinar una compuerta OR-EXCLUSIVA 7486 con una compuerta NOT, ésta última se colocará al final de la compuerta OR-EXCLUSIVA Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Dar clic en el menú circuitos. - Se despliegan las opciones y se da clic en la opción puertas básicas. - Se despliega el menú donde se muestra la compuerta a utilizar. - Elegir las compuertas OR - EXCLUSIVA 7486 y NOT 7404 con un clic, esta se visualizará en el simulador (figura 6.81). - Arrastrar las compuertas y colocarlas en el protoboard virtual (figura 6.82).

180 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 175 Figura 6.81 Ubicación de las compuertas OR-EXCLUSIVA y NOT en el menú circuitos. Figura 6.82 Desplazamiento de las compuertas OR-EXCLUSIVA y NOT al protoboard virtual.

181 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas OR - EXCLUSIVA y NOT. - Realizar las conexiones del diagrama (figura 6.83). Figura 6.83 Conexiones en la compuerta NOR- EXCLUSIVA. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad de la compuerta EXNOR. - Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.11 (figura 6.84). Figura 6.84 Comprobando la tabla de verdad de la compuerta NOR-EXCLUSIVA.

182 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 177 Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figura 6.84) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. Para dar diferentes gamas de colores a los cables, se abre el menú cable y se modifica el color. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo. - Seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.85). Figura 6.85 Guardar el archivo de la práctica compuerta NOR-EXCLUSIVA.

183 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual CIRCUITOS CON COMPUERTAS: OR - EXCLUSIVA Y NOR- EXCLUSIVA Convertidor BCD a EXCESO 3 Implemente un circuito combinacional que acepte el código BCD y que genere una salida Exceso - 3. Solución: a) Se sabe que el Exceso 3 es un código igual al BCD, sin embargo se deben añadir tres unidades a este para transformarlo en Exceso 3. De acuerdo a esto, podemos determinar la tabla de verdad (tabla 6.12). Entradas Salidas A B C D F 1 F 2 F 3 F Tabla 6.12 Tabla de verdad de un circuito de entradas BCD a una salida Exceso - 3. b) Se usa el mapa de Karnaugh (Mapas K ) como método de solución. Tomaremos en cuenta las condiciones de no importa para simplificar aún más las expresiones. F 1 A BC BD BCD BC BD F 2

184 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 179 F 3 D CD CD C D c) Se implementa el circuito (figura 6.86) para las funciones obtenidas: F 1 A BC BD F 2 BCD BC BD F 3 D CD CD C D F 4 F 4 Figura 6.86 Implementando el circuito del convertidor BCD a Exceso-3. Objetivo: Realizar un circuito combinacional usando las compuertas AND, OR, NOT y EXNOR en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas: 2 AND 7408, 1 NOT 7404, 1 OR 7432 y 1 OR- EXCLUSIVA Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos y seleccionar las compuertas: 2 AND 7408, 1 NOT 7404, 1 OR 7432 y 1 OR - EXCLUSIVA (figura 6.87). - Arrastrar las compuertas al protoboard virtual (figura 6.88).

185 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 180 Figura 6.87 Ubicación de las compuertas OR-EXCLUSIVA y NOT en el menú circuitos. Figura 6.88 Colocación de las compuertas a utilizar.

186 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas AND, OR, NOT y OR-EXCLUSIVA. - Realizar las conexiones del diagrama (figura 6.89). Figura 6.89 Interconexiones en la práctica virtual. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.12). - Encender el módulo. - Realizar las secuencias según la tabla 6.12 (figuras 6.90 a, b, c, d y e). Figura 6.90 a Combinaciones de la tabla de verdad.

187 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 182 Figura 6.90 b Combinaciones de la tabla de verdad. Figura 6.90 c Combinaciones de la tabla de verdad.

188 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 183 Figura 6.90 d Combinaciones de la tabla de verdad. Figura 6.90 e Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras 6.90 a,b,c,d y e) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica.

189 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Contador Diseñe un circuito lógico combinatorio para un contador que contiene un registro de 3 bits. El contador cuenta desde 0 (000) hasta 7 (111), se restablece y empieza la cuenta nuevamente. Este contador es usado para generar 3 señales de control, C 1, C 2 y C 3. Las señales toman un valor de 1, de acuerdo con las siguientes condiciones. C 1 = 1 para la cuenta de 0, 1, 3,5 y 7. C 2 = 1 para la cuenta de 0, 3, 5 y 7. C 3 = 1 para la cuenta de 0, 3, 4 y 7. Solución: a) Se determina la tabla de verdad (tabla 6.13) a partir de los datos proporcionados anteriormente. Entradas Salidas X 3 X 2 X 1 C 1 C 2 C Tabla 6.13 Tabla de verdad del contador. b) Se usa el mapa de Karnaugh (Mapas K ) como método de solución. C 1 X1 X2X3 C 3 X1X 2 X1X 2 X1 X2

190 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 185 C 2 X1X 2X3 X1X 2X3 X1X 2X3 X1X 2X3 C 2 X1X 2X3 X1X 2X3 X1X 2X3 X1X 2X3 C 2 X1 X2X3 X2X3 X1 X2X3 X2X3 C 2 X3 X1X 2 X1X 2 X3 X1X 2 X1X 2 C 2 X1 X2 X3 X1 X2 X3 X1 X2 X3 C 2 X3 X1 X2 X3 X1 X2 X3 X1 X2 C 2 X1 X2 X3 C 2 X1 X2 X3 c) Se implementa el circuito (figura 6.91) para las funciones obtenidas: C 1 X1 X2X3 C 2 X1 X2 X3 C 3 X1X 2 X1X 2 X1 X2 Figura 6.91 Implementando el circuito del contador. Objetivo: Realizar un circuito combinacional usando las compuertas AND, OR, NOT y EXOR en el simulador. Material virtual: Un protoboard. LEDS. Interruptores. Procedimiento: Fuente de alimentación. Compuertas: 1 AND 7408, 1 OR 7432, 1 NOT 7404, 1 OR - EXCLUSIVA Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos y seleccionar las compuertas: 1 AND 7408, 1 NOT 7404, 1 OR 7432 y una OR - EXCLUSIVA (figura 6.92). - Arrastrar las compuertas al protoboard virtual (figura 6.93).

191 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 186 Figura 6.92 Ubicación de las compuertas OR-EXCLUSIVA y NOT en el menú circuitos. Figura 6.93 Colocación de las compuertas básicas a utilizar.

192 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas AND, NOT, OR y OR-EXCLUSIVA. - Realizar las conexiones del diagrama (figura 6.94). Figura 6.94 Interconexiones en la práctica virtual. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.13 (figuras 6.95 a, b, y c). Figura 6.95 a Combinaciones de la tabla de verdad.

193 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 188 Figura 6.95 b Combinaciones de la tabla de verdad. Figura 6.95 c Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras 6.95 a, b y c) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica.

194 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual CIRCUITOS ARITMÉTICOS Y LÓGICOS Semisumador Realizar el siguiente circuito semisumador (figura 6.96) y comprobarlo con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.14). Entradas Salidas X Y C S Figura 6.96 Diagrama lógico del semisumador. Tabla 6.14 Tabla de verdad del semisumador. Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento del circuito semisumador en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas: 1 AND 7408 y 1 OR-EXCLUSIVA. Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. - Seleccionar las compuertas: 1 AND 7408 y 1 OR-EXCLUSIVA Arrastrar las compuertas al protoboard virtual (figura 6.97). 2. Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas AND y OR-EXCLUSIVA. - Realizar las conexiones del diagrama (figura 6.98).

195 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 190 Figura 6.97 Colocación de las compuertas a utilizar. Figura 6.98 Interconexiones en la práctica virtual.

196 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.14). - Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.14 (figura 6.99). Figura 6.99 Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figura 6.99) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.100). Figura Guardar el archivo de la práctica circuito semisumador.

197 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Semirestador Realizar el siguiente circuito semirestador (figura 6.101) y comprobarlo con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.15). Entradas Salidas X Y P R Figura Diagrama lógico del semirestador. Tabla 6.15 Tabla de verdad del semirestador. Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento del circuito semisumador en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas: 1 AND, 1 NOT y 1 OR-EXCLUSIVA. Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. - Seleccionar las compuertas: 1 AND 7408, 1 NOT y 1 OR-EXCLUSIVA. - Arrastrar las compuertas al protoboard virtual (figura 6.102). 2. Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas AND y OR-EXCLUSIVA. - Realizar las conexiones del diagrama (figura 6.103).

198 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 193 Figura Colocación de las compuertas a utilizar. Figura Interconexiones en la práctica virtual.

199 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.15). - Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.15 (figuras a y b). Figura a Combinaciones de la tabla de verdad. Figura b Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras a y b) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica.

200 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Comparador Diseñe un circuito cuya función sea comparar dos números A y B de 2 bits. Solución: a) Se determina la tabla de verdad (tabla 6.16) de acuerdo a lo que se nos pidió. Entradas Salidas A B A<B A=B A>B Tabla 6.16 Tabla de verdad del comparador. b) Se implementa el circuito (figura 6.105) según la tabla de verdad. Figura Circuito lógico del comparador. Objetivo: Observar y comprobar el funcionamiento del circuito comparador en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas: 1 AND, 1 NOT y 1 OR-EXCLUSIVA

201 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 196 Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. - Seleccionar las compuertas: 1 AND 7408, 1 NOT y 1 OR-EXCLUSIVA. - Arrastrar las compuertas al protoboard virtual (figura 6.106). 2. Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas AND, NOT y OR-EXCLUSIVA. - Realizar las conexiones del diagrama (figura 6.107). Figura Colocación de las compuertas a utilizar.

202 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 197 Figura Interconexiones en la práctica virtual. 3. Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.16). - Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.16 (figuras 108 a, b). Figura (a) Combinaciones de la tabla de verdad.

203 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 198 Figura (b) Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras a y b) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.109). Figura Guardar el archivo de la práctica circuito comparador.

204 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual CODIFICADOR DE 10 ENTRADAS Y 4 SALIDAS Realizar la práctica en base al circuito topológico mostrado con el codificador (figura 6.110). Figura Circuito topológico del codificador Tabla 6.17 Tabla de verdad del codificador Nota: De acuerdo a la tabla de verdad, las combinaciones se hacen en altas (H) y solo un interruptor permanecerá en baja (L). Objetivo: Comprobar el funcionamiento del codificador de prioridad en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Codificador Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar el codificador a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. - Seleccionar el codificador (figura 6.111). - Arrastrar el codificador al protoboard virtual (figura 6.112).

205 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 200 Figura Ubicación del codificador Figura Desplazamiento del codificador

206 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación del codificador y realizar las conexiones del diagrama (figura 6.113). Figura Interconexiones del codificador Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.17). - Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.17 (figuras 114 a, b y c). Figura (a) Combinaciones de la tabla de verdad.

207 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 202 Figura (b) Combinaciones de la tabla de verdad. Figura (c) Combinaciones de la tabla de verdad.

208 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 203 Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras a, b y c) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.115). Figura Guardar la práctica del codificador.

209 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual DECODIFICADOR BCD A 7 SEGMENTOS Realizar la numeración de 0 a 9 con un decodificador BCD a 7 segmentos (figura 6.116) y comprobarlo con su respectiva tabla de verdad (tabla 6.18). Figura Conexiones del decodificador BCD. Nota: Para llevar a cabo la práctica en el laboratorio virtual no se necesita de las resistencias, ya que no es necesario limitar la corriente. Entradas Salidas Número Decimal D C B A a b c d e f g Tabla 6.18 Tabla de verdad del decodificador BCD.

210 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 205 Objetivo: Comprobar el funcionamiento del decodificador BCD a siete segmentos 7447 en el simulador. Material virtual: Protoboard. DISPLAY. Interruptores. Fuente de alimentación. Decodificador Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar el decodificador a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. - Seleccionar el decodificador 7447 (figura 6.117). - Arrastrar el decodificador al protoboard virtual (figura 6.118). Figura Ubicación del decodificador 7447.

211 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 206 Figura Desplazamiento del decodificador Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación del decodificador 7447 y realizar las conexiones del diagrama (figura 6.119). Figura Interconexiones del decodificador 7447.

212 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.18). - Encender el módulo. - Realizar las secuencias según la tabla 6.18 (figuras 120 a, b, c, d y e). Figura (a) Combinaciones de la tabla de verdad. Figura (b) Combinaciones de la tabla de verdad.

213 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 208 Figura (c) Combinaciones de la tabla de verdad. Figura (d) Combinaciones de la tabla de verdad.

214 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 209 Figura (e) Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras a, b, c, d y e) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.121). Figura Guardar el archivo de la práctica decodificador.

215 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual MULTIPLEXOR Implementar la función lógica especificada en la tabla de verdad (tabla 6.19), utilizando un multiplexor/selector de datos de 8 entradas (figura 6.122). Entradas Salida A 0 A 1 A 2 Y Tabla 6.19 Tabla de verdad del multiplexor Solución: Obsérvese en la tabla de verdad que Y vale 1 para las combinaciones 001,011, 101 y 110. Para el resto de las combinaciones, Y vale 0. Para poder implementar esta función mediante el selector de datos, la entrada de datos seleccionada por cada una de las combinaciones mencionadas tiene que conectarse a un nivel ALTO (5 v). El resto de las entradas debe conectarse a un nivel BAJO (figura 6.122). Si tratáramos de implementar esta función mediante compuertas lógicas, se requerirían cuatro compuertas AND de 3 entradas, una compuerta OR de 4 entradas y tres inversores, a menos que la expresión pudiera ser simplificada. Figura Diagrama lógico del multiplexor

216 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 211 Objetivo: Observar el funcionamiento del multiplexor en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Multiplexor Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar el multiplexor a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. - Seleccionar el multiplexor (figura 6.123). - Arrastrar el multiplexor al protoboard virtual (figura 6.124). Figura Ubicación del multiplexor

217 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 212 Figura Desplazamiento del multiplexor Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación del decodificador 7447 y realizar las conexiones del diagrama (figura 6.125). Figura Interconexiones del multiplexor

218 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.19). - Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.19 (figura 126 a, b, y c). Figura (a) Combinaciones de la tabla de verdad. Figura (b) Combinaciones de la tabla de verdad.

219 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 214 Figura (c) Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras a, b, y c) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.127). Figura Guardar el archivo de la práctica multiplexor

220 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual DEMULTIPLEXOR Llevar a la práctica el circuito lógico del demultiplexor (figura 6.128) y sus ecuaciones obtenidas. O O O O O O O O S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) Figura Circuito lógico del demultiplexor. En base al circuito anterior tenemos la siguiente tabla de verdad (tabla 6.20). Entradas Salidas S 2 S 1 S 0 O 0 O 1 O 2 O 3 O 4 O 5 O 6 O Tabla 6.20 Tabla de verdad del circuito demultiplexor.

221 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 216 Objetivo: Observar el funcionamiento del demultiplexor propuesto en el simulador. Material virtual: Protoboard. LEDS. Interruptores. Fuente de alimentación. Compuertas básicas: 1 NOT 7404 y 3 AND de 3 entradas. Procedimiento: 1. Abrir el archivo ejecutable del simulador y ubicar las compuertas a ocupar en la práctica. - Abrir el menú circuitos. - Seleccionar las compuertas básicas: 1 NOT y 3 AND de 3 entradas 7411 (figura 6.129). - Arrastrarlas al protoboard virtual (figura 6.130). Figura Ubicación de las compuertas a usar en el demultiplexor.

222 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 217 Figura Desplazamiento de las compuertas a utilizar. 2. Realizar las interconexiones de la práctica virtual. - Conectar la alimentación de las compuertas y realizar las conexiones del diagrama (figura 6.131). Figura Interconexiones de las compuertas a usar en el demultiplexor.

223 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual Proceder a comprobar el circuito, utilizar la tabla de verdad (tabla 6.20). - Encender el módulo y realizar las secuencias según la tabla 6.20 (figuras 132 a, b, y c). Figura (a) Combinaciones de la tabla de verdad. Figura (b) Combinaciones de la tabla de verdad.

224 CAPÍTULO 6 Prácticas de Laboratorio Virtual 219 Figura (c) Combinaciones de la tabla de verdad. Nota: Para visualizar la comprobación del circuito (figuras a, b, y c) se cambió el color de los LEDS mostrando un color blanco en los LEDS cuando están apagados y un color obscuro cuando están activados. 4. Guardar el archivo, si el funcionamiento del circuito es correcto acorde a la tabla Abrir el menú archivo y seleccionar la opción guardar como. - Guardar en una carpeta con el nombre de la práctica (figura 6.133). Figura Guardar el archivo de la práctica circuito demultiplexor.