Introducción a los sistemas digitales

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1 Introducción a los sistemas digitales Prof. Mario Medina mariomedina@udec.cl Introducción a los sistemas digitales Descripción del curso Sistemas análogos y sistemas digitales Representación análogo-digital Motivación y objetivos del curso 2014 Mario Medina Presentación del profesor Mario Medina Carrasco mariomedina@udec.cl alternativo: mariomedina@gmail.com Oficina: 215, Edificio de Ingeniería Teléfono: Web: Forma más fácil de ubicarme: ! Versión Semestre Código: Horario clases Miércoles, 5:15 6pm, TM 3-14 Jueves, 3:15 5pm, TM 3-14 Horario práctica Miércoles, 6:15pm 7pm, TM 3-14 Ayudante A anunciar Bibliografía H. Rautenberg, Diseño de circuitos digitales, 3ra. Edición, Universidad de Concepción, Disponible en dirección de docencia por $6000 Varias copias en biblioteca C. Roth, Fundamentos de diseño lógico, 5ta. Edición, Editorial Thomson, Usado como base para las transparencias Bibliografía en línea Varios libros electrónicos disponibles en Mario Medina 1

2 Tópicos 1. Introducción 2. Sistemas numéricos 3. Códigos 4. Álgebra binaria 5. Funciones booleanas 6. Mapas de Karnaugh 7. Quine-McCluskey 8. Compuertas lógicas 9. Diseño combinacional 10. Bloques estándar 11. ROMs 12. Circuitos secuenciales 13. Registros y contadores 14. Análisis de circuitos sincrónicos 15. Diseño de circuitos sincrónicos 16. Procesamiento digital de señales Evaluaciones (I. C. Telecom.) 3 exámenes no acumulativos 1er. Examen (30%): Después de minimización 2do. Examen (30%): Después de bloques estándar 3er. Examen (40%): Después de diseño sincrónico 3er. Examen debe ser aprobado con nota 3.5 Examen de recuperación: reemplaza todas las notas de exámenes faltantes Nota definitiva: nota final *0.7 + nota recup *0.3 Administrivia Apuntes de clases en InfoAlumno Apuntes de años anteriores en página del profe Listado de ejercicios por tópico A resolver por Uds. Software auxiliar Mapas de Karnaugh, minimización Asistencia libre No pasaré lista Resultados de cursos anteriores Reglas del juego Copia en 1 examen Calificada con nota 1 a todos los involucrados No se acepta ningún tipo de excusa Copia en 2 exámenes Nota NCR en la asignatura Examen de recuperación: oral ó escrito Recupera una nota de examen Nota Final: Presentación*0.7 + Recuperación*0.3 Objetivos generales Presentar conceptos básicos y una metodología general para el estudio de sistemas digitales. Estudiar especificación y realización de sistemas digitales, mediante métodos de análisis y de diseño jerárquicos y estructurados. Capacitar al alumno para atender, analizar y aplicar los fundamentos y técnicas de especificación y diseño de sistemas digitales. Preparar al alumno para el posterior estudio de arquitectura de computadores 2014 Mario Medina 2

3 Contenidos Introducción Códigos, bases y representación de números Álgebra binaria Lemas y teoremas del algebra de Boole Procedimientos de simplificación Funciones Booleanas Representación en expresiones canónicas Representación gráfica, Mapas de Karnaugh Representación en sumas de productos y productos de sumas Ejemplos de sistemas combinacionales Contenidos Métodos de minimización Simplificación de funciones Métodos de Quine-McCluskey y Petrick Condiciones superfluas Realización de sistemas combinacionales Compuertas lógicas y redes AND, OR, NOT Modulos universales Redes NAND y NOR Contenidos Diseño combinacional Móduloscombinacionalesy redesmodulares Módulos estándar: codificadores, decodificadores, selectores, ROMs, PLAs Módulos aritméticos: sumadores, ALUs, multiplicadores Realización de sistemas combinacionales con decodificador y OR; con selectores (multiplexores); con ROM y PLA Redes iterativas Contenidos Especificación de sistemas secuenciales Descripción por estado: sistemas sincrónicos y asincrónicos Diagrama de estados Descripción por evolución en el tiempo de sistemas sincrónicos Minimización del número de estados Ejemplos de sistemas secuenciales Contenidos Sistemas secuenciales sincrónicos Análisis y síntesis de redes canónicas Flip-Flops: módulos y redes Módulos secuenciales sincrónicos Módulos estándar: registros, desplazadores, contadores, RAM, CAM, PSA Sistemas secuenciales con ROM, contador y red combinacional, RAM y red combinacional Representación análoga y digital En un sistema análogo, las variables pueden tomar un valor cualquiera dentro de un rango continuo 2014 Mario Medina 3

4 Representación análoga y digital En un sistema digital, las variables pueden tomar un valor cualquiera dentro de un conjunto finito de valores discretos Variables análogas Representación realista de las cantidades del mundo real Variables digitales suelen ser sólo aproximaciones de éstas En la práctica, los sistemas análogos presentan el problema de ser altamente sensibles al ruido Un pequeño error en la entrada genera un error en la salida Error en sistemas análogos Sistemas análogos conectados entre sí Errores generados en cada componente se van sumando hasta la salida final Precisión de un sistema análogo Depende de la precisión de cada uno de los componentes individuales del sistema Difícil mejorar resolución de componentes análogas Suele implicar cambios en la tecnología Representación digital Sistemas digitales operan bien con señales degradadas por ruido Pequeñas variaciones en las entradas no se reflejan en la salida Mucho más fácil hacer sistemas complejos garantizando un comportamiento predecible Error en sistemas digitales Aumentar la precisión de una medición digital Aumentar el número de valores posibles del conjunto La resolución del sistema digital Aumento en el costo del sistema Costo generalmente es menor que el asociado a su contraparte analógica Costo y precisión Fácil y barato construir sistema análogo de baja precisión Alta precisión requiere generalmente un sistema digital 2014 Mario Medina 4

5 Ejemplos Ejemplo: reloj Sistemas análogos Computación análoga Televisión Telefonía Fotografía análoga Reloj análogo BetaMax, VHS, LaserDisc Super8, Video8 Cassettes Cine análogo Sistemas digitales Computación digital Televisión digital Telefonía celular Fotografía digital Reloj digital DVD, Blu-Ray MPEG MP3 Cine digital Reloj de sol Reloj atómico Ejemplo: temperatura Temperatura toma valores continuos en el tiempo Cuantificación (muestreo) de temperatura Discretización de temperatura en el tiempo Discretización de la temperatura a un rango Ejemplo: audio Cómo se amplifica una señal de audio Ejemplo: discos análogos Señal de audio codificada como surcos en sustrato de vinilo ó acetato como variaciones en Radio del surco Profundidad del surco Fidelidad de la señal Susceptibilidad al ruido (polvo, deformación, fracturas, etc.) 2014 Mario Medina 5

6 Ejemplos: discos compactos Señal musical almacenada en forma digital (secuencias de 1s y 0s) Ejemplo: discos compactos Señales de audio digitalizadas y almacenadas en áreas reflectantes Sistemas análogo-digitales Sistemas análogos y digitales no son excluyentes entre sí Mundo real opera en forma análoga Mediciones usan sistemas análogos Sistemas complejos tienen ambas partes Parte análoga para interactuar con el entorno Parte digital para el procesamiento y manipulación de los datos Memoria análoga Memoria digital Flip - Flop SRAM (1bit) Motivación Para qué me sirve aprender todo esto? Como ingenieros, es necesario alcanzar un alto grado de abstracción que nos permita resolver problemas de la vida real utilizando la gran cantidad de herramientas disponibles, que hoy en día son en su gran mayoría digitales Mario Medina 6

7 Introducción a los sistemas digitales Lo anterior implica que debemos aprender a comunicarnos con la máquina, dándole las instrucciones adecuadas para obtener la máxima eficiencia de sus elevadas capacidades de procesamiento. Objetivos Conocer los fundamentos y principios de los sistemas digitales y las metodologías de diseño, nos entregará un primer grado de abstracción para resolver de forma eficiente problemas reales simples mediante circuitos discretos (en este curso) y nos acercarán a entender el funcionamiento de sistemas más complejos como controladores y procesadores (cursos posteriores). Problema de la vida diaria Bosquejo de diseño Extractos tomados de un diseño completo (sólo referencial para ilustrar etapas) Tabla de verdad (siempre en lógica binaria) Mapas de Karnaugh Mapas de Karnaugh 2014 Mario Medina 7

8 Esquema de circuito obtenido de los mapas Circuito implementado Resultado final Un buen diseño implica: Control de tráfico Reducción de accidentes Trabajo 24/7/365 Reducción de costos Mejoras en el diseño Semáforo inteligente Optimización de energía Medición de tráfico Vigilancia 2014 Mario Medina 8

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