BLOQUES FUNCIONALES GENERALES

Transcripción

1 BLOQUES FUNCIONALES GENERALES INTRODUCCIÓN Los circuitos secuenciales, de la misma forma que los combinacionales, están constituidos por puertas lógicas, y como en estos últimos, la escala de integración de la mayoría de los circuitos disponibles en catalogo es la MSI. A diferencia de los circuitos combinacionales, en los secuenciales, los valores de las salidas en un momento dado no dependen exclusivamente de los valores aplicados en las entradas en ese instante, sino también de los que estuviesen presentes con anterioridad. Puede ocurrir, por lo tanto, que para iguales valores en las entradas se puedan obtener estados distintos en las salidas en momentos diferentes. La respuesta de un circuito de estas características, frente a una secuencia de valores aplicada a las entradas, depende de su constitución física. Los circuitos secuenciales tienen capacidad para recordar o memorizar los valores de las variables de entrada. Esta operación es imprescindible en los sistemas automáticos construidos con circuitos digitales, sobre todo en los programables. El almacenamiento o memorización de la información presente en la puerta del circuito se realiza gracias a la existencia de unas variables denominadas de estado interno, cuyo valor se vera afectado por los cambios producidos en la combinación binaria aplicada a la entrada. Existen dos grandes tipos de circuitos secuenciales: a) Maquina de Mealy. En este tipo de circuitos, las salidas dependen, en cada instante de los valores de los elementos de memoria y de las entradas presentes en ese instante. Aquí, para cada estado, podemos tener tantas salidas como combinaciones tengamos en las entradas. b) Maquina de Moore. Aquí las salidas en cada instante dependen exclusivamente de los estados de los elementos de memoria, y no dependen directamente de las entradas en ese instante. Los valores de las entradas, sirven para modificar las diversas transiciones entre estados. Circuitos lógicos de sistemas Digitales Combinatorios Secuenciales Circuitos Combinatorios: constan de compuertas lógicas cuya salida es en cualquier momento, se determinan directamente a partir de los valores de las entradas presentes. La salida de las compuertas es instantánea, dependiendo de los valores de entrada en ese mismo instante. Realizan una operación de procesamiento de información determinada que se puede especificar lógicamente por medio de un conjunto de expresiones booleanas. Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 1/10

2 n entradas Circuito combinatorio m salidas var. de entrada Compuertas var. de salida lógicas Para n variables de entrada existen 2 n combinaciones binarias posibles. Los dispositivos que son asincrónicos además de las compuertas, son el comparador, el multiplexor y demultiplexor y los sumadores/restadores. Circuitos Secuenciales: emplean elementos de almacenamiento llamados multivibradores biestables (o FLIP-FLOPS) además de las compuertas lógicas. El estado de los elementos de almacenamiento, a su vez, es función de entradas previas. Como consecuencia, las salidas del circuito secuencial dependen no solo de los valores presentes de las entradas, sino también de entradas pasadas, y el comportamiento del circuito deben especificarse con una secuencia de tiempo de entrada y estados internos. Otra importante división de los circuitos secuenciales es entre sincronos y asíncronos Los síncronos, requieren una señal de control procedente de un generador externo al propio circuito, que funciona como llave, de modo que si no se aplica dicha señal no se hacen efectivos los valores presentes en las entradas. Este método se emplea cuando el sistema electrónico es complejo y los tiempos de conmutación de los diversos dispositivos que lo constituyen son distintos. La señal de control, también denominada reloj (Clock, o Clock Pulse en inglés), se aplica a las entradas del mismo nombre de cada bloque integrado para sincronizar la transmisión de datos 0 información a través del sistema. La frecuencia de la señal eléctrica debe adaptarse a la velocidad de conmutación del dispositivo mas lento del circuito. En cambio, los sistemas secuenciales asíncronos no poseen entrada de reloj, y los cambios en las variables de estado interno y en los valores de salida se producen, sencillamente, al variar los valores de las entradas del circuito Circuito secuencial sincrónico: sistema cuyo comportamiento puede definirse a partir del conocimiento de sus señales en instantes discretos. Un circuito secuencial sincrónico se vale de señales que afecten a los elementos de almacenamiento, sólo en instantes discretos la sincronización se logra a través de un dispositivo de sincronización llamado GENERADOR DE SEÑALES DE RELOJ que produce una sucesión periódica de PULSO DEL RELOJ. Estos se distribuyen en todo el sistema junto con otras señales que especifican el cambio requerido en los elementos de almacenamiento de modo que solo se vean afectados a las llegadas de cada pulso. Circuitos secuenciales controlados por reloj los de mayor frecuencia en la práctica, ya que no presentan problemas de inestabilidad y su sincronización se divide fácil, en pasos discretos independientes, que pueden considerase por separado. Elementos de almacenamiento. Flip Flops (de almacenamiento binario) Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 2/10

3 Entradas Circuito Combinatorio Pulsos de reloj Flip Flops Salidas La transición de un estado a otro ocurre sólo en intervalos de tiempo predeterminados controlados por los pulsos del reloj FLIP-FLOPS También se los conoce como biestables. Son los circuitos secuenciales más elementales, capaces de almacenar, si no existe orden exterior de cambio, la información en ellos contenida, junto con los contadores y registros de desplazamiento, que, como observaremos, son también circuitos secuenciales constituidos por una cadena de biestables. Los flip-flops, son circuitos secuenciales constituidos por puertas lógicas capaces de almacenar un bit, que es la información binaria más elemental. Al igual que los circuitos secuenciales en general, los flip-flops también se pueden clasificar en síncronos y asíncronos. En los flip-flops que adoptan este sistema de sincronismo, la información presente en las entradas solo se tiene en cuenta cuando la señal de reloj cambia de nivel, es decir, durante el tiempo de subida o de bajada, dependiendo del caso. La entrada CK o CLK ("Clock Pulse"), es la correspondiente a los pulsos del reloj. - FLIP-FLOP JK También denominada "Masler-Slave", es quizás la mas difundida, en sus distintas versiones de activación (por nivel y por flanco). Esta difusión esta justificada por su versatilidad, ya que a partir de un "}K" se pueden obtener los otros tipos de flip-flops. CK J K Q Q J K Q(t+1) OPERACION 0 0 Q(t) No hay cambio Reseteo Seteo 1 1 Q(t) Complemento FLIP-FLOP D Son los llamados seguidores D Q Q D Q(t+1) OPERACIÓN 0 0 Reset 1 1 set Seguidor CK Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 3/10

4 - REGISTROS Son dispositivos para el almacenamiento, o manipulación de información binaria Existen diversos tipos de registros, dependiendo de la función que desarrollen: - Registros de almacenamiento simple. Su función es básicamente la de almacenar una información. - Registros de conversión serie-paralelo. Son registros que realizan la conversión de la información que accede a ellos en serie, a un formato en paralelo. - Registros conversión paralelo-serie. Son registros que realizan la función inversa a los anteriores, es decir, a la información que accede a ellos en paralelo, le dan formato serie. - Registros de desplazamiento. Son registros que permiten el desplazamiento de la información que almacenan. De este tipo de registros vamos a realizar un estudio en profundidad, ya que es una de las funciones que pueden realizar los acumuladores, que son parte integrante de tos microprocesadores, Los registros de desplazamiento realizan fundamentalmente dos funciones : rotaciones, y desplazamientos propiamente dichos. - ROTACIONES. Pueden ser a la derecha o la izquierda. Se realizan en bucle cerrado y se pueden utilizar para analizar el estado de un bit que forma parte de una información, y cuyo acceso solo es posible en una posición determinada. Los registros que realizan esta operación se denominan registros en anillo (un caso particular es el de los contadores en anillo, cuando aprovechamos el desplazamiento para realizar una cuenta). Vamos a ver los diversos tipos de rotación. Rotación a la izquierda (IZQ). Vemos como se desplaza a la izquierda, donde el bit nás significativo, se pierde o como en este caso, en que está conectado a la entrada serie (la cual se realiza a través del bit menos significativo) se están rotando los bits y el que se perdió vuelve a ingresar como bit menos significativo. Después de ocho desplazamientos, todos los bits, que conforman el contenido del AccA, pueden ser testeados cuando pasan por "C" (acarreo). Rotación a la derecha (DER). En este caso la rotación se hace a la derecha. Siguiendo con el ejemplo anterior, tenemos: Aca se pierde el bit menos significativo, a menos que, como en la figura ese bit esta conectado a la entrada serie, y como desplaza hacia la derecha ingresaría como el bit más significativo. Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 4/10

5 Nuevamente, después de ocho desplazamientos todos los bits, que conforman el contenido del AccA, pueden ser testeados cuando pasan por "C". - DESPLAZAMIENTOS. Tenemos dos tipos de desplazamientos: el logico y el aritmético, según se vean o no implicados elementos ajenos al propio registro. Vamos a ver algunos tipos de desplazamientos: Desplazamiento aritmético a la izquierda (ASL). Básicamente realiza la siguiente función: Un desplazamiento a la izquierda equivale a una multiplicación por 2 en el sistema binario. Desplazamiento lógico a la derecha (LSR). Equivale a una división por 2 en binario.(se usa también para calcular promedios) Aquí, vemos que entra un "O" exterior al registro en ambos casos. La forma más elemental de realizar un registro de desplazamiento, es la que se muestra en la figura siguiente: Como puede verse, el circuito consta de 4 flip-flops tipo D puestos en serie, de tal forma que la salida Q de uno, es la entrada D del siguiente bit La entrada de reloj es común a todos, por lo que el circuito es síncrono. Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 5/10

6 Los datos van entrando y se van desplazando hacia la derecha conforme llegan los pulsos de reloj Vemos que hay dos salidas, serie y paralelo. La salida serie muestra los mismos datos que hay a la entrada pero con un retardo igual al periodo de reloj multiplicado por el número de flip-flops que componen el registro (los datos se retardan un periodo en cada flip-flop). La salida paralelo muestra los cuatro últimos datos introducidos, cada uno de ellos con un retardo respecto a la entrada definido por su distancia respecto a ésta ENTRADA PARALELO (n BITS) ENTRADA SERIE RESET CARGA REGISTROS 8bits DER IZQ CK S (n BITS) RESET CARGA IZQ DER CLK ENTRADA SERIE ENTRADA Dn - D0 D0 Dn D(n-1) - D1 1 X X X X X X X X Dn - D0 D0 Dn D(n-1) - D DIZQ X DIZQ Dn-1 D(n-2) -D X X X Sin cambio Sin cambio Sin cambio DDER X D1 DDER Dn - D2 RESET = 1 y CARGA = 1 y DER = 1 y IZQ = 1 y RESET SINCRONICO (luego del flanco de clock, es decir en (t+1), se tiene en S todos ceros) CARGA PARALELO (lo que en la entrada esta en tiempo (t), se tiene en la salida S en tiempo (t+1) DESP DERECHA (en (t+1) pierde el bit menos significativo e ingresa al bit más significativo lo que se encontraba en la ENTRADA SERIE en (t)) DESP IZQUIERDA (en (t+1) pierde el bit mas significativo e ingresa al bit menos significativo lo que se encontraba en la ENTRADA SERIE en (t)) Tanto DER como IZQ, se utilizan para realizar la carga de datos en serie. Si el dato es de 8 bits habrá que mantener DER o IZQ 8 bit times en 1 para poder tener el dato completo en el registro. Si se tomará el último bit de la ENTRADA SERIE (sólo válido un bit time) habría que tener las señales DER o IZQ sólo 7 bit times en 1. El orden de prioridad de las señales, en caso de existir superposición es: RESET CARGA DER IZQ Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 6/10

7 -CONTADORES Un contador es un circuito secuencial de aplicación general, cuyas salidas representan en un determinado código el número de pulsos que se meten a la entrada Están constituidos por una serie de flip-flops conectados entre si de modo que las salidas de estos cambian de estado cuando se aplican impulso a la entrada. La capacidad de un contador es el número mas elevado, expresado en cualquiera de los códigos binarios, que puede ser representado en sus salidas. Cuando el contador llega al valor máximo de su capacidad, comienza a contar de nuevo desde cero al aplicarle el siguiente impulso. Dependiendo del modo de operación, los contadores pueden ser ascendentes (si su contenido se incrementa con cada impulso), descendentes (si su contenido disminuye), o bien una combinación de ambos. Por otro lado, los contadores se dividen en síncronos y asíncronos. Los primeros, son aquellos en los que los impulsos de reloj se aplican simultáneamente a todos los flip-flops, y por tanto, todas las salidas cambian al mismo tiempo. En los asíncronos, por contra, la señal de reloj se aplica a la entrada del primer flip-flop, la salida de éste a la entrada de reloj del siguiente, y así sucesivamente el tiempo de propagación de estos dispositivos, es superior al de los síncronos (la señal tiene que pasar por todos los bits menos significativos hasta llegar a un determinado bit). Otra clasificación es según la naturaleza de los números que cuenta el dispositivo. Existen contadores binarios (el número de estados es múltiplo de 2), decimales (el número de estados es múltiplo de 10), y de modulo M (un número M cualquiera de estados). El diseño de contadores síncronos, se hace de igual forma que para cualquier circuito secuencial. Como caso particular, vamos a ver el diseño de contares binarios asíncronos. Un caso particularmente sencillo, lo constituyen los contadores asíncronos binarios. Como ejemplo, vamos a diseñar y realizar un contador binario ascendente de 4 bits (cuenta de O a 15). Si estudiamos la evolución de los números en la cuenta, vemos que cada uno de los bits cambia de valor cuando el de su derecha pasa de 1 a 0. Por ejemplo, con dos bits vemos que: 00-0l , y a su vez Por lo tanto, cada bit cambia cuando en el bit de la derecha se produce un flanco descendente. Recordando el funcionamiento del flip-flop, vemos que este, al llegarle el correspondiente flanco de reloj, invertía la salida si tenía un 0 a la entrada, y mantenía su valor si a la entrada había un 1. Una sencilla forma de realizar el contador seria: Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 7/10

8 Empleamos flip-flops activos a flanco descendente. Introducimos los pulsos a contar en el flipflop correspondiente al bit menos significativo, y la salida de éste al reloj del bit de su izquierda. Igualmente, la salida de este va al reloj del flip-flop de su izquierda y así sucesivamente... Se emplean flip-flops tipo JK (haciendo J = K = I). Si los flip-flops son a flanco ascendente, conectaremos al reloj las salidas negadas. Para hacer un contador descendente, el procedimiento es bastante similar. Tomando como ejemplo el caso de dos bits, seria: ll , y En este caso vemos que cada bit cambia cuando el de su derecha pasa de 0 a 1 (flanco asecendente). Por lo tanto, nos valdría el diseño anterior, cambiando los flip-flops de flanco descendente por unos de flanco ascendente. De igual forma, si tuviéramos que emplear flip-flops por flanco descendente, llevaríamos a los relojes correspondientes la salida negada. Para los circuitos vistos, se aprecia que el flip-flop menos significativo es un divisor de frecuencia por 2, el siguiente por CONTADOR BINARIO CON CARGA PARALELO ENTRADA Si n es 8 CARGA CONTADOR INC CUENTA RESET DEC CK BIN. n BITS RESET CARGA INC DEC CLK ENTRADA Dn - D0 Dn - D0 1 X X X X X X Dn Dn X Incrementa x X Sin cambio X Decrementa Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 8/10

9 RESET = 1 y CARGA = 1 y INC = 1 y DEC = 1 y RESET SINCRONICO (luego del flanco de clock, es decir en (t+1), se tiene en la todos ceros) CARGA PARALELO (lo que en la entrada esta en tiempo (t), se tiene en la en tiempo (t+1) CUENTA ASC (en (t+1) muestra en la el número que tenía en la del contador en (t)+1) CUENTA DESC (en (t+1) muestra en la del contador, el número que tenía el contador en la en (t) - 1) Las señales INC y DEC, se utilizan para incrementar y decrementar el contador, en caso de estar incrementando y haber alcanzado el número máximo (todos los bits en 1), al próximo incremento el contador pasará a tener todos los bits en 0, es decir, funciona como si fuese un anillo. La CARGA del contador sirve para comenzar con un valor inicial distinto de cero. El orden de prioridad de las señales, en caso de existir superposición es: RESET CARGA INC DEC - MEMORIA La unidad de memoria es un dispositivo al cual se transfiere información binaria para su almacenamiento y del cual se puede obtener información cuando se necesite para ser procesada. Es un conjunto de celdas binarias que pueden almacenar una gran cantidad de información binaria. Existen distintos tipos de memoria: de acceso aleatorio (RAM), puede escribirse y leerse las veces que sea necesario (sin límites) de solo lectura (ROM), se graba una vez y luego se puede leer. RAM: n entradas k entradas de direcciones 2 k palabras n bits x palabra R: lectura W: escritura n salidas Donde n indica la cantidad de bits de la palabra y k la cantidad de bits de la dirección. Conjunto de celdas de almacenamiento junto con circuitos asociados que se necesitan para transferir información dentro y fuera del dispositivo. Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 9/10

10 La información se almacena en grupos de bits llamados palabras (en general múltiplo de 8). Recordamos que la señal R de lectura es asincrónica, mientras que la señal W de escritura es sincrónica. Sistemas Digitales I Bloques funcionales 2016 Pag. 10/10