Electrónica Digital. Capítulo 1: Circuitos Digitales. Circuitos combinacionales. (2/3)

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1 Capítulo 1: Circuitos Digitales Circuitos combinacionales (2/3)

2 Índice Introducción Circuitos combinacionales Multiplexores Demultiplexores Decodificadores No excitadores/excitadores Codificadores Con prioridad/sin prioridad Comparadores Aritmética binaria Introducción Operación: suma Circuitos sumadores binarios Operación de resta Operaciones con números codificados en complemento a dos Unidades aritmético-lógicas (UAL, o ALU en inglés) Introducción a la multiplicación 2

3 Introducción SSDD combinacionales y secuenciales Tipos de sistemas digitales: Combinacionales: aquellos circuitos cuyas salidas, en un determinado instante, son función exclusivamente del valor de las entradas en ese instante Entradas iguales dan lugar a las mismas salidas Entradas Circuito combinacional Salidas Secuenciales: aquellos circuitos en los que las salidas dependen de las entradas en el instante actual y en los anteriores Tienen memoria Entradas iguales pueden generar salidas distintas Entradas Circuito combinacional Salidas Memoria 3

4 Introducción Circuitos combinacionales: Definición Circuito combinacional Circuito digital cuyas salidas, en un instante concreto, vienen dadas por las entradas del circuito en ese mismo instante La misma combinación de entradas siempre da lugar a los mismos valores de salida Se suelen describir mediante la tabla de verdad No tienen memoria 4

5 Entradas Introducción Circuitos combinacionales Representación: I I 1 I 2 I N-1 Entradas auxiliares A A 1 A R-1 Sistema combinacional O O 1 O 2 O M-1 Salidas Entrada activa a nivel alto (1) Entrada activa a nivel bajo () Entrada activa a nivel bajo I I I S S 1 S P Entradas de control 1 Nivel alto de tensión (H), cercano a Vcc Nivel bajo de tensión bajo (L), cercano a masa Entrada activa a I nivel bajo 5

6 Circuitos combinacionales Multiplexores Multiplexor o selector de datos: Circuito que tiene N canales de entrada (I i ), un canal de salida (O) y m entradas de selección (S j ) que determinan cuál de los canales de entradas es el que transfiere su información (bits) al canal de salida Se debe cumplir que 2 m N I I 1 I 2 O O = canal entrada elegido por S S m-1 I N-1 Nomenclatura: S m-1 S,, Seleccionan canal entrada deseado (línea fina) compuesta de un bit líneas multibit compuestas por un conjunto de bits 6

7 Circuitos combinacionales Multiplexores Los multiplexores (y muchos más circuitos) pueden tener señal/es de Enable (habilitación): Que permiten o no que el circuito haga su función Pueden ser activas a nivel L o H E (enable) E S m-1 S m-2 S 2 S 1 S O 1 X X X X X Nivel no I I activo I 1 MPX O 1 I 1 1 I I 3 I N I N-2 S m-1 S I N-1 Con el enable desactivado las salidas podrían estar (en lugar de al nivel no activo) en estado de alta impedancia (denominado Z) circuito abierto 7

8 Circuitos combinacionales Multiplexores Para un multiplexor de 2 canales de 4 bit A B E A: [A 3 A 2 A 1 A ] MPX S B: [B 3 B 2 B 1 B ] O: [O 3 O 2 O 1 O ] O E S O 1 X A 1 B O 3 = A 3, O 2 = A 2, O 1 = A 1, O = A O entity Mux4 is Código VHDL port ( A : in bit_vector(3 downto ); -- dato A 4 bits B : in bit_vector(3 downto ); -- dato B 4 bits S, E : in bit; -- selección y enable O : out bit_vector(3 downto )); -- salida 4 bits end Mux4; architecture funcionmux of Mux4 is begin -- funcionmux -- purpose: selección dato A o B en la salida -- type : combinational -- inputs : A, B, S, E -- outputs: O process (A, B, S, E) begin -- process if E = '' then if S = '' then O <= A; else O <= B; end if; else O <= ""; end if; end process; end funcionmux; 8

9 Circuitos combinacionales Demultiplexores Demultiplexor: Circuito que tiene N canales de salida (O i ), un canal de entrada (D) y m entradas de selección (S j ) que determinan a cuál de los canales de salida se transfiere la información (bits) del canal de entrada Se debe cumplir que 2 m N O O 1 E (con enable) O D O 2 D DMX O 1 O N-1 O N-1 S m-1 S S m-1 S 9

10 Circuitos combinacionales Decodificadores Decodificador 2 a 4 Decodificador 3 a 8 Circuitos que activan una combinación de salidas, en función del código recibido en la entrada E E I O O 1 I O O 1 O 2 I1 O 2 O 3 I1 I2 O 3 O 4 O 5 O 6 O 7 1

11 Decodificador 2 a 4 Circuitos combinacionales Decodificadores Tipos de decodificadores: No excitadores ( normales ): m entradas y N salidas (2 m N) de las I que en cada momento se activa solamente la correspondiente a la I1 combinación binaria aplicada a la entrada E O O 1 O 2 O 3 Excitadores (decoders/drivers): para cada combinación de entrada se activa un conjunto determinado de salidas Se usan en sistemas de visualización Sistema digital Driver Sistema de visualización 11

12 Circuitos combinacionales Decodificadores no excitadores Aplicaciones: Selección de dispositivos Ejemplo: Bus de datos Impresora E/S Dirección del puerto E/S Solicitud de E/S A 12 A 13 A 14 A & Bin/Dec E E Dispositivo E/S E Monitor E/S E Modem E/S E Decodificador de dirección de puertos: por medio de las líneas A15 A12 del bus de direcciones elijo a qué dispositivo envío datos (También podría recibir datos) 12

13 Circuitos combinacionales Decodificadores excitadores (drivers) Para cada código de entrada se activa un conjunto determinado de salidas Diseñados para activar, adecuadamente, los sistemas de visualización (visualizadores o displays) Sistema digital Driver Sistema visualización 13

14 Circuitos combinacionales Displays 7 segmentos Displays de 7 segmentos: ánodo: a potencial más positivo cátodo: a potencial más negativo Típicamente cada segmento (a,b,c g) a iluminar es un diodo led: dispositivo (de dos terminales: ánodo y cátodo) que al polarizarse adecuadamente emite luz Tienen un consumo elevado: Diodo requiere I D mínima Caída de tensión en diodo V D Ejem polarización de diodo led: Vcc V R I D D V cc I D V D R (limita corriente) Si ID=1mA; Vcc=5V; VD=1,5V R? 14

15 Circuitos combinacionales Displays 7 segmentos Displays de 7 segmentos: De cátodo común (los 7 cátodos unidos): a b c d e f g Excitaremos con un nivel alto en a,bg Terminal común: se llevará a masa De ánodo común: Excitaremos con un nivel bajo en a,bg Colocación real V CC de los segmentos Term común: a Vcc a b c d e f g Sistema digital Driver Sistema visualización 15

16 Circuitos combinacionales Decodificadores excitadores (drivers) Decodificadores BCD-7 segmentos: funcionamiento D C B A driver D C B A a b c d e f g a g Código VHDL (ejemplo) entity bcd_7seg is port ( BCD : in bit_vector(3 downto ); -- entradas BCD DISPLAY : out bit_vector(6 downto )); -- salidas a los 7 segmentos end bcd_7seg; architecture RTL of bcd_7seg is begin -- RTL -- purpose: funcionamiento del decodificador -- type : combinational -- inputs : BCD -- outputs: DISPLAY process (BCD) begin -- process case (BCD) is when "" => DISPLAY <= "1" ; when "1" => DISPLAY <= "11111" ; when "1" => DISPLAY <= "11" ; when "11" => DISPLAY <= "11" ; when "1" => DISPLAY <= "1111" ; when "11" => DISPLAY <= "11" ; when "11" => DISPLAY <= "1" ; when "111" => DISPLAY <= "1111" ; when "1" => DISPLAY <= "" ; when "11" => DISPLAY <= "11" ; when others => DISPLAY <= "11"; end case; end process; end RTL; 16

17 Entradas Circuitos combinacionales Comparadores Se activa la salida correspondiente a la situación indicada por las entradas A A 1 A N-1 B B 1 B N-1 Comparador N bits A>B A=B A<B Salidas A B A 1 1 B 1 1 Comparador de 1 bit A>B 1 A=B 1 1 A<B 1 A>B A=B A<B Comparador de 1 bit 17

18 Circuitos combinacionales Comparadores comerciales Comparador 2 números de 4 bits (con entradas en cascada) A3 A2 A1 A compar B3 OA>B B2 OA<B B1 OA=B B IA>B IA<B IA=B Las entradas IA>B, IA<B IA=B sólo se verifican en el caso de que el nº A = nº B (sus 4 bits iguales) Qué nivel pondría en IA>B, IA<B e IA=B para que se active O A=B? 18

19 Circuitos combinacionales Aritmética Binaria Objetivos Conocer las operaciones básicas de la aritmética binaria (suma,resta, multiplicación)!ojo! No confundir con las operaciones lógicas (suma y producto lógicos) Conocer el funcionamiento y diseño de los principales circuitos combinacionales aritméticos (sumador/restador, UAL) Conocer los circuitos comerciales correspondientes a las funciones descritas Describir distintas aplicaciones de cada uno de ellos Circuitos combinacionales: Aritmética binaria 2

20 Aritmética binaria Operación: suma Circuitos sumadores binarios Sumador completo: Suma dos bits con acarreo de entrada, y generando acarreo salida X Y CIN S COUT Código VHDL Circuitos combinacionales: Aritmética binaria 21

21 Aritmética binaria Unidades aritmético-lógicas Las unidades aritmético lógicas (UAL/ALU): Permiten realizar múltiples operaciones: Aritméticas y lógicas Terminales: Operandos (A y B) Entradas de control (S) Resultado (F) Salidas auxiliares (Carry, Overflow ) Circuitos combinacionales: Aritmética binaria 22

22 Aritmética binaria Unidades aritmético-lógicas Operaciones: Aritméticas: Suma/Resta Incremento/Decremento Lógicas (no hay acarreo, operación bit a bit): Operandos sin modificar AND/NOR/XOR/NOT Combinaciones Combinación de aritméticas y lógicas Circuitos combinacionales: Aritmética binaria 23

23 Aritmética binaria Unidades aritmético-lógicas comerciales UAL con nºs de 4 bits operandos resultado UAL entradas de selección de operación Lógicas Aritmét F[3]= Ojo! PLUS CN F[3]=1111 Recuerde!: operando con números codificados en complemento a dos: A menos B A LIMPIAR más PREESTABLECER ( B) A B 1 Circuitos combinacionales: Aritmética binaria 24