Logica Digital y Diseño de Computadores PDF

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Contenido

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I

PREFACIO

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S I S T E M A SE I N A R I O S 't-'l Computadores digiialesy sistemasd¡gitales t-z Númerosbinarios 4 t-5 Conversiones entre númerosde based¡ferente y octales 9 1-4 Númeroshexadecimales -5 Comolementos I I -6 Códigosb¡nar¡os | 6 Almacenamiento de binariosy regislros 23 -8 Lógicabinaria 26 -q Circuitosintegrados3l Referencias 33 Problemas 33 A L G E B R AD E B O O L EY C O M P U E R T A S LOGICAS z-l

2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-8

Def¡n¡ciones lógicas 36 del álgebrabooleana 38 Definiciónaxiomática Teoremasbásicosy propiedadesdel álgebrade Boole 4l Funcionesbooleanas 45 Formascanónicay normalizada 49 Otrasoperacioneslógicas 55 Compuertaslógicas digitales 58 Familiasde circuitosintegradoslógicodigitales 62 Referencias 70 Problemas 7l

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S I M P L I F I C A C I ODNE F U N C I O N E S DE BOOLE

3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3 -1 0 3-11 3 -1 2

L O GI C A C O MB I N A C I O N A L 4-1

4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8

4-E

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E l m é t o d od e l m a p a 7 5 , Mapas de dos y tres variables 7Sr/ M a p a d e c u a t r ov a r i a b l e s g O X M a p a s d e c i n c o y s e i s v a r i a b l e sx . g 3 S i m p l i f i c a c i ó nd e u n p r o d u c t o d e s u m a sy , g 6 E j e c u c i ó nc o n N A N D y N O R Sg O t r a s e j e c u c i o n e sc o n d o s n i v e l e s g 6 C o n d i c i o n e sd e N O i m p o r t a I 03 E f m é t o d od e l t a b u l a d o I O s D e t e r m i n a c i ó nd e f o s p r i m e r o s implicados lOs S e l e c c i ó nd e l o s p r i m e r o s i m p l i c a d o s | || O b s e r v a c i o n e sc o n c l u y e n t e s | |s Referencias | | s Problemas | | 6

fntroducción | 20 P r o c e d i m i e n t od e d i s e ñ o | 2l Sumadores 123 Sustractores | 27 C o n v e r s i ó ne n t r e c ó d i g o s l30 P r o c e d i m i e n t o d e a n á "i sf i s | 3g C i r c u i t o sN A N D d e m u f t i n i v e l | 36 C i r c u i t o sN O R d e m u ¡ t ¡ n ¡ v á i t44 L a s f u n c i o n e so R e x c r u s i v ay ' de equivarencia r4g Referencias I 54 Problemas I 54

L O GI C A C O MB I N A C I O N A L C O N M S I Y L SI 5-1 fn t r o d u c c i ó n I S g 5-2 S u m a d o r p a r a l e l ob i n a r i o | 60 5-3 S u m a d o rd e c i m a l | 6 6 5-4 C o m p a r a d o rd e m a g n i t u d e s | 70 5-5 Decodificadores | 7 | 5-6 Muftiplexores I gl 5-7 M e m o r i a d e s o l o l e c t u r a( R O M ) 188 5-8 A r r e g f o l ó g i c o p r o g r a m a b l e( p L A ) 195 5-9 Notas concluyentes 20l R e f er e n c i a s 2 0 2 Problemas 2O3

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CONTENIDO

LOGICA SECUENCIAL 6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9

8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9 8 -1 0 8-11 8 -1 2

265

lntroducción 265 Registros 266 R e g i s t r o sd e d e s p l a z a m i e n t o 2 7 2 C o n t a d o r e sd e r i z a d o 2 8 2 C o n t a d o r e ss i n c r ó n i c o s 2 8 6 S e c u e n c i ad se tiempo 295 L a u n i d a dd e m e m o r i a 3 O O E j e m p l o sd e m e m o r i a d e a c c e s oa l e a t o r i o 3 0 6 R e f er e n c i a s 3 l 2 Problemas 3l3

L O GI C A D E T R A S F ER E N C I AD E R E GI S T R O S

8-1 8-2 8-3

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fn t r o d u c c i ó n 2 0 8 F l i p - lf o p s 2 l O D i s p a r od e l o s F l i p - lf o p s ( t r i g g e r i n g ) 2 t 6 A n á l i s i sd e l o s c i r c u i t o ss e c u e n c i a l e st e m p o r i z a d o s 2 2 4 R e d u c c i ó nd e e s t a d o sy a s i g n a c i ó n 2 3 1 T a b l a sd e e x c i t a c i ó nd e l o s F l i p - f l o p s 2 3 7 P r o c e d i m i e n t od e d i s e ñ o 2 4 0 D i s e ñ od e c o n t a d o r e s 2 5 1 D i s e ñ od e e c u a c i o n e sd e e s t a d o 2 5 5 R e f er e n c i a s 2 5 9 Problemas 260

R E GI S T R O S C O N T A DR OE SY U NI D A DD E M EM OR I A 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 7-7 7-8

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lntroducción 3 | 6 T r a s f e r e n c i ae n t r e r e g t s t r o s 3 l 9 M i c r o o p e r a c i o n e sa n t m é t i c a s ,l ó g i c a sy desplazamiento 327 P r o p o s i c i o n e cs o n di c i o n al e s de control 332 D a t o sb i n a r i o sd e l p u n t o f i j o 335 S o b r e c ap a c i d a d 3 3 I Desplaza m i e n t o sa r i t m é t i c o s 3 4 1 D a t o sd e c i m a l e s 3 4 3 D a t o sd e l p u n t o f l o t a n t e 3 4 5 D a t o sn o n u m é r i c o s 3 4 8 C ó d i g o sd e i n s t r u c c i ó n 3 5 2 D i s e ñ od e u n c o m p u t a d o rs e n c i l l o 3 5 7 Referencias 366 Problemas 366

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CONTENIDO

D I S E Ñ OL O G I C OD E P R O C E S A D O R E S 9-1 9-2 9-3 9-4 9-5 9-6 9-7 9-8 9-9 9-10

10

1O-7 10-8

11

Introducción 372 O r g a n i z a c i ó nd e l p r o c e s a d o r 3 7 3 U n i d a d l ó g i c aa r i t m é t i c a 3 8 2 D i s e ñ od e u n c i r c u i t oa r i t m é t i c o 3 8 3 D i s e ñ od e l c i r c u i t ol ó g i c o 3 9 O D i s e ñ o d e u n a u n i d a d l ó g i c aa r i t m é t i c a 3 9 3 Registro de condición 396 D i s e ñ o d e u n . r e g i s t r od e d e s p l a z a m i e n t o 3 g g Unidadprocesadora 4Ol D i s e ñ od e l a c u m u l a d o r 4 0 6 Referencias 417 Problemas 417

D I S E Ñ OD E L O G I C AD E C O N T R O L 1 O -1 1O-2 10-3 10-4 10-5 1O-6

Introducción 423 O r g a n i z a c i ó nd e l c o n t r o l 4 2 G C o n t r o ld e c o m p o n e n t e sa l a m b r a d o s- E j e m p l o1 C o n t r o ld e m i c r o p r o g r a m a 4 4 1 C o n t r o ld e l a u n i d a d p r o c e s a d o r a 4 4 7 C o n t r o l a b a s e d e c o m p o n e n t e sc o n e c t a d o s E j e m p l o2 4 5 2 C o n t r o ld e l P L A 4 6 1 S e c u e n c i a d od r el microprograma 464 Referencias 471 Problemas 472

D I S E Ñ OD E C O M P U T A O O R E S 1 1 -1 11-2 11-3 11-4 11-5 11 - 6 11-7 11 - 8

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Introducción 477 C o n f i g u r a c i ó nd e l s i s t e m a 4 7 8 I n s t r u c c i o n eds e c o m p u t a d o r 4 8 2 Sincronización de tiempo y control 4Sg E j e c u c i ó nd e i n s t r u c c i o n e s 4 g O D i s e ñ o d e l o s r e g i s t r o sd e c o m p u t a d o r 4 9 7 D i s e ñ od e l c o n t r o l 5 O 3 C o n s o l ad e l c o m p u t a d o r S l 2 Referencias 5l3 Problemas 5l4

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CONTENIDO

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D I S E Ñ OD E L S I S T E M AD E L M I C R O C O M P U T A D O R 12-1 12-2 12-3 12-4 12-5 12-6 12-7 12-8

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lntroducción 5l8 O r g a n r z a c i ódne l m i c r o c o m p u t a d o r 5 2 1 O r g a n i z a c i ó nd e l m i c r o p r o c e s a d o r 5 2 6 I n s t r u c c i o n e ys m o d o s d e d i r e c c i o n a m i e n t o 5 3 4 P i l a , s u b r u t i n a se i n t e r r u p c i ó n 5 4 3 O r g a n i z a c i ó nd e l a m e m o r i a 5 5 4 I n t e r c o n e x i ó nd e e n t r a d a - s a l i d a 5 5 9 A c c e s od i r e c t o d e m e m o r i a 5 6 9 Referencias 574 Problemas 575

C I R C U I T O SI N T E G R A D O SD I G I T A L E S 13 - 1 13-2 13-3 13-4 13-5 13-6 13-7 13-8

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Introducción 579 C a r a c t e r í s t i c adse l t r a n s i s t o rb i p o l a r 5 8 1 C i r c u i t o sR T L y D T L 5 8 5 L ó g i c ad e i n y e c c i ó ni n t e g r a d a ( l ' z L ) 5 8 9 (TTL) 591 Lógica de transistor-transistor ( E C L) 600 L ó g i c ad e e m i s o r a c o p l a d o S e m i c o n d u c t o rd e ó x i d o d e m e t a l ( M O S ) 6 0 4 M O S c o m p l e m e n t a d o( C M O S ) 6 0 8 Referencias 6lO Problemas 6l O

A P E N D I C E : R e s p u e s t a sa p r o b l e m a ss e l e c c i o n a d o s

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INDICE

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Prefacio

La lógica digital trata de la interconexión entre componentes digitales y módulos y en un término usado para denotar el diseño y análisis de los sistemas digitales. EI ejemplo más conocido de un sistema digital es un computador digital para propósito general. Este libro presenta los conceptos básicos usados en el diseño y análisis de los sistemas digitales e introduce los principios de la organízacíón del computador digital y su diseño. Presenta varios métodos y técnicas adecuados para una variedad de aplicaciones de diseño del sistema digital. Cubre todos los aspectos del sistema digital desde los circuitos de compuertas electrónicas hasta la estructura compleja de un sistema de microcomputador. Los Capítulos t hasta 6 presentan técnicas de diseño de lógica de diseño desde el punto de vista clósico. El álgebra de Boole y las tablas de verd a d s e u s a n p a r a e l a n á l i s i s y d i s e ñ o d e l o s c i r c u i t o s c o m b i n a c i o n a l e sy l a s técnicas de transición de estado para el análisis y diseño de los circuitos secuenciales. Los Capítulos 7 hasta el 12 presentan métodos de diseño de sistemas digitales desde el punto de vista de trasferencia entre registros. EI sistema digital se descompone en subunidades de regirqtrosy el sistema se especifica con una Iista de proposiciones de trasferencia entre registros que describen las trasferencias operacionales de la información almacenada en los registros. El método de trasferencia entre registros se usa para ei análisis y diseño de las unidades del procesador, unidades de control, un procesador central de computador y para describir las operaciones internas de microprocesadores y microcomputadores. El Capítulo 13 trata de la electrónica de los circuitos digitales y presenta las familias lógicas digitales más comunes a base de circuitos integrados. Los componentes usados para construir sistemas digitales se fabrican en la forma de circuitos integrados. Los circuitos integrados contienen una gran cantidad de circuitos digitales interconectados dentro de una pequeña pastilla. Los dispositivos (MSI) de integración a mediana escala conforman funciones digitales y los dispositivos (LSI) de integración a gran escala conforman módulos de computador completos. Es muy imporante para el diseñador lógico, familiarizarse con los diferentes componenviii

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tes digitales encontrados en la forma de circuitos integrados. Por esta razón muchos circuitos MSI y LSI se introducen a lo largo del libro y se explican completamentesus familias lógicas.El uso de circuitos integrados en el diseño de sistemas digitales se ilustra por medio de ejemplosen el texto y en los problemasal final de los capítulos. Este Iibro fue planeado originalmente como una segundaedición del diseñn lógico de computadores,del autor (Prentice-Hall, rg72). Debido a la gran cantidad de material nuevo y a las revisionesextensasque se han llevado a cabo, parecemás apropiadoadoptar un nuevo título para el texto presente. Alrededor de un tercio del texto es material que apareceen el Iibro anterior. Las otras dos terceraspartes constituyen información nueva o revisada. Los factores fundamentalespara las revisionesy adiciones surgen de las desarrolladasen la tecnologíaelectrónica digital. Se da un gran énfasis a los circuitos MSI y LSI y a los métodosde diseño que usan circuitos integrados.El libro cubre varios componentesLSI de la variedad de grupo de bits y microcomputador.Presentaaplicacionesde Ia meryroria de sólo lectura (RoM) y del arreglo lógico programable(PLA). sin embargo, los adelantos posterioresen el método de diseño de trasferenciaentre registros,demandauna nueva redacciónde la segundaparte del libro. El capítulo 1 presentavarios sistemasbinarios adecuadospara representar información en componentesdigitales. El sistema de númerosbinarios se explica y se ilustran los códigosbinarios para demostrar la representación de la información decimal y alfanumérica. La lógica binariá se introduce desde un punto de vista intuitivo antes de proceder con una definición formal del álgebrade Boole. Los postuladosbásicosy teoremasdel álgebra de Boole se encuentran en el Capítulo 2. Se enfatiza la correlaciónentre las expresionesde Boole y sus compuertas de interconecciónequivalentes.Todas Ias operaciones Iógicasposiblespara dos variables se investigan y a partir de elló se deducen las compuertasdigitales disponiblesen Ia forma de circuitos integrados se presentanal comienzode este capítulo, pero se deja para la última parte del capítulo el análisis más detallado para describir Ia construcción interna de las compuertas. . rll capítulo 3 presentael mapa y los métodosde tabulado para simplificar las funciones de Boole. El método del mapa se usa para simplificar circuitos digitales construidoscon AND, OR, NAND, NOR, y compuertas lógicas alambradas. Los diferentes procesosde simplificación se sumarizan en forma de tabla para una referenciafácil. Los procedimientosde diseño y análisis de los circuitos combinacionales se presentan en el Capítulo 4. Algunos componentesbásicosusados en el diseño de sistemas digitales,-tales como sumadoresy convertidores de código son introducidos como ejemplosde análisis y diseño. El capítulo investiga configuracionesposibles usando circuitos combinacionalesde multinivel NAND y NOR. El capítulo 5 versa sobre los componentesMSI y LSI de lógica combinacional. A menudo se explican funcionestales como sumadorei paralelos, decodificadoresy multiplexores, y se ilustra con ejemplossu uso en el diseño de circuitos combinacionales.La memoria de sólo lectura (RoM) y el arreglo lógico programable(PLA) son introducidos y se demuestrasu utilidad en el diseñode circuitos combinacionalescomplejos.

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PREFACIO

El Capítulo 6 esboza varios métodos para el diseño y análisis de los circuitos secuenciales temporizados. El capítulo comienza presentando varios tipos de flip-flops y la forma como ellos son disparados. El diagrama de estado, tabla de estado, y las ecuaciones de estado se presentan como herramientas convenientes para analizar los circuitos secuenciales. Los métodos de diseño presentados, trasforman el circuito secuencial a un grupo de funciones de Boole que especifican la entrada lógica a los flip-flops del circuito. Las funciones de entrada de Boole se derivan de la tabla de excitación y se simplifican por medio de mapas. En el Capítulo 7, se presentan una variedad de registros, registros de desplazamiento y contadores similares a aquéllos disponibles en la forma de circuitos integrados. Se explica la operación de la memoria de acceso aleatorio (RAM). Las funciones digitales introducidas en este capítulo son los bloques de construcción básicos a partir de los cuales se pueden construir sistemas digitales más complejos. El papítulo 8 introduce un método de trasferencia entre registros para describir los sistemas digitales. Este muestra cómo expresar en forma simbólica la secuencia de operación entre los registros de un sistema digital. Se definen símbolos para trasferencia entre registros, microoperaciones aritméticas, lógicas y de desplazamiento. Se cubren en detalle los diferentes tipos de datos almacenados en los registros de los computadores. Se usan algunos ejemplos típicos para mostrar cómo se presentan las instrucciones de computador en forma binaria codificada y cómo las operaciones especificadas por instrucciones pueden ser expresadas con proposiciones de trasferencia entre registros. El capítulo concluye con el diseño de un computador muy sencillo para demostrar el método de trasferencia entre registros del diseño de sistemas digitales. El Capítulo 9 tiene que ver con la unidad procesadora de los computadores digitales. Se discuten alternativas para organizar una unidad procesadora con buses y memorias tapón (Scratchpad memory). Se presenta una unidad lógica, aritmética típica (ALU) y se desarrolla para el diseño de cualquier otra configuración de ALU. Se presentan también otros componentes encontrados comúnmente en los procesadores, tales como registros de condición y desplazamiento. Se comienza el diseño de un registro acumulador para propósitos generales, comenzando a partir de un grupo de operaciones de trasferencia entre registros y culminando con un diagrama lógico. En el Capítulo 10 se introducen cuatro métodos de diseño de lógica de control. Dos de los métodos constituyen un control alambrado con circuito impreso. Los otros dos introducen el concepto de la microprogramación y cómo diseñar un controlador con un arreglo lógico programable (PLA). Los cuatro métodos son demostrados por medio de ejemplos que muestran el d,esarrollo de algoritmos de diseño y el procedimiento para obtener los circuitos de control del sistema. La última sección introduce un secuenciador de microprograma LSI y muestra cómo se puede usar en el diseño de una unidad de control de microprograma. El Capítulo 11 está dedicado al diseño de un computador digital pequeño. Los registros en el computador son definidos y se especifica el conjunto de instrucciones del computador. La descripción del computador se

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formaliza con las proposicionesde trasferencia entre registros que especifican las microoperacionesentre los registros, lo mismo que las funciones de control que inician esas microoperaciones.Se muestra entonces que el conjunto de microoperacionespuede usarse para diseñar Ia parte procesadora de datos del computador. Las funciones de control en la lista de proposiciones de trasferencia entre registros, suministran la información para el diseño de la unidad de control. La unidad de control para el computador se diseña por medio de tres métodos diferentes: el control alambrado con circuito impreso,el control PLA y el control del microprograma. El Capítulo 12 es enfocado sobre varios componentesLSI para formar un sistema de microcomputador.La organización de un microprocesador típico se describey explica su organizacióninterna. Un conjunto típico de instruccionespara el microprocesador,se presentay se explican varios modos de direccionamiento.La operaciónde una pila y el manipuleo de las subrutinas e interrupciones,se cubre desdeel punto de vista de los materiales. El capítulo ilustra también la conexión de las pastillas de memoria al sistema de bus del microprocesadory la operaciónde varias unidades de interconexión que se comunican con dispositivos de entrada y salida. Concluye con una descripción del modo de trasferenciade accesodirecto a Ia memoria. El Capítulo 13 detalla los circuitos electrónicosde la compuertabásica en siete familias lógicas de circuitos integrados.Este capítulo final debe ser consideradocomo un apéndice,puede ser omitido si se desea.El Capítulo 13 asume un. conocimientoprevio de electrónica básica, pero no hay un prerrequisito específicopara el resto del libro. Cada capítulo incluye un grupo de problemasy una lista de referencias. Las respuestasa los problemasseleccionadosaparecenen el apéndicepara suministrar una ayuda al estudiante y para ayudar al lector independiente. Un manual de solucionesse suministra para el instructor por parte del publicista. El libro es adecuadopara un curso en lógica digital y diseñode courputadores en un departamento de ingeniería eléctrica o de computadores. Se puede usar también en un departamentode ciencia de computadores para un curso en organizaciónde computador.Las partes del libro pueden usarsede va¡ias formas: (1) Como un primer curso en lógica digital o circuitos de conmutación al cubrir los Capítulos t hasta el 7 y posiblemente el Capítulo 13. (2) Como un segundocurso, en lógica de computadordigital con un prerrequisitode un curso en circuitos...