Sistemas Digitales y Tecnologia de Computadores PDF

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Para comunicar la ciencia es menester persuadirla, •y persuadirla es hacerla amable; es necesario despojarla del oscuro científico aparato, simplificarla, acomodarla a la comprensión general e inspirarle aquella fuerza, aquella gracia que, fijando la imaginación, cautiva victoriosamente la atención...

Description

Para comunicar la ciencia es menester persuadirla, •y persuadirla es hacerla amable; es necesario despojarla del oscuro científico aparato,

simplificarla, acomodarla a la comprensión general e inspirarle aquella fuerza, aquella gracia que, fijando la imaginación, cautiva victoriosamente la atención de cuantos la oyen. —i——^^ Jovellanos

ÍNDICE Capítulo 1. Introducción a la técnica digital1 1.1.Definición de digital y analógico3 1.2.Ventajas e inconvenientes de los sistemas digitales4

1.3.Lógica digital y electrónica digital6 1.4.Elementos de decisión y memoria8 1.5.Naturaleza binaria de la lógica digital9 1.6.Sistemas de numeración10 1.7.Dispositivos binarios11 1.8.Desarrollo de la lógica digital14 Capítulo 2. Sistemas de numeración y códigos17 2.1.Introducción histórica19 2.2.Sistemas de numeración20 2.3.Representación de números con signo27 2.4.Operaciones aritméticas básicas34 2.5.Representación de números reales40 2.6.Codificación de magnitudes en notación binaria

40

2.7.Códigos detectores y correctores de error50 2.8.Resumen50

Capítulo 3. Algebra de Boole51 3.1.Introducción

53

3.2.Representación de sistemas digitales

53

3.3.Definición del álgebra de Boole

. 54

3.4.Formas normales de una función booleana61 3.5.Implementación de funciones booleanas67 3.6.Otras funciones lógicas73 3.7.Lógica multivaluada75 3.8.Simplificación de funciones booleanas 3.9.Método de Veitch-Karnaugh

76 77

3.10.Análisis y diseño con funciones booleanas87 3.11.Resumen88 Capítulo 4. Análisis y diseño de sistemas combinacionales89 4.1.Introducción91 4.2.Sistemas combinacionales a nivel de bit

91

4.3.Circuitos combinacionales a nivel de palabra 4.4.Codificadores 4.5.Decodificador 4.6.Multiplexores 4.7.Demultiplexores

94 95 106 116 125

4.8.Comparadores130 4.9.Generador/Detector de Paridad136 4.10.Conversores de código

141

4.11.Riesgos en el diseño lógico147 4.12.Circuitos combinacionales MSI150 4.13.Ejemplos de sistemas combinacionales a nivel de bit 4.14.Resumen

Capítulo 5. Tecnología digital

152 158

159

5.1.Circuitos integrados. Fabricación y clasificación161 5.2.Familias lógicas167 5.3.Encapsulados y nomenclatura de CI176 5.4.Elementos lógicos especiales

183

Capítulo 6. Elementos aritméticos

191

6.1.Introducción 6.2.Semisumador y sumador completo

193 193

6.3.Sumador en paralelo con acarreo en serie196 6.4.Sumador paralelo con acarreo anticipado

198

6.5.Técnicas híbridas en sumadores200 6.6.Restadores en binario con signo206 6.7.Sumador y restador en códigos BCD216 6.8.Multiplicadores y divisores227 6.9.ALU's y circuitos MSI230 6.10.Resumen

231

Capítulo 7. Elementos básicos de demora233 7.1.Introducción

235

7.2.Sincronismo y asincronismo235 7.3.Técnicas de representación de sistemas secuenciales 7.4.Biestables asincronos

236 239

7.5.Biestables síncronos por nivel252 7.6.Biestables Maestro/Esclavo263

7.7.Biestables síncronos por flanco266 7.8.Resumen de biestables 7.9.Conversión entre biestables 7.10.Líneas asincronas en un biestable

278 280 282

7.11.Circuitos MSI y aplicaciones de biestables283 7.12.Parámetros tecnológicos y temporales en un biestable 7.13.Resumen

284 286

Capítulo 8. Registros287 8.1.Introducción

289

8.2.Registro paralelo/paralelo291 8.3.Registro serie/serie: registro de desplazamiento293 8.4.Registro serie/paralelo: conversor serie/paralelo294 8.5.Registro paralelo/serie: conversor paralelo/serie295 8.6.Registro de desplazamiento derecha/izquierda298 8.7.Registro universal

299

8.8.Buses de datos300 8.9.Registros de desplazamiento tipo MOS302 8.10.Registros MSI 8.11.Resumen

303 309

Capítulo 9. Contadores311 9.1.Introducción 9.2.Contadores asincronos 9.3.Contadores síncronos 9.4.Comparación asincrono vs síncrono

313 314 322 328

9.5.Otros contadores329 9.6.Contadores en circuitos integrados MSI 9.7.Resumen Capítulo 10. Autómatas finitos deterministas 10.1.Introducción 10.2.Autómatas de estados finitos. Modelos de Moore y Mealy 10.3.Análisis de sistemas secuenciales 10.4.Diseño o síntesis de un autómata de estados finitos

336 349 351 353 354 359 371

10.5.Minimización de estados y codificación de estados385 10.6.Implementación de máquinas secuenciales386 10.7.Sistemas secuenciales asincronos386

10.8.Metaestabilidad392 10.9.Limitaciones de la máquina de estados finitos determinista393 10.10.Resumen

394

Capítulo 11. Memorias395 11.1.La memoria de los computadores

397

11.2.Características generales401 11.3.Memorias de semiconductores408 11.4.Memorias ROM

414

11.5.Memoria RAM

431

11.6.Otros tipos de memorias448 Capítulo 12. La máquina sencilla 12.1.Principios y aplicación

457 459

12.2.Estructura básica de un computador459 12.3.Descripción de la ms a nivel de lenguaje máquina463 12.4.Estructura y manipulación de la memoria de la ms

467

12.5.Formato binario de las instrucciones468 12.6.La unidad de proceso470 12.7.Acceso a la memoria473 12.8.Esquema de la unidad de proceso475 12.9.La unidad de control. Generalidades479 12.10.Fases de la ejecución de una instrucción480 12.11.Grafo de estados 12.12.Diseño de la unidad de control 12.13.El emulador de la ms. Introducción a la programación

481 484 487

Capítulo 13. Manual del entorno BOOLE-DEUSTO503 13.1.Introducción

505

13.2.Aspectos básicos de uso del BOOLE-DEUSTO506 13.3.Instalación y uso507 13.4.Sistemas combinacionales con BOOLE 13.5.Sistemas secuenciales con BOOLE 13.6.Comentarios

507 519 536

BIBLIOGRAFÍA539

Prólogo La presente obra es fruto del trabajo y la experiencia de sus autores en la formación y ense ñanza de la Tecnología Digital a los alumnos del primer curso en diversas especialidades de ingeniería en la Universidad de Deusto. Intenta servir como una eficaz herramienta para la comprensión y el manejo de la moderna Electrónica Digital y de los cimientos en los que se basa la Tecnología de los Computadores. La obra está enfocada especialmente al estudio de la Teoría de Sistemas Digitales y a las bases en las que se fundamenta el funcionamiento y la construcción de computadores. Como complemento a este texto sus creadores recomiendan complementarlo con las prácticas de manejo y diseño con circuitos digitales recogidas en el laboratorio Universal Trainer (www.microcontroladores.com). El libro se compone de trece capítulos, de los cuales los cuatro primeros se dedican a descri bir y aplicar los principios de la Tecnología Digital. El primero introduce el concepto de digital, su implementación y todas las aplicaciones que soporta. El siguiente capítulo descri be los sistemas de numeración y la aritmética usados en el cómputo digital. El capítulo 3 des arrolla el álgebra de Boole -principal herramienta de análisis y diseño digital- con claridad y profundidad, pero evitando las complicaciones matemáticas y apoyándose en numerosos ejemplos y ejercicios. El capítulo 4, que cierra este primer bloque del libro, explica la cons trucción y características de los circuitos integrados usados en las aplicaciones. Sentadas las bases, el resto de la obra aborda el análisis y diseño de sistemas combinacionales y secuenciales. En el primer capítulo de esta parte se detallan las estrategias y métodos de aná lisis y diseño de sistemas combinacionales, tanto a nivel de bit, como a nivel de palabra o fun cional. El capítulo 6 contempla las mismas necesidades que el anterior, pero en el marco par ticular de los elementos aritméticos. El siguiente capítulo establece los fundamentos de los elementos básicos de memoria -los flip-flops-, que a su vez serán el soporte del resto de la obra. Los capítulos 8 y 9 se centran en dos tipos de circuitos secuenciales en especial: registros y contadores. El análisis y diseño de autómatas se aborda en el capítulo 10 con numerosos ejemplos. El tema específico de las memorias es tratado en el capítulo 11. El capítulo 12 uti liza los conocimientos y métodos obtenidos en los anteriores para construir un computador completo: la Máquina Sencilla. El capítulo 13 y último es el manual de usuario del programa

BOOLE-DEUSTO incluido en el CD del libro. El libro en su orientación busca la claridad y la efectividad. Incluye un buen número de méto dos, todos ellos justificados, ordenados y comprobados con ejemplos, lo que asegura su utili dad. Por otra parte, permite al lector acercarse a los distintos bloques según sus necesidades: con detalle o genéricamente, dando de cada bloque su visión externa e interna. Además se ha '-. preferido mantener el espíritu original de claridad y efectividad, aun a costa de no cubrir todos *.;'. los aspectos de la Electrónica Digital. La estructura y los contenidos se adaptan a la perfecf?-. ción tanto a la Formación Profesional como a los estudios universitarios de ingeniería elec;|^ trónica e informática, sin descuidar a los autodidactas.

Con objeto de facilitar la comprensión de muchas secciones del texto, viene acompañado por un CD con el siguiente contenido: a)Descripción Técnica de Circuitos Integrados Comerciales. En esta sección el lector encontrará las hojas técnicas de algunos de los Circuitos Integrados presentados en el libro. b)Programa BOOLE-DEUSTO para el análisis y diseño automático de sistemas digitales combinacionales y secuenciales a nivel de bit. Permite capturar y obtener tablas de verdad, expresiones booleanas, diagramas de Veitch-Karnaugh, expresiones simplificadas, diagramas de autómatas de Moore y Mealy, circuitos lógicos, etc. BOOLE permite pasar de unas represen taciones a otras con entera libertad, convirtiéndose en la calculadora booleana del curso. BOOLE-DEUSTO ofrece lo anterior desde la sencillez, buscando convertirse en un estándar en la enseñanza de Sistemas Digitales. Avala este propósito el haber adoptado en el desarrollo (más de 5 años y 25.000 líneas de código) el punto de vista del alumno-profe sor, y no el del profesional. Este programa está orientado al aula y no a la industria. BOOLE-DEUSTO ha sido presentado en varios congresos, nacionales e internacionales, donde ha conseguido el reconocimiento de profesores de otros centros y un premio. El Congreso TAEE es un foro que reúne cada dos años a los profesionales en la enseñanza de electrónica. En el TAEE 2000, celebrado en Barcelona, BOOLE-DEUSTO recibió el "Premio al Mejor Equipo Software". c)El programa "Máquina Sencilla", que simula el comportamiento del computador desarrollado en el texto y permite su programación. Este programa ya estuvo incluido en la obra "Introducción a los Computadores" de esta editorial. Tanto el texto como las herramientas lógicas contenidas en el CD, y las experiencias del laboratorio UNIVERSAL TRAINER, son las tres herramientas que utilizan con enorme éxito los dos autores en la formación integral de sus alumnos en el primer contacto con la Electrónica Digital, y que sirven para forjar a los mejores ingenieros.

INTRODUCCIÓN A LA TÉCNICA DIGITAL

INTRODUCCIÓN A LA TÉCNICA DIGITAL

1.1. Definición de digital y analógico Las expresiones digital y analógico son opuestas, ya que la primera significa algo de naturaleza incremental y, en cambio, la segunda sirve para expresar algo que varía de forma continua. Una magnitud digital es aquella que varía a intervalos discretos, es decir, no admite cualquier valor, sino algunos determinados, que están separados entre sí por incrementos fijos. Cuando la magnitud digital admite diversos valores se la llama multivaluada, y si sólo se define con dos valores (el máximo y el mínimo), recibe el nombre de bivaluada o binaria. Figura 1-1.

Figura 1-1 Diferencia entre mag• nitudes digitales (multivaluadas y binarias) y magnitudes analógi

MAGNITUDES DIGITALES Valor l> i Max.

cas.

|, MULTIVALUADA

1

••••

Valor 1 Max.

1 BIVALUADA J

Mfn.

Mín.

Tiempo

Tiempo

|i

MAGNITUD ANALÓGICA

Tiempo

Consideremos un gran salón con un determinado número de lámparas, las cua les se encienden y apagan desde un mismo panel en el que hay un interruptor para cada una. Al pulsar los interruptores, uno por uno, la habitación se ilumi na cada vez más, alcanzándose la máxima luminosidad cuando están pulsados todos los interruptores y todas las lámparas encendidas. También podrían haberse controlado todas las lámparas con un simple mando giratorio, que originase el encendido gradual a medida que se va girando, desde la posición de apagado hasta la de encendido.

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CAPÍTULO 1 En el primer caso, la regulación de luminosidad se efectúa mediante incremen tos discretos, mientras que en el segundo es de manera continua. Dos buenos ejemplos (que pueden ser tanto analógicos como digitales) son los relojes y los voltímetros. Las agujas principales de un reloj corriente se mueven continuamente, mientras que en un reloj digital los números cambian, de repen te, al final de cada minuto o segundo. Del mismo modo, un voltímetro analógi co dispone de una aguja de medida que puede desplazarse gradualmente desde un extremo al otro de la escala, mientras que en un voltímetro digital la tensión se muestra mediante dígitos discretos, que cambian de repente. •Las magnitudes digitales varían de forma incremental a intervalos discretos, mientras que las magnitudes analógicas lo hacen de forma continua. •Las magnitudes digitales admiten un número determinado de valores. •Las magnitudes analógicas admiten infinitos valores entre el máximo y el mínimo.

Ejemplo 1-1 ¿Cuáles de los siguientes elementos funcionan con magnitudes digitales? (a)El pedal del acelerador del coche. (b)El mando para las luces del coche. (c)La llave de puesta en marcha del coche. (d)El manillar de una moto. (e)El pedal del freno del automóvil.

SOLUCIÓN (b) y (c). Un sistema digital es un conjunto de elementos diseñados para trabajar con magnitudes digitales. El sistema digital más importante de nuestra época es el "computador digital". Un sistema analógico es un conjunto de elementos diseñados para trabajar con magnitudes analógicas. Un ejemplo de este tipo de sistemas es un amplificador de sonido. Los elementos que configuran un sistema pueden ser de diversa naturaleza, pero sólo se hace referencia expresa a los de tipo electrónico.

1.2. Ventajas e inconvenientes de los sistemas digitales La mayoría de las magnitudes físicas de nuestro mundo son de carácter analógi co (temperatura, iluminación natural, velocidad, presión, etc.). Sin embargo, las máquinas que se emplean para su control son de tipo digital, dadas las ventajas que ofrecen. Así, por ejemplo, el control automático de la temperatura de un horno se realiza mediante un computador digital, aunque la temperatura sea una magnitud analógica. Esto requiere el empleo de etapas conversoras que transforman lo analógico a digital (CAD: Conversor Analógico-Digital) y lo dig ital en analógico (CDA: Conversor Digital-Analógico). Figura 1-2.

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INTRODUCCIÓN A LA TÉCNICA DIGITAL

Figura 1-2

HORNO

Las magnitudes y dispositivos típicos en la industria son de carácter analógi co. El proceso de la información y los resultados los so porta un computa dor digital, que re quiere un CAD en entrada y un CDA en salida.

COMPUTADOR DIGITAL

Transductor de temperatura

T

Magnitud analógica

Magnitud analógica

Control de combustible

Las principales ventajas de los sistemas digitales son: Ia) Son más sencillos y económicos que los analógicos al tener que manejar sólo unos pocos valores. 2a) Son más seguros y precisos. La precisión de los sistemas digitales puede ser tan grande como se quiera, añadiendo más elementos. 3a) Dada la naturaleza discreta de las magnitudes digitales, la información de este tipo es más fácil de almacenar. 4a) Los circuitos digitales son más resistentes a las interferencias y ruidos externos. El principal inconveniente de los sistemas digitales proviene del hecho de que la mayoría de las magnitudes físicas, como los controladores y activadores del mundo industrial, son de tipo analógico. Esto supone el encarecimiento y aumento de la complejidad de los diseños ante la necesidad de disponer de CAD y CDA.

Ejemplo 1-2 Un transductor digital de temperatura está construido para medir un mínimo de 10 C y un máximo de 110 C. El transductor proporciona 0,5 V en su salida a la temperatura de 10 C, y 5,5 V a la de 110 C. Sabiendo que el incremento o escalón entre posibles valores de salida es de 0,5 V, indicar qué temperatu ras puede medir y los voltajes correspondientes.

SOLUCIÓN TEMPERATURA (Q VOLTAJE DE SALIDA 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0,5

1 1,5

2 2,5

3 3,5

4 4,5

5 5,5

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CAPÍTULO 1

1.3. Lógica digital y electrónica digital El estudio de la LÓGICA DIGITAL requiere la consideración de dos aspectos diferentes: el proceso lógico, que es la base teórica de los computadores, calcu ladoras electrónicas, relojes digitales y otros aparatos electrónicos digitales, y el circuito electrónico, con el que se construyen todos los dispositivos menciona dos. La "toma de decisiones" es el objetivo de la lógica digital y el circuito electró nico es quien lo ejecuta o realiza. El ser humano está familiarizado por naturaleza con la lógica, puesto que su mente está usándola continuamente para la realización de funciones de toma de decisión. Así, podemos resolver problemas matemáticos, tomar decisiones basa das en hechos acontecidos y modificar nuestras decisiones como resultado de nuevas informaciones o con el conocimiento adquirido previamente y almace nado en nuestra memoria. Nuestra mente es una aproximación de lo que la lógica digital lleva a cabo electrónicamente, al menos cuando nuestros aspectos emocionales o intuitivos están completamente superados. Recibe el nombre de ELECTRÓNICA DIGITAL el conjunto de circuitos elec trónicos que realizan las operaciones necesarias para obtener las decisiones lógi cas. Son significativamente diferentes a las que se usan, por ejemplo, en los receptores de radio y televisión, cuyos circuitos forman parte de la denominada

ELECTRÓNICA ANALÓGICA. El estudio de la Electrónica Digital no requiere grandes conocimientos previos de Electrónica, porque tiene una gran semejanza con los procesos racionales del pensamiento en nuestra mente. Nosotros expresamos las decisiones hablando, escribiendo o actuando. Asimismo, las decisiones digitales se expresan median te señales electrónicas. Aprendiendo a reconocer las características de dichas señales y conociendo las reglas esenciales con las que operan los circuitos lógi cos, se comprende lo que es la Lógica Digital, no siendo preciso conocer la teo ría electrónica de cada circuito individual y el comportamiento de sus elementos discretos, tales como transistores, diodos y resistencias. Existe una gran relación entre la Lógica Digital y la matemática o la filosófica, lo cual tiene un gran valor a la hora de analizar y usar los circuitos lógicos digi tales, pero su origen proviene de los circuitos eléctricos a base de relés, que se usaron mucho antes de conocerse los computadores digitales. Figura 1-3. Los circuitos electrónicos que maneja la Lógica Digital son más sencillos que los dedicados a trabajar con valores analógi...