Sistemas Digitais

Sistemas Digitais
Elementos Básicos de
Tecnologia
João Paulo Baptista de Carvalho
(Prof. Auxiliar do IST)
[email protected]
Portas Lógicas
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O interesse da matéria que se tem vindo a analisar reside
no facto de que as funções lógicas podem ser usadas
para representar as acções e os processamentos que se
pretendem de um determinado equipamento, podendo
ser implementadas fisicamente por circuitos electrónicos
A implementação física de um logigrama é feita por um
circuito eléctrico em que os diversos operadores lógicos
são implementados por portas lógicas (gates) realizadas
em circuitos integrados
Um exemplo de um circuito
integrado é o caso do
74LS08 que implementa os
ANDs (ver folha de
especificação)
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Circuitos Integrados Digitais
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A tecnologia dos circuitos integrados é a responsável pelo
tremendo desenvolvimento dos sistemas digitais, uma vez que
possibilitou a construção de circuitos electrónicos digitais muito
complexos a custos extremamente reduzidos
Um circuito integrado é um pequeno cristal de silício (em geral – há
outras tecnologias) onde se difundiram impurezas de forma a
formar transístores, díodos, resistências e outros elementos de
circuitos interligados entre si, por forma a formarem circuitos de
maior ou menor complexidade
Um circuito integrado digital materializa circuitos digitais. Os
circuitos integrados digitais são relativamente fáceis de conceber e
produzir, assumindo custos muito baixos
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Circuitos Integrados Digitais
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Cada CI pode ter entre algumas gates e alguns milhões de gates.
Por exemplo:
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O circuito integrado usado habitualmente no nosso laboratório com circuitos
AND tem 4 gates AND independentes que podem ser usadas separadamente
Um contador é um CI com algumas dezenas de gates interligadas de forma a
formar um contador
Um microprocessador avançado como o Intel Core i7 tem centenas de milhões
de gates ou circuitos equivalentes
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Tecnologias de fabrico de CI’s
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TTL: Uma tecnologia que foi muito usada e estabeleceu critérios e
normas
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CMOS: A outra tecnologia de grande divulgação
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É relativamente mais lenta que a TTL mas consome menos
É a tecnologia actualmente mais utilizada
ECL
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Tem um comportamento médio no que diz respeito a velocidade e a consumo
Subdivide-se em várias sub-famílias com características diferenciadas mas todas
compatíveis entre si
Dado ter-se tornado muito popular, outras tecnologias têm circuitos com entradas e saídas
compatíveis com TTL..
É uma tecnologia em perda a favor da CMOS
É a mais rápida tecnologia comercialmente disponível
Tem um consumo muito elevado
É de relativamente difícil utilização
Está reservada a nichos muito reduzidos
Outras tecnologias:
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nMos e pMos
GaAs
IIL...
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Famílias TTL
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Uma das família utilizadas no laboratório por ser
electricamente mais robusta criando, por isso menos
problemas a alunos com pouca experiência
Tensão de alimentação: 5V ± 5% para séries normais e
5V ± 10% para séries militares.
Temperaturas de operação: [0;70] oC nas séries
normais e [-55;125] oC nas séries militares.
Sub-famílias: N (Normal), L, H, LS (a mais usada), S,
ALS, AS, F, ...
Exemplos de tempos de atraso e de consumos para um
74XX00:
Sub-família
N (7400)
LS (74LS00)
S (74S00)
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Atraso típico
(7;11) ns
(9;10) ns
(3;5) ns
Corrente de alimentação (típ.)
(4;12) mA
(0,8;2,4) mA
(10;20) mA
Em cada sub-família a série 54XXnn é a série militar e a
74XXnn é a normal.
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Famílias TTL (Níveis Eléctricos)
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Consideremos uma ligação entre duas gates TTL, por exemplo,
uma negação e um AND:
Os fabricantes de circuitos lógicos não garantem valores fixos de
tensão para representar "0"s e "1"s. O que garantem é um
1
intervalo de tensões de tal modo que, se a saída de uma gate se
encontrar nesse intervalo, pode-se considerar que está
representado um determinado valor lógico
No caso da família TTL os fabricantes garantem que, aparte os
momentos em que se verifica uma transição à saída da gate em
resultado de uma mudança nas entradas, a gate estará ou no
valor Alto, também designado por HIGH (entre 2,4V e 5V) ou no
valor Baixo, também designado por LOW (entre 0V e 0,4V)
A tendência natural é associar o valor Alto ao "1" lógico e o valor
5V
Baixo ao "0" lógico. Veremos adiante que há outras hipóteses
Repare-se, contudo, que existe aquilo a que habitualmente
chamamos ruído eléctrico e que mais não é do que a influência
electromagnética de todos os campos que existem na zona onde
está o circuito (emissões de rádio, TV, telemóveis, ruído
2,4V
provocado pelo arranque e paragem de motores eléctricos,
emissão electromagnética de outras ligações do mesmo circuito,
etc.). Assim, é possível que à saída da gate tenhamos um valor
válido (por exemplo 0,3V) e à entrada da gate que lhe está ligada 0,4V
se observe um valor inválido (por exemplo, 0,5V).
0V
Para ter em conta que isso pode ocorrer, as entradas das gates
têm uma especificação um pouco mais ampla, sendo os valores
entre 2V e 5V interpretados como Alto e os valores entre 0V e
0,8V interpretados como Baixo.
O intervalo de 0,4V entre os valores extremos à saída e à entrada
é chamado, naturalmente, Margem de Ruído
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&
TTL
Nível
Alto
Nível Baixo
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Famílias CMOS
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Sub-famílias: 4000, 74HC e 74HCT
A 4000 é a primeira família CMOS, e tem
vindo a ser progressivamente abandonada
e substituída pelas outras
A família 74HC tem as referências e o pinout compatíveis com as famílias TTL, mas
não é electricamente compatível
A família 74HCT é uma variante da HC
com níveis lógicos compatíveis com a
família TTL e é por isso hoje em dia
utilizada no laboratório.
Tensão de alimentação: 5V ± 5% para
séries 74HC e 74HCT e 3 a 18V para a
série 4000
Os níveis lógicos nas famílias CMOS são,
em algumas sub-famílias, diferentes dos
das famílias TTL:
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CMOS
5V
Nível
Alto
3,5V
1,5V
0V
Nível Baixo
No caso da série 4000 os níveis são variáveis
com a tensão de alimentação que pode ir de 3V
a 18V
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Encapsulamento de CI’s
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Os circuitos integrados são pequenos
cristais de silício que, para poderem ser
utilizados, estão inseridos em embalagens
que facilitam o seu manuseio e
interligação
Os integrados que vamos usar estão
encapsulados num tipo particular de
embalagem chamada DIP – Dual in-line
package – por terem duas séries de
terminais (pinos) que estão organizados
em duas filas de lados opostos do
encapsulamento
O número de terminais dos integrados DIP
varia entre 8 e 64 terminais. Na figura
ilustra-se um integrado de 14 terminais
Repare-se na forma como os terminais
são numerados. O terminal 1 e o último
estão perto de uma pequena reentrância
no encapsulamento (que pode assumir
outras formas além da ilustrada). A
númeração é feita no sentido contrário ao
dos ponteiros do relógio
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8
14
12
.
..
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Montagem de CI’s na breadboard
® Colocar
os CI’s correctamente
® Ligar alimentação de todos os CI’s
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Logigramas e Esquemas Eléctricos
®  Logigrama
– Contém somente informação
lógica
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x
y
Ex:
(
)
f (x, y, z) = xy + xyz ⋅ xyz
x
y
z
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Logigramas e Esquemas Eléctricos
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Esquema eléctrico – Contém informações de ordem técnica que
permitem montar o circuito sem recorrer a mais nenhuma
informação:
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Identificação dos CI’s
Legenda
Números dos pinos correspondentes a cada entrada e saída de cada porta
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Exemplo de esquema eléctrico:
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Os catálogos de CI’s são utilizados para
preencher a informação do esquema eléctrico
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Exemplo: A informação relativa ao 74LS08 permite
saber quais os pinos ligados a cada porta And
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®  Fan-out
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O fan-out de uma saída é o número de entradas normais a
que essa saída pode estar ligada. Esse valor anda na ordem
de 10 a poucas dezenas
®  Fan-in
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O fan-in de uma entrada é o número de saídas que podem
estar ligadas a essa entrada
Dissipação de potência
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® 
Os integrados são alimentados em energia eléctrica e, no
seu funcionamento, dissipam essa energia sob a forma de
calor. O problema do aquecimento e das técnicas de
arrefecimento dos integrados são, com a elevada integração,
cada vez mais difíceis de tratar
No caso dos circuitos CMOS, a energia é fundamentalmente
gasta nas transições de nível sendo desprezável o valor
gasto em repouso. É por isso que os processadores dissipam
mais se a frequência de funcionamento for maior
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Atrasos
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® 
Dado que os circuitos integrados são dispositivos reais e físicos,
não reagem instantaneamente a mudanças nas suas entradas
Isso quer dizer que notamos atrasos na resposta dos integrados
se observarmos os seu comportamento ao longo do tempo
Vejamos o exemplo de uma porta AND:
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A
Z
B
® 
A
Este tipo de curvas designa-se por
diagramas temporais
De notar que:
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B
® 
Z
tPLH
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tPHL
® 
Os sinais não mudam instantaneamente. A
representação aqui mostrada não é realista,
mas permite exemplificar esse facto
A resposta da saída Z a uma alteração numa
entrada que provoca a sua mudança ocorre
após um certo tempo
O tempo de mudança da saída de Alto (H)
para Baixo (L) pode ser diferente do inverso.
Daí os tempos diferentes para tpHL e tpLH
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Bibliografia
®  Arroz,G.,
Monteiro,J.C., Oliveira,A.,
“Arquitectura de Computadores, dos
Sistemas Digitais aos Microprocessadores”,
Capítulo 3, 2ª Edição, 2009
®  Mano,M., Kime,C. – “Logic and Computer
Design Fundamentals”, Prentice Hall,
secções 2.1,2.8,2.9
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