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11
Introducción a la electrónica digital 1Electrónica Digital I
Universidad
Rey Juan Carlos
Ingeniería de Telecomunicación
ElectrElectróónicanica Digital IDigital I
Felipe MachadoNorberto Malpica
IntroducciIntroduccióón a la Electrn a la Electróónica Digital nica Digital
Ingeniería de Telecomunicación
Introducción a la electrónica digital 2Electrónica Digital I
Objetivos del cursoObjetivos del curso
Electrónica digital (Electrónica Digital I)
A+B=B+ACDA
CAD
Sistemas de numeración y codificaciónÁlgebra de BooleLógica combinacionalLógica secuencial
El diseño digital es INGENIERÍA y la ingeniería es resolver problemas !!!
Introducción a la electrónica digital 3Electrónica Digital I
1. Introducción: Analógico vs. Digital2. Dígitos binarios, niveles lógicos y formas de ondas digitales3. Lógica combinacional y secuencial4. Sistemas digitales
ContenidoContenido
Introducción a la electrónica digital 4Electrónica Digital I
AnalAnalóógico vs. Digitalgico vs. Digital
Introducción a la electrónica digital 5Electrónica Digital I
AnalAnalóógico vs. Digitalgico vs. Digital
Introducción a la electrónica digital 6Electrónica Digital I
AnalAnalóógico vs. Digitalgico vs. Digital
22
Introducción a la electrónica digital 7Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
AnalAnalóógicogico DigitalDigital• Proporción• Semejanza
• Cuantificación• Análisis• Detalle
Introducción a la electrónica digital 8Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
AnalAnalóógicogico DigitalDigital• Proporción• Semejanza
• Cuantificación• Análisis• Detalle
¿Son paralelas?
Introducción a la electrónica digital 9Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
AnalAnalóógicogico DigitalDigital• Proporción• Semejanza
• Cuantificación• Análisis• Detalle
¿Son paralelas?
Introducción a la electrónica digital 10Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
AnalAnalóógicogico DigitalDigital• Proporción• Semejanza
• Cuantificación• Análisis• Detalle
¿Miden lo mismo?
Introducción a la electrónica digital 11Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
AnalAnalóógicogico DigitalDigital• Proporción• Semejanza
• Cuantificación• Análisis• Detalle
¿Miden lo mismo?
Introducción a la electrónica digital 12Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
Circuito analógico
AnalAnalóógicogico
Sonido
SonidoMicrófono Altavoz
V
t
V
t
La señal analógica es similar a la señal real
Sensores y transductores que transforman la señal real en una señal eléctrica
Los circuitos analógicos operan con señales semejantes
El valor de la tensión indica la magnitud de la señal
original en cada instante.Señal continua
Ampli
33
Introducción a la electrónica digital 13Electrónica Digital I
01100100110010
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
Circuitodigital
DigitalDigital
Sonido
Sonido
V
t
Los circuitos digitales operan con señales consistentes en ceros y unos
Convertidoranalógico
digital
Convertidordigital
analógicoAmpli
V
t
Introducción a la electrónica digital 14Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
ConversiConversióón a digitaln a digital
V
t
Cada cierto tiempo (T) mido cuanto vale la tensión
TX
Digital
Analógico
Periodo de muestreo
Digital: Discontinua en tiempo Digital: Discontinua en amplitud
Resolución: Incremento mínimo
de la medida
r
Introducción a la electrónica digital 15Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
ConversiConversióón a digitaln a digital
Señal continua en tiempo y
amplitud
La resolución dependerá de las divisiones de mi regla para medir la señal
Convertidor AD
Señal analógicaSeñal digital
Señal discontinua en tiempo y amplitud
Compuesta de varios bits
A más resolución mayornúmero de bits
Introducción a la electrónica digital 16Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
T
ConversiConversióón a digitaln a digital
t
Introducción a la electrónica digital 17Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
T
ConversiConversióón a digitaln a digital 1 bit de resolución La señal valdrá 0 ó 1
0
1
Un bit
t
Introducción a la electrónica digital 18Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
T
ConversiConversióón a digitaln a digital 2 bits de resolución La señal valdrá 0, 1, 2, 3
00
01
10
11
t1=0 t2=1 t3=2 t4=3 ti=2
Se añade este bit
t
44
Introducción a la electrónica digital 19Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
T
ConversiConversióón a digitaln a digital 3 bits de resolución La señal valdrá {0, …, 7}
000
010
100
110
t1=0 t2=1 t3=2 t4=3 ti=2
Los valores irán multiplicados por una escala para que se correspondan con el valor real
001
011
101
111
Se añade este bit
t
Introducción a la electrónica digital 20Electrónica Digital I
IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
Hemos pasado de una única señal analógica y por tanto
intuitiva y continua
A una señal compuesta de varias señales binarias (bits) y discontinua y
aparentemente más difícil de interpretar
AnalAnalóógicogico DigitalDigital
Convertidor AD
¿Hemos mejorado algo?
V
t
001011...011011...000001...101001...
CDAY después de procesar digitalmente la señal, en muchas ocasiones
tenemos que volverla a convertir
V
t
Circuito digital
Entonces, …
Introducción a la electrónica digital 21Electrónica Digital I
Circuitos analCircuitos analóógicosgicos
FiltroFiltro
Los componentes tienen que estar bien calibradosDependen de la temperaturaSon complicados de diseñar y difíciles de ajustarSe requiere más experiencia en el diseño
Introducción a la electrónica digital 22Electrónica Digital I
Circuitos digitalesCircuitos digitales
FiltroFiltro
Fáciles de ajustar y reprogramar (cambiar constantes)
Independientes de la temperatura
MultiplicadoresSumadoresConstantesMemorias (retardos)
Fáciles de reprogramar (cambiar constantes) sin cambiar el hardware
Fáciles de comprobar
Operaciones que siempre dan los mismos resultados
Introducción a la electrónica digital 23Electrónica Digital I
Circuitos analCircuitos analóógicosgicos
Generador de formas de ondasGenerador de formas de ondas P. ej: Sintetizador de sonido
Resulta sencillo generar formas de ondas típicas:
Cuadrada
Diente de sierra
Triangular
Senoidal
Pero generar otras formas de ondas específicas puedes ser complicado
Introducción a la electrónica digital 24Electrónica Digital I
Circuitos digitalesCircuitos digitales
Generador de formas de ondasGenerador de formas de ondas Sintetizador de sonido
Digitalmente puedo generar cualquier forma de onda,con las características más diversasPuedo guardar los valores en una memoria o crear una función que los genere
000
010
100
110
001
011
101
111
Diente de sierra en digital
Ejemplo de función:Llevar un contador, que incremente en cada ciclo, y vuelva a cero al llegar al valor máximo
ciclo tiempo
55
Introducción a la electrónica digital 25Electrónica Digital I
AnalAnalóógico vs. Digitalgico vs. Digital
¿Qué diferencia hay entre la electrónica digital y analógica?¿Por qué se comportan tan diferentemente?
La tecnología de un circuito digital y analógico puede ser la misma
Pero cambia la forma de manejar las señales
AnalAnalóógicogico
La señal es continua
El transistor está en conducción
Pequeños cambios en las entradas producen importantes cambios en las salidas
El ajuste es delicado
DigitalDigital
La señal es discontinua '0' ó '1'
El transistor está en corte o saturación
Pequeños cambios en las entradas no producen cambios en las salidas
Introducción a la electrónica digital 26Electrónica Digital I
SeSeññales digitalesales digitales
'1'
'0'
Variaciones dentro de estos rangos no producen cambios
de valor lógico de la señal
Introducción a la electrónica digital 27Electrónica Digital I
SeSeññales digitalesales digitales
'1'
'0'
Los dos dígitos del sistema binario 1,0 , se denominan bits (binary digit)En los circuitos digitales se emplean niveles de tensión distintos para
representar los dos bitsLas tensiones que se utilizan para representar los unos y los ceros se les
denominan niveles lógicos. Existen distintos tipos de lógica• Lógica positiva: VH = 1 y VL = 0. ALTO (HIGH)= 1, BAJO (LOW) = 0• Lógica negativa: VH = 0 y VL = 1• Lógica mixta: se mezclan ambos criterios en el mismo sistema, eligiendo uno u otro en cada caso según convenga.
Introducción a la electrónica digital 28Electrónica Digital I
AbstracciAbstraccióón ln lóógicagica
Tengo señales binarias que valen '0' ó '1'
"Casi" me da igual como funcionan los transistores por debajo
Dispongo de estructuras electrónicas que realizan operaciones lógicas
Y diseño a nivel lógico, "casi" sin tener en cuenta la electrónica
Subo de nivel
No hablo de tensiones eléctricas sino de '0' y '1'
No hablo de transistores sino de puertas lógicas
Realizo un diseño lógico Más fácilMás rápido
Introducción a la electrónica digital 29Electrónica Digital I
AbstracciAbstraccióón ln lóógicagica
Puertas lógicasCompuertas que dejan pasar la informaciónY realizan operaciones lógicas
Puerta ANDA
BS
A B S 0 0 00 1 01 0 01 1 1
A
B
Puerta OR
S
A B S 0 0 00 1 11 0 11 1 1
Puerta NOT A S 0 11 0
A S
Conecto señales y puertas para formar mi circuito
Las reglas vienen dadas por el álgebra de Boole
Por ejemplo
Introducción a la electrónica digital 30Electrónica Digital I
AbstracciAbstraccióón ln lóógicagica
Conecto las puertas para formar otros circuitos
BA
C
S
Este circuito hace queSi A='1' entoncesS<=B
Si noS>=C
1
0
SA
B
C
MultiplexorEsto es un multiplexor
Selecciona una señal u otra (B ó C) según el valor de la señal de selección A
Puedo ir creando bloques de mayor abstracción para
simplificar la tarea del diseño
SumadoresMultiplicadoresComparadoresDecodificadores…
66
Introducción a la electrónica digital 31Electrónica Digital I
AbstracciAbstraccióón ln lóógica: Segica: Seññales digitalesales digitales
Si necesito señales con un mayor rango de valores que '0' y '1', agrupo varias señales binarias
Cada una de las señales binarias las podremos transmitir en paralelo o en serie
En paralelo
8 bits
001011...bit0bit1
bit7
110010...
100001...
Más interconexionesMás velocidad
En serie
001011011001110bit0
bit7
Valor de la señal en tiempo t
Introducción a la electrónica digital 32Electrónica Digital I
ImplementaciImplementacióón de un disen de un diseñño digitalo digital
De pequeña escala de integración (SSI)
De mediana escala de integración (MSI)
Con unas 10 puertas Hasta 100 puertas
SumadoresMultiplicadoresComparadoresDecodificadores…
Se usan cada vez menos
En diseños pequeñosPara lógica de unión entre circuitos (glue logic)
Componentes discretosComponentes discretos
Introducción a la electrónica digital 33Electrónica Digital I
ImplementaciImplementacióón de un disen de un diseñño digitalo digital
Dispositivos que permiten la implementación de los circuitos lógicos
Pueden tener desde cientos de puertas hasta millones
Son los más versátiles
Son los más rápidos de diseñar
Es la opción más empleada para producciones bajas y mediasCada vez más empleados
LLóógica programable (PLD y gica programable (PLD y FPGAsFPGAs))
Introducción a la electrónica digital 34Electrónica Digital I
ImplementaciImplementacióón de un disen de un diseñño digitalo digital
ASIC
Implementan directamente en el dado de silicio la lógica específica
Es una opción arriesgada, sólo para producciones muy grandes
Requieren tiempos de diseño mayores
Dado
Oblea del Intel Pentium 4 (130nm)
Introducción a la electrónica digital 35Electrónica Digital I
ImplementaciImplementacióón de un disen de un diseñño digitalo digital
Millones de dólares
Coste de la máscara:250 nm: 100 k$180 nm: 300 k$130 nm: 800 k$90 nm: 1200 k$65 nm: 2000 k$
+ Placa prototipos
- Yield (productividad de oblea)
Fabricación Diseño
Decenas de millones de dólares
Retrasos: 85% de proyectos
Tiempo de retraso: 53%
Iteraciones: 4,7
Cada iteración: Máscara nueva
ASICASIC
Sólo se lo permiten las grandes empresas con grandes producciones
Introducción a la electrónica digital 36Electrónica Digital I
La información viene dada por los valores que toman un conjunto de magnitudessignificativas.Las magnitudes pueden ser de dos tipos: analógicas y digitales.
Magnitudes analógicas: toman valores en un rango continuo.Ejemplos: temperatura, voltaje, corriente eléctrica, tiempo, luminosidad, etc.Se corresponden matemáticamente con el concepto de números reales.
Magnitudes digitales: su rango de posibles valores es discreto.Ejemplos: número de personas en una habitación, número de libros en una
biblioteca, etc.Se corresponden matemáticamente con el concepto de números enteros.
Z
X
Digital
Analógico
Resumen: AnalResumen: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
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Introducción a la electrónica digital 37Electrónica Digital I
Revolución digital:Cámaras DigitalesDVD (video)CD (audio)Automóviles, teléfonos, efectos especiales…
Resumen: AnalResumen: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital
¿Por qué del éxito de los sistemas digitales?:ProgramablesFlexibilidad y funcionalidadMayor velocidad de procesamientoMayor inmunidad al ruidoMayor capacidad de integración
Introducción a la electrónica digital 38Electrónica Digital I
DDíígitos Binarios, Niveles lgitos Binarios, Niveles lóógicos y formas de onda digitalesgicos y formas de onda digitales
Señales digitales reales
- Pregunta: ¿Las señales digitales reales adquieren solamente uno de estos dos valores, 1 ó 0 ?
- Respuesta: NO. Un sistema digital tendrá que procesar señales con un espectro de valores mayor:
1 “fuerte” => conexión cuasi-directa a nivel alto (Vcc).
0 “fuerte” => conexión cuasi-directa a masa.
alta impedancia => salida “desconectada” de la línea (o conectada vía una alta impedancia).
1 “débil” => conexión indirecta a nivel alto, vía una resistencia grande (“pull up resistor”) que limita corriente.
0 “débil” => conexión indirecta a nivel bajo, vía una resistencia grande (“pul down resistor”) que limita corriente.
Otras señales utilizadas:
“Desconocido fuerte” => conflicto entre 1 y 0 fuertes (significa un cortocircuito directo de alimentación a masa).
“Desconocido débil” => conflicto entre 1 y 0 débiles
“Indiferente” => A la salida final le es indiferente esta señal, y el software (o nosotros) asignaremos el que más simplifique.
Introducción a la electrónica digital 39Electrónica Digital I
Forma de onda de una señal: muestra su evolución a lo largo del tiempo.• Las formas de onda digitales se suelen representar en forma ideal, con transiciones instantáneas.• Pulso: transiciones H→L y L→H (o viceversa) consecutivas de una anchura determinada.
Pulso negativo Pulso positivo
Flanco de bajada Flanco de bajadaFlanco de subida
CronogramasCronogramas
Introducción a la electrónica digital 40Electrónica Digital I
Pulso real:• Tiempo de subida (tr): tiempo requerido en la transición del nivel BAJO al ALTO• Tiempo de bajada (tf): tiempo requerido en la transición del nivel ALTO al BAJO• Anchura de pulso (tw):
CronogramasCronogramas
tr tw tf
Introducción a la electrónica digital 41Electrónica Digital I
Reloj (CLK): señal que varía periódicamente de forma infinita.•Los sistemas digitales suelen contar con una señal de reloj (o varias) que sincroniza(n) a todas las demás.
ClkNivel alto
Nivel bajo
Flanco desubida
Flanco debajada
Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de bajada)
Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de subida)
Pulso denivel alto
Pulso denivel bajo
CronogramasCronogramas
T T
• Periodo (T)• Frecuencia (f) T/1f =
Introducción a la electrónica digital 42Electrónica Digital I
En un reloj, el nivel alto y el bajo no tienen por qué durar lo mismo.
Simetría del reloj: porcentaje de tiempo de un periodo en el que el reloj está a nivel alto o bajo.
Ejemplos de señales de reloj periódicas (simétricas y asimétricas):
Clk
Clk
Clk
CronogramasCronogramas
Ttw
• Ciclo de trabajo (δ) : razón entre el ancho de pulso (tw) y el periodo (T).
100Tt w ⋅=δ
88
Introducción a la electrónica digital 43Electrónica Digital I
Cronograma o diagrama de tiempo: conjunto de formas de onda de varias señales de un sistema que normalmente están interrelacionadas.
Evolución de las señales:
•En el periodo de reloj 1 A = “0” y B = “1”.
•En el periodo 2 A = “1” y B = “0”.
•Etc.
La flechas indican que el pulso de la señal A es una consecuencia del pulso de la señal B.
Reloj
A
B
1 2 3 4 5 6 7
CronogramasCronogramas
Introducción a la electrónica digital 44Electrónica Digital I
En los circuitos combinacionales la salida Z en un determinado instante de tiempo ti sólo depende de X en ese mismo instante de tiempo ti , es decir que no tienen capacidad de memoria y que se puede obviar la variable de tiempo t.
Z(t) = F(X(t)) Z = F(X)
FX Z
LLóógica gica combinacionalcombinacional y secuencialy secuencial
Unidad Básica: la PUERTA LÓGICA
Introducción a la electrónica digital 45Electrónica Digital I
En los circuitos secuenciales la salida Z en un determinado instante detiempo ti depende de X en ese mismo instante de tiempo ti y en todoslos instantes temporales anteriores. Para ello es necesario que el sistema disponga de elementos de memoria que le permitan recordar la situación en que se encuentra (⇒ estado).
⎩⎨⎧
=+=
transicióndefunción:HS(t))H(X(t),1)S(tsalidadefunción:GS(t))G(X(t),Z(t)
G,HX(t) Z(t)
memoriaRealimentación
S(t+1)S(t)
X(t): entrada actual
S(t+1): estado próximo
Z(t): salida actualS(t): estado actual
Como un sistema secuencial es finito, tiene una capacidad de memoria finita y un conjunto finito de estados posibles ⇒ máquina finita de estados (FSM: finite state machine).
LLóógica gica combinacionalcombinacional y secuencialy secuencial
Introducción a la electrónica digital 46Electrónica Digital I
Un sistema secuencial dispone de elementos de memoria cuyo contenido puede cambiar a lo largo del tiempo.
El estado de un sistema secuencial viene dado por el contenido de sus elementos de memoria.
Es frecuente que en los sistemas secuenciales exista una señal que inicia los elementos de memoria con un valor determinado: señal de inicio (reset).
La señal de inicio determina el estado del sistema en el momento del arranque (normalmente pone toda la memoria a cero).
La salida en un instante concreto viene dada por la entrada y por el estado anterior del sistema.
El estado actual del sistema, junto con la entrada, determinará el estado en el instante siguiente ⇒ realimentación.
LLóógica gica combinacionalcombinacional y secuencialy secuencial
Introducción a la electrónica digital 47Electrónica Digital I
Existen dos tipos de sistemas secuenciales: asíncronos y síncronos.
Los asíncronos son sistemas secuenciales que pueden cambiar de estado encualquier instante de tiempo en función de cambios en las señales de entrada.
Son más frecuentes en la vida real.
Existen métodos específicos para diseñar sistemas asíncronos (no los vamos a estudiar).
Los síncronos son sistemas secuenciales que sólo pueden cambiar de estadoen determinados instantes de tiempo, es decir, están “sincronizados” con unaseñal que marca dichos instantes y que se conoce como señal de reloj (Clk). El sistema sólo hace caso de las entradas en los instantes de sincronismo.
Son más fáciles de diseñar.
Estudiaremos los sistemas síncronos, y veremos cómo “sincronizar” los sistemas asíncronos.
Tipos de sincronismosTipos de sincronismos
Introducción a la electrónica digital 48Electrónica Digital I
Los sistemas síncronos están regulados por una o varias señales de reloj.
Tipos de sincronismo:
Sincronismo por nivel (alto o bajo): el sistema hace caso de las entradas mientras el reloj esté en el nivel activo (alto o bajo).
Sincronismo por flanco (de subida o de bajada): el sistema hace caso de las entradas y evoluciona justo cuando se produce el flanco activo (de subida o de bajada).
ClkNivel alto
Nivel bajo
Flanco desubida
Flanco debajada
Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de bajada)
Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de subida)
Pulso denivel alto
Pulso denivel bajo
Tipos de sincronismosTipos de sincronismos
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Introducción a la electrónica digital 49Electrónica Digital I
El estudio de los sistemas digitales requiere métodos para su especificación, diseño, materialización y análisis.
Especificación de un sistema: descripción formal y no ambigua de su función y de otros detalles que serán relevantes en el diseño (tecnología, tamaño, consumo, etc).
Diseño o síntesis de un sistema: permite generar una materialización a partir de una especificación dada.
Análisis de un sistema: permite describir el comportamiento de un sistema generando una especificación del mismo a partir de su materialización.
Materialización de un sistema: indica cómo se ha construido el sistema a partir de componentes más sencillos (primitivas).
Sistemas digitalesSistemas digitales
Introducción a la electrónica digital 50Electrónica Digital I
Un sistema digital puede describirse desde diferentes dominios conceptuales:
Comportamental: cómo se comporta.
Estructural: qué bloques lo componen y cómo se interconectan.
Físico: cómo está construido realmente.
DescripciDescripcióón de los sistemas digitalesn de los sistemas digitales
Introducción a la electrónica digital 51Electrónica Digital I
Niveles de abstracción:
Circuito: electrónica.
Lógico: valores lógicos (0,1).
RT (transferencias entre registros): palabras, señales de control, temporizaciones.
Algorítmico: estructuras abstractas, dependencias.
Sistema: protocolos de sincronización entre subsistemas.
DescripciDescripcióón de los sistemas digitalesn de los sistemas digitales
Introducción a la electrónica digital 52Electrónica Digital I
Transiciones:
Síntesis - análisis: dominios conductual ⇔ estructural.
Generación - extracción: dominios físico ⇔ estructural.
Optimización: mejora dentro del mismo nivel de abstracción.
Refinamiento - abstracción: cambiar el nivel de abstracción en el mismo dominio.
DescripciDescripcióón de los sistemas digitalesn de los sistemas digitales
Introducción a la electrónica digital 53Electrónica Digital I
Existen lenguajes de descripción de sistemas digitales muy extendidos que permiten incluso realizar la síntesis de los mismos. Entre ellos señalaremos los siguientes:
VHDL
ABEL
Verilog
VHDL permite describir sistemas según diferentes modelos de comportamiento (funcional, algorítmico y estructural).
El modelo funcional está próximo a la especificación del sistema.
El modelo algorítmico es más elaborado, y describe el comportamiento del sistema.
El modelo estructural describe el sistema indicando los bloques que lo componen y sus interconexiones.
DescripciDescripcióón de los sistemas digitalesn de los sistemas digitales
!
Introducción a la electrónica digital 54Electrónica Digital I
Una especificación de alto nivel de un sistema digital se compone de un conjunto (I,O,F) formado por:
•Entradas (I)
•Salidas (O)
•Función realizada por el sistema (F)
La especificación de un sistema puede realizarse mediante:
• Tablas
• Expresiones matemáticas
• Descripciones textuales
• Expresiones condicionales
• Expresiones lógicas (de conmutación) …
EspecificaciEspecificacióón de los sistemas digitalesn de los sistemas digitales
1010
Introducción a la electrónica digital 55Electrónica Digital I
• Evolución de las máquinas digitales.
Engranajes relés válvulas de vacío transistores
circuitos integrados ultra-altas escalas de integración ULSI...
1642-45 • Calculadora de Pascal.
Desde antaño se tuvo claro que el sistema binario era más apropiado para manejarlo con máquinas y engranajes.
Esta calculadora esencialmente sumaba. La resta la hacía mediante el complementado. La multiplicación y división las hacía mediante combinaciones de las anteriores.
Un poco de historiaUn poco de historia……..
Introducción a la electrónica digital 56Electrónica Digital I
1834 • “Máquina analítica” de Babbage.
- Manejaba números de 31 dígitos. Se accedía mediante el concepto de “tablero perforado”.
- Tiempo de multiplicación = 1 MINUTO
- Terminada de construir en 1910 por su hijo (esto es un “time-to-market” no muy bueno).
Charles Babbage
Introducción a la electrónica digital 57Electrónica Digital I
1878 • Calculadora Odhner (Rusia)
- Pervivió hasta los años 30 (...rastro madrileño)
1844
Mientras tanto...• Encuentro “comunicaciones – transmisión eléctrica digital”
- Código Morse
1854 • George Boole publicó su obra titulada “Investigación de las leyes del pensamiento sobre las que se basan las teorías matemáticas de la lógica y la probabilidad”, donde formula la idea de un “álgebra de las operaciones lógicas”.
Introducción a la electrónica digital 58Electrónica Digital I
- Apartados a impartir
1919
1938
• Encuentro “electrónica – computación”
Invención del circuito flip-flop (W.H. Eccles y F.W. Jordan *, 1919), primera célula elemental de memoria electrónica.
• Claude Shannon fue el primero en aplicar los principios del Álgebra de Booleal análisis y diseño de circuitos, presentando en el MIT su tesis titulada “Análisis simbólico de los circuitos de conmutación y los relés” .
* Radio Review, 1, 143 (1919)
Introducción a la electrónica digital 59Electrónica Digital I
• Tecnología de relés
- Interruptor controlado por tensión.
- Una pequeña corriente (mA) puede cerrar una llave por donde circulen altas intensidades (centenares de amperios).
- Puede incluir varios contactos.
- Problema: los antiguos eran sensibles a “bugs”...de seis u ocho patas. ; - )
1911 • Leonardo Torres Quevedo presenta su autómata ajedrecista (electromecánico). El primero de que se tiene noticia
Introducción a la electrónica digital 60Electrónica Digital I
• Tecnología de válvulas de vacío.
- Thomas Alva Edison inventa la lámpara de incandescencia.
- Braun fabrica el primer tubo de rayos catódicos.
- John Ambrose Fleming inventa el diodo de vacío.
- Lee de Forest inventa el triodo o audión: modular corrientes grandes mediante una señal pequeña.
1878
1897
1904
1907
Patente del diodo de vacío
• Los dos últimos dispositivos dieron lugar a la RADIODIFUSIÓN. Pero también eran interruptores controlados por tensión...
1111
Introducción a la electrónica digital 61Electrónica Digital I
1942 • Atanasoff-Berry fabrican en la Universidad del Estado de Iowa el primer ordenador electrónico digital (no estaban en programas militares).
• Aplicaciones con válvulas
H. Abrahm y E. Bloch proponen el multivibrador *.
W.H. Eccles y F.W. Jordan proponen el multivibrador biestable
1919
Introducción a la electrónica digital 62Electrónica Digital I
* Annales de Physique 12, 252 (1919).
1943-45 • Se construye en la Universidad de Pennsylvannia el ENIAC (ElectronicNumerical Integrator and Calculator ), 1er ordenador electrónico (más válvulas de vacío que relés).
-30 toneladas. 200 kw de consumo
- 19000 tubos de vacío y 1500 relés
- Era básicamente una ALU
- Dedicado a aplicaciones militares: cálculos de trayectorias balísticas, sistemas atómicos...
http://ei.cs.vt.edu/~history/ENIAC.Richey.HTML
• Poco después, en Harvard se llevan la fama construyendo el Mark1:
- 35 toneladas.
- Operaciones aritméticas. Números de 24 dígitos decimales
- Incorporaba una pequeña memoria.
1943
Introducción a la electrónica digital 63Electrónica Digital I
1957-59 • 1er paso hacia la miniaturización
Jack Kilby (Texas Instruments) y R. Noyce(Fairchild) anuncian por separado la construcción de un circuito integrado y de la tecnología planar.
Se comercializan en 19611961
http://www.icknowledge.com/history/history.html
• J. Bardeen, W.H. Brattain trabajando en el grupo de W. B. Shockley“descubren” el transistor bipolar intentando hacer el de efecto de campo.
1945-48
U.S. Patents #2502488, #25240351er circuito integrado en Texas Instruments(5 transistores) U.S. patent # 3,138,743
Introducción a la electrónica digital 64Electrónica Digital I
1960The IBM 1401 was called the Model T of the computer business, because itwas the first mass-produced digital, all-transistorized.
httphttp://://www.geocities.comwww.geocities.com//SiliconValleySiliconValley//LakesLakes/5705/1401./5705/1401.htmlhtml
- It came with 4,096 characters of memory.- The memory was 6-bit (plus 1 parity bit) CORE memory, made out of littlemetal donuts strung on a wire mesh by workers (mostly women) at IBM factories.- The 1401 in this picture has a Storage Expansion Unit (the box on the right) which expanded the core storage to an amazing 16K!! - The cost of these machines ran to six-figures.
Introducción a la electrónica digital 65Electrónica Digital I
1962 • Mayo 1962:
Se instala la primera unidad del IBM 1401 en España, en la empresa Sevillana de Electricidad. Era el tercer ordenador llegado a la península y el primero adquirido por una sociedad privada.
1964 • El número de ordenadores por cada millón de españoles activos es de 11. Tres años más tarde pasa a 37 y se alcanzan los 82 en 1970. *
En 1964 había en Europa 4000 ordenadores. En 1970 se llegó a 20000.
* http://www.lmdata.es/f_ehhit.htm
• Los profesores John Kemeny y Thomas Kurtz, del Darmouth College, diseñan el lenguaje BASIC (Beginners All purpose Symbolic Instruction Code), que incorpora características del FORTRAN y ALGOL, pero mucho más fácil de aprender y poco costoso de implantar y utilizar.
1965 • Gordon Moore enuncia su famosa ley, según la cual el nº de transistores integrados por chip se duplicaría cada dos años. 40 años después esta ley conserva una sorprendente vigencia.
1969 • Nace el sistema operativo UNIX, reescrito en 1973 a lenguaje C
http://www.thocp.net/timeline/1969.htm Introducción a la electrónica digital 66Electrónica Digital I
1965-90
• DEC presenta la familia de minicomputadoras PDP-8 (1965-1990).
A finales de 1973, la familia PDP-8 era la más vendida en el mundo.
Fue el primer ordenador vendido en masa a bajo precio (¡unos 18000$!), costeable por una sola compañía sin necesidad de compartirlo.
- The PDP-8 is a 12 bit single accumulator machine which can addressup to 32K 12 bit words.- It has 8 basic instructions and the PDP-8/E executes them in 1.2 microsecond for simple instructions to 4 microsecond for complexmemory reference instructions. This gives the machine about a .5 MIPS rating.
¿se podría meter esto en un chip?
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Introducción a la electrónica digital 67Electrónica Digital I
...-70 • Crisis de la estandarización de componentes digitales.
A principios de los 70 en CIs impera la tecnología bipolar, trabajándose a escalas SSI, MSI y LSI (memorias).
Problemas:
- Confidencialidad => fáciles de copiar (“ingeniería inversa”).
- Excesivo tamaño
- Alto consumo
- Insuficiente velocidad
Conclusión
La estandarización va bien si los circuitos no son demasiado complejos.
¿Cómo hacer un circuito de tamaño óptimo, que sirva para construir sistemas lo suficientemente complejos, pero que a la vez sea lo suficientemente estándar?
Introducción a la electrónica digital 68Electrónica Digital I
Nace el microprocesador (µP).
• (5-10-1971) Intel anuncia un nuevo circuito capaz de integrar las partes esenciales de un ordenador (una CPU, una memoria y los controladores de entrada y salida) en un chip de (1/8 x 1/6) ’. Se le dio el nombre de i4004. Al año siguiente se le llamaría MICROPROCESADOR.
1971
U.S. Patent #3,821,715
El circuito contenía 2300 transistoresMOS, que daban lugar a un sumador rápido de números de 4 bits, 16 registros de 4 bits, un registro acumulador y un pequeño stack.
El desarrollo de este nuevo componente fue realizado en 9 meses por Federico Faggin y Stan Mazor, bajo la dirección de Ted Hoff.
1968 • La solución... Tecnología MOS con puerta de óxido de silicio
- Primeros componentes comerciales en1968 (Fairchild).
En 1976 ya había 50 tipos de µPs diferentes en el mercado.
Introducción a la electrónica digital 69Electrónica Digital I
1978 • Tecnología VLSI (“muy alta escala de integración”) basada en combinaciones de transistores PMOS y NMOS (principalmente tecnología CMOS).
- La tecnología CMOS permite desarrollar la escala de integración VLSI (de 10 a 100k transistores por chip), y propicia el nacimiento de los ASICs (“Application Specific Integrated Circuit”).
• Características de los ASICs
- Inmejorable figura de área-consumo-fiabilidad.
- Permiten integrar circuitos analógico-digitales.
- Alta complejidad: incrementa la velocidad y el nº de transistores..., pero también el nº de personas y gremios implicados.
- DESVENTAJAS:
Alto coste => requiere altos stocks
Exige herramientas de diseño
complejas.
Vulnerabilidad a errores.Introducción a la electrónica digital 70Electrónica Digital I
1975 • Da comienzo la historia de los ordenadores personales.
Cuatro jóvenes norteamericanos deciden construir un ordenador. JimKatzman, el de menos edad, diseña en varios días en la esquina de una mesa las conexiones de la máquina a la que bautizan con el nombre de Tandom. En 1977, su empresa comienza a cotizar en bolsa, y cada dólar invertido al inicio se ha multiplicado por 180.
La revista Popular Electronics (EE.UU.) publica un anuncio de la empresa MITS (Micro Instruments & Telemetry Systems Inc) con la oferta de un pequeño ordenador, el ALTAIR 8800, con sus periféricos correspondientes, en dos modalidades: kit (desmontado) o ensamblado.
Aparece en EE.UU. el primer ordenador personal con pantalla incorporada, el SPHERE.
Mientras tanto...
Introducción a la electrónica digital 71Electrónica Digital I
1975
• Se lanza al mercado el APPLE I, con BASIC de números enteros (Integer BASIC) y señal de color. El primer prototipo había sido fabricado en un garaje por dos jóvenes norteamericanos Steve Jobs y Steve Wozniak.
• A partir de esta fecha, y sobre todo en la década de los 80, aparece una enorme gama de fabricantes de ordenadores personales:
IBM, Hewlett Packard, Texas Instruments, Genie, Epson, Victor, Oric, Digital, Toshiba, Dragon, Atari, Osborne, New Brain, NEC, Olivetti, Casio y tantos otros.
80´s
• Los modelos de la empresa británica Sinclair(ZX 80, ZX 81, Spectrum y QL), llegan a los supermercados españoles.
• William H. Gates, un joven de 19 años que no había terminado sus estudios en la Universidad de Harvard, funda la empresa Microsoft, líder indiscutible del software para micros. Bill Gates se convirtirá en el multimillonario más joven del mundo.
1977
Introducción a la electrónica digital 72Electrónica Digital I
-90s
- Los µP permiten realizar sistemas complejos y toleran ciertos errores pero no alcanzan las velocidades que un ASIC puede permitir y son relativamente copiables.
- Los ASICs son rápidos, permiten realizar sistemas complejos y no son fácilmente copiables... Pero no toleran errores y resultan muy caros: Circuitos con máscara <0.18 µm 300k$ el lote.
• Siguiente crisis de la estandarización (µPs y ASICs incluidos)
- PROCESO HABITUAL con ASICs: estudio de mercado diseño HWdiseño SW fabricación verificación+documentación.
La complejidad genera errores tiempos de verificación muy altos. Pero la obsolescencia abre una ventana de aprox. 2 años
Consecuencia: presión sobre el diseñador los anteriores pasos no se efectúan secuencialmente ...
(posibilidad de desastre ... no olvidar la Ley de Murphy)
• Los circuitos digitales reconfigurables sobre el terreno (“field programmable”) han ayudado a solucionar este problema.
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Introducción a la electrónica digital 73Electrónica Digital I
Around 1978, it was clear that as prices were fallingand people could afford more powerful computers, larger models would be needed to serve the samemarkets, but the PDP-11 with its 16-bit addressregisters could not be easily extended, and a 32-bitarchitecture was designed.
Agosto 1981. IBM entra en el mercado de los ordenadores personales con el anuncio de su PC. Para celebrar aquella efeméride la compañía Applelanzó una enorme campaña publicitaria con anuncios a doble página en los que se leía: Welcome IBM¡.
1984. Telefónica anuncia su proyecto de construir una fábrica de chips en colaboración con la AT&T; el lugar escogido para su emplazamiento fue Tres Cantos.
La revista Novática publica un artículo de Luis Arroyo, Ingeniero de Telecomunicación y por entonces Director General de ENTEL, en el que por primera vez en el mundo se define el concepto "TELEMÁTICA" como fusión de las tecnologías informática y telecomunicaciones. Nueve meses más tarde se publicaría en Francia el Informe NORA consagrador de “Telematique”.
Introducción a la electrónica digital 74Electrónica Digital I
2007: En la URJC los alumnos de primero de Teleco de la URJC intentan adentrarse en el mundo digital…
Introducción a la electrónica digital 75Electrónica Digital I
EvoluciEvolucióón de los niveles de integracin de los niveles de integracióónnLey de Moore Nº de componentes x2 cada 18 meses
4004 (1971): 2.300 tr. Itanium 2 (2004): 592 M tr.