sistemas digitais fundamentos e aplica - floyd, thomas l

1. SISTEMAS DIGITAIS

2. F645s Floyd, Thomas L. Sistemas digitais [recurso eletrnico] : fundamentos e aplicaes / Thomas L. Floyd ; traduo Jos Lucimar do Nascimento. Dados eletrnicos. 9. ed. Porto Alegre : Bookman, 2007. Editado tambm como livro impresso em 2007. ISBN 978-85-7780-107-7 1. Computador Estrutura. 2. Eletrnica digital. I. Ttulo. CDU 004 Catalogao na publicao: Juliana Lagas Coelho CRB 10/1798 Tom Floyd formou-se em engenharia eltrica na University of Florida e fez mestrado em engenharia eltrica na Southern Methodist University. Foi membro do Mayland Community College em Spruce Pine, Carolina do Norte, e foi professor no Electronics Technology Program por cinco anos. Em 1977 lanou a primeira edio de Sistemas Digitais e desde 1983 dedica-se exclusiva- mente atividade de escrever livros. Sobre o Autor

3. 9 a edio SISTEMAS DIGITAIS THOMAS L. FLOYD 2007 Traduo: Jos Lucimar do Nascimento Professor e coordenador do CETEL Engenheiro de Telecomunicaes (PUCMG) Especialista em Engenharia de Sistemas (UFMG) Consultoria, superviso e reviso tcnica desta edio: Antonio Pertence Jnior Engenheiro eletrnico e de telecomunicaes Especialista em Processamento de Sinais (Ryerson University - Canad) Professor de Telecomunicaes da FUMEC/MG Professor titular da Faculdade de Sabar/MG FUNDAMENTOS E APLICAES Verso impressa desta obra: 2007

4. Obra originalmente publicada sob o ttulo Digital Fundamentals, 9th Edition ISBN 0131946099 Authorized translation from the English language edition, entitled DIGITAL FUNDAMENTALS, 9th Edition by FLOYD,THOMAS L., published Pearson Education,Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright 2006. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, with- out permission from Pearson Education,Inc. Portuguese language edition published by Bookman Companhia Editora Ltda, a Division of Artmed Editora SA, Copyright 2007 Traduo autorizada a partir do original em lngua inglesa da obra intitulada DIGITAL FUNDAMENTALS, 9 Edio por FLOYD,THOMAS L., publicado por Pearson Education, Inc., sob o selo de Prentice Hall, Copy- right 2006. Todos os direitos reservados. Este livro no poder ser reproduzido nem em parte nem na ntegra, nem ter partes ou sua ntegra armazenado em qualquer meio, seja mecnico ou eletrnico, inclusive fo- toreprografao, sem permisso da Pearson Education,Inc. A edio em lngua portuguesa desta obra publicada por Bookman Companhia Editora Ltda, uma diviso da Artmed Editora SA, Copyright 2007 Capa: Gustavo Demarchi, arte sobre capa original Leitura final: Rachel Garcia Valdez Superviso editorial: Arysinha Jacques Affonso e Denise Weber Nowaczyk Editorao eletrnica: Laser House As fotos de abertura de captulo e inseridas ao longo do texto so de Getty Images. Multisim marca registrada de Electronic Workbench. Altera Quartus II e outros nomes dos produtos Altera, recursos e servios so marcas registradas e/ou marcas de servios da Altera Corporation nos Estados Unidos e outros pases. Xilinx ISE marca registrada de Xilinx, Inc. Reservados todos os direitos de publicao, em lngua portuguesa, ARTMED EDITORA S.A. (BOOKMAN COMPANHIA EDITORA uma diviso da ARTMED EDITORA S. A.) Av. Jernimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070 proibida a duplicao ou reproduo deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrnico, mecnico, gravao, fotocpia, distribuio na Web e outros), sem permisso expressa da Editora. SO PAULO Av. Anglica, 1.091 - Higienpolis 01227-100 So Paulo SP Fone (11) 3665-1100 Fax (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL

5. Bem-vindos nona edio de Sistemas Digitais: Fundamentos e Aplicaes*. Uma abordagem consistente dos fundamentos essenciais da tecnologia digital vital para qualquer pessoa que pro- cura trilhar uma carreira nesta empolgante rea que evolui rapidamente. Este livro foi cuidadosa- mente organizado para incluir uma abordagem atualizada de tpicos que podem ser abordados em sua totalidade, de forma condensada ou ainda suprimindo alguns, de acordo com a nfase da dis- ciplina. A abordagem dos tpicos clara, direta e bem ilustrada, seguindo o formato bem-sucedido das edies anteriores. Muitos tpicos foram enriquecidos ou ampliados e diversas melhorias podem ser encontradas ao longo deste livro. Provavelmente o leitor encontrar mais tpicos do que pode ser abordado em apenas uma dis- ciplina. Essa extenso proporciona uma flexibilidade para se adequar a uma variedade de programas. Por exemplo, alguns dos projetos orientados ou tpicos de aplicao de sistemas podem no ser apropriados para determinados cursos. Outros programas podem no abordar a lgica programvel e alguns podem no ter carga horria disponvel para tratar de, por exemplo, computadores, microprocessadores ou processamento de sinais digitais. Alm disso, alguns cursos podem no ter a necessidade de entrar em detalhes internos aos circuitos dos chips. Esses e outros tpicos podem ser omitidos ou abordados de forma sinttica sem afetar a abordagem dos tpicos fundamentais. O conhecimento prvio de circuitos transistorizados no um pr-requisito para o estudo deste livro mesmo que a abordagem de tecnologia de circuitos integrados (circuito interno aos chips) esteja includa no captulo flutuante, o qual opcional. No Sumrio, consta um cdigo de cores que indica uma variedade de abordagens para se adequar aos requisitos da maioria dos cursos. Este livro organizado em mdulos que permite a incluso ou omisso de vrios tpicos sem prejudicar outros que forem abordados no seu curso. Devido ao contnuo crescimento do uso de lgica programvel, foi dedicado um captulo inteiro (Captulo 11) a esse tpico, incluindo PALs, GALs, CPLDs e FPGAs; dispositivos especficos dos fabricantes Altera e Xilinx so apresentados. abordado tambm, como uma introduo geral, o software usado em lgica programvel e a lgica boundary scan. Novidades desta edio O cdigo Hamming de deteco e correo de erros Somadores com carry antecipado Uma introduo sinttica de VHDL Abordagem expandida e melhorada de instrumentos de teste Abordagem expandida e reorganizada de lgica programvel Abordagem melhorada de anlise de defeito Nova abordagem de Aplicaes em Sistemas Digitais Caractersticas Apresentao em duas cores. Notas que fornecem informaes de forma bastante condensada. Termos importantes esto listados no incio de cada captulo, aparecem em negrito ao longo do texto e esto definidos ao final dos captulos. No final do livro h um glossrio com todos esses termos. Prefcio * N. de T.: O nome original em ingls Digital Fundamentals.

6. vi PREFCIO O Captulo 14 fala sobre tecnologia de CIs (circuito interno ao chip) e foi projetado como um captulo flutuante porque pode ser estudado em qualquer momento do seu curso. Consideraes gerais e objetivos em cada incio de captulo. Introduo e objetivos no incio de cada seo dentro de um captulo. Questes para reviso e exerccios no final de cada seo de um captulo. Um Problema Relacionado em cada exemplo resolvido. Notas de computao entremeiam o texto fornecendo informaes interessantes sobre a tecnologia de computadores conforme estejam relacionadas com o texto abordado. Dicas Prticas entremeiam o texto fornecendo informaes prticas e teis. O tpico Aplicaes em Sistemas Digitais uma caracterstica no final de muitos captulos que fornece aplicaes prticas e interessantes dos fundamentos dos circuitos lgicos. Resumo do captulo no final de cada captulo. Autoteste de mltipla escolha no final de cada captulo. Conjunto de problemas, divididos em sees, extensivos no final de cada captulo incluem problemas bsicos, de anlise de defeito, aplicaes de sistemas e projetos especiais. Abordagem do uso e aplicao de instrumentos de teste, incluindo osciloscpio, analisador lgico, gerador de funes e DMM (multmetro digital). O Captulo 12 fornece uma introduo aos computadores digitais. O Captulo 13 introduz o processamento de sinais digitais, incluindo a converso analgico-digital e digital-analgico. Os conceitos de lgica programvel comeam a ser introduzidos no Captulo 1. Dispositivos na forma de CIs de funo fixa so apresentados ao longo do livro. O Captulo 11 fornece uma abordagem de PALs, GALs, CPLDs e FPGAs bem como uma abordagem geral da programao de PLDs. Os diagramas no texto, identificados pelo cone especial ao lado, so implementados no Multisim 2001 e Multisim 7, e os arquivos desses circuitos esto no CD-ROM que acompanha este livro. Esses arquivos (disponveis tambm no Companion Website www.prenhall.com/floyd) so fornecidos sem custo extra para o consumidor e so para uso de qualquer pessoa que escolha o software Multisim. Esse software considerado uma excelente ferramenta de simulao para uso em sala ou laboratrio. Entretanto, o sucesso no uso deste livro independe do uso desses arquivos de circuito. A lgica boundary scan associada aos dispositivos programveis introduzida no Captulo 11. Alm da boundary scan, a abordagem de anlise de defeito inclui mtodos de teste de lgica programvel, tal como o tradicional, bed-of-nails e flying probe. O boundary scan e esses outros mtodos so importantes na indstria. Para aqueles que desejarem incluir a programao ABEL, uma introduo fornecida no site www.prenhall.com/floyd.

7. PREFCIO vii Recursos Complementares para o Estudante (em ingls) Experiments in Digital Fundamentals, um manual de laboratrio de autoria de David M. Buchla.* Dois CD-ROMs que acompanham esse livro: Arquivos de circuitos para uso com o software Multisim Folhas de dados (data sheets) de dispositivos digitais da Texas Instruments Recursos para o Professor** Slides em PowerPoint . Apresentao com Notas de Aula e figuras do livro. Companion Website (www.prenhall.com/floyd). Esse site oferece para o professor a possibilidade de colocar o seu programa on-line com o nosso Syllabus Manager TM . Essa uma formidvel soluo para estudos a distncia ou para uso em atividades assistidas por computador. Manual do professor. Incluem o desenvolvimento das solues dos problemas do captulo, solues para Aplicaes em Sistemas Digitais, um resumo dos resultados de simulaes com o Multisim e a soluo das questes de laboratrio com manual de laboratrio de David M, Buchla. Test Item File. Essa edio de Test Item File tem mais de 900 questes. TestGen. Essa uma verso eletrnica de Test Item File, que possibilita ao professor personalizar os testes para a classe. Para acessar materiais suplementares on-line, os professores precisam solicitar um cdigo de acesso do professor. Acesse www.prenhall.com, clique no link Instructor Resource Center e em seguida clique em Register Today para obter um cdigo de acesso do professor. Dentro de 48 horas aps o registro voc receber uma confirmao por e-mail incluindo o cdigo de acesso do professor. Uma vez recebido seu cdigo, acesse o website e faa o download do material que vo- c deseja usar. Caractersticas das Ilustraes nos Captulos Incio de Captulo Cada captulo comea com as informaes caractersticas nas duas pri- meiras pginas, como mostra a Figura P1. A pgina da esquerda inclui uma lista de sees do captulo e uma lista de objetivos a serem alcanados no estudo do captulo. Um contedo tpico da pgina direita inclui consideraes gerais do captulo, uma lista de dispositivos especficos apresentados no captulo (cada novo dispositivo indicado por um logo de um CI no ponto onde ele introduzido), uma abordagem prvia resumida de Aplicaes em Sistemas Digitais, uma lista de termos importantes e uma referncia de um website para ajudar no estudo do captulo. Incio de seo Cada seo de um captulo inicia com uma breve introduo que inclui consideraes gerais e objetivos da seo. Uma ilustrao mostrada na Figura P2. Reviso da seo Cada seo termina com uma reviso que consiste de questes ou exerccios que enfatizam os principais conceitos apresentados na seo. Essa caracterstica mostrada na Fi- gura P2. As respostas para as Revises das Sees so apresentadas no final do captulo. * Esse material est disponvel apenas no mercado norte-americano. **Professores interessados em receber material complementar (em ingls e em portugus) devem entrar em contato com a Bookman Editora pelo endereo [email protected] e anexar comprovante de docncia.

8. viii PREFCIO Exemplos resolvidos e problemas propostos Uma grande quantidade de exemplos resolvidos ajudam a ilustrar e esclarecer os conceitos bsicos ou os procedimentos especficos. Cada exemplo termina com um Problema Relacionado que refora ou amplia o exemplo, propondo ao estudante a busca da soluo de um problema similar ao exemplo. Um exemplo resolvido tpico jun- tamente com um Problema Relacionado mostrado na Figura P3. Seo de anlise de defeito Muitos captulos incluem uma seo de anlise de defeito relacio- nada aos tpicos abordados no captulo que enfatiza a tcnica de anlise de defeito e o uso de instrumentos de teste. Uma parte de uma seo de anlise de defeito ilustrada na Figura P4. Aplicaes em sistemas digitais Tpico que aparece no final de diversos captulos apresentan- do uma aplicao prtica dos conceitos abordados no captulo. Ele apresenta um sistema do mundo real no qual a anlise de funcionamento, a anlise de defeito e os elementos do projeto so implementados usando procedimentos abordados no captulo. Alguns tpicos de Aplicaes em Sis- temas Digitais se limitam a um nico captulo e outros se estendem por dois ou mais captulos. Os temas especficos de Aplicaes em Sistemas Digitais so os seguintes: Sistema de controle e contagem de comprimidos: Captulo 1 Display digital: Captulos 4 e 11 Sistema de controle de um tanque de armazenamento: Captulo 5 FIGURA P1 Incio de captulo. 6 FUNES DE LGICA COMBINACIONAL FUNES DE LGICA COMBINACIONAL 6 TPICOS DO CAPTULO 6-1 Somadores Bsicos 6-2 Somadores Binrios Paralelos 6-3 Somadores com Carry Ondulante versus Somadores com Carry Antecipado 6-4 Comparadores 6-5 Decodificadores 6-6 Codificadores 6-7 Conversores de Cdigos 6-8 Multiplexadores (Seletores de Dados) 6-9 Demultiplexadores 6-10 Geradores/Verificadores de Paridade 6-11 Anlise de Defeito Aplicaes em Sistemas Digitais OBJETIVOS DO CAPTULO Fazer distino entre meio-somadores e somadores-completos Usar somadores-completos para implementar somadores binrios em paralelo Explicar as diferenas entre somadores em paralelo com carry ondulante e com carry antecipado Usar o comparador de magnitude para determinar a relao entre dois nmeros binrios e usar comparadores em cascata para conseguir realizar comparaes de nmeros com maior nmero de bits 313 TERMOS IMPORTANTES Meio-somador Somador-completo Conexo em cascata Carry ondulante Carry antecipado Decodificador Codificador Codificador com prioridade Multiplexador (MUX) Demultiplexador (DEMUX) Bit de paridade Glitch DISCUSSO PRVIA DE APLICAES EM SISTEMAS DIGITAIS O tpico Aplicaes em Sistemas Digitais ilustra conceitos abordados neste captulo e lida com uma parte de um sistema de controle de trfego de veculos. Esse mesmo tpico nos Captulos 6, 7 e 8 tem como foco as diversas partes de um sistema de controle de trfego de veculos. Basicamente, esse sistema controla o trnsito no cruzamento de uma rua movimentada com uma rua secundria de pouco movimen- to. Esse sistema inclui uma seo lgica combinacional, para a qual os tpicos desse captulo se aplicam, um circuito de temporizao, para o qual se aplica o Captulo 7 e um circui- to lgico seqencial para o qual se aplica o Captulo 8. ACESSE O SITE Recursos que o ajudaro no estudo deste captulo esto disponveis em http://www.prenhall.com/floyd Implementar um decodificador binrio bsico Usar decodificadores de BCD para 7 segmentos em sistemas com display Usar um codificador de decimal para BCD com prioridade numa aplicao com um teclado simples Converter de binrio para cdigo Gray e vice-versa usando dispositivos lgicos Usar multiplexadores em seleo de dados, displays multiplexa- dos, gerao de funes lgicas e sistemas de comunicao simples Usar decodificadores como demultiplexadores Explicar o significado de paridade Usar geradores e verificadores de paridade para detectar erros de bit em sistemas digitais Implementar um sistema de comunicao de dados simples Identificar glitches, que so problemas comuns em sistemas digitais INTRODUO Neste captulo, diversos tipos de circuitos lgicos combinacionais so apresentados incluindo somadores, comparadores, decodificadores, codificadores, conversores de cdigo, multiplexadores (seletores de dados), demultiplexadores e geradores/verificadores de paridade. So includos tambm exemplos de circuitos integrados (CIs) de funo fixa. DISPOSITIVOS LGICOS DE FUNES FIXAS 74XX42 74XX138 74XX148 74XX157 74XX47 74XX139 74XX151 74XX280 74XX85 74XX147 74XX154 74XX283

9. PREFCIO ix FIGURA P2 Incio de seo e reviso da seo. FIGURA P3 Exemplo e problema relacionado. Exerccio de reviso no final de cada seo. CAPTULO 3 PORTAS LGICAS 133 O termo porta usado para descrever um circuito que realiza uma operao lgica bsica. A porta AND composta de duas ou mais entradas e uma nica sada, conforme indicado pelo smbolo lgico padro mostrado na Figura 38. As entradas esto esquerda e a sada est direita de cada smbolo. A figura mostra portas com duas entradas; entretanto, uma porta AND pode ter qualquer nmero de entradas maior que um. Embora sejam apresentados como exemplos os smbolos caracterstico e retangular, o smbolo caracterstico, mostrado na parte (a), usado predominante- mente nesse livro. Operao de uma Porta AND Uma porta AND produz uma sada de nvel ALTO apenas quando todas as entradas forem nvel ALTO. Quando qualquer uma das entradas for nvel BAIXO, a sada ser nvel BAIXO. Portanto, o propsito bsico da porta AND determinar quando certas condies so simultaneamente verdadeiras, conforme indicado pelos nveis ALTOS em todas as entradas e para produzir um nvel ALTO na sada para indicar que todas essas condies so verdadeiras. As entradas da porta AND de 2 entradas mostrada na Figura 38 so denominadas A e B e a sada denominada X. A opera- o da porta pode ser expressa da seguinte forma: Para uma porta AND de 2 entradas, a sada X ser nvel ALTO apenas quando as entradas A e B forem nvel ALTO; X ser nvel BAIXO quando A ou B for nvel BAIXO, ou ainda quando A e B forem nvel BAIXO. 1. Quando um 1 est na entrada de um inversor, qual a sada? 2. Um pulso ativo em nvel ALTO (nvel ALTO quando acionado, e nvel BAIXO em caso contrrio) faz-se necessrio na entrada de um inversor. (a) Desenhe o smbolo lgico apropriado, usando a forma caracterstica e o indicador de negao, para o inversor dessa aplicao. (a) Descreva a sada quando um pulso positivo aplicado na entrada do inversor. SEO 31 REVISO As respostas esto no final do captulo. 3-2 A PORTA AND A porta AND uma das portas bsicas que pode ser combinada para formar qualquer funo l- gica. Uma porta AND pode ter duas ou mais entradas e realizar uma operao conhecida como multiplicao lgica. Ao final do estudo desta seo voc dever ser capaz de: Identificar uma porta AND pelo seu smbolo caracterstico ou pelo seu smbolo retangular Descrever a operao de uma porta AND Gerar a tabela-verdade para uma porta AND com qualquer nmero de entradas Desenhar um diagrama de temporizao para uma porta AND com quaisquer formas de onda especificadas de entrada Escrever a expresso lgica para uma porta AND com qualquer nmero de entradas Discutir exemplos de aplicaes com portas AND NOTA: COMPUTAO As portas lgicas so os blocos construtivos de computadores. A maioria das funes num computador, exceto certos tipos de memrias, so imple- mentadas com portas lgicas usadas numa escala de integra- o muito ampla. Por exemplo, um microprocessador, a principal parte de um computador, construdo com centenas de mi- lhares ou ainda milhes de portas lgicas. A B X (a) Formato caracterstico A B X (b) Formato retangular com o smbolo de qualificao AND (&) & FIGURA 38 Smbolos lgicos padres para a porta AND de duas entradas (padro 91-1984 da ANSI/IEEE). Uma porta AND pode ter mais que duas entradas. No incio de cada seo existe um pargrafo introdutrio e uma lista de objetivos da seo orientados pelo desempenho esperado. Notas relativas rea de computao so encontradas ao longo do livro. Um cone especial indica os circuitos selecionados que esto no CD-ROM que acompanha este livro. 264 SISTEMAS DIGITAIS O diagrama lgico mostrado na Figura 53(a) mostra um circuito AND-OR-Inversor e o desenvolvimento da expresso de sada de produto-de-somas. O smbolo retangular padro ANSI mostrado na parte (b). Em geral, um circuito AND-OR-Inversor pode ter um nmero qualquer de portas AND tendo cada uma um nmero qualquer de entradas. A operao do circuito AND-OR-Inversor mostrado na Figura 53 expressa como a seguir: Para um circuito lgicoAND-OR-Inversor de 4 entradas, a sada X nvel BAIXO (0) se as entradas A e B estiverem em nvelALTO (1) ou as entradas C e D estiverem em nvelALTO (1). Uma tabela-verdade pode ser desenvolvida a partir da tabela-verdade AND-OR dada na Tabe- la 51 simplesmente trocando todos os 1s por 0s e todos os 0s por 1s na coluna de sada. A B C D CD AB Produto de soma AB + CD = (A + B)(C + D) A B C D X (b) & & 1 AB + CD (a) FIGURA 53 Um circuito AND-OR-Inversor produz uma sada de produto- de-somas. Abra o arquivo F05- 03 para verificar a operao. EXEMPLO 52 Os sensores nos tanques que contm um produto qumico na forma lquida conforme mostra a Figura 51 so substitudos por um novo modelo que produz uma tenso de n- vel BAIXO em vez de uma tenso de nvel ALTO quando o nvel do lquido no tanque cai abaixo de um ponto crtico. Modifique o circuito dado na Figura 52 para operar com nveis lgicos de entrada diferentes e ainda produzir uma sada de nvel ALTO para ativar o indicador quando os nveis em dois tanques quaisquer carem abaixo do ponto crtico. Mostre o diagrama lgico. Soluo O circuito AND-OR-Inversor visto na Figura 54 tem entradas a partir de sensores nos tanques A, B e C como mostrado. A porta AND G1 monitora os nveis nos tanques A e B, a porta G2 monitora os tanques A e C e a porta G3 monitora os tanques B e C. Quando os nveis dos lquidos em dois tanques quaisquer estiverem muito baixos, cada porta AND ter um nvel BAIXO em pelo menos uma entrada fazendo com que sua sada tenha um nvel BAIXO, assim a sada final X a partir do inversor nvel ALTO. Essa sada de nvel ALTO ento usada para ativar um indicador. Problema relacionado Escreva a expresso Booleana para a lgica AND-OR-Inversor mostrada na Figura 54 e mostre que a sada nvel ALTO (1) quando duas entradas quaisquer dentre as entradas A, B e C estiverem em nvel BAIXO (0). X G3 G2 G1 A B C Indicador de nvel baixo FIGURA 54 Os exemplos esto realados do texto. Cada exemplo contm um problema relacionado ao exemplo.

10. x PREFCIO Sistema de controle de um semforo: Captulos 6, 7 e 8 Sistema de segurana: Captulos 9 e 10 O tpico Aplicaes em Sistemas Digitais pode ser tratado como opcional porque a sua omisso no afeta nenhum outro material neste livro. A Figura P5 mostra uma parte de um tpico de Aplicaes em Sistemas Digitais. Final de captulo Os seguintes itens, que ajudam no estudo, aparecem no final de cada captulo: Resumo Glossrio de termos importantes Autoteste Conjunto de problemas que incluem alguns ou todas as seguintes categorias: Bsicos, Anlise de Defeito, Aplicaes em Sistemas Digitais, Projeto e Prtica de Anlise de Defeito Usando o Multisim Respostas das Revises das Sees Respostas dos Problemas Relacionados aos Exemplos Respostas do Autoteste Final do livro Apndices: Converso de cdigos e tabelas de potncias de dois (Apndice A) e circuitos de interface do semforo (Apndice B) 176 SISTEMAS DIGITAIS Falhas Internas em CIs de Portas Lgicas Curtos-circuitos e circuitos abertos so os tipos mais comuns de defeitos internos s portas lgicas. Esses podem ocorrer nas entradas ou na sada de uma porta dentro do encapsulamento de um CI. Antes de voltar a ateno em busca de qualquer defeito, verifique se as tenses de alimenta- o e GND so adequadas. Efeitos de uma Entrada Aberta Internamente Um circuito aberto internamente o resultado de um componente aberto dentro do chip ou uma ruptura no pequenssimo fio que interliga o chip do CI com o terminal do encapsulamento. Uma entrada aberta evita que um sinal na entrada chegue sada da porta, conforme ilustra a Figura367(a) para o caso de uma porta NAND de 2 entradas. Uma entrada TTL aberta funciona efetivamente como um nvel ALTO, de forma que os pulsos aplicados numa entrada boa chegam na sada de uma porta NAND como mostra a Figura 367(b). Condies para o Teste de Portas No teste de uma porta NAND ou porta AND, certifique sempre se as entradas sem sinal esto em nvel ALTO para habilitar a porta. Na verificao do funcionamento de uma porta NOR ou porta OR, certifique sempre se as entradas sem sinal esto em nvel BAIXO. No teste de uma porta EX-OR ou EX-NOR, no importa o nvel lgico na entrada sem sinal porque os pulsos na outra entrada foram as entradas a se alternarem entre os mesmos nveis lgicos e nveis lgicos opostos. Anlise de Defeito para Entradas Abertas A anlise de defeito desse tipo de falha facilmente realizada com o uso de um osciloscpio e um gerador de funes, conforme demonstra a Figu- ra 368 para o caso de um encapsulamento com portas NAND de 2 entradas. Ao medir os sinais digitais com um osciloscpio, sempre use o acoplamento cc (dc). 3-9 ANLISE DE DEFEITO A anlise de defeito o processo de reconhecer, isolar e corrigir um defeito ou falha num circui- to ou sistema. Para ser um tcnico de manuteno efetivo, o leitor precisa entender como o circuito ou sistema deve funcionar e ser capaz de reconhecer os problemas de funcionamento. Por exemplo, para determinar se uma porta lgica especfica est ou no com defeito, o tcnico tem que saber qual deve ser a resposta de sada para determinadas entradas. Ao final do estudo desta seo voc dever ser capaz de: Testar CIs de portas lgicas pesquisando entradas e sadas abertas Reconhecer os efeitos de uma entrada ou sada de CI em curto-circuito Testar placas de circuito impresso pesquisando defeitos externos aos dispositivos Fazer uma anlise de defeito num freqencmetro simples usando um osciloscpio ALTO Entrada aberta Sem pulsos (a) Entrada aberta (b) A aplicao de pulsos numa entrada em perfeito estado produz pulsos na sada para portas AND e NAND TTL porque uma entrada aberta funciona tipicamente como se estivesse em nvel ALTO. No caso de um dispositivo CMOS, o estado incerto. A aplicao de pulsos numa entrada aberta no produz pulsos na sada. FIGURA 367 O efeito de uma entrada aberta numa porta NAND. CAPTULO 3 PORTAS LGICAS 177 O primeiro passo na anlise de defeito num CI suspeito de estar com falhas certificar que a tenso e alimentao (VCC) e GND esto presentes nos pinos apropriados do CI. Em seguida, aplique pulsos numa das entradas da porta, certificando que a outra entrada esteja em nvel ALTO (no caso de uma porta NAND). A Figura 368(a) mostra a aplicao de uma forma de onda digital no pino 13, que uma das entradas da porta suspeita. Se uma forma de onda digital aparecer na sada (pino 11 nesse caso), ento a entrada no pino 13 no est aberta. A propsito, isso tambm prova que a sada no est aberta. Em seguida, aplique a forma de onda digital na outra entrada da porta (pino 12), garantindo que a outra entrada seja nvel ALTO. No existe forma de onda digital na sada (pino 11) e a sada est em nvel BAIXO, indicando que a entrada no pino 12 est aberta, conforme mostra a Figura 368(b). A entrada sem pulsos tem que ser nvel ALTO para o caso da porta NAND ou porta AND. Se fosse uma porta NOR, a entrada sem sinal teria que estar em nvel BAIXO. Efeitos de uma Sada Aberta Internamente A sada de uma porta aberta internamente evita que um sinal em qualquer das entradas chegue at ela. Portanto, no importa quais so as condies das entradas, a sada no afetada. O nvel na sada do pino do CI depende do que est co- FIGURA 368 nlise de defeito numa porta NAND com uma entrada aberta. +VCC GND +VCC GND (a) A entrada no pino 13 e a sada no pino 11 esto OK. (b) A entrada no pino 12 est aberta. Ponta de prova do osciloscpio Ponta de prova do osciloscpioPonta de prova do osciloscpio Ponta de prova do osciloscpio A partir do gerador de funes A partir do gerador de funes ALTO ALTO FIGURA P4 Pginas representativas da seo Anlise de Defeito.

11. PREFCIO xi Respostas dos problemas de nmero mpar Glossrio ndice Para o estudante A tecnologia digital fascinante! A maioria dos equipamentos/servios j digital ou passar a ser num futuro prximo. Por exemplo, os telefones celulares e outros tipos de comunicaes sem fio, televiso, rdio, controle de processos, eletrnica automotiva, equipamentos de eletrnicos de consumo, navegao global, sistemas militares, para citar apenas algumas aplicaes, dependem intensamente da eletrnica digital. Uma abordagem consistente dos fundamentos da tecnologia digital ir prepar-lo para atividades altamente qualificadas e bem remuneradas no futuro prximo. O mais importante entender os seus fundamentos essenciais. Com isso, voc poder se desenvolver em qualquer rea. Alm disso, a lgica programvel est se tornando extremamente importante na tecnologia atual sendo que tpicos relacionados so apresentados nesse livro. claro que, uma anlise de defeito eficiente uma habilidade que tambm bastante desejada. Este livro tambm aborda mtodos de anlise de defeito e teste a partir de testes tradicionais a tcnicas de fabricao, tais como bed-of-nails, flying probe e boundary scan. Esses so exemplos de experincias que voc pode ad- quirir com um esforo aplicado ao estudo dos conceitos apresentados. Os CD-ROMs Dois CDs acompanham este livro. Um contm folhas de dados (data sheets) de circuitos integrados digitais. O outro contm arquivos de circuitos para uso com o software Mul- tisim Verso 2001 ou 7 (os arquivos dos circuitos para essas verses bem como para uso com o Multisim 8 tambm esto disponveis no site www.prenhall.com/floyd). 364 SISTEMAS DIGITAIS Nesta seo de aplicaes em sistemas digitais, comeamos a trabalhar com um sistema de controle de semforo de trnsito. Estabelecemos aqui os requisitos do sistema, desenvolvemos um diagrama em bloco e criamos um diagrama de estados para definir a seqncia de operao. Faremos o projeto da parte do sistema que envolve lgica combinacional e consideraremos os mtodos de teste. A temporizao e as partes seqenciais do sistema sero trata- das nos Captulos 7 e 8. Requisitos Gerais de Sistema Um controlador digital necessrio para controlar um semforo de trnsito na in- terseo de uma via principal e uma via secundria. A via principal ter um sinal verde de pelo menos 25 s ou continuar verde enquanto no houver veculos na via secundria. A via secundria ter um sinal verde enquanto no existir veculos na via principal ou por um mximo de 25 s. Tere- mos um sinal amarelo de ateno durante 4 s entre a mudana do verde para o vermelho nas vias principal e secundria. Es- ses requisitos esto ilustrados no diagrama ilustrado na Figura 665. Desenvolvimento de um Diagrama em Bloco do Sistema A partir dos requisitos podemos desenvolver um diagrama em bloco do sistema. Primeiro, sabemos que o sistema tem que controlar seis diferentes pares de luz. Es- sas luzes so vermelho, amarelo e verde para as duas direes da via principal e vermelho, amarelo e verde nas duas direes da via secundria. Alm disso, sabemos que existe uma entrada externa (alm da alimentao) a partir do sensor de veculos na via secundria. A Figura 666 mostra um diagrama em bloco mnimo com esses requisitos. Usando o diagrama em bloco mnimo do sistema, podemos comear a detalh- lo. O sistema tem quatro estados, conforme indicado na Figura 665, assim necessrio um circuito lgico para controlar a seqncia de estados (lgica seqencial). Alm disso, so necessrios circuitos para gerar os intervalos de tempo adequados de 25 s e 4 s que so necessrios no sistema e para gerar um sinal de clock para a operao cclica do sistema (circuitos de temporizao). Os intervalos de tempo (longo e curto) e o sensor de veculo so entradas para a lgica seqencial porque o seqenciamento dos estados uma fun- o dessas variveis. Os circuitos lgicos tambm so necessrios para determinar em qual dos quatro estados o sistema est em qualquer momento especificado, para gerar as sadas adequadas para as luzes (decodificador de estados e circuito lgico de acionamento das luzes) e para iniciar os intervalos de tempo longo e curto. Os circuitos de interface so includos no semforo e a unidade de interface para converter os nveis de sada do circuito de acionamento das luzes para as tenses e cor- rentes necessrias para ligar cada uma das luzes. A Figura 667 mostra um diagrama em bloco mais detalhado mostrando esses elementos essenciais. Diagrama de Estados Um diagrama de estados mostra grafica- mente a seqncia de estados num sistema e as condies para cada estado e para as transies de um estado para o prximo. Na realidade, a Figura 665 uma forma de diagrama de estados porque mostra a seqncia de estados e as condies. Definio de Variveis Antes que um diagrama de estados tradicional possa ser desenvolvido, as variveis que determinam como as seqncias do sistema atravs dos estados tem que ser definidas. Essas variveis e os seus smbolos so apresentadas a seguir: Presena de veculo na via secundria = Vs Temporizador de 25 s (temporizador longo) ligado = TL APLICAES EM SISTEMAS DIGITAIS FIGURA 665 Requisito para a seqncia do semforo de trnsito. Primeiro estado: pelo menos 25 segundos ou enquanto no existir veculo na via secundria Segundo estado: 4 segundos Terceiro estado: mximo de 25 segundos ou at que no tenha veculo na via secundria Quarto estado: 4 segundos Via principal Via secundria Via principal Via secundria Via principal Via secundria Via principal Via secundria CAPTULO 6 FUNES DE LGICA COMBINACIONAL 365 Temporizador de 4 s (temporizador curto) ligado = TS O uso de variveis complementadas indica as condies opostas. Por exemplo, V S indica que no existe veculo na via secundria, T L indica que o temporizador longo es- t desligado (off), T S indica que o temporizador curto est desligado (off). Descrio do Diagrama de Estados Um diagrama de estados mostrado na Figu- ra 668. Cada um dos quatro estados indicado com uma seqncia de cdigo FIGURA 666 Um diagrama em bloco do sistema mnimo. FIGURA 667 Diagrama em bloco mostrando os elementos essenciais. Sensor de veculo Unidade de interface e semforo Vermelho Amarelo Verde Vermelho Amarelo Verde Via principal Via secundria Lgica de controle do semforo Unidade de interface e semforo Vermelho Amarelo Verde Vermelho Amarelo Verde Via principal Via secundria Lgica combinacional Lgica seqencial Trigger longo Trigger curto S1 S0Cdigo Gray Entrada do sensor de veculo Tempo- rizador longo Tempo- rizador curto Clock Circuitos temporizadores Lgica de controle do semforo Estudo finalizado neste captulo Estudo finalizado no Captulo 7 Estudo finalizado no Captulo 8 FIGURA P5 Pginas representativas da seo Aplicaes em Sistemas Digitais.

12. xii PREFCIO Guia do usurio para professores Geralmente o tempo ou a nfase do programa do curso determina quais tpicos sero abordados. No incomum omitir ou condensar tpicos ou alterar sua seqncia para personalizar o material para um curso em particular. O autor reconhecendo isso projetou este livro especificamente para prover uma grande flexibilidade na abordagem dos tpicos. O livro organizado em torno de um ncleo de tpicos fundamentais que so, em sua maioria, essenciais em qualquer curso de eletrnica. Inclui outros tpicos que podem ser includos ou omitidos dependendo da nfase do curso ou de outros fatores. A Figura P6 ilustra esse conceito de modularidade. Fundamentos essenciais Os tpicos fundamentais da lgica digital, em sua maior parte, devem ser abordados em todos os programas. Em conexo com esse ncleo esto alguns tpicos sa- tlites que podem ser considerados para omisso ou incluso, dependendo dos objetivos do curso. Qualquer bloco em torno do ncleo pode ser omitido sem afetar os fundamentos essenciais. Lgica programvel Esse tpico pode ser omitido, mas recomendvel a sua abordagem se possvel. A lgica programvel pode ser abordada de forma superficial ou medida que for considerada prtica, de acordo com o programa. Anlise de defeito As sees de anlise de defeito aparecem em muitos captulos. Aplicaes em sistemas digitais As aplicaes de sistemas aparecem em vrios captulos. Tecnologias de circuitos integrados Alguns ou todos os tpicos do Captulo 14 podem ser abordados caso seja desejado discutir detalhes dos circuitos internos de CIs digitais. Tpicos especiais Esses tpicos so: Introduo aos Computadores e Processamento de Sinais Digitais nos Captulos 12 e 13 respectivamente. Esses so tpicos especiais e podem no ser essenciais ao seu curso. A partir do diagrama da Figura P6, podemos omitir ou enfatizar tpicos em funo de restri- es de tempo ou outras prioridades. Por exemplo, nos fundamentos essenciais, cdigos de corre- o de erros, somadores com carry antecipado, projeto lgico seqencial e outros tpicos selecionados podem ser omitidos. Personalizao do sumrio Voc pode percorrer os tpicos abordados neste livro de vrias maneiras, dependendo dos objetivos do seu programa. Caso voc escolha uma abordagem m- nima apenas com os fundamentos essenciais, uma abordagem completa de todos os tpicos ou qualquer abordagem intermediria, este livro se adapta s suas necessidades. O sumrio codi- FIGURA P6 LGICA PROGRAMVEL FUNDAMENTOS ESSENCIAIS TPICOS ESPECIAIS ANLISE DE DEFEITO APLICAES EM SISTEMAS TECNOLOGIAS DE CIRCUITO INTEGRADO

13. PREFCIO xiii ficado em cores as quais coincidem com as cores dos blocos na Figura P6. Isso permite iden- tificao dos tpicos para omisso ou incluso personalizando o seu curso. Algumas opes para o uso deste livro so mostradas a seguir em termos dos tpicos codifi- cados em cores conforme a Figura P6. Outras opes tambm so possveis incluindo abordagem parcial de alguns tpicos. Agradecimentos Este livro inovador o resultado dos esforos e das habilidades de muitas pessoas. Eu penso que alcanamos o nosso objetivo, que foi a produo de um livro insupervel. Na Prentice Hall, Kate Linsner e Rex Davidsom contriburam bastante com tempo, talento e esforo para conduzir esse projeto em suas diversas fases para produzir esse livro conforme voc pode constatar. Lois Porter fez um trabalho fantstico de edio dos manuscritos. Ela desvendou os mistrios das observaes e das anotaes freqentemente quase ilegveis desse autor e, a partir dessa baguna, extraiu um manuscrito editado inacreditavelmente organizado e esplndido. Alm disso, Jane Lopez fez outro belo trabalho com os grficos. Outra pessoa que contribuiu significativamente para este livro foi Gary Snyder, fornecendo todos os arquivos de circuitos Multisim (nas verses 2001, 7 e 8 que se encontram no Companion Website www.prenhall.com/floyd). Eu estendo os meus agradecimentos e reconhecimento a todas essas pessoas e tambm quelas que indiretamente estiveram en- volvidas nesse projeto. Na reviso deste e de todos os outros livros, dependo dos comentrios de muitos usurios e no-usurios. Quero oferecer os meus sinceros agradecimentos aos seguintes revisores, aos quais submeti muitas sugestes valiosas e forneceram muitas crticas construtivas: Bo Barry, University of North Carolina-Charlotte; Chuck McGlumphy, Belmont Thecnical College; e Amy Ray, Mit- chell Community College. Minhas apreciaes para David Buchla pelo seu esforo em garantir que o manual de laboratrio ficasse em conformidade com o livro-texto e pelas suas observaes valiosas. Gostaria tambm de mencionar Muhammed Arif Shabir pelas suas sugestes concernentes a registradores de deslocamento. Agradeo a todos os membros da equipe de vendas da Prentice Hall cujos esforos tm aju- dado a tornar este livro acessvel a um grande nmero de leitores pelo mundo. Alm disso, agradeo a todos que adotam este livro em suas escolas ou para uso prprio. Sem vocs, no estara- mos neste negcio. Espero que este livro seja uma valiosa ferramenta de aprendizagem e uma referncia para os estudantes. Tom Floyd Opo 1 Opo 2 Opo 3 Opo 4 Opo 5

14. 1 Eletrnica Digital Conceitos 18 1-1 Grandezas Analgicas e Digitais 20 1-2 Dgitos Binrios, Nveis Lgicos e Formas de Onda Digitais 22 1-3 Operaes Lgicas Bsicas 28 1-4 Viso Geral das Funes Lgicas Bsicas 30 1-5 Circuitos Integrados de Funes Fixas 35 1-6 Introduo Lgica Programvel 38 1-7 Instrumentos de Medio e Teste 43 Aplicaes em Sistemas Digitais 54 2 Sistemas de Numerao, Operaes e Cdigos 62 2-1 Nmeros Decimais 64 2-2 Nmeros Binrios 66 2-3 Converso de Decimal para Binrio 69 2-4 Aritmtica Binria 72 2-5 Complementos de 1 e de 2 de Nmeros Binrios 76 2-6 Nmeros Sinalizados 78 2-7 Operaes Aritmticas com Nmeros Sinalizados 84 2-8 Nmeros Hexadecimais 91 2-9 Nmeros Octais 98 2-10 Decimal Codificado em Binrio (Bcd) 100 2-11 Cdigos Digitais 103 2-12 Cdigos de Deteco e Correo de Erro 111 3 Portas Lgicas 128 3-1 O Inversor 130 3-2 A Porta AND 133 3-3 A Porta OR 140 3-4 A Porta NAND 145 3-5 A Porta NOR 150 3-6 As Portas OR Exclusivo e NOR Exclusivo 155 3-7 Lgica Programvel 159 3-8 Lgica de Funes Fixas 166 3-9 Anlise de Defeito 176 4 lgebra Booleana e Simplificao Lgica 198 4-1 Operaes e Expresses Booleanas 200 4-2 Leis e Regras da lgebra Booleana 201 4-3 Teoremas de DeMorgan 207 4-4 Anlise Booleana de Circuitos Lgicos 210 4-5 Simplificao Usando a lgebra Booleana 212 4-6 Formas Padronizadas de Expresses Booleanas 216 4-7 Expresses Booleanas e Tabelas-verdade 222 4-8 O Mapa de Karnaugh 226 4-9 Minimizao de Soma-de-Produtos Usando o Mapa de Karnaugh 228 4-10 Minimizao de Produto-de-Somas Usando o Mapa de Karnaugh 237 4-11 Mapas de Karnaugh de Cinco Variveis 241 4-12 VHDL (Opcional) 244 Aplicaes em Sistemas Digitais 246 5 Anlise Lgica Combinacional 260 5-1 Circuitos Lgicos Combinacionais Bsicos 262 5-2 Implementao de Lgica Combinacional 266 5-3 A Propriedade Universal das Portas NAND e NOR 272 5-4 Lgica Combinacional Usando Portas NAND e NOR 274 5-5 Operao de Circuitos Lgicos com Formas de Onda Digitais nas Entradas 279 5-6 Lgica Combinacional com VHDL (Opcional) 282 5-7 Anlise de Defeito 288 Aplicaes em Sistemas Digitais 294 6 Funes de Lgica Combinacional 312 6-1 Somadores Bsicos 314 6-2 Somadores Binrios Paralelos 317 6-3 Somadores com Carry Ondulante versus Somadores com Carry Antecipado 324 Sumrio Tpicos que podem ser considerados opcionais.

15. 16 SUMRIO 6-4 Comparadores 327 6-5 Decodificadores 332 6-6 Codificadores 340 6-7 Conversores de Cdigos 345 6-8 Multiplexadores (Seletores de Dados) 347 6-9 Demultiplexadores 356 6-10 Geradores/verificadores de Paridade 358 6-11 Anlise de Defeito 361 Aplicaes em Sistemas Digitais 364 7 Latches, Flip-Flops e Temporizadores 386 7-1 Latches 388 7-2 Flip-Flops Disparados por Borda 394 7-3 Caractersticas de Operao dos Flip-Flops 406 7-4 Aplicaes de Flip-Flops 409 7-5 Monoestveis 414 7-6 Temporizador 555 419 7-7 Anlise de Defeito 425 Aplicaes em Sistemas Digitais 427 8 Contadores 442 8-1 Operao de Contadores Assncronos 444 8-2 Operao de Contadores Sncronos 452 8-3 Contadores Sncronos Crescente/ Decrescente 460 8-4 Projeto de Contadores Sncronos 463 8-5 Contadores em Cascata 473 8-6 Decodificao de Contador 477 8-7 Aplicaes de Contadores 480 8-8 Smbolos Lgicos com Notao de Dependncia 485 8-9 Anlise de Defeito 487 Aplicaes em Sistemas Digitais 491 9 Registradores de Deslocamento 508 9-1 Funes Bsicas de Registradores de Deslocamento 510 9-2 Registradores de Deslocamento com Entrada Serial/Sada Serial 511 9-3 Registradores de Deslocamento com Entrada Serial/Sada Paralela 515 9-4 Registradores de Deslocamento com Entrada Paralela/Sada Serial 517 9-5 Registradores de Deslocamento com Entrada Paralela/Sada Paralela 521 9-6 Registradores de Deslocamento Bidirecionais 523 9-7 Registradores de Deslocamento como Contadores 526 9-8 Aplicaes de Registradores de Deslocamento 530 9-9 Smbolos Lgicos com Notao de Dependncia 537 9-10 Anlise de Defeito 538 Aplicaes em Sistemas Digitais 541 10 Memria e Armazenamento 552 10-1 Fundamentos de Memria Semicondutora 554 10-2 Memrias de Acesso Aleatrio (RAMS) 558 10-3 Memrias Apenas de Leitura (ROMS) 571 10-4 ROMS Programveis (PROMS e EPROMS) 576 10-5 Memrias Flash 579 10-6 Expanso de Memria 584 10-7 Tipos Especiais de Memrias 590 10-8 Armazenamento Magntico e ptico 595 10-9 Anlise de Defeito 601 Aplicaes em Sistemas Digitais 605 11 Lgica Programvel e Software 620 11-1 Lgica Programvel: SPLDs e CPLDs 622 11-2 CPLDs Altera 630 11-3 CPLDs Xilinx 636 11-4 Macroclulas 639 11-5 Lgica Programvel: FPGAs 644 11-6 FPGAs Altera 649 11-7 FPGAs Xilinx 653 11-8 Software para Lgica Programvel 659 11-9 Lgica Boundary Scan 670 11-10 Anlise de Defeito 678 Aplicaes em Sistemas Digitais 684 12 Introduo aos Computadores 708 12-1 O Computador Bsico 710 12-2 Microprocessadores 714 12-3 Uma Famlia Especfica de Microprocessador 716 12-4 Programao de um Computador 723 12-5 Interrupes 734 12-6 Acesso Direto Memria (DMA) 736

16. SUMRIO 17 12-7 Interfaceamento Interno 738 12-8 Barramentos Padro 742 13 Introduo ao Processamento de Sinais Digitais 758 13-1 Fundamentos de Processamento de Sinais Digitais 760 13-2 Converso de Sinal Analgico para Digital 761 13-3 Mtodos de Converso Analgico-Digital 767 13-4 Processador de Sinais Digitais (DSP) 778 13-5 Mtodos de Converso Digital-Analgico 784 14 Tecnologias de Circuitos Integrados 800 14-1 Caractersticas e Parmetros Operacionais Bsicos 802 14-2 Circuitos CMOS 810 14-3 Circuitos TTL 815 14-4 Consideraes Prticas no Uso de TTL 820 14-5 Comparao de Desempenho entre CMOS e TTL 828 14-6 Circuitos de Lgica Acoplada pelo Emissor (ECL) 829 14-7 PMOS, NMOS e E2 CMOS 830 APNDICES A Converses 841 B Interface para um Semforo Luminoso 843 Repostas para os Problemas de Nmero mpar 844 Glossrio 872 ndice 883

17. TPICOS DO CAPTULO 1-1 Grandezas Analgicas e Digitais 1-2 Dgitos Binrios, Nveis Lgicos e Formas de Onda Digitais 1-3 Operaes Lgicas Bsicas 1-4 Viso Geral das Funes Lgicas Bsicas 1-5 Circuitos Integrados de Funes Fixas 1-6 Introduo Lgica Programvel 1-7 Instrumentos de Medio e Teste Aplicaes em Sistemas Digitais OBJETIVOS DO CAPTULO Explicar as diferenas bsicas entre grandezas analgicas e digitais Mostrar como os nveis de tenso so usados para representar grandezas digitais Descrever os diversos parmetros da forma de onda de um pulso tais como tempo de subida, tempo de descida, largura de pulso, freqncia, perodo e ciclo de trabalho Explicar as operaes lgicas bsicas AND, OR e NOT Descrever as funes lgicas dos circuitos comparador, somador, conversor de cdigo, codificador, decodificador, multiplexador, demultiplexador, contador e registrador ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 11

18. Analgico Digital Binrio Bit Pulso Clock Diagrama de temporizao Dados Serial Paralelo Lgica Entrada Sada Porta NOT Inversor AND OR Circuito integrado (CI) SPLD CPLD FPGA Compilador Anlise de defeito Identificar circuitos integrados digitais de funes fixas, de acordo com a complexidade deles, e os tipos de encapsulamentos de CIs Identificar a numerao de pinos nos encapsulamentos dos circuitos integrados Descrever a lgica de programao, discutir os diversos tipos e descrever como so programados os PLDs Reconhecer os diversos instrumentos e compreender como eles so usados em medies e anlise de defeito em sistemas e circuitos digitais Mostrar como um sistema digital completo formado combi- nando as funes bsicas em aplicaes prticas 19 ACESSE O SITE Recursos que o ajudaro no estudo deste captulo esto disponveis em http://www.prenhall.com/floyd INTRODUO O termo digital derivado da forma com que os computadores realizam operaes, contando dgitos. Durante muitos anos, as aplicaes da eletrnica digital ficaram confinadas aos sistemas computacionais. Hoje em dia, a tecnologia digi- TERMOS IMPORTANTES Termos importantes na ordem em que aparecem no captulo. tal aplicada em diversas reas alm da rea computacional. Aplicaes como televiso, sistemas de comunicao, radar, sistemas de navegao e direcionamento, sistemas militares, instrumentao mdica, controle de processos industriais e equipamentos eletrnicos de consumo usam tcnicas digitais. Ao longo dos anos a tecnologia digital tem progredido desde os circuitos com vlvulas, passando pelos circuitos com transistores discretos, at os circuitos integrados complexos, alguns dos quais contm milhes de transistores. Esse captulo fornece uma introduo eletrnica digital e propicia uma ampla viso dos diversos conceitos, compo- nentes e ferramentas importantes. DISCUSSO PRVIA DE APLICAES EM SISTEMAS DIGITAIS A abordagem adotada no final de vrios captulos deste livro faz uso de aplicaes em sistemas para explorar os principais assuntos do captulo. Cada sistema projetado de forma a ser adequado aos assuntos tratados para ilustrar como a teoria e os dispositivos podem ser usados. Cinco sistemas diferentes so apresentados ao longo do livro, sendo que alguns abordam dois ou mais captulos. Todos os sistemas so simplificados para torn-los adequados ao contexto do material do captulo. Embora esses sistemas sejam baseados em requisitos de sistemas reais, eles so projetados de forma a se ajustarem aos tpicos de- senvolvidos sem a inteno de representar a abordagem mais eficiente ou definitiva para uma determinada aplicao. Este captulo introduz o primeiro sistema, o qual se en- quadra na rea de controle de processos industriais e que faz a contagem e o controle de itens no empacotamento numa linha transportadora. Este foi projetado para incorporar todas as funes lgicas que so introduzidas neste captulo de forma que o leitor possa ver como elas so usadas e como funcionam em conjunto para alcanar um objetivo.

19. 20 SISTEMAS DIGITAIS 1-1 GRANDEZAS ANALGICAS E DIGITAIS Os circuitos eletrnicos podem ser divididos em duas grandes categorias, digitais e analgicos. A eletrnica digital envolve grandezas com valores discretos e a eletrnica analgica envolve grandezas com valores contnuos. Ainda que o leitor estude os fundamentos da eletrnica digital neste livro, deve conhecer tambm algo sobre eletrnica analgica, pois muitas aplicaes reque- rem conhecimentos das duas reas; so igualmente importantes os conhecimentos relativos ao interfaceamento entre essas reas. Ao final do estudo desta seo voc dever ser capaz de: Definir grandeza analgica Definir grandeza digital Explicar a diferena entre grandezas analgicas e digitais Enunciar as vantagens dos sistemas digitais sobre os analgicos Apresentar exemplos de como as grandezas digitais e analgicas so usadas em eletrnica Uma grandeza analgica* aquela que apresenta valores contnuos. Uma grandeza digital aquela que apresenta valores discretos. A maioria daquilo que se pode medir quantitativamente na natureza se encontra na forma analgica. Por exemplo, a temperatura do ar varia numa faixa contnua de valores. Durante um determinado dia, a temperatura no passa, digamos, de 71 F para 72 F (~21,7 C para ~22,2 C) instantaneamente; ela passa por toda uma infinidade de valores in- termedirios. Se fizermos um grfico da temperatura em um dia de vero tpico, teremos uma curva contnua e de variao suave similar curva mostrada na Figura 11. Outros exemplos de grandezas analgicas so tempo, presso, distncia e som. Em vez de fazer um grfico da temperatura em uma base contnua, suponha que faamos a leitura da temperatura apenas a cada hora.Agora temos valores amostrados que representam a temperatura em pontos discretos no tempo (de hora em hora) ao longo de um perodo de 24 horas, conforme indicado na Figura 12. Efetivamente convertemos uma grandeza analgica em um formato que podemos agora digitalizar representando cada valor amostrado por um cdigo digital. importante perce- ber que a Figura 12 no propriamente uma representao digital de uma grandeza analgica. Vantagens dos Sistemas Digitais A representao digital tem certas vantagens sobre a representao analgica em aplicaes eletrnicas. Para citar uma, dados digitais podem ser processados e transmitidos de forma mais eficiente e confivel que dados analgicos. Alm disso, dados digitais possuem uma grande vantagem quando necessrio armazenamento (memorizao). Por exemplo, a msica quando convertida para o formato digital pode ser armazenada de forma mais compacta e reproduzida com maior preciso e pureza que quando est no formato analgico. O rudo (flutuaes indesejadas na tenso) quase no afeta os dados digitais tanto quanto afeta os sinais analgicos. * Todos os termos destacados em negrito so importantes e esto definidos no Glossrio que se encontra no final do livro. Aqueles termos em negrito e em cor so termos-chave e esto includos nos Termos Importantes no final de cada captulo. 1 100 A.M. 95 90 85 80 75 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 P.M. (F) 70 Hora do dia Temperatura FIGURA 11 Grfico de uma grandeza analgica (temperatura versus tempo).

20. CAPTULO 1 ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 21 Um Sistema Eletrnico Analgico Um sistema de amplificao de som que pode ser ouvido por uma grande quantidade de pessoas um exemplo simples de uma aplicao da eletrnica analgica. O diagrama bsico na Figura 13 ilustra as ondas sonoras, que so de natureza analgica, sendo captadas por um microfone e convertidas em uma pequena tenso analgica denominada sinal de udio. Essa tenso varia continuamente de acordo com as variaes no volume e na freqncia do som e aplicada na entrada de um amplificador linear. A sada do amplificador, que uma reproduo ampliada da tenso de entrada, enviada para o(s) alto- falante(s). O alto-falante converte o sinal de udio amplificado de volta para o formato de ondas sonoras com um volume muito maior que as ondas sonoras originais captadas pelo microfone. Um Sistema que Usa Mtodos Analgicos e Digitais O aparelho de CD (compact disk) um exemplo de um sistema no qual so usados tanto circuitos digitais quanto analgicos. O diagrama em bloco simplificado que visto na Figura 14 ilustra o princpio bsico. A msica no formato digital armazenada no CD. Um sistema ptico com dio- do laser capta os dados digitais a partir do disco girante e os transfere para um conversor digital- analgico (DAC digital-to-analog converter). 1 100 95 90 85 80 75 70 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hora do dia Temperatura (F) FIGURA 12 Representao dos valores amostrados (quantizao) da grandeza analgica mostrada na Figura 11. Cada valor representado por um ponto pode ser di- gitalizado sendo representado por um cdigo digital que consiste de uma srie de 1s e 0s. Sinal de udio Sinal de udio amplificado Alto-falante Microfone Ondas sonoras originais Ondas sonoras reproduzidas Amplificador linear FIGURA 13 Um sistema bsico de amplifica- o de udio. Dados digitais Acionador de CD 10110011101 Reprocuo analgica do sinal de msica Alto-falante Ondas sonoras Conversor digital-analgico Amplificador linear FIGURA 14 Diagrama em bloco bsico de um aparelho de CD. Apenas um canal mostrado.

21. 22 SISTEMAS DIGITAIS O DAC converte os dados digitais em um sinal analgico que uma reproduo eltrica da mu- sica original. Esse sinal amplificado e enviado ao auto-falante para que as pessoas apreciem. Quan- do a msica gravada originalmente no CD, um processo essencialmente contrrio ao que descre- vemos aqui acontece usando um conversor analgico-digital (ADC analog-to-digital converter). SEO 11 REVISO As respostas esto no final do captulo. Dgitos Binrios Cada um dos dois dgitos de um sistema binrio, 1 e 0, denominado bit, uma contrao das pa- lavras binary digit (dgito binrio). Em circuitos digitais, dois nveis de tenso diferentes so usados para representar os dois bits. Geralmente, 1 representado pela tenso maior, a qual chama- mos de nvel ALTO, e o 0 representado pelo nvel de tenso menor, o nvel BAIXO. Essa forma de representao denominada lgica positiva e usada ao longo desse livro. ALTO = 1 e BAIXO = 0 Um outro sistema no qual o 1 representado por um nvel BAIXO e o 0 representado por um nvel ALTO chamado de lgica negativa. Grupos de bits (combinao de 1s e 0s), denominados cdigos, so usados para representar nmeros, letras, smbolos, instrues e qualquer outro tipo de grupo necessrio para uma determinada aplicao. Nveis Lgicos As tenses usadas para representar 1 e 0 so denominados nveis lgicos. Teoricamente, um nvel de tenso representa um nvel ALTO e o outro representa um nvel BAIXO. Entretanto, em um circuito digital prtico, um nvel ALTO pode ser qualquer tenso entre um valor mnimo e um valor 1-2 DGITOS BINRIOS, NVEIS LGICOS E FORMAS DE ONDA DIGITAIS A eletrnica digital envolve circuitos e sistemas nos quais existem apenas dois estados possveis. Esses estados so representados por dois nveis de tenso diferentes: um ALTO e um BAIXO. Os dois estados tambm podem ser representados por nveis de corrente, bits e ressaltos num CD ou DVD, etc. Em sistemas digitais tais como computadores, as combinaes de dois estados, denominadas cdigos, so usadas para representar nmeros, smbolos, caracteres alfabticos e outros tipos de informaes. O sistema de numerao de dois estados denominado de binrio e os seus dois dgitos so 0 e 1. Um dgito binrio denominado de bit. Ao final do estudo desta seo voc dever ser capaz de: Definir binrio Definir bit Especificar os bits num sistema binrio Explicar como os nveis de tenso so usados para representar bits Explicar como os nveis de tenso so in- terpretados por um circuito digital Descrever as caractersticas gerais de um pulso De- terminar a amplitude, o tempo de subida, o tempo de descida e a largura de um pulso Iden- tificar e descrever as caractersticas de uma forma de onda digital Determinar a amplitude, o perodo, a freqncia e o ciclo de trabalho de uma forma de onda digital Explicar o que um diagrama de temporizao e dizer qual a finalidade dele Explicar a transferncia serial e paralela de dados e dizer quais so as vantagens e desvantagens de cada uma 1. Escreva o significado de analgico. 2. Escreva o significado de digital. 3. Explique a diferena entre uma grandeza digital e uma grandeza analgica. 4. Cite um exemplo de um sistema analgico e de um outro sistema que combina tcnicas analgicas e digitais. Cite tambm um sistema totalmente digital. NOTA: COMPUTAO O conceito de um computador digital pode nos levar de volta a Charles Babage, quem desenvolveu um dispositivo computacional mecnico primitivo nos anos de 1830. John Atanasoff foi o primeiro a aplicar o processamento eletrnico computao digital em 1939. Em 1946, um computador digital eletrnico chamado ENIAC foi implemen- tado com circuitos vlvula. Mesmo ocupando toda uma sala, o ENIAC no tinha o poder computacional das nossas calcu- ladoras portteis.

22. CAPTULO 1 ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 23 mximo especificados. Da mesma forma, um nvel BAIXO pode ser qualquer valor de tenso entre um valor mnimo e mximo especificados. No existe sobreposio entre as faixas aceitveis para os nveis ALTO e BAIXO. A Figura 15 ilustra as faixas dos nveis ALTO e BAIXO para um circuito digital. A varivel VH(mx) representa o valor mximo de tenso para o nvel ALTO e VH(mn) representa o valor mnimo de tenso para o nvel ALTO. O valor mximo de tenso para o nvel BAIXO representado por VL(mx) e o valor mnimo de tenso para o nvel BAIXO representado por VL(mn). Os valores de tenso entre VL(mx) e VH(mn) so inaceitveis para uma operao adequada. Uma tenso na faixa proibida pode ser interpretada tanto como um nvel ALTO quanto um nvel BAIXO por um determinado circuito sendo, portanto, valores inaceitveis. Por exemplo, os valores referentes ao nvel ALTO para um determinado circuito digital chamado de CMOS pode variar de 2 V a 3,3 V e os valores referentes ao nvel BAIXO podem varia de 0 a 0,8 V. Assim, por exemplo, se uma tenso de 2,5 V for aplicada, o circuito interpretar como um nvel BAIXO ou binrio 0. Para esse tipo de circuito, as tenses entre 0,8 V e 2 V no so permitidas. Formas de Onda Digitais Formas de onda digitais consistem em nveis de tenso que comutam entre os nveis, ou estados, lgicos ALTO e BAIXO. A Figura 16(a) mostra que um nico pulso positivo gerado quando a tenso (ou corrente) passa do nvel BAIXO normal para o nvel ALTO e em seguida retorna para o nvel BAIXO. O pulso negativo, visto na Figura 16(b), gerado quando a tenso passa do n- vel ALTO normal para o nvel BAIXO e retorna para o nvel ALTO. Uma forma de onda digital constituda de uma srie de pulsos. O Pulso Conforme indicado na Figura 16, um pulso tem duas bordas: a borda positiva, que ocorre primeiro no instante t0, e uma borda negativa, que ocorre depois no instante t1. Para um pulso positivo, a borda positiva uma borda de subida e a borda negativa uma borda de descida. Os pulsos vistos na Figura 16 so ideais porque se considera que as bordas de subida e descida comutam num tempo zero (instantaneamente). Na prtica, essas transies nunca ocorrem instantaneamente, embora para a maioria dos circuitos digitais funcionarem consideramos pulsos ideais. A Figura 17 mostra um pulso no-ideal. Na realidade, todos os pulsos exibem algumas, ou todas, essas caractersticas. A sobrelevao do sinal (overshoot) e oscilaes so produzidas al- (b) Pulso negativo ALTO BAIXO (a) Pulso positivo ALTO Borda de subida ou positiva Borda de descida ou negativa Borda de descida ou subida BAIXO t0 t1 t0 t1 Borda de subida ou descida FIGURA 16 Pulsos ideais. VH(mx.) VH(mn.) VH(mx.) VH(mn.) ALTO (binrio 1) BAIXO (binrio 0) Proibida FIGURA 15 Faixas de nveis lgicos de tenso para um circuito digital.

23. 24 SISTEMAS DIGITAIS gumas vezes por efeitos de indutncia e capacitncia parasitas. A inclinao pode ser causada por capacitncia parasita e circuitos resistivos que formam um circuito RC com uma pequena cons- tante de tempo. O tempo necessrio para um pulso passar do nvel BAIXO para o nvel ALTO denominado tempo de subida (tr rise time) e o tempo necessrio para a transio do nvel ALTO para o nvel BAIXO denominado tempo de descida (tf fall time). Na prtica, comum medir o tempo de subida a partir de 10% da amplitude do pulso (altura a partir da linha de base) at 90% da amplitude do pulso e para medir o tempo de descida consideramos o tempo de 90% a 10% da amplitude do pulso, conforme indicado na Figura 17. Os 10% da parte inferior e os 10% da parte superior no so includos nos tempos de subida e descida devido a no-linearidade da forma de onda nessas reas. A largura de pulso (tW pulse width) a medida da durao do pulso e freqentemente definida como o intervalo de tempo entre os pontos de 50% das bordas de subida e descida, conforme indicado na Figura 17. Caractersticas de uma Forma de Onda A maioria das formas de onda encontradas em sistemas digitais so compostas de uma srie de pulsos, algumas vezes denominados trem de pulsos, podendo ser classificadas como peridicas ou no-peridicas. Uma forma de onda peridica aquela que se repete num intervalo fixo, denominado de perodo (T). A freqncia (f) a taxa com que ela se repete e medida em hertz (Hz). Uma forma de onda no-peridica, claro, no se repete em intervalos fixos e pode ser composta de pulsos com larguras aleatrias e/ou intervalos aleatrios de tempo entre os pulsos. Um exemplo de cada tipo mostrado na Figura 18. A freqncia (f) de uma forma de onda digital o inverso do perodo. A relao entre freqncia e perodo expressa como: T = 1 f f = 1 T 90% 50% 10% Linha de base Largura de pulso Amplitude tW tr tf Subelevao do Sinal (Undershoot) Oscilao Sobrelevao do Sinal (Overshoot) Oscilao Queda Tempo de subida Tempo de descida FIGURA 17 Caractersticas de um pulso no ideal. Equao 11 Equao 12 T1 Perodo = T1 = T2 = T3 = . . . = Tn T2 T3 (a) Peridica (onda quadrada) (b) No-peridica = 1 T Freqncia FIGURA 18 Exemplos de formas de onda digitais.

24. CAPTULO 1 ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 25 Uma Forma de Onda Digital Transporta Informao Binria Uma informao binria manipulada por sistemas digitais aparece como formas de onda que representam seqncias de bits. Quando a forma de onda est em nvel ALTO, um nmero binrio 1 est presente; quando a forma de onda est em nvel BAIXO, um binrio 0 est presente. Cada bit na seqncia ocupa um intervalo de tempo definido denominado tempo de bit. O Clock Em sistemas, todas as formas de onda so sincronizadas com uma forma de onda de temporizao de referncia denominada clock. O clock uma forma de onda peridica na qual cada intervalo entre os pulsos (perodo) igual ao tempo de um bit. Um exemplo de uma forma de onda de clock mostrado na Figura 110. Observe que, nesse caso, cada mudana de nvel na forma de onda A ocorre na borda positiva da forma de onda do clock. De outra forma, as mudanas de nvel ocorreriam na borda negativa do clock. Durante cada tempo de bit do clock, a forma de onda A nvel ALTO ou nvel BAIXO. Esses ALTOs e BAI- XOs representam uma seqncia de bits conforme indicado. Um grupo de vrios bits pode ser usado como parte de uma informao binria, tal como um nmero ou uma letra. A forma de onda do clock por si s no transporta informao. EXEMPLO 11 Uma parte de uma forma de onda digital peridica mostrada na Figura 19. As medidas esto em milissegundos. Determine: (a) perodo (b) freqncia (c) ciclo de trabalho Soluo (a) O perodo medido a partir da borda de um pulso at a borda correspondente do prximo pulso. Nesse caso T medido entre duas bordas positivas, conforme indicado. T igual a 10 ms. (b) (c) Ciclo de trabalho = Problema relacionado* Uma forma de onda digital peridica tem uma largura de pulso de 25 s e um perodo de 150 s. Determine a freqncia e o ciclo de trabalho. * As respostas esto no final do captulo. tW T 100% = 1 ms 10 ms 100% = 10% f = 1 T = 1 10 ms = 100 Hz 10 1 0 11 t (ms) T tW FIGURA 19 NOTA: COMPUTAO A velocidade na qual um computador pode operar depende do tipo do microprocessador usado no sistema. A especifica- o de velocidade, por exemplo 3,5 GHz, de um computador a mxima freqncia de clock na qual o microprocessador pode operar. Uma caracterstica importante de uma forma de onda digital peridica o ciclo de trabalho, a razo entre a largura de pulso (tW) e o perodo (T). O ciclo de trabalho pode ser expresso em por- centagem. Ciclo de trabalho = tW T 100% Equao 13

25. 26 SISTEMAS DIGITAIS Diagramas de Temporizao Um diagrama de temporizao um grfico de formas de onda digitais que mostra a relao atual de tempo de duas ou mais formas de onda e como cada forma de onda muda em relao s outras. Observando um diagrama de temporizao, podemos determinar os estados (ALTO ou BAIXO) de todas as formas de onda em qualquer instante especificado e o momento exato que uma forma de onda muda de estado em relao s outras formas de onda. A Figura 111 um exemplo de um diagrama de temporizao composto de quatro formas de onda. A partir desse diagrama de temporizao podemos ver, por exemplo, que as trs formas de onda A, B e C so nvel ALTO apenas durante o tempo de bit 7 e todas elas retornam para o n- vel BAIXO no final do tempo de bit 7 (rea sombreada). Tranferncia de Dados Dados se referem a grupos de bits que transportam algum tipo de informao. Dados em binrio, que so representados por formas de onda digitais, tm que ser transferidos de um circuito para outro dentro de um sistema digital ou de um sistema para outro para cumprir um determinado propsito. Por exemplo, nmeros armazenados em binrio a partir de uma memria de computador tm que ser transferidos para a unidade central de processamento do computador para serem so- mados. O resultado da adio tem que ser transferido para um monitor e/ou transferido de volta para a memria. Em sistemas computacionais, conforme ilustrado na Figura 112, dados em binrio so transferidos de duas formas: em srie e em paralelo. Quando bits so transferidos na forma serial de um ponto para outro, eles so enviados um bit de cada vez ao longo de uma nica linha, conforme ilustrado na Figura 112(a) para o caso da transferncia de um computador para um modem. Durante o intervalo de tempo de t0 a t1, o primeiro bit transferido. Durante o intervalo de tempo de t1 a t2, o segundo bit transferido, e assim por diante. Para transferir oito bits em srie, se gastam oito intervalos de tempo. Quando bits so transferidos no formato paralelo, todos os bits de um grupo so enviados em linhas separadas ao mesmo tempo. Existe uma linha para cada bit, conforme mostra a Figura 112(b) para o exemplo de oito bits sendo transferidos de um computador para uma impressora. Para transferir oito bits em paralelo, se gasta um intervalo de tempo comparado aos oito intervalos de tempo gastos na transferncia serial. Resumindo, uma vantagem da transferncia serial de dados em binrio que um nmero m- nimo de linhas necessrio. Na transferncia em paralelo, necessrio um nmero de linhas igual Clock A B C 1 2 3 4 5 6 7 8 A, B e C em nvel ALTO FIGURA 111 Exemplo de um diagrama de temporizao. Tempo de bit 1 0 0 1 A 1 1 1 1 1 0 Clock 00000 Seqncia de bits representada pela forma de onda A FIGURA 110 Exemplo de uma forma de onda de clock sincronizada com uma forma de onda que representa uma seqncia de bits.

26. CAPTULO 1 ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 27 ao nmero de bits. Uma desvantagem da transferncia serial que ela gasta um tempo maior, para transferir um determinado nmero de bits, que a transferncia paralela. Por exemplo, se um bit pode ser transferido em 1 s, ento a transferncia serial gasta 8 s para transferir oito bits, porm gasta apenas 1 s para a transferncia paralela de oito bits. Uma desvantagem da transferncia paralela que ela necessita de mais linhas que a transferncia serial. EXEMPLO 12 (a) Determine o tempo total necessrio para a transferncia serial de oito bits contidos na forma de onda A vista na Figura 113 e indique a seqncia de bits. O bit mais esquerda o primeiro a ser transferido. Um clock de 100 kHz usado como referncia. (b) Qual o tempo total de transferncia dos mesmos oito bits em paralelo? Soluo (a) Como a freqncia do clock 100 kHz, o perodo Se gasta 10 s para transferir cada bit da forma de onda. O tempo total de transferncia para 8 bits 8 10 s = 80 s Para determinar a seqncia de bits, examine a forma de onda apresentada na Figura 113 durante cada tempo de bit. Se a forma de onda A for nvel ALTO durante o tempo T = 1 f = 1 100 kHz = 10 ms Clock A FIGURA 113 Computador Computador 1 0 1 1 0 0 1 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 0 t0 t1 1 0 0 1 1 0 1 (a) (b) Modem Impressora Transferncia serial de um dado Binrio de 8 bits a partir de um Computador para um modem. O intervalo de t0 a t1 enviado primeiro. Transferncia paralela de um dado binrio de 8 bits a partir de um computador para uma impressora. O instante inicial t0. FIGURA 112 Ilustrao de transferncias serial e paralela de dados binrios. Apenas as linhas de dados so mostradas.

27. 28 SISTEMAS DIGITAIS Diversas proposies, quando combinadas, formam funes proposicionais ou lgicas. Por exemplo, a declarao proposicional A luz est ligada ser verdadeira se A lmpada no est queimada for verdadeira e se A chave est ligada for verdadeira. Portanto, a declarao lgica a seguir pode ser feita: A luz est ligada apenas se a lmpada no est queimada e a chave est ligada. Nesse exemplo, a primeira declarao verdadeira apenas se as duas ltimas forem verdadeiras. A primeira declarao (A luz est ligada) a proposio bsica e as outras duas declaraes so as condies das quais a proposio depende. Em 1850, o matemtico e logicista irlands Georg Boole desenvolveu um sistema matemtico para formulao de declaraes lgicas com smbolos de forma que pudessem ser resolvidos de uma forma similar lgebra comum. A lgebra Booleana, como conhecida hoje em dia, aplicada no projeto e anlise de sistemas digitais e ser abordada em detalhes no Captulo 4. de bit, um 1 transferido. Se a forma de onda for nvel BAIXO durante o tempo de bit, um 0 transferido. A seqncia de bits ilustrada na Figura 114. O bit mais esquerda o primeiro a ser transferido. (b) Uma transferncia paralela gastaria 10 s para todos os oito bits. Problema relacionado Se dados em binrio so transferidos a uma taxa de 10 milhes de bits por segundo (10 Mbits/s), quanto tempo gasto para uma transferncia paralela de 16 bits em 16 linhas? E para uma transferncia serial de 16 bits? SEO 12 REVISO 1. Defina binrio. 2. O que significa bit? 3. O que so os bits em um sistema binrio? 4. O que o tempo de subida e o tempo de descida de um pulso medido? 5. Conhecendo o perodo de uma forma de onda, como se determina a freqncia? 6. Explique o que uma forma de onda de clock. 7. Qual a finalidade de um diagrama de temporizao? 8. Qual a principal vantagem da transferncia paralela sobre a transferncia de dados em binrio? Em sua forma bsica, a lgica o campo do raciocnio humano que nos diz que uma certa proposio (declarao) verdadeira se certas condies forem verdadeiras. Proposies podem ser classificadas como verdadeiras ou falsas. Muitas situaes e processos que encontramos em nossas vidas diariamente podem ser expressos na forma de funes proposicionais ou lgicas. Co- mo tais funes so declaraes verdadeiro/falso ou sim/no, os circuitos digitais com suas caractersticas de dois estados so aplicveis. Ao final do estudo desta seo voc dever ser capaz de: Fazer uma lista com as trs operaes lgicas bsicas Definir a operao NOT Definir a operao AND Definir a operao OR 1-3 OPERAES LGICAS BSICAS 1 0 0 1 0 01 1 FIGURA 114

28. CAPTULO 1 ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 29 O termo lgica aplicado a circuitos digitais usados para implementar funes lgicas. Di- versos tipos de circuitos lgicos digitais so os elementos bsicos que formam os blocos construtivos de sistemas digitais complexos como o computador. Agora estudaremos esses elementos e discutiremos as funes deles de uma forma bem geral. Os captulos posteriores abordaro esses circuitos em detalhes. As trs operaes lgicas bsicas (NOT,AND e OR) esto indicadas pelos seus smbolos padro na Figura 115. Outros smbolos padro para essas operaes lgicas sero apresentados no Captu- lo 3. As linhas conectadas em cada smbolo so as entradas e sadas. As entradas esto do lado es- querdo de cada smbolo e a sada est do lado direito. Um circuito que executa uma operao lgica especificada (AND, OR) denominado de porta lgica. As portas AND e OR podem ter um nume- ro qualquer (duas no mnimo) de entradas conforme indicado pela linha pontilhada na figura. Em operaes lgicas, as condies verdadeiro/falso mencionadas anteriormente so repre- sentadas por ALTO (verdadeiro) e BAIXO (falso). Cada uma das trs operaes lgicas bsicas gera uma nica resposta para um determinado conjunto de condies. NOT A operao NOT comuta de um nvel lgico para o nvel lgico oposto, conforme indicado na Fi- gura 116. Quando a entrada for nvel ALTO (1), a sada ser nvel BAIXO (0). Quando a entrada for nvel BAIXO, a sada ser nvel ALTO. Nos dois casos, a sada no o mesmo nvel lgico que a entrada. A operao NOT implementada por um circuito lgico conhecido como inversor. AND A operao AND gera uma sada de nvel ALTO apenas quando todas as entradas forem nvel AL- TO, conforme indicado na Figura 117 para o caso de duas entradas. Quando um entrada for n- vel ALTO e a outra entrada for nvel ALTO, a sada ser nvel ALTO. Quando qualquer uma, ou todas, as entradas forem nvel BAIXO, a sada ser nvel BAIXO. A operao AND implementada por um circuito lgico conhecido como porta AND. OR A operao OR gera uma sada de nvel ALTO quando uma ou mais entradas forem nvel ALTO, conforme indicado na Figura 118 para o caso de duas entradas. Quando uma entrada for nvel ALTO ou a outra entrada for nvel ALTO ou ambas forem nvel ALTO, a sada ser nvel ALTO. Quando as duas entradas forem nvel BAIXO, a sada ser nvel BAIXO. A operao OR implementada por um circuito lgico conhecido como porta OR. NOT ORAND FIGURA 115 As operaes lgicas bsicas e os respectivos smbolos. ALTO (1) ALTO (1)BAIXO (0) BAIXO (0) FIGURA 116 A operao NOT(inverso). ALTO (1) ALTO (1) ALTO (1)ALTO (1) ALTO (1) (0)BAIXO (0)BAIXO (0)BAIXO (0)BAIXO (0)BAIXO (0)BAIXO (0)BAIXO FIGURA 117 A operao AND.

29. 30 SISTEMAS DIGITAIS Os trs elementos lgicos bsicos AND, OR e NOT podem ser combinados para formar circuitos lgicos mais complexos que realizam diversas operaes teis e que so usados para cons- truir sistemas digitais completos. Algumas das funes lgicas comuns so: comparao, aritmtica, converso de cdigo, codificao, decodificao, seleo de dados, armazenamento e contagem. Esta seo apresenta uma viso geral dessas funes importantes de forma que pos- samos iniciar o estudo de como elas formam os blocos construtivos dos sistemas digitais tais como os computadores. Cada uma das funes lgicas bsicas ser abordada em detalhes em captulos posteriores. Ao final do estudo desta seo voc dever ser capaz de: Identificar nove tipos bsicos de funes lgicas Descrever um comparador de magnitude bsico Fazer uma lista das quatro funes aritmticas Descrever um somador bsico Descrever um codificador bsico Descrever um decodificador bsico Definir multiplexao e demultiplexao Dizer como realizado o armazenamento de dados Descre- ver a funo de um contador bsico SEO 13 REVISO 1. Quando a operao NOT gera uma sada de nvel ALTO? 2. Quando a operao AND gera uma sada de nvel ALTO? 3. Quando a operao OR gera uma sada de nvel ALTO? 4. O que um inversor? 5. O que uma porta lgica? 1-4 VISO GERAL DAS FUNES LGICAS BSICAS A Funo de Comparao A comparao de magnitude realizada por um circuito lgico denominado comparador, abordado no Captulo 6. Um comparador compara dois nmeros e indica se eles so iguais ou no. Por exemplo, suponha que temos dois nmeros e desejamos saber se eles so iguais ou no e, caso no sejam iguais, qual deles maior. A funo de comparao representada na Figura 119. Um n- Sadas A B A < B A = B A > B Comparador (a) Comparador de magnitude bsico A B A < B A = B A > B2 em cdigo binrio ALTO BAIXO BAIXO Comparador (b) 5 em cdigo binrio Exemplo: A menor que B (2 < 5) conforme indicado pelo nvel ALTO na sada (A < B) Dois nmeros binrios FIGURA 119 A funo de comparao. ALTO (1) ALTO (1) ALTO (1) ALTO (1) ALTO (1) ALTO (1) ALTO (1) BAIXO (0) BAIXO (0) BAIXO (0) BAIXO (0) BAIXO (0) FIGURA 118 A operao OR.

30. CAPTULO 1 ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 31 mero na forma binria (representado por nveis lgicos) aplicado na entrada A, e o outro nmero na forma binria (representado por nveis lgicos) aplicado na entrada B. A sada indica a relao entre os dois nmeros gerando um nvel ALTO na linha de sada apropriada. Suponha que uma representao binrias do nmero 2 seja aplicada na entrada A e uma representao binria do nmero 5 seja aplicada na entrada B, (discutiremos a representao binria de nmeros e smbolos no Captulo 2). Um nvel ALTO aparecer na sada A < B (A menor que B), indicando a relao entre os dois nmeros (2 menor que 5). As setas maiores representam um grupo de linhas em paralelo pelas quais os bits so transferidos. As Funes Aritmticas Adio A adio realizada por um circuito lgico denominado somador, abordado no Captulo 6. Um somador soma dois nmeros binrios (nas entradas A e B com um carry na entrada Cin) e gera uma soma () e um carry (vai um) de sada (Cout), conforme mostra a Figura 120(a). A Figura 120(b) ilustra a soma de 3 com 9. Sabemos que a soma 12; o somador indica esse resultado gerando um 2 na sada somae um 1 na sada de carry. Considere que a entrada de carry nesse exemplo seja 0. Subtrao A subtrao tambm realizada por um circuito lgico. Um subtrator necessita de trs entradas: duas para os nmeros a serem subtrados e uma para o borrow (emprstimo). As duas sadas so: a sada da diferena e a sada de borrow. Quando, por exemplo, 5 subtra- do de 8 sem borrow na entrada, a diferena 3 sem borrow na sada. Veremos no Captulo 2 como a subtrao pode ser realizada por um somador porque a subtrao simplesmente um caso especial da adio. Multiplicao A multiplicao realizada por um circuito lgico denominado multiplicador. Os nmeros so multiplicados sempre dois de cada vez, assim so necessrias duas entradas. A sada do multiplicador o produto. Devido a multiplicao ser uma srie de adies com desloca- mentos nas posies dos produtos parciais, ela pode ser realizada usando um somador associado a outros circuitos. Diviso A diviso pode ser realizada por meio de uma srie de subtraes, comparaes e des- locamentos, sendo que dessa forma ela pode ser feita usando um somador associado a outros circuitos. So necessrias duas entradas no divisor e as sadas geradas so o quociente e o resto. A Funo de Converso de Cdigo Um cdigo um conjunto de bits organizados em um padro nico e usado para representar uma informao especfica. Um conversor de cdigo converte uma informao codificada de uma forma em uma outra forma de cdigo. Como exemplos disso temos as converses entre binrio e outros cdigos, como decimal codificado em binrio (BCD binary coded decimal) e cdigo Gray. Vrios tipos de cdigos so abordados no Captulo 2, e as converses de cdigo so abordadas no Captulo 6. Somador Somador A B 3 em cdigo binrio (b) Exemplo: A mais B (3 + 9 = 12) Cout Cin 9 em cdigo binrio 0 em binrio 2 em cdigo binrio 1 em binrio 12 em cdigo binrio Dois nmeros binrios Sada de carry A B Cout Cin Entrada de carry Soma (a) Somador bsico FIGURA 120 A funo de soma. NOTA: COMPUTAO Em um microprocessador, a unidade lgica e aritmtica (ALU arithmetic logic unit) realiza as operaes de soma, subtrao, multiplicao e diviso bem como as operaes lgicas sobre os dados digitais conforme determinado por uma srie de instrues. Uma ALU tpica construda com vrias centenas de portas lgicas.

31. 32 SISTEMAS DIGITAIS A Funo de Codificao A funo realizada por um circuito lgico denominado codificador, abordado no Captulo 6. Um codificador converte informao, tal como um nmero decimal ou um caractere do alfabe- to, em alguma forma codificada. Por exemplo, um certo tipo de codificador converte cada um dos dgitos decimais, de 0 a 9, em um cdigo binrio. Um nvel ALTO na entrada correspondente a um digito decimal gera nveis lgicos que representam o cdigo binrio apropriado nas linhas de sada. A Figura 121 uma ilustrao simples de um codificador usado para converter (codificar) as teclas acionadas de uma calculadora em um cdigo binrio que pode ser processado pelos circuitos da calculadora. A Funo de Decodificao A funo de decodificao realizada por um circuito lgico denominado decodificador, abordado no Captulo 6. Um decodificador converte uma informao codificada, como um nmero binrio, numa forma no-codificada, como a forma de um nmero decimal. Por exemplo, um tipo particular de decodificador converte um cdigo binrio de 4 bits em um dgito decimal apropriado. A Figura 122 uma ilustrao simples de um tipo de decodificador que usado para ativar um display de 7 segmentos. Cada um dos sete segmentos do display conectado a uma linha de sada do decodificador. Quando um determinado cdigo binrio aparece nas entradas do decodificador, as linhas de sada apropriadas so ativadas fazendo com que os segmentos apropriados sejam acesos mostrando o dgito decimal correspondente ao cdigo binrio. A Funo de Seleo de Dados Dois tipos de circuitos que selecionam dados so o multiplexador e o demultiplexador. Um multiplexador, ou apenas mux para abreviar, um circuito lgico que comuta dados digitais a partir de diversas linhas de entrada em uma nica linha de sada numa seqncia temporal especificada. Funcionalmente, um multiplexador pode ser representado pela operao de uma chave eletrnica que conecta seqencialmente cada uma das linhas de entrada linha de sada. Um demultiplexador (demux) um circuito lgico que comuta dados digitais de uma linha de Codificador9 8 9 4 5 6 1 2 3 0 . +/ 7 Teclado da calculadora 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ALTO 9 em cdigo binrio usado para em armazenamento e/ou clculo FIGURA 121 Um codificador usado para codificar as teclas acionadas de uma calculadora em um cdigo binrio sendo usado para armazenamento ou clculo. Decodificador Entrada binria Display de 7 segmentos FIGURA 122 Um decodificador usado para converter um determinado cdigo em um caractere decimal de 7 segmentos.

32. CAPTULO 1 ELETRNICA DIGITAL CONCEITOS 33 entrada para diversas linhas de sada numa seqncia temporal especificada. Essencialmente, um demux faz o contrrio do mux. A multiplexao e a demultiplexao so usadas quando dados de fontes diversas so transmitidos ao longo de uma linha para um local distante e redistribudos para diversos destinatrios. A Figura 123 ilustra esse tipo de aplicao em que dados digitais a partir de trs fontes so envi- dados ao longo de uma nica linha para trs destinatrios num outro local. Na Figura 123, os dados da entrada A so conectados linha de sada durante o intervalo de tempo t1 e transmitido para o demultiplexador que os conecta na sada D. Em seguida, durante o intervalo t2, o multiplexador comuta para a entrada B e o demultiplexador comuta para a sada E. durante o intervalo de tempo t3, o multiplexador comuta para a entrada C e o demultiplexador comuta para a sada F. Para resumir, durante o primeiro intervalo de tempo, o dado na entrada A vai para a sada D. durante o segundo intervalo de tempo, o dado na entrada B vai para a sada E. durante o terceiro intervalo de tempo, o dado na entrada C vai para a sada F. Aps isso, a seqncia se repete. De- vido o tempo ser dividido entre as diversas fontes e destinatrios, esse processo denominado de multiplexao por diviso do tempo (TDM time division multiplexing). A Funo de Armazenamento Armazenamento uma funo necessria na maioria dos sistemas digitais, sendo a sua finalidade guardar informao binria por um perodo de tempo. Alguns dispositivos de armazenamento so usados para armazenamento temporrio e outros so usados para armazenamento por longo tempo. Um dispositivo de armazenamento pode memorizar um bit ou um grupo de bits e manter a informao pelo tempo necessrio. Tipos comuns de dispositivos de armazenamento so: flip-flops, registradores, memrias semicondutoras, discos magnticos, fitas magnticas e discos pticos (CDs). Flip-flops Um flip-flop um circuito lgico biestvel (dois estados estveis) que pode armazenar apenas um bit de cada vez, podendo ser 1 ou 0. A sada de um flip-flop indica qual bit est armazenado. Um nvel ALTO na sada indica que um 1 est armazenado e um nvel BAIXO na sada indica que um 0 est armazenado. Flip-flops so implementados com portas lgicas e sero abordados no Captulo 7. Registradores Um registrador formado pela combinao de vrios flip-flops de forma que um grupo de bits possa ser armazenado. Por exemplo, um registrador de 8 bits construdo a partir de oito flip-flops. Alm de armazenar bits, registradores podem ser usados para deslocar os bits a partir de uma posio para outra dentro do registrador ou para fora (para um outro circuito); portanto, esses dispositivos so conhecidos com registradores de deslocamento. Registradores de deslocamento sero abordados no Captulo 9. NOTA: COMPUTAO A memria interna de um computador, RAM e ROM, bem como as memrias caches de ca- pacidades menores so memrias semicondutoras. Os registradores em um microprocessador so construdos de flip-flops semicondutores. Os dispositivos de memria em disco so o disco rgido interno, o disquete e o CD-ROM. Multiplexador A Entrada de controle da seqncia de comutao Entrada de controle da seqncia de comutao B C t2 t3 t1 t2 t3 t1 Demultiplexador D E F Dados de A para D Dados de A para D Dados de B para E Dados de C para F t1 t2 t3 t1 FIGURA 123 Ilustrao de uma aplicao bsica de multiplexao/demultiplexao.

33. 34 SISTEMAS DIGITAIS Os dois tipos bsicos de registradores de deslocamento so: serial e paralelo. Os bits so armazenados um de cada vez em um registrador de deslocamento serial, conforme ilustrado na Fi- gura 124. Uma boa analogia para o registrador de deslocamento serial a entrada de passageiros em fila nica atravs da porta de um nibus. Eles tambm saem do nibus em fila nica. Os bits so armazenados em um registrador paralelo simultaneamente a partir de linhas em paralelo, conforme mostra a Figura 125. Nesse caso, uma boa analogia a entrada de passageiros em uma montanha russa onde todos eles entram nos carros em paralelo. Memrias Semicondutoras As memrias semicondutoras so dispositivos usados tipicamente para armazenagem de uma grande quantidade de bits. Em um tipo de memria, denominado memria apenas de leitura ou ROM (Read-Only Memory), os dados em binrio so armazenados de forma permanente ou semipermanente no podendo ser alterados prontamente. Na memria de acesso aleatrio ou RAM (Random-Access Memory), os dados em binrio so armazenados temporariamente e podem ser alterados facilmente. Esse assunto abordado no Cap- tulo 10. Memrias Magnticas As memrias de discos magnticos so usadas no armazenamento de massa de dados em binrio. Como exemplos temos os disquetes usados em computadores bem como os discos rgidos (HDs hard disks) internos. Fitas magnticas ainda so usadas em aplicaes de memorizao e para back up de dados a partir de outros dispositivos de armazenamento. A Funo de Contagem A funo de contagem importante em sistemas digitais. Existem muitos tipos d