PDF de programación - Introducción a la electrónica digital

Introducción a la
electrónica digital



Esteve Gené Pujols
25 horas
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



© Universitat Oberta de Catalunya Introducción a la electrónica digital



Tabla de contenidos



Módulos

1. Introducción al diseño de sistemas
digitales

2. Simulación de sistemas digitales

3. Implementación de sistemas digitales
sobre dispositivos programables

4. Sistemas de propósito específico

Contenidos

1.1 Introducción a los circuitos lógicos
2.1 Circuitos lógicos combinacionales
3.1 Circuitos lógicos secuenciales
2.1 Introducción al diseño digital: lenguajes
descriptores de hardware
2.2 Descripción de sistemas digitales con
VHDL
2.3 Del diseño VHDL a la síntesis de sistemas
digitales
3.1 Introducción a los dispositivos
programables: FPGA
3.2 Del lenguaje de descripción a la síntesis
del dispositivo
4.1 Introducción a los sistemas de propósito
específico
4.2 Características de los procesadores
digitales de señal (DSP)



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1. Introducción al diseño de sistemas digitales


Un computador es una máquina construida a partir de dispositivos electrónicos
básicos, interconectados adecuadamente. Podemos decir que estos dispositivos
son las piezas con las que se construye un sistema digital.

El objetivo del curso Introducción a la electrónica digital es entender cómo está
formado un computador desde el punto de vista electrónico. Para poder entenderlo,
es necesario conocer a fondo los dispositivos electrónicos digitales básicos. Este
es el objetivo de este módulo y de los siguientes.


1.1


Los dispositivos electrónicos digitales más elementales son las puertas lógicas y
los bloques lógicos, que forman los circuitos lógicos. Un circuito lógico se puede ver
como un conjunto de dispositivos que manipulan de una manera determinada las
señales electrónicas que les llegan (las señales de entrada) y generan como
resultado otro conjunto de señales (las señales de salida).

Hay dos grandes tipos de circuitos lógicos:

Introducción a los circuitos lógicos



• Los circuitos combinacionales, que se caracterizan por que el valor de
las señales de salida en un momento determinado depende del valor de
las señales de entrada en ese mismo momento.

• Los circuitos secuenciales, en los que el valor de las señales de salida
en un momento determinado depende de los valores que han llegado por
las señales de entrada desde la puesta en funcionamiento del circuito y
hasta ese mismo momento (tienen, por lo tanto, capacidad de memoria).


El objetivo fundamental de este módulo es conocer a fondo los circuitos lógicos
combinacionales, es decir, saber cómo están formados y ser capaces de utilizarlos
con agilidad, hasta el punto de estar totalmente familiarizados con ellos.



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Para llegar a este punto será necesario haber satisfecho los objetivos siguientes:

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• Entender el álgebra de Boole y las diferentes maneras de expresar

funciones lógicas.

• Conocer las diferentes puertas lógicas, ver cómo se pueden utilizar
para sintetizar funciones lógicas y ser capaces de hacerlo; entender
por qué es deseable minimizar el número de puertas y de niveles de
puertas de los circuitos, y saber hacerlo.

• Conocer la funcionalidad de los diferentes bloques combinacionales y

ser capaces de utilizarlos en el diseño de circuitos.


En definitiva, tras el estudio de este módulo, debemos ser capaces de construir
fácilmente un circuito cualquiera usando los diferentes dispositivos que se habrán
conocido, así como de entender la funcionalidad de cualquier circuito dado.



1.1.1 Circuitos, señales, funciones lógicas



Entendemos por circuito un sistema formado por un cierto número de señales de
entrada (cada señal corresponde a un cable), un conjunto de dispositivos
electrónicos que ejecutan operaciones sobre las señales de entrada (las manipulan
electrónicamente) y que generan un cierto número de señales de salida. Así pues,
las señales de salida se pueden ver como funciones de las señales de entrada y se
puede decir que los dispositivos electrónicos computan estas funciones.



Traducción del texto de la imagen: señales de entrada / dispositivos electrónicos / señales de salida


En los circuitos que forman los sistemas computadores, los cables se pueden
encontrar en dos valores de tensión (voltaje): tensión alta o tensión baja. Estos dos
valores de
los símbolos 1 y 0

identifican normalmente por

tensión se



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respectivamente, de forma que se dice que una señal vale 0 (cuando en el cable
correspondiente hay tensión baja) o vale 1 (cuando en el cable hay tensión alta,
también llamada tensión de alimentación). Las señales que pueden tomar los
valores 0 o 1 se denominan señales lógicas o binarias. Un circuito lógico es aquel
donde las señales de entrada y de salida son lógicas. Las funciones que computa
un circuito lógico son funciones lógicas.

Código binario

El código binario es un sistema de numeración donde todas las cantidades se
representan utilizando como base dos cifras: cero y uno (0 y 1). En otras palabras,
es un sistema de numeración de base 2, mientras que el sistema que utilizamos
más habitualmente es de base 10, o decimal.

De binarios a decimales

Dado un número n, binario, para expresarlo en decimal, se tiene que escribir cada
número que lo compone (bit), multiplicado por la base del sistema (base = 2),
elevado a la posición que ocupa.

Ejemplo: 11012 = 1 * 23 + 1 * 22 + 0 * 11 + 1 * 20 = 1310



De decimales a binario

Para pasar un número de base 10 a base 2 se divide el número inicial en base 10
sucesivamente por 2 hasta obtener un cociente menor que 2. Escribiendo el último
cociente y los restos en forma ascendente se obtiene el número en base 2.



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El complemento a dos

El complemento a dos de un número N que, expresado en el sistema binario, está
compuesto por n dígitos, se define como:



Veamos un ejemplo. Tomemos el número N = 45 que, cuando se expresa en
binario es N = 1011012, con seis dígitos, y calculamos su complemento a dos:

N = 45, n = 6; 26 = 64 y, por lo tanto



Puede parecer complicado, pero es muy fácil obtener el complemento a dos de un
número a partir de su complemento a uno porque el complemento a dos de un
número binario es una unidad más grande que su complemento a uno, es decir:



1.1.2 Álgebra de Boole

Un álgebra de Boole es una entidad matemática formada por un conjunto que
contiene dos elementos, unas operaciones básicas sobre estos elementos y una
lista de axiomas que definen las propiedades que cumplen las operaciones.

Los dos elementos de un álgebra de Boole se pueden denominar falso y cierto o,
más usualmente, 0 y 1. Así, una variable booleana o variable lógica puede tomar
los valores 0 y 1.



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Las operaciones booleanas básicas son las siguientes:



•

la negación o complementación o NOT, que corresponde a la partícula no y
se representa con una comilla simple (). Así, la expresión x denota la
negación de la variable x y se lee “no x”.

•

• el producto lógico o AND, que corresponde a la conjunción y de la lógica y se
representa por el símbolo ·. Así, si x e y son variables lógicas, la expresión x · y
denota su producto lógico y se lee “x e y”.
la suma lógica u OR, que corresponde a la conjunción o y se representa por el
símbolo +. Así, la expresión x + y denota la suma lógica de las variables x e y y
se lee “x o y”



La operación de negación se puede representar también de otras maneras. La más
usual es x .

Es importante...
... no confundir los operadores · y + con las operaciones producto entero y suma
entera a las que estamos acostumbrados. El significado de los símbolos vendrá
dado por el contexto en el que nos encontramos. Así, si estamos trabajando con
enteros, 1 + 1 = 2 (uno más uno igual a dos), mientras que si estamos en un
contexto booleano, 1 + 1 = 1 (cierto o cierto igual a cierto, tal como se puede ver en
la tabla de la operación OR).



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Estas operaciones booleanas básicas se pueden definir escribiendo el resultado
que dan por cada posible combinación de valores de las variables de entrada, tal
como se muestra en la figura anterior. En las tablas de esta figura, a la izquierda de
la raya vertical están todas las combinaciones posibles de las variables y, a la
derecha, el resultado de la operación para cada combinación.

1.1.3 Tabla de la verdad



Una tabla de la verdad expresa una función lóg