realização física de circuitos lógicos 8... · lógicas circuitos electrónicos mário serafim...
TRANSCRIPT
10/26/10
1
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Realização física de circuitos lógicos
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Circuitos integrados digitais Famílias lógicas Níveis de tensão Atrasos
Lógica positiva, negativa e de polaridade Realização usando ROMs
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
2
10/26/10
2
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
3
Acções e processamento pretendidos
Funções lógicas
Circuitos electrónicos
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
4
Funções Lógicas
Domínio Conceptual Portas Lógicas
Domínio Físico Circuitos integrados
10/26/10
3
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
5
Terminal número 1
Cristal de silício — o circuito integrado propriamente dito
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
6
Domínio Conceptual
Logigrama
Domínio Físico
Esquema eléctrico
10/26/10
4
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Há várias tecnologias para os circuitos integrados digitais.
As mais comuns são: TTL CMOS
Não analisaremos as estruturas electrónicas de ambas as famílias.
Apenas se referem alguns aspectos relacionados com o seu uso
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
7
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Foi a mais utilizada no passado, tendo estabelecido todo um referencial de arquitecturas, critérios e normas.
Tem um comportamento médio no que diz respeito à velocidade e ao consumo.
Várias subfamílias com características diferenciadas, mas todas compatíveis entre si (74, 74LS, 74S, 74F, 74L,…).
O CMOS tem circuitos com entradas e saídas compatíveis com TTL nos pin-outs (74HC e 74HCT) e electricamente (74HCT).
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
8
10/26/10
5
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
CMOS é, actualmente, a tecnologia mais utilizada.
Inicialmente era uma tecnologia mais lenta que a TTL, consumindo muito menos potência.
Hoje, essas diferenças desapareceram. Se se trabalhar com baixa velocidade o consumo é baixo. Se se usar alta velocidade o consumo de energia sobe.
Existem também algumas subfamílias (4000, 74HC e 74HCT são as mais usadas).
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
9
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Para construir um circuito podem usar-se portas construídas numa das tecnologias ou circuitos integrados mais complexos que utilizam de dezenas (contadores) a milhões de portas (microprocessadores).
No que diz respeito a circuitos digitais que não microprocessadores é hoje frequente utilizar circuitos programáveis com muitas (até milhões) portas em que se podem programar as interligações entre as portas. FPGAs, por exemplo.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
10
10/26/10
6
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Os circuitos integrados são alimentados com tensão eléctrica cujo valor depende da família. No caso do TTL esse valor é de 5V ± 5%
No caso do CMOS que utilizamos (74HCT) é de 5V ± 10%.
O CMOS não compatível com TTL (74HC) pode ser alimentado entre 2V e 6V.
Poder-se-ia admitir que o 0 lógico corresponde aos 0V e o 1 à tensão de alimentação.
Não é assim.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
11
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Os níveis de tensão correspondentes ao 0 e ao 1 lógico podem ser definidos de várias formas como se verá adiante mas fazendo os níveis lógicos corresponder a intervalos de tensão e não a valores fixos.
A razão principal é que não se consegue garantir um valor de tensão definido na saída de um integrado. O que se consegue definir é que a saída está dentro de um leque de valores.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
12
10/26/10
7
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
13
• O nível H, de HIGH, corresponde ao intervalo superior marcado na figura. • O nível L, de LOW, corresponde ao intervalo inferior.
Níveis de tensão à saída de um circuito TTL
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Mas as ligações entre as saídas de uma porta e as entradas da seguinte são sujeitas a ruído eléctrico.
Por isso, um valor de tensão à saída de uma porta pode chegar com um valor ligeiramente diferente à entrada da porta seguinte.
Os fabricantes resolvem isso, com intervalos de tensão H e L um pouco mais alargados nas entradas que nas saídas.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
14
10/26/10
8
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
15
Saída Entrada
Margem de Ruído = 0,4V
2,4V
0,4V
2,0V
0,8V
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Por vezes, em circuitos digitais, há entradas que “não é necessário” utilizar. Por exemplo quando se utiliza uma porta de 3 entradas para implementar uma porta de 2 para poupar integrados.
É fundamental que essas entradas estejam ligadas a algo: um valor constante (0 ou 1) que não altere o funcionamento do circuito ou um sinal que não altere o funcionamento.
Uma entrada “no ar” origina comportamentos erráticos por parte do circuito.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
16
10/26/10
9
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Dado que os circuitos integrados são dispositivos reais e físicos, não reagem instantaneamente a mudanças nas suas entradas.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
17
A figura ao lado representa um diagrama temporal.
O tempo de atraso ou de reacção ou de propagação é o tempo que decorre entre uma mudança numa entrada e a mudança consequente na saída.
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Em geral o valor dos tempos de atraso na passagem da saída de uma porta de L para H pode ser diferente do valor dos tempos de atraso na passagem de H para L.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
18
Por exemplo para o 74HCT08 o valor máximo do tempo de atraso nas duas hipóteses é igual a 30 ns para uma temperatura até 40ºC
10/26/10
10
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Como se viu, a saída de uma porta pode assumir valores de tensão em dois intervalos denominados H e L.
Do ponto de vista lógico tem-se vindo a falar de 0 e 1.
Qual é a correspondência entre as duas visões? Não há uma resposta única.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
19
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Usualmente faz-se corresponder os dois conjuntos de valores desta forma:
A este tipo de correspondência denomina-se Lógica Positiva.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
20
Valor Lógico Nível de tensão
0 L
1 H
10/26/10
11
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Em alternativa pode-se usar a correspondência inversa:
A este tipo de correspondência denomina-se Lógica Negativa.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
21
Valor Lógico Nível de tensão
0 H
1 L
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Considere-se que se usa um 74HCT08. O fabricante apenas garante a tabela em termos
de níveis lógicos que é (A e B são entradas e S é a saída)
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
22
A B S
L L L
L H L
H L L
H H H
10/26/10
12
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Se se usar lógica positiva, isto traduz-se por
que é tabela do AND e, portanto, S = A B.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
23
A B S
L L L
L H L
H L L
H H H
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Mas se se usar lógica negativa, as coisas mudam.
A tabela lógica que se obteve é agora a tabela do OR S = A + B.
Portanto a mesma porta física tem interpretações lógicas diferentes consoante se trabalha com lógica positiva ou negativa.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
24
A B S
L L L
L H L
H L L
H H H
A B S
1 1 1
1 0 1
0 1 1
0 0 0
10/26/10
13
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Neste tipo de lógica não é feita a atribuição global para um circuito de nenhuma das anteriores convenções.
As linhas do esquema interpretam-se conforme uma terminação que se adiciona ao nome.
A_H, por exemplo, significa que, na linha com esse nome, quando A é 1, a linha está a HIGH e, portanto, na prática a linha está em lógica positiva.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
25
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
B_L, por sua vez, significa que, quando B = 1 a linha está a LOW. A linha está, portanto em lógica negativa.
Do mesmo modo a presença de um triângulo na entrada ou na saída de uma porta, indica que a porta intrepreta aquela entrada como estando em lógica negativa.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
26
10/26/10
14
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
A menos que algo em contrário seja dito assume-se que se trabalha com lógica positiva.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
27
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Uma memória que apenas pode ser lida (e não escrita) denomina-se ROM do inglês Read only memory.
As ROMs podem ser gravadas na construção de um circuito para depois serem lidas durante o seu funcionamento.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
28
10/26/10
15
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
29
Este é o esquema de princípio de uma ROM de oito palavras de quatro bits. Os quadrados indicam que nesses locais pode ou não haver ligação — a programação da ROM.
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
30
O conteúdo de uma ROM pode ser descrito por uma tabela. Por exemplo:
10/26/10
16
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
31
A tabela anterior corresponde à programação que se indica simplificando um pouco o diagrama. O x indica os pontos de ligação programados.
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
32
Num logigrama ou num esquema a ROM é representada por este símbolo mas o seu conteúdo tem de ser também indicado algures.
Uma ROM pode ter muitas utilizações como se verá melhor em Arquitectura de Computadores.
Uma muito interessante é a implementação de funções lógicas.
10/26/10
17
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
33
Uma ROM propriamente dita é um tipo de circuito construído para ter o conteúdo desejado e não pode ser alterado.
Uma PROM é uma variante em que o circuito é programado pelo projectista.
Uma EPROM é uma variante de PROM que pode ser reprogramada um certo número de vezes.
Neste contexto, quando se refere ROM pode ser usada qualquer uma das suas variantes.
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
34
Considere-se, então uma função lógica de três variáveis com a tabela indicada
Esta tabela descreve a função. Mas uma tabela com a mesma estrutura pode ser a descrição do conteúdo de uma ROM com um bit de dados e três de endereço.
10/26/10
18
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
35
Repare-se que implementando uma função deste modo não é necessário minimizar a sua expressão, uma vez que a implementação é feita directamente a partir da tabela.
Por outro lado, como as ROMs têm várias linhas de dados, a mesma ROM pode implementar várias funções simultaneamente.
As ROMs comerciais têm um número de linhas de endereços e dados muito superior.
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
36
As vantagens deste tipo de abordagem são: Número de circuitos integrados muito reduzido. Facilidade de substituição das funções (basta
programar outra ROM. Torna mais difícil fazer reverse engineering.
10/26/10
19
Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz
Livro recomendado, Capítulo 3 (secções 3.1 até 3.1.4 inclusive, 3.2.1, 3.5.1)
Existem muitos livros com capítulos sobre o assunto.
A Internet é, como de costume, uma fonte que, explorada com espírito crítico, tem muito para dar.
2010/2011
Sistemas Digitais - Taguspark
37