Apresentação Sistemas Digitais - Introdução Historico e Conversões

Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Agenda Informações acerca de nossas aulas Acordo Pedagógico Introdução aos sistemas digitais histórico Conversões de bases Sinais digitais e analógicos Lista de exercício 1 2 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Introdução aos sistemas digitais O que é um computador Sistema programável que permite armazenar recuperar e processar dados 3 Fonte NUNES 2007 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Computadores mecânicos Ábaco 2500 aC Calculadora de discos de Pascal 1642 Máquina diferencial 1822 Motor analítico 1833 Tabuladora Hollerith 1890 4 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Primeira Geração 1946 1957 Uso de computadores valvulados e cartões perfurados Passouse a utilizar cálculos digitais em substituição aos cálculos analógicos 5 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Harvard MARK I 1944 HW eletromecânico ENIAC 1946 primeiro computador completamente eletrônico 1946 possuindo 18000 válvulas 6 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico EDVAC 1950 introduziu a memória permanente e o sistema binário UNIVAC 1951 primeiro computador produzido em massa Custou mais de US 125 mi 7 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Segunda Geração 19581964 As válvulas passaram a ser substituídas por transistores Uso de linguagens de programação de mais alto nível com funções mais complexas disponíveis ao usuário Introdução de sistemas operativos Exemplo IBM 1401 8 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Segunda Geração 19581964 Exemplo IBM 1401 9 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Terceira Geração 19651971 Surgimento dos circuitos integrados CIs CI formado pelo agrupamento de transistores resistores e diodos Silício e Germânio agrupados em um único encapsulamento invólucro 10 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Terceira Geração 19651971 Minicomputadores Redes de computadores Advento das linguagens de programação ASSEMBLY BASIC e PASCAL Armazenamento fita magnética 11 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Gerações seguintes Computadores pessoais Integração em larga escala década de 1970 3000 a 100 000 elementos em um único chip Integração em muito alta larga escala década de 1980 100 000 a 100 000 000 elementos em um único chip 12 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Histórico Atualmente Integração em ultra alta larga escala do inglês Ultra Large Scale Integration mais de 100 000 000 elementos em um único chip 13 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Sistema digital e sistema analógico Um sistema digital pode ser definido como sendo todo o sistema em que os sinais a ele pertencentes possuem um número finito de valores discretos Diferentemente de um sistema analógico em que os valores pertencem a um conjunto contínuo ou seja infinito os valores de um sistema digital possuem limites muito bem definidos para identificar os valores dos sinais 14 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Sinal digital e sinal analógico Ao longo de um certo período de tempo conhecido como sendo o período máxima de operação do sistema digital idealmente os valores de um sinal digital não apresentam modificações enquanto que em um sistema analógico os valores dos sinais podem sofrer alterações no seu valor durante o tempo 15 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Sinal digital e sinal analógico 16 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Sistema binário A informação obtida do meio analógica é codificada através de amostragem e representada digitalmente sob a forma de dois níveis de tensão ON e OFF Resulta em sistemas mais simples e mais imunes ao ruído 17 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Bases numéricas Base 10 0 1 2 3 9 Base 2 0 1 Notação posicional a mudança de um símbolo da direita para a esquerda representa um aumento na ordem de magnitude base 10 aumentos em potências de 10 1101001000 base 2 aumentos em potências de 2 1248 18 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Bases numéricas Base 8 0 1 2 3 7 Informação é mais compacta do que com uso de binário Há diversos métodos de conversão entre bases Para a conversão binário octal agrupase os números binários de três em três Ex 11100 11 100 3 4 19 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Representação de valores numéricos na base 2 20 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão binário para decimal Escreva o número binário e liste as potências de dois da direita para a esquerda Escreva os dígitos do número binário abaixo de suas correspondentes potências de dois Multiplique os dígitos do número binário com suas potências de dois correspondentes Some os produtos Os resultado será o número convertido 21 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão binário para decimal 22 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão decimal para binário Realize divisões sucessivas por dois até que você obtenha resto igual a 0 ou 1 O bit mais significativo do dado convertido para binário será igual ao quociente da última divisão por dois concatenado com os restos das demais divisões realizadas 23 MSB LSB Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão binário para octal Agrupe todos os dígitos binários em conjuntos de 3 começando da direita para a esquerda pode ser necessário adicionar zeros à esquerda para formar o último conjunto de 3 bits Realize a conversão bináriodecimal para cada grupo separadamente Una novamente os dígitos 24 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão octal para binário Converta cada dígito separadamente Realize a conversão como se fosse número da base decimal Una novamente os dígitos concatenação e o resultado será o número convertido na base binária 25 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão octal para decimal Semelhante à conversão binário para decimal A diferença é que utilizase a base 8 no lugar da base 2 Inicialmente inverta o número para que seja possível fazer somas da direita para a esquerda do número original Multiplique cada dígito pela respectiva potência de 8p sendo p a posição do referido algarismo 26 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão octal para decimal Some os produtos parciais Resposta 2834 27 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão decimal para octal Praticamente idêntica à conversão decimal para binário Contudo agora você deve realizar divisões sucessivas por 8 28 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Base hexadecimal Uma palavra de dados consiste em 16 bits ou dois bytes É um sistema com base 16 com o uso de A a F para representar os decimais de 10 a 15 Permite que estado de um número extenso seja representado em um espaço menor 29 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Base hexadecimal 30 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão decimal para hexadecimal De forma análoga às conversões decimal octal e decimal binário você deverá realizar divisões sucessivas por 16 31 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão hexadecimal para decimal Feita de forma análoga à conversão binário decimal ou octal decimal Atentese para converter as letras A B C D E e F pelos respectivos valores 10 11 12 13 14 e 15 Para facilitar a soma de produtos inverta o número 32 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão binário para hexadecimal Agrupe os algarismos em grupos de 4 da direita para a esquerda Faça a conversão binário decimal para cada grupo separadamente 33 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão binário para hexadecimal Troque os números maiores do que 9 pela letra correspondente Una novamente os dígitos 34 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conversão hexadecimal para binário Separe cada dígito Converta as letras pelos seus respectivos valores Converta cada dígito separadamente Una novamente os bits 35 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios conversão de bases numéricas Converta as bases como se pede 110010001102 8 1000102 10 86210 8 37010 2 508 10 36 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Digital x analógico Vantagens do uso de sistemas digitais sobre analógicos Os sistemas digitais geralmente são mais fáceis de projetar Tratamse de circuitos de comutação onde os valores exatos de tensão ou corrente não são importantes apenas o intervalo ALTO ou BAIXO O armazenamento de informações é fácil Isso é realizado por dispositivos especiais e circuitos que podem se prender a informações digitais e mantê las pelo tempo necessário com uso de técnicas de armazenamento em massa que podem armazenar bilhões de bits de informações em um espaço físico relativamente pequeno Capacidades de armazenamento analógico são pelo contrário extremamente limitados 37 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Digital x analógico Vantagens do uso de sistemas digitais sobre analógicos A exatidão e a precisão são mais fáceis de manter em todo o sistema Uma vez um sinal é digitalizado o grau em que ele se deteriora é previsível e mais facilmente contido dentro de limites aceitáveis Em sistemas analógicos os sinais de tensão e corrente tendem a ser distorcidos pelos efeitos de variações de temperatura umidade e tolerância de componentes nos circuitos que processam o sinal As operações podem ser programadas É bastante fácil projetar sistemas digitais cuja operação é controlada por um conjunto de instruções armazenadas denominado programa 38 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Digital x analógico Vantagens do uso de sistemas digitais sobre analógicos Os circuitos digitais são menos afetados por ruído Mais circuitos digitais podem ser fabricados em chips de CIs É verdade que analógico os circuitos também se beneficiaram do tremendo desenvolvimento da tecnologia de CIs mas sua relativa complexidade e o uso de dispositivos que não podem ser economicamente integrado capacitores de alto valor resistores de precisão indutores transformadores impediram os sistemas analógicos de alcançar o mesmo alto grau de integração 39 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Circuito digital apresenta sinais discretos ou seja que apresentam dados formados por 1s e 0s 40 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Alguns dispositivos digitais são ativados através da aplicação de um sinal de nível lógico alto enquanto outros são acionados por nível lógico baixo 41 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Sensores que fornecem sinais de entrada de circuitos digitais também podem ser conectados com uso de diversas configurações 42 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Níveis lógicos Também denominados estados lógicos Quando falarmos em eletrônica digital queremos dizer circuitos em que existem apenas dois estados possíveis geralmente em qualquer ponto por exemplo um transistor que pode estar tanto na saturação quanto em corte Geralmente escolhemos tratar de tais sinais em termos de tensão elétrica em vez de corrente chamando o nível alto high ou baixo low Os dois estados ou níveis podem representar qualquer um de uma variedade de bits dígitos binários de informação 43 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Níveis lógicos 44 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Níveis lógicos Podem representar qualquer um de uma variedade de bits dígitos binários de informação Exemplos bits de números se uma chave está aberta ou fechada se um sinal está presente ou ausente se algum nível analógico está acima ou abaixo de algum limite prédefinido ocorrência de eventos ações que devem ser tomadas dentre outros Importante um circuito digital responde ao nível lógico da entrada 0s e 1s e não ao seu valor atual de tensão elétrica 45 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Exemplo de sistema digital um forno de microondas tem um interruptor na porta que informa ao sistema se a porta está aberta ou fechada Esse switch pode ser conectado de várias maneiras Vamos supor que a chave está aberta quando a porta está aberta e fechada quando a porta está fechada Podemos olhar o diagrama a qualquer momento e saber a condição física da porta 46 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Sinais periódicos e aperiódicos Sinais periódicos apresentam regularidade ou seja são repetidos após o passar de determinado período de tempo chamado de período T Sinais aperiódicos apresentam intervalos de tempo irregulares como é o caso de abrir ou fechar a porta de um microondas Quando um sistema opera de forma que o tempo para um ciclo completo seja sempre constante é chamado de sistema periódico Ex rotação da Terra Período de qualquer onda pode ser definido como a quantidade de tempo por ciclo segundos ciclo A frequência de uma onda periódica é definida como o número de ciclos por unidade de tempo ciclos segundo Em outras palavras frequência F e período T são recíprocos 47 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Duty cycle Representa a porcentagem de tempo em que um sinal digital está ativo Transições Nenhum sinal digital pode mudar instantaneamente de BAIXO para ALTO de modo que dizse ocorrer a transição de um nível para outro É comum declarar que a transição está acontecendo quando o sinal está a meio caminho entre os dois estados As medições são retiradas do ponto de 50 da forma de onda 48 tw largura do pulso Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Bordaseventos Sempre que você tem um sistema com apenas dois estados a única coisa que pode ser considerada um evento é quando o sistema muda de estado lógico Uma transição de LOW para HIGH ou HIGH para LOW é considerada um evento em sistemas digitais Nos diagramas de tempo essas transições aparecem como bordas nítidas Alguns eventos são bordas ascendentes bordas de subida e algumas são bordas descendentes bordas de descida 49 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Bordaseventos Existem circuitos que respondem a níveis ALTOS ativo ALTO e circuitos que respondem a níveis BAIXOS ativo BAIXO Circuitos que respondem a um determinado nível são frequentemente considerados como acionados por nível Outros tipos de circuitos digitais respondem a bordas de subida ou de queda circuitos acionados por borda 50 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 1 Desenhe um diagrama temporal mostrando quando uma pessoa está trabalhando durante toda a semana Comece na segunda de manhã O diagrama terá uma entrada representando o ciclo dia noite assuma o equinócio em que a duração do dia duração da madrugada 6h00 crepúsculo 18h00 e uma saída que vai para HIGH representando quando uma pessoa no trabalho Suponha que ela trabalhe um das 0800 às 1200 e das 1300 às 1700 de segunda a sexta com folga no sábado e no domingo 2 A forma de onda do profissional no trabalho é periódica ou aperiódica Por que 51 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 2 Responda o que se pede a A forma de onda de entrada é periódica b Qual é o período da forma de onda de entrada em segundos c Qual é o ciclo de trabalho ativo ALTO da forma de onda de entrada d Qual é a frequência da forma de onda em Hz e Que tipo de evento na entrada causa uma mudança na saída f Qual é o período da forma de onda de saída em segundos g Qual é a frequência da forma de onda de saída em Hz 52 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Referências Bibliográficas NUNES S Introdução aos computadores Online Disponível em httpswebfeupptssndisciplinascrccomputadorespdf Acesso em 31 jul 2020 Notas de aula de Sistemas Digitais UNISINOS Profs Rodrigo M de Figueiredo Eduardo L Rhod Lúcio R Prade 53 OBRIGADO UNISINOS DESAFIE O AMANHÃ