Sistemas Digitais - Introdução a Circuitos Combinacionais e Sequenciais

Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Agenda Introdução definição de circuito combinacional e sequencial Flipflops e latches Tempo de setup e tempo de hold Metodologia de projeto de circuitos sequenciais simples Exercícios Referências Bibliográficas 2 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Conexão do estudo de registradores com outros conhecimentos Registradores Álgebra de Boole Mapas de Karnaugh análise e sintetização de circuitos lógicos sequenciais 3 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Introdução 4 Lógica Digital Combinacional Sequencial Assíncrona Síncrona Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch ABC ABC ABC AB BA AA A A1A A0 0 ABC ABAC AABA Identidades Lógicas 5 ABCABAC ABCABCABC ABBA AAA A11 A0A 10 01 AA1 AA0 AA AABAB AB AB ABAB Teorema de DeMorgan Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Introdução Circuito combinacional Saída fentradas A saída não depende de valores anteriores das entradas apenas dos valores atuais Não possui memória 6 Atualização do valor de saída após decorrido o atraso de propagação geralmente da ordem de ns Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Introdução 7 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Introdução Circuito combinacional Exemplos Somadores Subtratores paralelos Decodificadores Multiplexadores 8 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Introdução Circuito sequencial Saída fsequência de valores nas entradas A saída depende de valores anteriores das entradas e dos atuais Possui memória 9 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Diagramas de estados Utilizados para analisar projetar e implementar circuitos sequenciais Implementação de circuitos sequenciais 10 Fonte TOCCI et al 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Estado informação binária armazenada nos elementos de memória Implementação de circuitos sequenciais 11 Lógica Combinacional Elementos De Memória Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Circuitos sequenciais síncronos Estado do sistema so pode ser alterado em instantes discretos de tempo Entradas podem variar a qualquer momento mas alteracao do estado e sincronizada Sao usados elementos de memoria explicitos para armazenar estado 12 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Circuitos sequenciais síncronos Projeto e mais fácil do que os assincronos O sincronismo e obtido com uso de um sinal de relógio clock Clock trem de pulsos distribuidos regularmente no tempo A maioria dos sistemas digitais comerciais utiliza a borda de subida do clock transicao de 0 para 1 Elementos de memoria têm seu conteudo alterado somente quando chega o pulso de sincronismo 13 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Elementos de memoria Flipflops e latches São os elementos básicos de memoria pois armazenam a menor porção de informação possível o bit Formados por um arranjo de portas lógicas que dependendo da maneira que este se dá formam ou implementam os diferentes tipos de flipflops e latches Utilizam os princípios de atraso de propagação tempo de porta que serão posteriormente estudados 14 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Elementos de memória Flipflops e latches 15 Saída do latch e alterada conforme combinação do nível lógico das entradas Saída do flipflop não e alterada enquanto não há transicão do sinal do relógio mesmo que entrada de dados tenha variacão Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch NAND Gate latch O elemento de memória mais básico pode ser definido a partir do uso de portas lógicas NAND ou NOR NAND gate latches tambem são chamados apenas de latches As saídas Q e Q respectivamente são as saídas do latch Em condições normais de funcionamento sempre apresentarão níveis lógicos inversos entre si 16 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch NAND Gate latch SET e RESET são ativos em nível lógico baixo 17 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch NAND Gate latch Atenção um latch baseado em portas NAND possui dois possíveis estados para o caso de SET RESET 1 18 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch NAND Gate latch SET e RESET são ativos em nível lógico baixo 19 Forma alternativa 0 0 0 0 1 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exemplo 1 Aplique as formas de onda abaixo e avalie a saída de um latch baseado em portas NAND 20 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch NOR Gate latch SET e RESET são ativos em nível lógico alto 21 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exemplo 2 Aplique as formas de onda abaixo e avalie a saída de um latch baseado em portas NOR 22 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exemplo 2 Aplique as formas de onda abaixo e avalie a saída de um latch baseado em portas NOR 23 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflops Em circuitos síncronos os momentos exatos nos quais qualquer saída poderá comutar de nível lógico são determinados por um sinal comumente chamado de relógio ou clock Geralmente o clock consiste em um pulso retangular cujas transições são chamadas de bordas 24 Bordas de subida Bordas de descida Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflops Podem ser ativados em borda de subida ou descida de clock 25 Bordas de descida Bordas de subida de clock Bordas de descida de clock Flipflop elemento de memória cuja saída e alterada conforme o sinal de controle clock Baseado no conceito de detecção de borda Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop SR 26 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop SR 27 Circuito interno de um FF SR Este FlipFlop nada mais e que um Latch SR com a adição de um detector de borda em sua construção Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop JK 28 Não muda Comuta Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop JK O problema existente no FF SR foi contornado adicionando a construção do FlipFlop SR uma realimentação cruzada das saídas do latch para as entradas do circuito de habilitação via detecção de borda A interpretação dada ao comando anteriormente invalido e de comutar o estado da saída atual Comutar significa inverter o nível logico 29 Não muda Comuta Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflops JK são amplamente utilizados em sistemas digitais Flipflop JK 30 Fonte TOCCI et al 2011 Não muda Não muda Comuta Comuta Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop JK 31 Circuito interno de um FF JK Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop JK com entradas assíncronas 32 Fonte TOCCI et al 2011 Não muda Não muda Reset síncrono Set síncrono Comutação síncrona Reset assíncrono Set assíncrono Inválido Flipflop JK Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop JK com Set e Reset Assíncrono 33 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflops tipo D são amplamente utilizados em sistemas digitais Flipflop tipo D 34 Fonte TOCCI et al 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop tipo D 35 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Flipflop tipo T 36 Implementa a função de toggle que nada mais e que e dado a informação de entrada na entrada T o sinal de saída do flipflop e comutado ou mantido Como já mencionado anteriormente este flipflop e construído a partir da estrutura do Flip Flop JK Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Latch D ou transparente 37 Chamado de latch transparente pois devido a sua construção permite ou não o registro memorização do dado na entrada de controle EN enable que habilita ou não o registro do dado de entrada e o disponibiliza em sua saída Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Latch D ou transparente 38 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Tempo de setup e tempo de hold 39 Fonte TOCCI et al 2011 Alteração da entrada de controle muito próxima da borda de clock Sinais contendo valores transientes indefinidos antes de estarem em nível ALTO ou BAIXO Sinais que iniciam a comutação hesitam e então procedem para o novo estado Comutações indesejadas Metainstabilidade Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fonte TOCCI et al 2011 Entrada de controle síncrono Sinal de Clock É o tempo que antecede a transição ativa de clock durante a qual o sinal de entrada deve se manter estável É o tempo que precede a transição ativa de clock durante a qual o sinal de entrada deve se manter estável Tempo de setup Tempo de setup e tempo de hold 40 Tempo de hold Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Metodologia de projeto de circuitos sequenciais simples 1 Defina o número de FFs 2 Desenvolva a tabela de Transições EN EN1 3 Desenvolva a Tabela de Excitação dos FFs 4 Defina as expressões das entradas dos FFs 5 Simplifique as expressões das entradas dos FFs 6 Implemente o diagrama eletrico 41 Fonte IDOETA e CAPUANO 2008 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch 42 Exercícios Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Referências Bibliográficas BIGNELL James W DONOVAN Robert Eletrônica Digital 5a Ed Editora Cengage Learning 2010 IDOETA I V CAPUANO F G Elementos de eletrônica digital 40 ed São Paulo Érica 2008 TOCCI R J WIDMER N S MOSS G L Sistemas digitais 11 ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2011 43 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Referências Bibliográficas BOYLESTAD Robert Louis NASHELSKY Louis Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos 11 Ed Editora Prentice Hall do Brasil Rio de Janeiro 2013 MENDONÇA Alexandre ZELENOVSKY Ricardo Eletrônica Digital M Z Editora Ltda 2009 PEDRONI Volnei Eletrônica Digital Moderna e VHDL Editora Campus Elsevier 2010 SEDRA A S et al Microeletrônica 5a Ed Editora Pearson 2007 SZAJNBERG Mordka Eletrônica Digital Teoria Componentes e Aplicações 1aEdLTC 2014 44 OBRIGADO UNISINOS DESAFIE O AMANHÃ