Realização física de circuitos lógicos

Tamanho: px

Começar a partir da página:

Download "Realização física de circuitos lógicos"

Sophia de Oliveira Martinho
7 Há anos
Visualizações:

1 Realização física de circuitos lógicos Circuitos integrados digitais Famílias lógicas Níveis de tensão Atrasos Lógica positiva, negativa e de polaridade Realização usando ROMs 2 1

2 Acções e processamento pretendidos Funções lógicas Circuitos electrónicos 3 Funções Lógicas Domínio Conceptual Portas Lógicas Domínio Físico Circuitos integrados 4 2

3 Cristal de silício o circuito integrado propriamente dito Terminal número 1 5 Domínio Conceptual Logigrama Domínio Físico Esquema eléctrico 6 3

4 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 7 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). 8 4

5 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). 9 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. 10 5

6 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. 11 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. 12 6

Níveis de tensão à saída de um circuito TTL O nível H, de HIGH, corresponde ao intervalo superior marcado na figura. O nível L, de LOW, corresponde ao intervalo inferior.

7 Níveis de tensão à saída de um circuito TTL O nível H, de HIGH, corresponde ao intervalo superior marcado na figura. O nível L, de LOW, corresponde ao intervalo inferior. 13 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. 14 7

8 Saída Entrada 2,4V 0,4V 2,0V 0,8V Margem de Ruído = 0,4V 15 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. 16 8

9 Dado que os circuitos integrados são dispositivos reais e físicos, não reagem instantaneamente a mudanças nas suas entradas. 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. 17 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. 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 18 9

10 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. 19 Usualmente faz-se corresponder os dois conjuntos de valores desta forma: Valor Lógico Nível de tensão 0 L 1 H A este tipo de correspondência denomina-se Lógica Positiva

11 Em alternativa pode-se usar a correspondência inversa: Valor Lógico Nível de tensão 0 H 1 L A este tipo de correspondência denomina-se Lógica Negativa. 21 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) A B S L L L L H L H L L H H H 22 11

12 Se se usar lógica positiva, isto traduz-se por A B S A B S L L L L H L H L L H H H que é tabela do AND e, portanto, S = A B. 23 Mas se se usar lógica negativa, as coisas mudam. A B S L L L L H L H L L H H H A B S 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

13 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. 25 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

14 A menos que algo em contrário seja dito assume-se que se trabalha com lógica positiva. 27 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

15 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. 29 O conteúdo de uma ROM pode ser descrito por uma tabela. Por exemplo: 30 15

16 A tabela anterior corresponde à programação que se indica simplificando um pouco o diagrama. O x indica os pontos de ligação programados. 31 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

17 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. 33 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

18 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. 35 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

19 Livro recomendado, Capítulo 3 (secções 3.1 até 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

Documentos relacionados

Sistemas Digitais Elementos Básicos de Tecnologia

Sistemas Digitais Elementos Básicos de Tecnologia João Paulo Baptista de Carvalho (Prof. Auxiliar do IST) joao.carvalho@inesc.pt Portas Lógicas O interesse da matéria que se tem vindo a analisar reside