Ciência da Computação Circuitos Digitais Objetivos e Introdução

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1 Ciência da Computação Objetivos e Introdução Prof. Sergio Ribeiro Material adaptado das aulas do Prof. José Maria da UFPI Tópicos Programa da disciplina, metodologia de ensino, avaliações e bibliografia básica. Objetivos da Disciplina. Representações Numéricas. Sistemas Analógicos e Digitais. /. Memória. Computadores Digitais.. 2 Programa da Disciplina 1. Conceitos Introdutórios 2. Sistemas de Numeração e Códigos 3. Portas Lógicas e Álgebra Booleana 4. Combinacionais 5. Aritmética Digital: Operações e Circuitos 6. Flip-Flops e Dispositivos Correlatos 7. Seqüênciais 8. Contadores e Registradores 9. Interface com o Mundo Analógico 10. Dispositivos de Memória 3 Metodologia de Ensino Aulas teóricas Aulas práticas Avaliações 4 Bibliografia Básica IDOETA, Ivan V.; CAPUANO, Francisco G. Elementos de eletrônica digital. 40.ed. São. Paulo: Érica, Milos Ercegovac; Tomas Lang; Jaime H. Moreno; Introdução aos Sistemas Digitais, Editora Bookman, Material da disciplina: ccfacape.webnode.com Objetivos Gerais da Disciplina Entender os conceitos fundamentais de lógica digital. Estudo de Sistemas Digitais Combinacionais. Estudo de Sistemas Digitais Sequenciais. Habilitar o aluno a realizar análise e síntese de circuitos digitais. Habilitar o aluno a realizar a simulação de circuitos digitais

2 AULA 01 7 Objetivos Distinção entre representações digitais e analógicas. Vantagens e desvantagens no uso de representações digitais e analógicas. Reconhecer as características básicas dos sistemas de numeração. Identificar um diagrama de tempo. Transmissão Paralela e Serial. Memória. Computador Digital. 8 Representações Numéricas Em Engenharia, assim como em outras áreas de trabalho, temos que tratar com quantidades. Estas quantidades são medidas, monitoradas, guardadas, manipuladas aritmeticamente, observadas ou utilizadas de alguma outra maneira. Representações Numéricas Representação Analógica A quantidade é representada por uma tensão, uma corrente ou uma medida de movimento proporcional ao valor em questão. Quantidades analógicas têm uma importante característica: elas podem variar ao longo de uma faixa contínua de valores. Ex: velocímetro, termostato, microfone. Para manipular adequadamente estas quantidades, é importante representar seus valores de modo eficiente e preciso. Há basicamente duas formas de representação dos valores das quantidades: a ANALÓGICA e a DIGITAL. 9 Representação Digital A quantidade não é representada por quantidades proporcionais, mas por símbolos denominados dígitos. Em outras palavras, essa representação é de natureza discreta não varia continuamente, mas em saltos ou degraus. Ex: relógio digital. Resumidamente: Analógica Digital contínua, ambígua na leitura discreta (passo a passo) 10 Representações Numéricas Dentre as quantidades a seguir, quais são as que estão relacionadas a quantidades analógicas, e quais estão relacionadas a quantidades digitais? a) Chave de dez posições. DIGITAL b) Corrente que flui de uma fonte. ANALÓGICA c) Temperatura de um ambiente. ANALÓGICA d) Grãos de areia na praia. DIGITAL e) Velocidade de um automóvel. ANALÓGICA 11 Sistemas Analógicos e Digitais Sistema Digital Combinação de dispositivos projetados para manipular informação lógica ou quantidades físicas que são representadas no formato digital; ou seja, as quantidades podem assumir apenas valores discretos. Esses dispositivos são na maioria das vezes eletrônicos, mas podem, também, ser mecânicos, magnéticos ou pneumáticos. Ex: computadores, calculadoras, sistema telefônico, etc. Sistema Analógico Contém dispositivos que manipulam quantidades físicas que podem variar ao longo de uma faixa contínua de valores. Por exemplo, a amplitude do sinal de saída de um alto-falante em um receptor de rádio que pode apresentar qualquer valor entre zero e o seu valor máximo (limite). Ex: amplificadores de áudio, fita magnética e etc. 12 2

3 Vantagens das Técnicas Digitais Verifica-se hoje um aumento no número de aplicações em eletrônica que utilizam técnicas digitais para implementar funções que eram realizadas usando-se métodos analógicos. Os principais motivos para esta migração são: Os sistemas digitais são geralmente mais fáceis de serem projetados. Facilidade no armazenamento da informação. Maior precisão e exatidão. As operações podem ser programadas. Os circuitos digitais são menos afetados por ruídos (níveis lógicos). CIs(chips) digitais podem ser fabricados com mais dispositivos internos. Só há vantagens nessa migração de analógico para digital??? 13 Limitações das Técnicas Digitais Há uma grande desvantagem quando se usam técnicas digitais: O mundo real é quase totalmente analógico! Processar sinais digitalizados leva tempo! Assim, para obter as vantagens das técnicas digitais quando tratamos com entradas e saídas analógicas, seguimos quatro passos: (i) Converter a variável física em um sinal elétrico (analógico). (ii) Converter a entrada analógica para o formato digital. (iii) Realizar o processamento da informação digital (operação). (iv) Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico. 14 Limitações das Técnicas Digitais Sinais Analógicos e Digitais Processo de converter o sinal analógico para digital é chamado de quantização ou digitalização. A digitalização de sinais analógicos é obtida com três processos: 1. Amostragem Discretização do sinal analógico original no tempo. 2. Quantização Discretização da amplitude do sinal amostrado. 3. Codificação Atribuição de códigos (geralmente binários) às amplitudes do sinal quantizado. A exatidão com a qual é feita a conversão depende do número de níveis e da freqüência das amostras :: Sistema Decimal Há muitos sistemas de numeração em uso na tecnologia digital. Os mais comuns são os sistemas decimal, binário, octal e hexadecimal. O sistema decimal é obviamente o mais familiar, e examinar algumas de suas características nos ajudará a entender melhor os outros sistemas. Sistema decimal formado por dez algarismos (base 10). valores posicionais (pesos) , MSD vírgula decimal 2 x 10^3 + 7 x 10^2 + 4 x 10^1 + 5 x 10^0 + 2 x 10^ x 10^ x 10^ ,2 + 0,01 + 0,004 = 2475,214 LSD

4 :: Contagem Decimal Infelizmente, o sistema de numeração decimal não é conveniente para ser implementado em sistemas digitais. Por exemplo, é muito difícil projetar um equipamento eletrônico para que ele opere com dez níveis diferentes de tensão (cada um representando um caractere decimal, 0 a 9). Por outro lado, é muito fácil projetar um circuito eletrônico simples e preciso que opere com apenas dois níveis de tensão. 20 :: Sistema Binário :: Contagem Binária Sistema binário formado por dois algarismos (base 2) , binary digit bit dígito binário MSB vírgula binária LSB 1 x 2^3 + 0 x 2^2 + 1 x 2^1 + 1 x 2^0 + 1 x 2^ x 2^ x 2^ , ,125 = 11,625 (decimal equivalente) 21 Até 2 n contagens 22 As quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que tenha apenas dois estados de operação, ou duas condições possíveis. Por exemplo: (i)uma chave, que possui apenas duas opções: aberta ou fechada, ou (ii) um cartão perfurado. 23 O Cartão perfurado foi aproveitado inicialmente por Herman Hollerith, fundador da TabulatingMachineCompanyprecursora da IBM, para sistemas de informação não têxteis. Esses cartões foram os grandes precursores da memória de computadores. Uma informação não confirmada é que "os cartões perfurados originais tinham o tamanho das notas de 1 dolar", este tamanho foi escolhido para que os cartões pudessem ser levados nas carteiras dos recenseadores. Nos primeiros computadores, que eram máquinas enormes e muito complicadas de serem utilizadas, os cartões perfurados eram o meio de incluir dados e comandos nas máquinas. 24 4

5 25 Em sistemas eletrônicos digitais, uma informação binária é representada por tensões (ou correntes) que estão presentes nas entradas e saídas dos diversos circuitos. Tipicamente, os números 0 e 1 são representados por dois níveis de tensões nominais. Por exemplo, zero volt (0V) pode representar o binário 0, e +5V pode representar o binário 1. Na realidade, devido às variações nos circuitos, o 0 e o 1 são representados por faixas de tensão. 26 Sinais Digitais e Diagramas de Tempo A figura abaixo mostra um sinal digital típico, e como ele varia ao longo do tempo. Na realidade, trata-se de um gráfico de tensão versus tempo (t) que é chamado diagrama de tempo. A escala de tempo, horizontal, é dividida em intervalos regulares. As transições no diagrama foram desenhadas como linhas verticais de modo a parecerem instantâneas, sendo que na realidade existe um curto tempo de subida / / Os circuitos digitaissão projetados para produzir tensões de saída que se encontrem dentro das faixas de tensões determinadas para os níveis 0 e 1, e para responderem a tensões de entrada também dentro destas faixas

6 / / O modo como um circuito digital responde a uma entrada é denominado lógica do circuito. Por esta razão, os circuitos digitais são também chamados de circuitos lógicos. Os dois termos são usados indistintamente. Os principais tipos de circuitos lógicos normalmente encontrados em sistemas digitais serão estudados, dando ênfase inicialmente à funções lógicas que podem ser implementadas por esses circuitos Transistor Componente de fundamental importância em quase todos os aparelhos eletrônicos atuais. Consideradas uma das invenções mais importantes do século XX. Os cientistas que inventaram o transistor ganharam o prêmio Nobel pelo feito. Descobriram que alguns materiais poderiam atuar como isolantes ou condutores (é um semicondutor). 33 Transistor Por sua característica controladora de corrente, o transistor pode ser usado como amplificador de sinais ou como interruptor eletrônico em aplicações como calculadoras, computadores, celulares ou qualquer outro equipamento eletrônico. 34 Transmissão de Dados Transmissão Paralela e Serial Uma das operações mais comuns que ocorrem em qualquer sistema digital é a transmissão da informação de um ponto para outro. A informação pode ser transmitida a uma distância tão pequena quanto a de alguns centímetros em uma placa de circuito, ou a uma distância de vários quilômetros. A informação é transmitida em formato binário e, geralmente, é representada por tensões na saída de um transmissor que está conectado à entrada de um circuito receptor. Os dois métodos básicos para transmissão de informação digital são: paralelo Circuitos e Digitais serial

7 Memória Computadores Digitais Quando um sinal de entrada é aplicado à maioria dos dispositivos ou circuitos, a saída muda, de algum modo, em resposta à entrada. Se ao ser removido o sinal de entrada, a saída volta ao estado original, então este circuito não deve possuir memória. Se ao ser removido o sinal de entrada, a saída se mantém no estado original, então este circuito deve possuir memória