Circuitos Lógicos. Prof. Odilson Tadeu Valle

Transcrição

1 Introdução Circuitos Lógicos Prof. Odilson Tadeu Valle Instituto Federal de Santa Catarina IFSC Campus São José 1/44

2 Sumário 1 Introdução 2 Analógico Versus Digital 3 Bits, Bytes e Palavras 4 Circuitos Digitais 5 Circuito Impresso e Integrado 6 Métodos de projeto de Sistemas Digitais Arduino FPGA ASIC SoC 7 Conteúdo programático 2/44

3 Introdução 3/44

4 Circuitos Lógicos/Digitais Circuitos Digitais (ou Circuitos Lógicos/Não Lógicos) são definidos como circuitos eletrônicos que empregam a utilização de sinais elétricos em apenas dois níveis de corrente (ou tensão) para definir a representação de valores binários. 3/44

5 Analógico Versus Digital 4/44

6 Circuitos Eletrônicos Os circuitos eletrônicos podem ser divididos em dois grandes grupos, denominados: Circuitos analógicos Tratam de sinais com valores contínuos: temperatura, intensidade do som, tempo etc. Circuitos digitais Tratam de sinais com valores discretos: resultado de um jogo, estados de um interruptor (digital) etc. 4/44

7 Sistemas Digitais Em sistemas digitais normalmente a informação real é convertida na forma numérica binária, através de um circuito denominado conversor analógico-digital (ADC) e seu contraparte, o conversor digital-analógico (DAC). 5/44

8 Sistemas Digitais Exemplo, som: produzido analógico, ouvido analógico e armazenado digital. Por quê? 6/44

9 Sistemas Digitais Exemplo, som: produzido analógico, ouvido analógico e armazenado digital. Por quê? Armazenamento digital é mais fácil. Existe armazenamento analógico? 6/44

10 Sistemas Digitais Exemplo, som: produzido analógico, ouvido analógico e armazenado digital. Por quê? Armazenamento digital é mais fácil. Existe armazenamento analógico? Tratamento digital também é mais fácil. Problema: erro de quantização. Quanto menor o número de bits na amostragem maior o erro. Taxa de amostragem O teorema de Nyquist determina que esse número tem de ser maior que o dobro da maior frequência do sinal. Exemplos Música: amostragem padrão 44,1 kamostras/s ==> 20 a Hz. Telefonia: amostragem padrão 8 kamostras/s ==> 40 a 4000 Hz. Quantos bytes para armazenar um minuto de um diálogo? 6/44

11 Bits, Bytes e Palavras 7/44

12 Lógica Binária Binário: 2 níveis = 2 bits: 0 e 1 4 bits = 1 nible 8 bits - 1 Byte Palavra: conjunto com um número fixo de bits inerente a um processador, 8, 16, 32 e 64 bits Como representar grandezas diferentes de números? 7/44

13 ASCII - American Standard Code for Information Interchange Qual é a sequência de bits para a palavra Casa? 8/44

14 Circuitos Digitais 9/44

15 Circuitos Digitais Cada circuito digital pode ser representado por uma função binária. Exemplo: y = NOT a (y = a ou y = ā) 9/44

16 Circuitos Digitais 10/44

17 Circuitos Combinacionais versus sequenciais 11/44

18 Circuito Impresso e Integrado 12/44

19 Placas de Circuito Impresso 12/44

20 Placa de Circuito Impresso 13/44

21 Circuitos Integrados - CI 14/44

22 Circuito Integrado 15/44

23 Circuito Integrado 512k CMOS EPROM 16/44

24 Circuitos Digitais _Quartus 17/44

25 Exemplo: Iphone 18/44

26 Exemplo: Iphone 19/44

27 Exemplo: Iphone 20/44

28 Exemplo: Iphone 21/44

29 Exemplo: Iphone 22/44

30 Exemplo: Iphone 23/44

31 Exemplo: Iphone 24/44

32 Exemplo: Iphone 25/44

33 Valores Lógicos e Físicos Ex: Nível lógico 0 = faixa de 0 a 0,5 V Nível lógico 1 = faixa de 4 a 5 V 26/44

34 Métodos de projeto de Sistemas Digitais 27/44

35 Arduino 27/44

36 O que é o Arduino É uma plataforma de computação com hardware open source focado no desenvolvimento e baseado em placa com entradas simples. 27/44

37 Plataforma Arduino Entradas e saídas físicas com circuitos integrados (IC - Integrated Circuit) 28/44

38 Onde é utilizado? Projeto computacionais com interação física. Instalação interativa, para desenvolvimento de novos projetos. Prototipagem rápida. 29/44

39 O que se pode fazer com ele? Possíveis sensores que podemos acoplar: Botoeiras e paineis de controle. Resistores variáveis. Foto resistores ou sensores de intesidade luminosa. Termistores para monitoramento de temperatura. 30/44

40 O que se pode fazer com ele? Possíveis atuadores que podemos acoplar: Lâmpadas e LEDs. Motores via relés e chaves contactoras. Auto falantes. Displays de LCD. 31/44

41 Por que Arduino? É open source. É muito barato quando comparado com dispositivos programáveis. O hardware pode ser fabricado e otimizado para a aplicação em questão ou comprado pronto no comércio. Ele pode se comunicar com um PC através da USB. Ele pode ser alimentado via USB ou uma fonte DC. Ele pode rodar isoladamente de um computador (é programável) e possui memória interna (pouco). Ele pode trabalhar com sinais eletrônicos seja analógico seja digital e com sensores e atuadores. 32/44

42 Por que Arduino? É muito fácil de reutilizar os códigos de outros projetos. Algumas bibliotecas podem ser escritas em C++. Pode-se fazer muitas coisas. Alguns fazem até pequenos robôs com ele :). 33/44

43 Desvantagens Não tem segurança. Não pode executar muitos processos simultaneamente. 34/44

44 FPGA 35/44

45 O que é FPGA FPGA: Field Programmable Gate Array ou matriz de portas lógicas programáveis. 35/44

46 Aplicações 1 Aeroespacial e defesa Comunicação. Satélites. 2 Áudio Rádio. DSP - Digital Signal Processor. 3 Centro de dados 36/44

47 Aplicações Servidores. Roteadores. Gateways. 37/44

48 Aplicações 1 Industria Processamento de imagens industriais. Redes industriais. Controle de motores. 2 Medicina Raio X. Escâner de tomografia computadorizada. Ultra som. 38/44

49 Por que FPGA? Circuitos integrados (CIs) reprogramáveis. FPGA é melhor que ASIC quando o volume de produção de circuitos for baixo. Tem grandes quantidades de gates lógicos (FFs) ( ) e blocos de RAM para implementar sistemas computacionais complexos. O design de sistemas é muito rápido. FPGA pode ser utilizado para implementar qualquer função lógica equivalente ao ASIC. Pode-se embarcar um processador - SoC FPGA. É possível atualizar as funcionalidades após a venda. Tem bom nível de segurança. Pode executar diversos processos simultaneamente. É muito caro quando comparado com Arduino ou sistemas micro controlados. 39/44

50 ASIC 40/44

51 O que é ASIC ASIC: Application Specific Integrated Circuits É um dispositivo semicondutor projetado especificamente para um uso particular, diferentemente de produtos padrões, que são projetados para aplicações genéricas. 40/44

52 Aplicações Uso militar. Aplicações específicas. Smart fones. Medicina. 41/44

53 Por que ASIC? Utilizado em aplicações específicas. Gasta muito pouco material. Baixo custo por unidade. É o menor de todos. Menor consumo energético. Não pode ser alterado e, portanto, é o mais seguro. Normalmente deve-se fazer um protótipo em FPGA antes de torná-lo um produto do tipo ASIC. É viável somente para larga escala. Demandam muito tempo de desenvolvimento e muitos recursos. 42/44

54 SoC 43/44

55 O que é SoC SoC: System-on-Chip Um sistema em um chip é um chip de siĺıcio que contém um ou mais núcleos de processadores - microprocessadores (MPUs) e/ou microcontroladores (MCUs) e/ou processadores digitais de sinais (DSPs) - bem como memória, aceleradores de funções por hardware e periféricos. Se um ASIC possui um ou mais processadores, então ele é um SoC. Exemplo: Arduino. 43/44

56 Conteúdo programático 44/44

57 Conteúdo programático 1 Sistemas de numeração 2 Códigos e representações binárias 3 Aritmética binária 4 Portas lógicas 5 Álgebra Booleana 6 Famílias Lógicas 7 Circuitos combinacionais lógicos 8 Circuitos combinacionais aritméticos 9 Registradores: Latch e Flip-Flop 10 Circuitos sequencias: registradores de deslocamento 11 Circuitos sequencias: contadores 44/44