Analógico vs Digital

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1 Arquitectura de Computadores I Engenharia Informática (11537) Tecnologias e Sistemas de Informação (6616) Analógico vs Digital Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 1

2 Os circuitos eletrónicos podem ser divididos em duas grandes categorias: digitais e analógicos. Um sinal analógico pode tomar um número infinito de valores, ao longo do tempo, num determinado intervalo, ou seja, varia de forma contínua nesse intervalo. Um sinal digital assume um número finito de valores definidos e varia de valor para valor através de saltos. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 2

3 Representação gráfica da forma de onda de um sinal analógico: Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 3

4 Representação gráfica da forma de onda de um sinal digital: Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 4

5 Nos sistemas analógicos é dada importância a toda e qualquer variação nos sinais, que se supõe poderem variar continuamente (sinais analógicos). O sinal à saída do sistema, varia de forma contínua, em função do sinal à entrada. Nos sistemas digitais, supõe-se que os sinais podem assumir apenas determinados valores de uma gama de valores discretos {,,..., } X1 X 2 X n Como em sistemas reais, os sinais não podem assumir valores de precisão infinita. Por isso, na presença de um sinal cuja amplitude, num dado instante, não é exactamente igual ao valor de X i,mas estando muito próxima deste valor, o sistema deve comportar-se exactamente como se esse sinal tivesse uma amplitude igual a. X i Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 5

6 Vantagens Sistemas Digitais: Processamento e Transmissão: Dados digitais podem ser processados e transmitidos de forma mais eficiente e confiável que dados analógicos. Armazenamento: optimização de armazenamento. (Ex: Uma música em formato digital pode ser armazenada de forma mais compacta e reproduzida com maior precisão e pureza que quando está no formato analógico). Fiabilidade e repetibilidade: Os sistemas digitais apresentam maior imunidade às imprecisões e ao ruído. Além disso, é ainda possível incluir, neste tipo de sistemas, dispositivos que detectam erros e ainda que os corrijam. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 6

7 Utilização de Sistemas Analógicos: Quando não há necessidade de exactidão total; Quando há necessidade de processar sinais muito rápidos e a utilização de um sistema digital equivalente teria uma velocidade insuficiente; Quando a substituição de um sistema analógico por um sistema digital equivalente implica um custo muito superior. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 7

8 Exemplo Sistema Analógico: Um sistema de amplificação de som é um exemplo de um sistema analógico. As ondas sonoras, que são de natureza analógica, são captadas por um microfone e convertidas em numa tensão analógica denominada sinal de áudio. Esta tensão varia continuamente de acordo com as variações no volume e na frequência do som e é aplicada na entrada de um amplificador linear. A saída do amplificador, que é uma reprodução ampliada da tensão de entrada, é enviada para um altifalante: Fonte: Digital Fundamentals, 9th Edition, Thomas L. Floyd Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 8

9 Exemplo Sistema Digital: A música no formato digital é armazenada no CD. Um sistema óptico capta os dados digitais a partir do disco e os transfere para um conversor digital analógico (DAC digital-to-analog converter). O DAC converte os dados digitais em um sinal analógico que é uma reprodução elétrica da musica original. Esse sinal é amplificado e enviado ao altifalante. Quando a música é gravada originalmente no CD, o processo é inverso ao descrito anteriormente, sendo neste caso, usado um conversor analógico-digital (ADC analog-to-digital converter). Fonte: Digital Fundamentals, 9th Edition, Thomas L. Floyd Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/2015 9

10 A esmagadora maioria dos sistemas digitais são binários, apesar de um sinal binário apresentar a desvantagem de ser o que transporta menos informação, quando comparado com os restantes sinais digitais de ordem superior a dois. A preferência dispositivos binários deve-se à fiabilidade do funcionamento destes dispositivos. Os sistemas digitais binários, também designados por sistemas digitais de ordem 2, representam o caso extremo dos sistemas digitais em que a gama de valores discretos que os sinais podem assumir apenas dois valores: 0 e 1. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

11 Nestes sinais, a informação binária é geralmente representada por dois níveis de tensão (ou níveis de voltagem) associadas aos símbolos 0 e 1. Geralmente, 1 é representado pela tensão maior, a qual é designada de nível ALTO, e o 0 é representado pelo nível de tensão menor, o nível BAIXO. Essa forma de representação é denominada lógica positiva. Cada um dos dois dígitos de um sistema binário, 1 e 0, é denominado bit (binary digit i.e. dígito binário). Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

12 As tensões usadas para representar 1 e 0 são denominados níveis lógicos. Teoricamente, um nível de tensão representa um nível ALTO e o outro representa um nível BAIXO. Em termos práticos, um nível ALTO e BAIXO pode ser qualquer tensão entre um valor mínimo e um valor máximo especificados. Não existe sobreposição entre as faixas aceitáveis para os níveis ALTO e BAIXO. Ao invés de se considerarem níveis exactos de tensão, consideram-se gamas de tensão, associadas ao valores lógicos 0 e 1. Assim garante-se tolerância a imprecisões resultantes do processo de fabrico destes sistemas. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

13 Os níveis nominais de tensão para o 0 e para o 1 devem ser escolhidos de modo a que fiquem fora da faixa de incerteza, para que o funcionamento dos dispositivos seja previsível. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

14 Formas de Onda: Num sistema ideal, o sinal eléctrico correspondente a uma dada sequência de símbolos (0 ou 1), teria transições instantâneas entre os valores nominais de tensão para o símbolo 0 e para o símbolo 1. Contudo, os sinais eléctricos não podem variar instantaneamente. Além disso, quando a transição é muito rápida podem observar-se sobreelevações (overshoot) ou subelevações (undershoot). Todas as oscilações, são inconsequentes desde que não atravessarem os limites das gamas de entrada dos sinais digitais. No entanto, é desejável que os sinais se mantenham afastados desses limites, para que os sistemas possuam uma boa fiabilidade. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

15 Formas de Onda: Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

16 Formas de Onda: Os tempos associados às transições de 0 para 1 são designados por tempos de subida (rise time) e os tempos associados às transições de 1 para 0 são designados por tempos de descida (fall time). Todas as formas de onda são sincronizadas por uma unidade de referência denominada clock. O clock é uma forma de onda periódica na qual cada intervalo entre os pulsos (período) é igual ao tempo de um bit. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

17 Formas de Onda: Exemplo de uma forma de onda de clock sincronizada com uma forma de onda que representa uma sequência de bits. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

18 Diagrama de Temporização: É um gráfico de formas de onda digitais que mostra a relação atual de tempo de duas ou mais formas de onda e como cada forma de onda muda em relação às outras. Observando um diagrama de temporização, podemos determinar os estados (ALTO ou BAIXO) de todas as formas de onda em qualquer instante especificado. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

19 Transferência de dados: Dados são compostos por bits que transportam algum tipo de informação. Dados em binário, que são representados por formas de onda digitais, têm que ser transferidos de um circuito para outro dentro de um sistema digital ou de um sistema para outro para cumprir um determinado propósito. Por exemplo, números armazenados em binário a partir de uma memória de computador têm que ser transferidos para a unidade central de processamento do computador para serem somados. Posteriormente, o resultado da adição tem que ser transferido para um monitor e/ou transferido de volta para a memória. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

20 Transferência de dados: Série: Envio de um bit de cada vez ao longo de uma única linha (ex: transferência de computador para modem). Durante o intervalo de tempo de t a t 0 1, o primeiro bit é transferido. O segundo bit é transferido no intervalo de tempo de t 1 a t2, e assim sucessivamente. Paralelo: todos os bits de um grupo são enviados em linhas separadas ao mesmo tempo. Existe uma linha para cada bit. Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/

21 Bibliografia: 1. Thomas L. Floyd, Digital Fundamentals, Prentice Hall, 2006; 2. M. Morris Mano and Charles R. Kime, Logic and Computer Design Fundamentals, Prentice Hall, Nuno Pombo / Miguel Neto Arquitectura Computadores I 2014/