PROJETO LÓGICO DE COMPUTADORES Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar

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Alessandra Capistrano de Escobar
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1 - Aula 1 - O NÍVEL DA LÓGICA DIGITAL 1. INTRODUÇÃO Na parte inferior da hierarquia da figura abaixo encontramos o nível da lógica digital, o verdadeiro hardware do computador. Este nível situa-se na fronteira entre a ciência da computação e a engenharia elétrica. Figura 1 - Níveis 2. PORTAS LÓGICAS E A ÁLGEBRA DE BOOLE Os circuitos digitais podem ser construídos a partir de um pequeno número de elementos primitivos que podem ser combinados de diferentes formas. 1

2 2.1. Portas Lógicas Circuito digital é uma estrutura que só admite a presença de dois valores lógicos: em geral, um sinal elétrico entre 0 e 1 volt representando o valor binário 0 e um sinal elétrico entre 2 e 5 volts representando o valor binário 1. Tensões fora desses intervalos não são permitidas. Figura 2 - Intervalos de tensão Estruturas eletrônicas minúsculas, chamadas portas lógicas, podem calcular diversas funções desse sinais. As portas lógicas formam a base do hardware a partir da qual todos os circuitos digitais são contruídos. Toda porta lógica baseia-se no fato de que um transistor pode operar como uma chave binária cujo tempo de comutação é extremamente pequeno. As operações são fisicamente realizadas por circuitos eletrônicos, chamados circuitos digitais. Os componentes básicos dos circuitos digitais são as portas lógicas, por permitirem ou não a passagem dos sinais. Assim sendo, circuitos lógicos são circuitos que contêm as portas lógicas e estas, por sua vez implementam funções lógicas. 2

3 2.2. Blocos Lógicos Básicos Figura 3 - Portas Lógicas 3

Exemplo de um circuito elétrico da porta lógica que implementa a função AND: Figura 4 - Porta AND As operações lógicas podem ser realizadas para satisfazer um determinado requisito de hardware ou

4 Exemplo de um circuito elétrico da porta lógica que implementa a função AND: Figura 4 - Porta AND As operações lógicas podem ser realizadas para satisfazer um determinado requisito de hardware ou para atender a uma especificação de um programador em um programa. Para tanto, a maioria dos processadores possui uma instrução de máquina correspondente a uma função lógica em seu conjunto de instruções, bem como muitas linguagens de programação de alto nível implementam essa função. As portas lógicas são fornecidas, em geral, em dispositivos denominados circuitos integrados ou CI s. A partir do surgimento do transistor procurou-se padronizar os sinais elétricos correspondentes aos níveis lógicos surgimento de famílias de componentes digitais Circuitos Digitais Álgebra de Boole A Álgebra de Boole é empregada no projeto de circuitos digitais, para: - Análise: é um método prático e econômico de descrever as funções de um circuito digital e, conseqüentemente, seu funcionamento. - Projeto: ao identificar a função a ser realizada por um circuito, a álgebra de Boole pode ser aplicada para simplificar sua descrição e, assim, também sua implementação. 4

5 A vantagem de se utilizar a álgebra de Boole como fundamento é que se pode efetuar, inicialmente, toda a análise matemática do problema lógico antes da construção do circuito digital. Ela serve como suporte para a construção de um sistema digital. Os circuitos podem ser classificados em: - Combinacionais: a saída é função dos valores de entrada correntes; esses circuitos não têm capacidade de armazenamento. Exemplo: operações matemáticas e controle do fluxo dos sinais. Figura 5 Circuito Combinacional - Seqüenciais: a saída é função dos valores de entrada correntes e dos valores de entrada no instante anterior; é usado para a construção de circuitos de memória (elemento básico: "flip-flop" 1 ). Exemplo: Armazenamento de dados. Figura 6 Circuito Sequencial 1 FLIP em inglês pode significar atirar ao alto e FLOP pode significar queda repentina. Assim, o dispositivo sendo biestável (possui dois estados lógicos estáveis) pode ser levado ao alto (FLIP), ou ser forçado a voltar repentinamente ao estado baixo (FLOP). 5

6 2.4. Circuitos Integrados Comerciais: As portas lógicas AND, OR, NAND e NOR podem ser encontradas comercialmente com duas, três, quatro ou oito entradas. Figura 7 Circuito Integrado 2.5. Tecnologia de Lógica Programável Antigas gerações, de tecnologia de hardware, para projetos digitais apresentavam um grande número de chips contendo portas básicas (AND e OR). Com o avanço tecnológico os projetos mais complexos passaram a usar circuitos de alta densidade, que em geral incluem dispositivos como controladores, contadores, registradores e 6

7 decodificadores, proporcionando o desenvolvimento de alternativas para obter flexibilidade em uma implementação. Com o uso de módulos programáveis (portas básicas que permitem a implementação de sistemas digitais). Estes módulos têm uma estrutura padrão e são personalizados para uma função particular. Figura 8 Tecnologia de Lógica Programável Exemplos de tipos e classes de dispositivos programáveis (configuráveis) com capacidade de implementar funções lógicas: PLA (Programmable Logic Array), PAL (Programmable Array Logic), CPLD's (Complex Programmable Logic Devices) MPGA (Mask Programmable Gate Array) FPGA (Field Programmable Gate Array) A alta capacidade e a versatilidade dos dispositivos programáveis (Ex.: FPGA) fazem destes uma alternativa considerável aos ASIC's (Application Specific Integrated Circuit - Circuitos Integrados para Aplicações Específicas) no projeto de sistemas digitais (desde circuitos combinacionais simples até circuitos seqüenciais complexos, p.ex.: microprocessadores). 7

8 2.6. Computação Reconfigurável Representa uma nova idéia em filosofia de computação, na qual algum agente de hardware de propósito geral é configurado para realizar uma tarefa específica, mas pode ser reconfigurado sob demanda para realizar outras tarefas específicas. Pode ser considerada um tipo de implementação (modelo ou paradigma) de solução intermediária, dentre as tradicionais soluções em hardware (hardware fixo - HF) e em software (hardware programável - HP+SW). Usando esse tipo de computação pretende-se alcançar ou aproximar-se do desempenho das soluções implementadas em hardware fixo e da flexibilidade das soluções implementadas em software e hardware programável. Além do desempenho e da flexibilidade pode-se destacar outros fatores de motivação importantes como: eficiência, custo, generalidade, tolerância à falhas, e outras. OUTRAS FONTES REConfigurable Computing Definition. Disponível em: projects/reconf/report_1.html. 8

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