Sistemas Digitais. Tiago Alves de Oliveira

Transcrição

1 Sistemas Digitais Tiago Alves de Oliveira

2 Ementa Conceitos introdutórios de sistemas analógicos e digitais. Aritmética digital. Contadores e registradores. Famílias lógicas e circuitos integrados. Dispositivos de memória. Dispositivos de Lógica programável. Máquinas de estados finitos. Modelagem PC-PO. Especificação do comportamento. Prototipação de Sistemas Digitais. Introdução à abstração e linguagens de descrição de hardware. Práticas em laboratório.

3 Bibliografia Básica MORGADO, Dias. Sistemas Digitais. Princípios e Prática. 2 ed FCA. ISBN: TOCCI, Ronald; MOSS, Gregory L.; WIDMER, Neal S. Sistemas digitais: princípios e aplicações. 11. ed. São Paulo: Pearson Brasil, ISBN: (7ex) VAHID, Frank. Sistemas digitais: projeto, organização e HDLs. Porto Alegre: Bookman, ISBN:

4 Bibliografia Complementar BOYLESTAD, Robert L. Introdução à análise de circuitos. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, ISBN: D AMORE, Roberto. VHDL: descrição e síntese de circuitos digitais. 2. ed. São Paulo: LTC, ISBN: FLOYD, Thomas. Sistemas digitais: fundamentos e aplicações. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, ISBN: LOURENÇO, A.C., CRUZ, E. C., FERREIRA, Sabrina. Circuitos digitais: estude e use. 9 ed. São Paulo: Érica,. PEDRONI, Volnei A. Eletrônica digital moderna e VHDL. Rio de Janeiro: Campus, ISBN

5 Distribuição de Pontos 1ª Etapa: 20 pontos de prova; 10 pontos de trabalho. 2ª Etapa: 20 pontos de prova; 15 pontos de trabalho. 3ª Etapa: 25 pontos; 10 pontos.

6 Trabalhos Devem ser enviados para o tiago.alves@uemg.br Assunto: Trabalho X - SD - Aluno Y Entrega no dia X até 23:59:59 Atrasos, se a nota for total será considerada a fórmula: Nota = Nota (Dias de Atraso)+1

7 1.1 Introducão ao Digital 1s e 0s Grande parte dos sistemas de telecomunicações em todo o mundo enquadra-se na categoria de sistemas digitais. Começou-se com um sistema digital simples de dois estados para representar informações. Um sistema de telégrafo é composto por uma bateria, uma chave de contato momentâneo (normalmente aberta), um fio de telégrafo e um clacker eletromagnético.

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9 1.1 Introducão ao Digital 1s e 0s O sistema do telégrafo usa dois símbolos distintos para transmitir palavra ou número. Pulsos elétricos curtos e longos, que simbolizam pontos e traços do código Morse, caracterizam uma representação digital da informação. O sinal elétrico está ligado ou desligado, em todos os momentos.

10 1.1 Introducão ao Digital 1s e 0s São os sistemas digitais modernos que utilizam sinais elétricos para representar os 1s e 0s. Um diagrama de tempo mostra em que estado (1 ou 0) está o sistema, em qualquer momento. Aponta, também, o momento exato em que ocorre uma mudança de estado.

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12 1.1 Introducão ao Digital 1s e 0s Exibindo-se um ou mais sinais digitais com instrumentos de teste, tais como o osciloscópio, podemos comparar sinais reais e operações possíveis.

13 1.2 Representação Numérica Sistemas físicos usam quantidades, que devem ser manipuladas aritmeticamente. As quantidades podem ser representadas numericamente, na forma analógica ou na forma digital.

14 1.2 Representação Numérica Representação analógica - a quantidade é representada por um indicador proporcional continuamente variável. O som, através de um microfone, causa variações na tensão (voltagem). O velocímetro do automóvel varia com a velocidade. O termômetro de mercúrio oscila em um intervalo de valores, de acordo com a temperatura.

15 1.2 Representação Numérica Em 1875, Alexander Graham Bell descobriu como mudar sua voz em um sinal elétrico continuamente variável, enviá-lo através de um fio e transformá-lo novamente em energia sonora na outra extremidade. Atualmente, o dispositivo que converte energia sonora em sinal analógico de voltagem é conhecido como microfone.

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17 1.2 Representação Numérica Representação digital - varia em diferentes etapas (separadas). As quantidades são representadas por símbolos chamados dígitos. O passar do tempo é mostrado como uma mudança no mostrador de um relógio digital em intervalos de um minuto. Uma mudança na temperatura é mostrada em um display digital, quando há a oscilação de um grau, pelo menos.

18 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais Sistemas digitais: Combinação de dispositivos que manipulam valores representados de forma digital. Sistemas analógicos: Combinação de dispositivos que manipulam valores representados de forma analógica.

19 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais Vantagens do digital: Combinação de dispositivos Facilidades de design. Mais adaptado para armazenar informações. Maior facilidade em manter a exatidão e a precisão. Operação programável. Menos afetado pelo ruído. Facilidade de fabricação em chips IC.

20 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais Existem limites para as técnicas digitais. A natureza analógica do mundo exige um processo de conversão demorado, composto por várias etapas: 1. Converter a variável física em um sinal elétrico (analógico). 2. Converter o sinal analógico para formato digital. 3. Processar (operar) a informação digital. 4. Converter a saída digital de volta para a forma analógica do mundo real.

21 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais O sistema digital é uma combinação de dispositivos projetados para manipular informações lógicas ou quantidades físicas representadas na forma digital. As quantidades podem assumir apenas valores discretos. O sistema analógico manipula quantidades físicas representadas na forma analógica. As quantidades podem variar em uma faixa contínua de valores.

22 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais Os telefones funcionavam em rede, através de um gerador elétrico à manivela. Cada pessoa na rede recebia um código único de toques longos e curtos (como pulsos digitais). A parte que recebia a ligação codificava a sua identidade pela maneira que tocava seu telefone. A sinalização (toques) usava a representação digital, mas a comunicação por voz era puramente analógica.

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24 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais O telefone de discagem rotativa utiliza uma série de pulsos, representando os dez dígitos decimais. Nos telefones de tom de toque, as informações de comutação digital são enviadas por meio de sinais de tom analógico. O telefone celular tem componentes digitais e analógicos e usa ambos os tipos de sinais.

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26 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais Sistema de regulagem da temperatura utilizando-se um conversor analógico-digital.

27 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais Principais razões para a mudança para a tecnologia digital: Geralmente, os sistemas digitais são mais facilmente projetados. O armazenamento da informação é simples. Mantêm-se, com tranquilidade, a exatidão e a precisão do sistema.

28 1.3 Sistemas Analógicos e Digitais As operações podem ser programadas. Os circuitos digitais são menos afetados por ruídos. Um maior número de circuitos digitais pode ser fabricado em chips IC. Têm ocorrido notáveis avanços na tecnologia digital. Os avanços continuarão, na medida em que a tecnologia digital se expandir e melhorar.

29 1.4 Sistemas de Números Digitais Compreender os sistemas digitais requer um entendimento dos sistemas decimal, binário, octal e hexadecimal. Decimal dez símbolos (base 10) Binário dois símbolos (base 2) Octal oito símbolos (base 8) Hexadecimal dezesseis símbolos (base 16)

30 1.4 Sistemas de Números Digitais O Sistema Decimal: Dez símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Cada número é um dígito (do latim, dedo). Dígitos mais significantes (MSD) e dígitos menos significantes (LSD). Valor posicional pode ser declarado como um dígito multiplicado por uma potência de 10.

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33 1.4 Sistemas de Números Digitais O Sistema Binário (base 02) : Dois símbolos: 0 e 1. Empresta-se ao projeto de circuitos eletrônicos com apenas dois diferentes níveis de tensão obrigatórios. Valor posicional pode ser indicado como um dígito multiplicado por uma potência de 2.

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36 1.5 Representação de Quantidades Binárias Os sinais analógicos podem ser convertidos para digital por meio de medidas ou amostras do sinal, que varia continuamente em intervalos regulares. O tempo adequado entre as amostras depende da taxa máxima de mudança do sinal analógico.

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38 1.5 Representação de Quantidades Binárias Representação típica dos dois estados de um sinal digital. Um intervalo de tensões mais alto representa um 1 válido, e um intervalo de tensões mais baixo representa um 0 válido. Muitas vezes, ALTO e BAIXO são utilizados para descrever os estados de um sistema digital em vez de 1 e 0. O osciloscópio e o analisador lógico são utilizados para produzir diagramas de tempo. Os diagramas de tempo mostram a tensão versus o tempo. São usados para demonstrar como os sinais digitais evoluem com o tempo, ou para comparar dois ou mais sinais digitais.

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40 1-6 Circuitos Digitais / Circuitos Lógicos Os circuitos digitais produzem e respondem às variações predefinidas da tensão. O termo circuitos lógicos é usado alternativamente.

41 1.6 Circuitos Digitais / Circuitos Lógicos Um circuito digital responde a uma entrada binário de nível 0 ou 1, mas não a sua tensão real.

42 1.7 Transmissão Paralela e Serial Na transmissão paralela, todos os bits em um número binário são transmitidos simultaneamente. Uma linha separada é exigida para cada bit. Na transmissão serial, cada bit em um número binário é transmitido em algum intervalo de tempo.

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44 1.7 Transmissão Paralela e Serial A transmissão paralela é mais rápida, porém requer mais caminhos. A transmissão serial é mais lenta, mas requer um único caminho.

45 1.8 Memória A memória é exibida através de um circuito que mantém uma resposta a uma entrada momentânea. Ela é importante porque proporciona uma maneira de armazenar números binários, temporária ou permanentemente. Elementos de memória: magnéticos, ópticos e circuitos eletrônicos de travamento.

46 1.9 Computadores Digitais O computador é um sistema de hardware que executa operações aritméticas, manipula dados e toma decisões. Realiza operações com base nas instruções sob a forma de um programa em alta velocidade e com alto grau de precisão.

47 1.9 Computadores Digitais Principais partes de um computador: Unidade de entrada - processa instruções e dados na memória. Unidade de memória - armazena dados e instruções. Unidade de controle - interpreta instruções e envia sinais apropriados para outras unidades. Unidade de lógica/ aritmética - executa cálculos aritméticos e decisões lógicas. Unidade de saída - apresenta informações da memória para o operador ou para o processo.

48 1.9 Computadores Digitais Muitas vezes, as unidades de controle e de aritmética/ lógica são tratadas como uma coisa só. Chama-se, então, unidade central de processamento (CPU).

49 1.9 Computadores Digitais Tipos de computadores: - Microcomputador mais comum (desktops). Tornou-se muito poderoso. - Minicomputador (workstation). - Mainframe. - Microcontrolador projetado para uma aplicação específica, com controles dedicados ou embutidos. Utilizado em equipamentos, processos de manufaturamento, sistemas de autoignição, sistemas ABS e muitas outras aplicações.

50 1.9 Computadores Digitais As funções básicas dos subsistemas digitais de um telefone celular e todas as outras aplicações integradas são controladas por um sistema de microcomputador completo embutido em cada telefone.

51 1.9 Computadores Digitais Ao fotografar, o telefone converte o brilho dos pontos individuais no CCD em números binários e os armazena na memória (linha x coluna x). Mostrar uma imagem em uma tela de LCD é o processo inverso ao de armazenar uma imagem na memória.

52 1.9 Computadores Digitais Quando você fala ao telefone, o sinal de voz é convertido para uma sequência de números digitais (binário). Os sinais são separados e encaminhados para um local adequado pelos multiplexadores e demultiplexadores digitais.

53 Progresso digital hoje e amanhã Muitas necessidades do mundo atual são atendidas pela tecnologia digital. Você será capaz de se tornar um pioneiro nessas novas fronteiras da tecnologia. Principalmente se utilizar o Arduino.