Universidade da Beira Interior Deptº de Informática

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1 Universidade da Beira Interior Deptº de Informática LTC Laboratório de Tecnologia dos Computadores Guia introdutório às aulas práticas PRELIMINAR 1 - Apresentação O Laboratório de Tecnologia dos Computadores (LTC) faz parte do conjunto de laboratórios dedicados ao ensino da informática, pertencentes ao departamento de informática da UBI. Está especialmente vocacionado para aulas versando a tecnologia de construção e modo de funcionamento dos computadores digitais, permitindo trabalhos práticos quer a nível de hardware, quer a nível de programação em linguagem máquina. Para isso, o LTC encontra-se equipado com doze PC s aonde está instalado diverso software para simulação de circuitos digitais e também ferramentas de apoio à programação em Assembly. Dispõe também de doze caixas de montagem aonde são realizadas experiências em hardware, quer isoladamente quer em ligação aos PC s. Para apoiar a realização desses trabalhos existem diversos componentes, desde componentes discretos como resistências, diodos, transistores e circuitos integrados, até módulos completos de aquisição e tratamento de sinais. Existem também conjuntos de ferramentas como chaves de fenda e alicates, para além de instrumentos de medida e teste. Actualmente, o LTC apoia as disciplinas de Sistemas Lógicos e Arquitectura de Computadores. O laboratório é também utilizado na realização de projectos de fim de curso, nomeadamente naqueles que necessitam de trabalhar com módulos de hardware. Fig. 1 Laboratório de Tecnologia dos Computadores Este guia destina-se a ser utilizado nas aulas teórico-práticas e práticas de Sistemas Lógicos, existindo um guia equivalente para a disciplina de Arquitectura de Computadores.

2 2 Montagens práticas A montagem e teste dos circuitos digitais é efectuada nas caixas de montagem, utilizando-se os componentes adequados. Seguem-se algumas notas e conselhos na sua utilização. 2.1 Caixa de montagem A figura 2.1 apresenta uma caixa de montagem, identificando os seus componentes principais. Interruptor geral Fonte de alimentação LED s Comutadores de dados oscilador (clock) Zona de montagem dos componentes bread board Fig. 2.1 Caixa de montagem Can Jump CJ-8000 Componentes principais: o interruptor geral ligar só no final da montagem e após verificação da sua correcção o indicadores (LED s) : servem para visualizar o estado das entradas/saídas o comutadores : servem para estabelecer os valores das entradas o gerador de impulsos (clock) : gera impulsos com frequência variável o fonte de alimentação: fornece as tensões necessárias para o funcionamento dos circuitos atenção à polaridade e ao valor : usar somente +5V e! +5V Fig. 2.2 Fonte de alimentação

3 o zona de montagem dos componentes (placas bread board ) : formada por placas contendo uma matriz de alvéolos interligados entre si de acordo com a figura abaixo; os componentes ficam ligados uns com os outros após serem inseridos nos alvéolos. colunas de 5 alvéolos interligados entre si (as diversas colunas não interligam umas com as outras) duas linhas de 25 alvéolos interligados entre si (as duas linhas não interligam entre si) : habitualmente são usadas para a alimentação colocação dos componentes (ex: circuitos integrados) Fig. 2.3 Zona de montagens Boas práticas de montagem: o fios de ligação: não retirar demasiado isolamento para evitar curto-circuitos, mas retirar o suficiente para garantir bom contacto; ter em atenção que fios oxidados não fazem bom contacto; não usar fios muito curtos ou muito compridos que dificultem o acesso aos componentes; colocar os fios nos alvéolos mais afastados dos circuitos integrados e sem os tapar, de modo a permitir a sua fácil remoção e/ou substituição; não torcer demasiado os fios, nem efectuar curvas com ângulos apertados para evitar partir o condutor dentro do isolamento; ter algum cuidado em verificar se os fios já estão partidos e também com os que partem e ficam dentro dos alvéolos da caixa de montagem; usar o mais possível cores diferentes nos fios: reservar exclusivamente fios pretos para o negativo() e fios vermelhos para o positivo da alimentação(=+5v); não criar pontes com fios usando troços em série, mas sim usar fios inteiros; o não dobrar os contactos dos circuitos integrados; ter especial atenção no momento de os retirar das placas de montagem; o não colocar os componentes demasiado perto nem demasiado longe uns dos outros, o que dificulta as ligações; o orientar todos os componentes no mesmo sentido (refªs todas para o mesmo lado); o planificar a montagem antes de a executar, agrupando os componentes o melhor possível de acordo com o esquema da montagem;

4 3 Circuitos integrados Uma vez que a maioria dos sistemas digitais fazem uso principalmente de circuitos integrados (designados por CI-Circuito Integrado ou em inglês IC-Integrated Circuit) apresentam-se de seguida alguma considerações sobre estes componentes. Um CI não é um componente em si mesmo, pois é formado por um número mais ou menos elevado de componentes mais simples (tais como resistências, diodos e transistores) que são integrados em conjunto num bloco de material plástico que forma o corpo do CI e do qual saem os terminais ou pinos de ligação externa. A figura 3.1 mostra o aspecto típico dos CI s, bem como a respectiva representação. Fig. 3.1 Circuitos Integrados Os CI digitais apresentam-se em diversas formas físicas, sendo a mais frequente designada por embalagem DIL (Dual In-Line Package) uma vez que os terminais se apresentam dispostos em duas filas paralelas. Para permitir a identificação dos terminais a cada um é atribuído um número a que corresponde uma certa função descrita no manual do fabricante. No corpo do integrado existe uma marca que pode assumir a forma de um entalhe ou uma pinta e que permite determinar a posição dos pinos (ver figura 3.1). Assim, o pino 1 é o que se encontra à esquerda dessa marca, estando os outros distribuídos ao longo do CI segundo o sentido contrário ao dos ponteiros do relógio. Para que funcione correctamente um CI precisa de ser alimentado electricamente com uma tensão de valor apropriado, a qual varia conforme a família a que o integrado pertence. As duas famílias mais comuns são a TTL (Transistor-to-Transistor Logic) e a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). No primeiro caso a tensão de alimentação é usualmente de +5V aplicada entre o terminal designado por 1 e o. No caso da familia CMOS essa tensão pode subir até aos +15V, sendo aplicada entre o terminal designado por Vdd 2 e o. 1 O termo deriva do facto de que a família TTL é construída com base em transistores bipolares cujos colectores (c) são todos ligados a um ponto comum da alimentação, precisamente o pólo positivo. 2 Neste caso a designação provém do facto de que agora são os drain (d) dos transistores MOS que constituem a família CMOS que são interligados ao ponto comum, o pólo positivo da alimentação.

5 Nos trabalhos desenvolvidos no LTC serão usados integrados da família TTL (na realidade HCT) alimentados a =+5V. Na maioria dos integrados digitais, o corresponde ao último pino do lado do pino 1 e o corresponde ao pino oposto ao pino 1 (ver figura). Em integrados de 14 pinos, o será o pino 7 e o o 14; em integrados de 16 pinos, o será o pino 8 e o o 16. Esta é a regra geral mas existem excepções, pelo que devem sempre ser consultados os catálogos dos fabricantes. A utilização dos CI impõe alguns cuidados: Os circuitos integrados são montados na caixa sendo colocados sobre a ranhura existente nas placas de montagem de modo a que cada fila de terminais fique de um dos lados da ranhura; isto permite que os terminais fiquem totalmente acessíveis para futuras ligações, permanecendo isolados entre si tal como quando o integrado não está montado; Sendo componentes bastante sensíveis às cargas eléctrica deve evitar-se o mais possível tocar com as mãos nos terminais; se isso tiver de ser então é preferível tentar tocar simultaneamente em todos os terminais sem ter a preocupação de tocar só em um ou dois (idealmente deveria descarregar-se a electricidade estática do corpo tocando com as mãos num ponto de terra ou pelo menos numa grande superfície metálica); Se um integrado não estiver a ser usado de momento ele deve ser mantido encaixado na placa de montagem em vez de ser desmontado e colocado em cima da bancada; Ao efectuar uma montagem, ligar em primeiro lugar o e depois o de todos os integrados que fazem parte da montagem e só depois ligar os restantes terminais; Os integrados são muito sensíveis quer ao valor, quer à polaridade da tensão de alimentação. Deve pois ser respeitado quer o valor de =+5V, quer a ligação do e do aos pinos correctos; Os terminais são muito resistentes mas têm limites para o número de vezes que podem ser dobrados e desdobrados, podendo partir principalmente junto ao ponto de ligação ao corpo de plástico. Deve pois ter-se cuidado com a sua inserção na caixa de montagem, pois essa operação exige que se exerça alguma pressão sobre o integrado até que fique perfeitamente encaixado. Cuidados especiais devem ser tomados ao retirá-los das placas, operação particularmente delicada devido à força de retenção exercida pelos alvéolos das placas. Diversas técnicas podem ser utilizadas: o inserir um fio por baixo do integrado, puxando simultaneamente pelas duas pontas; o aplicar um objecto pontiagudo alternadamente nas suas extremidades, soltando-o progressivamente;

6 Nenhum pino correspondente a uma entrada deve ser deixado por ligar, ainda que não sejam usados na montagem. Normalmente, derivado da constituição interna dos CI s digitais, pinos não ligados correspondem a estar ligados a ( 1 lógico) mas um pino não ligado funciona como uma antena que capta quaisquer interferências e as introduz no circuito. Isso pode levar a que uma entrada não ligada possa aleatoriamente assumir valores 1 lógico ou 0 lógico, perturbando o funcionamento do circuito. Assim, entradas não usadas cujo valor deve ser 1 devem ser ligadas permanentemente a. 4 LED s (Light Emitting Diode) A caixa de montagens dispõe de 8 LED s de cor vermelha, numerados L0 a L7, fig.4, que servem para visualizar o estado das entradas/saídas dos circuitos. Os LED s são diodos com a capacidade de emitirem luz visível e tal como estes dispõem de um terminal positivo (ânodo) que deve ser ligado ao positivo da alimentação e outro negativo (cátodo) a ligar ao. Na caixa de montagem todos os LED s têm já os cátodos ligados ao (montagem em cátodo comum) pelo que eles acenderão se uma tensão positiva for aplicada no terminal disponível na caixa. A tensão de funcionamento dos LED s é inferior aos 5V do, mas a existência de uma resistência interna em série com cada um deles permite aplicar-lhes a tensão de 5V sem perigo. símbolo acendem com tensão positiva LED Fig. 4 LED s 5 Comutadores de dados Na caixa existem dois tipos de comutadores com a função de estabelecerem valores binários: os designados por DATA, numerados S0 a S7 e os designados por LOGIC marcados por A e B. Os primeiros permitem colocar nas suas saídas (D0 a D7) os valores lógicos 1 ou 0 conforme se encontrem colocados para cima (1) ou para baixo (0). Uma vez colocados numa das duas posições eles aí permanecem. Estes comutadores não dispõem de circuito de eliminação de ruído de comutação ( bounce ) pelo que podem gerar falsos impulsos ao serem actuados. Os segundos são do tipo de pressão, tendo apenas uma posição de repouso à qual voltam por acção de uma mola, depois de terem sido actuados. Quando em repouso, tem-se (A=1, A=0) e

7 também (B=1, B =0). Quando A ou B são actuados as respectivas saídas trocam de valor ficando (A=0, A =1) e (B=0, B =1). Estes comutadores dispõem de circuito de eliminação de ruído de comutação ( debounce ), pelo que podem ser usados para gerar impulsos em circuitos sequenciais. Fig. 5 Comutadores de Dados 6 Clock A caixa disponibiliza um oscilador capaz de gerar sequências de impulsos com frequência variável, a qual pode ser seleccionada entre os valores de 1Hz,100Hz e 10KHz. Um comutador multiplicador permite multiplicar por 10 estes valores, obtendo-se 10Hz, 1KHz e 100KHz. Existe ainda uma saída com impulsos de frequência 50Hz, sincronizada com a rede (LINE). Fig. 6 Clock 7 Detecção de avarias Uma técnica simples para detecção de avarias é utilizar um dos LED s da caixa como ponta de prova e através dele analisar o estado de vários pontos do circuito, comparando os valores obtidos com os valores esperados. Este método não serve para todos os circuitos nem para todas as situações, havendo casos em que é necessário recorrer a equipamentos de medida mais sofisticados.

8 8 Trabalhos práticos Realização A realização dos trabalhos práticos deve ser feita seguindo um método que garanta o sucesso do trabalho. Assim, devem ser seguidos os seguintes passos: 1. Sintetizar o enunciado do problema, eliminando eventuais redundâncias que não contribuam para a compreensão do problema. Ex: o circuito vai ser instalado em casa do Sr. António ; 2. Seleccionar as variáveis de entrada e saída, atribuindo-lhes significados. Ex: um interruptor geral (variável de entrada) pode ser representado pela letra I, sendo que I=0 representa interruptor desligado e I=1 representa interruptor ligado; 3. Construir as tabelas de verdade que correspondem ao problema; 4. Extrair as expressões, recorrendo a técnicas de simplificação (mapas de Karnaugh). 8.2 Apresentação Diagrama de Blocos Construir um diagrama de blocos que represente o sistema a um nível elevado de abstracção e que permita um entendimento fácil da sua funcionalidade. O diagrama deverá conter todas as variáveis de entrada e saída bem como os principais blocos que constituem o sistema e as ligações entre eles, sem pormenores desnecessários. A este nível não deve haver ainda preocupações com o modo como os blocos serão constituídos internamente. Ex: Circuito de controle de um contador de enchimento de garrafas refrescamento Stop I C Controlador contagem final Contador D7... D0 Comparador Display Alarme Parar Diagrama Lógico (Logigrama) Enquanto o diagrama de blocos apresenta o circuito sem preocupações de pormenor, no diagrama lógico indicam-se todos os pormenores que o constituem, tais como as portas lógicas, as ligações entre elas, etc. O diagrama lógico deve reflectir o correspondente diagrama de blocos.

9 Algumas convenções a seguir no desenho do logigrama são: Os vários circuitos integrados que fazem parte do sistema devem ser numerados sequencialmente, tipicamente usando a designação U1, U2,..., devendo depois ser fornecida uma lista que os identifique individualmente, ex: U1=74HCT00, U2 =... As portas lógicas são sempre representadas individualmente embora façam parte de circuitos integrados. As portas devem ser identificadas com o número do CI a que pertencem indicando-se também os pinos correspondentes. Ex: as portas NAND do circuito U1=74HCT00 seriam representadas como a seguir: U1=74HCT00 Circuitos complexos como contadores, registos, memórias, etc, são representados recorrendo ao seu símbolo lógico, tal como consta dos catálogos dos fabricantes, devido à dificuldade ou impossibilidade de representar o seu conteúdo. Nesta representação os pinos são agrupados segundo a sua função, sem a preocupação de os representar sequencialmente Seguem-se alguns exemplos: Os pinos da alimentação não devem ser representados conjuntamente com os sinais de controle, sendo indicados num diagrama à parte ou então por indicação textual. Ex: 14 U1 16 U2 ou 14 U1 16 U2 ou U1: =14 =7 U2: =16 = A implementação do circuito na caixa de montagem só deve ser feita após a obtenção do logigrama, devendo ser feita de acordo com este afim de evitar erros, tais como trocas de portas, falta de ligações etc.

10 Relatórios dos Trabalhos Práticos Cotados Os relatórios dos trabalhos práticos devem conter, no mínimo: Folha de rosto, contendo a identificação do trabalho e dos elementos do grupo Enunciado Diagrama de blocos do sistema a projectar Justificação de tudo o que tenha sido utilizado para obter o circuito: tabelas, mapas, etc Materiais utilizados (ex: incluir datasheets no final do relatório) Referências bibliográficas que tenham sido consultadas e utilizadas Nos casos em que tal se aplique, indicação dos aspectos menos evidentes do funcionamento do circuito, anomalias que tenham sido detectadas e não corrigidas, ideias que não faziam parte do enunciado, opções que foram assumidas, etc Circuito final completo (diagrama lógico) impresso a partir do Digital Works