Códigos, Portas Lógicas e Comportamento Elétrico

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1 Códigos, Portas Lógicas e Comportamento Elétrico Prof. Ohara Kerusauskas Rayel Disciplina de Eletrônica Digital - ET75C Curitiba, PR 26 de março de / 32

2 Códigos Código: Números, letras ou palavras representados por um grupo especial de símbolos Na aula passada vimos vários tipos de código. Quais eram e o que representavam? 2 / 32

3 Códigos Código: Números, letras ou palavras representados por um grupo especial de símbolos Na aula passada vimos vários tipos de código. Quais eram e o que representavam? Decimal, Binário, Octal e Hexadecimal! Representam quantidades numéricas. Como nosso foco em digital são os números binários, veremos os principais códigos que utilizam apenas 1 s e 0 s 2 / 32

4 Código Gray Sistemas digitais operam em altas velocidades, reagindo a variações que ocorrem em suas entradas Exemplo de situação em que uma representação binária é drasticamente alterada? 3 / 32

5 Código Gray Sistemas digitais operam em altas velocidades, reagindo a variações que ocorrem em suas entradas Exemplo de situação em que uma representação binária é drasticamente alterada? A própria contagem binária! Exemplo, contador de 0 a 7. Quando chega em 111 (7), ao somarmos um, o contador vai para 000 (0), ou seja, TODOS os bits se alteraram ao mesmo tempo! 3 / 32

6 Código Gray Sistemas digitais operam em altas velocidades, reagindo a variações que ocorrem em suas entradas Exemplo de situação em que uma representação binária é drasticamente alterada? 4 / 32

7 Código Gray Sistemas digitais operam em altas velocidades, reagindo a variações que ocorrem em suas entradas Exemplo de situação em que uma representação binária é drasticamente alterada? A própria contagem binária! Exemplo, contador de 0 a 7. Quando chega em 111 (7), ao somarmos um, o contador vai para 000 (0), ou seja, TODOS os bits se alteraram ao mesmo tempo! 4 / 32

8 Código Gray Para minimizar as alterações a cada passo de contagem binária, criou-se o Código Gray Apenas 1 bit se altera a cada passo de contagem, minimizando a probabilidade de erro na interpretação B 2 B 1 B 0 G 2 G 1 G / 32

9 Lógica de codificação Código Gray B2 B1 B0 Diferente? Diferente? G2 G1 G0 6 / 32

10 Códigos Binários Código: Letras, números ou palavras representados por um conjunto de bits Exemplos de códigos? 7 / 32

11 Códigos Binários Código: Letras, números ou palavras representados por um conjunto de bits Exemplos de códigos? Código Morse A própria representação de números decimais através de 0 s e 1 s 7 / 32

12 Código BCD Frequente necessidade de conversão entre binário e decimal nos sistemas digitais Conversões podem ser longas e complicadas para números grandes Código BCD: combina características dos sistemas decimal e binário Cada dígito decimal é representado por seu equivalente binário Quantos são então os bits necessários para representar cada dígito? 8 / 32

13 Código BCD Frequente necessidade de conversão entre binário e decimal nos sistemas digitais Conversões podem ser longas e complicadas para números grandes Código BCD: combina características dos sistemas decimal e binário Cada dígito decimal é representado por seu equivalente binário Quantos são então os bits necessários para representar cada dígito? Resposta: 4, pois o maior dígito a ser representado é o 9, que em binário é / 32

14 Exercício Sabendo que cada dígito decimal é representado por seu equivalente binário, como se escreve o número 1596 em BCD? Resposta: 9 / 32

15 Exercício Sabendo que cada dígito decimal é representado por seu equivalente binário, como se escreve o número 1596 em BCD? Resposta: Logo, = BCD 9 / 32

16 Exercício Converta agora o número BCD Resposta: 10 / 32

17 Exercício Converta agora o número BCD Resposta: Não existe!!! Logo, não é um número BCD e não pode ser convertido para decimal! 10 / 32

18 Vantagens e Desvantagens Quais a principal vantagem e a principal desvantagem do código BCD? 11 / 32

19 Vantagens e Desvantagens Quais a principal vantagem e a principal desvantagem do código BCD? Vantagem: facilidade de conversão para números longos Desvantagem: ineficiência no uso de bits, já que nem todos as combinações de bits possíveis são utilizadas, como foi o caso do 12 no último exercício Exemplo da ineficiência: bits para representar um número que é representado por 8 bits em binário 11 / 32

20 Códigos Alfanuméricos Além de dados numéricos, os sistemas precisam manipular informações não numéricas, como letras e símbolos Mais utilizado é o ASCII (American Standard for Information Interchange) Possui 7 bits para representar cada símbolo, portanto quantas letras e números estão representadas? 12 / 32

21 Códigos Alfanuméricos Além de dados numéricos, os sistemas precisam manipular informações não numéricas, como letras e símbolos Mais utilizado é o ASCII (American Standard for Information Interchange) Possui 7 bits para representar cada símbolo, portanto quantas letras e números estão representadas? Resposta: 128. Suficiente para representar os caracteres de um teclado padrão. 12 / 32

22 b7 b6 BITS b5 b4 b3 b2 b NUL Tabela ASCII CONTROL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF A VT B FF C CR D SO E SI F DLE DC DC DC DC NAK SYN ETB CAN EM SUB 1A ESC 1B FS 1C GS 1D RS 1E US 1F 37 LEGEND: SYMBOLS 1 NUMBERS 32 SP ! # $ % & ( ) * 2A B 53 44, 2C D E / 2F 57 dec CHAR hex oct : 3A ; 3B < 3C = 3D > 3E 76 63? 3F UPPER A B C D E F G H I J 4A K 4B L 4C M 4D N 4E O 4F P Q R S T U V W X Y Z 5A [ 5B \ 5C ] 5D ˆ 5E F LOWER CASE a b c d e f g h i j 6A k 6B l 6C m 6D n 6E o 6F p q r s t u v w x y z 7A { 7B C } 7D E DEL 7F 177 Victor Eijkhout Dept. of Comp. Sci. University of Tennessee Knoxville TN 37996, USA 13 / 32

23 Exercício Como seria armazenada a seguinte linha de código em ASCII, em um sistema endereçado a cada 8 bits? i f (x>3) 14 / 32

24 Exercício Como seria armazenada a seguinte linha de código em ASCII, em um sistema endereçado a cada 8 bits? i f (x>3) Resposta: i (0x69); f (0x66); espaço (0x20); ( (0x28); x (0x78); > (0x3E); 3 (0x33); ) (0x29) Resposta: i ( ); f ( ); espaço ( ); ( ( ); x ( ); > ( ); 3 ( ); ) ( ) Resposta: 8 bytes (64 bits)! Teste no PC! 14 / 32

25 Problema 128 caractereres não são o suficiente para representar todos os alfabetos existentes no mundo Existe o código ASCII estendido, que utiliza 8 bits, e portanto possui mais 128 caracteres É utilizado para caracteres que não existem no inglês, como letras acentuadas Porém, não possui um padrão mundial, o que gera conflitos quando um mesmo arquivo é aberto em computadores de idiomas diferentes Unicode surgiu para resolver o problema 15 / 32

26 Operações sobre números binários Como vimos na aula passada, todos os equipamentos eletrônicos digitais utilizam números binários para representar quantidades Para manipular estes números, existem apenas 3 operações básicas: AND (E), OR (OU) e NOT (NÃO) A partir destas três, qualquer outra operação pode ser realizada Para realizar estas operações dentro do hardware, precisamos de circuitos específicos que realizem estas operações. É isto que veremos a seguir 16 / 32

27 Porta OR (OU) Deve retornar verdadeiro (nível ALTO) quando uma OU outra entrada é verdadeira Exemplo: 0+1 = 1; 1+1 = 1; 1+0 = 1. Único caso = 0 Exercício: qual a forma de onda de saída? 17 / 32

28 Porta OR (OU) Deve retornar verdadeiro (nível ALTO) quando uma OU outra entrada é verdadeira Exemplo: 0+1 = 1; 1+1 = 1; 1+0 = 1. Único caso = 0 Exercício: qual a forma de onda de saída? 17 / 32

29 Porta E (AND) Deve retornar verdadeiro somente quando TODAS as entradas são verdadeiras Exemplo: 0 1 = 0; 1 0 = 0; 0 0 = 0. Único caso = 1 Exercício: qual a forma de onda de saída? 18 / 32

30 Porta E (AND) Deve retornar verdadeiro somente quando TODAS as entradas são verdadeiras Exemplo: 0 1 = 0; 1 0 = 0; 0 0 = 0. Único caso = 1 Exercício: qual a forma de onda de saída? 18 / 32

31 Porta NÃO (NOT) Deve retornar o valor inverso ao da entrada Exemplo: 0 = 1; 1 = 0 Exercício: qual a forma de onda de saída? 19 / 32

32 Porta NÃO (NOT) Deve retornar o valor inverso ao da entrada Exemplo: 0 = 1; 1 = 0 Exercício: qual a forma de onda de saída? 19 / 32

33 Porta NOR (Não-OU) Deve retornar verdadeiro somente quando todas as entradas forem falsas (comportamento inverso da OU) Exercício: qual a forma de onda de saída? 20 / 32

34 Porta NOR (Não-OU) Deve retornar verdadeiro somente quando todas as entradas forem falsas (comportamento inverso da OU) Exercício: qual a forma de onda de saída? 20 / 32

35 Porta NAND (Não-E) Deve retornar falso somente quando todas as entradas forem verdadeiras (comportamento inverso da E) Exercício: qual a forma de onda de saída? 21 / 32

36 Porta NAND (Não-E) Deve retornar falso somente quando todas as entradas forem verdadeiras (comportamento inverso da E) Exercício: qual a forma de onda de saída? 21 / 32

37 Porta XOR (OU-Exclusivo) Deve retornar verdadeiro quando as entradas forem diferentes Exemplo: 0 1 = 1; 1 0 = 1; 0 0 = 0; 1 1 = 0 Exercício: qual a forma de onda de saída? 22 / 32

38 Porta XOR (OU-Exclusivo) Deve retornar verdadeiro quando as entradas forem diferentes Exemplo: 0 1 = 1; 1 0 = 1; 0 0 = 0; 1 1 = 0 Exercício: qual a forma de onda de saída? 22 / 32

39 Porta XNOR (Não-OU-Exclusivo) Deve retornar verdadeiro quando as entradas forem iguais (comportamento inverso da XOR) Exercício: qual a forma de onda de saída? 23 / 32

40 Porta XNOR (Não-OU-Exclusivo) Deve retornar verdadeiro quando as entradas forem iguais (comportamento inverso da XOR) Exercício: qual a forma de onda de saída? 23 / 32

41 Portas Lógicas na Prática Portas lógicas são utilizadas na prática através de circuitos integrados Estes circuitos normalmente contém um conjunto de portas do mesmo tipo VCC GND 24 / 32

42 Características de CI s digitais CI s são uma coleção de resistores, diodos e transistores fabricados em uma única peça de material semicondutor (silício) Encapsulamento DIP (Dual-in-line package) - Mais comum para uso em laboratório Encapsulamento SMD (Surface-mount device) é o mais comum em produtos eletrônicos avançados 25 / 32

43 Família TTL A família de CI s bipolares (feitas com transistores bipolares Transistor-Transistor Logic - TTL) Prefixo dos CI s sempre possui 74, 74S, 74LS, 74AS, 74ALS. A mais usada é 74LS, por ser de baixa potência Faixa de tensão de operação: V CC deve ser conectado em +5V. 26 / 32

44 Família TTL LS00 VCC 20 kω 8 kω 120 Ω A B 12 kω 4 kω Y 1.5 kω 3 kω GND 27 / 32

45 Família CMOS A família de CI s unipolares (feitas com MOSFETs Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - CMOS) Prefixo dos CI s sempre possui 40, 74C, 74HC, 74HCT, 74AC, 74ACT. A mais usada é a 74HC, por ser compatível com TTL. Faixa de tensão de operação: V CC deve ser conectado em +5V a +18V. Mais usado é 5V para que possa ser conectado a dispositivos TTL. 28 / 32

46 Família CMOS 29 / 32

47 Níveis Elétricos LVTTL e LVCMOS - versões low-voltage TTL e CMOS. Operam a 3,3V, economizando potência 30 / 32

48 Exercícios Exercícios para estudo: refazer os realizados em sala de aula, além dos seguintes exercícios do livro Sistemas digitais: princípios e aplicações": 2-1, 2-2, 2-4, 2-5, 2-6, 2-8, 2-10, 2-11, 2-15, 2-16, 2-18, 2-20, 2-34, 2-35, 3-1, 3-2, 3-3, 3-5, 3-6, 3-11, 3-17 e / 32

49 Próxima Aula: Teoremas da Álgebra Booleana! 32 / 32