Sistemas Digitais Elementos Básicos de Tecnologia João Paulo Baptista de Carvalho (Prof. Auxiliar do IST) joao.carvalho@inesc.pt
Portas Lógicas O interesse da matéria que se tem vindo a analisar reside no facto de que as funções lógicas podem ser usadas para representar as acções e os processamentos que se pretendem de um determinado equipamento, podendo ser implementadas fisicamente por circuitos electrónicos A implementação física de um logigrama é feita por um circuito eléctrico em que os diversos operadores lógicos são implementados por portas lógicas (gates) realizadas em circuitos integrados Um exemplo de um circuito integrado é o caso do 74LS08 que implementa os ANDs (ver folha de especificação) 2
Circuitos Integrados Digitais A tecnologia dos circuitos integrados é a responsável pelo tremendo desenvolvimento dos sistemas digitais, uma vez que possibilitou a construção de circuitos electrónicos digitais muito complexos a custos extremamente reduzidos Um circuito integrado é um pequeno cristal de silício (em geral há outras tecnologias) onde se difundiram impurezas de forma a formar transístores, díodos, resistências e outros elementos de circuitos interligados entre si, por forma a formarem circuitos de maior ou menor complexidade Um circuito integrado digital materializa circuitos digitais. Os circuitos integrados digitais são relativamente fáceis de conceber e produzir, assumindo custos muito baixos 3
Circuitos Integrados Digitais Cada CI pode ter entre algumas gates e alguns milhões de gates. Por exemplo: O circuito integrado usado habitualmente no nosso laboratório com circuitos AND tem 4 gates AND independentes que podem ser usadas separadamente Um contador é um CI com algumas dezenas de gates interligadas de forma a formar um contador Um microprocessador avançado como o Intel Core i7 tem centenas de milhões de gates ou circuitos equivalentes 4
Tecnologias de fabrico de CI s TTL: Uma tecnologia que foi muito usada e estabeleceu critérios e normas Tem um comportamento médio no que diz respeito a velocidade e a consumo Subdivide-se em várias sub-famílias com características diferenciadas mas todas compatíveis entre si Dado ter-se tornado muito popular, outras tecnologias têm circuitos com entradas e saídas compatíveis com TTL.. É uma tecnologia em perda a favor da CMOS CMOS: A outra tecnologia de grande divulgação ECL É relativamente mais lenta que a TTL mas consome menos É a tecnologia actualmente mais utilizada É a mais rápida tecnologia comercialmente disponível Tem um consumo muito elevado É de relativamente difícil utilização Está reservada a nichos muito reduzidos Outras tecnologias: nmos e pmos GaAs IIL... 5
Famílias TTL Uma das família utilizadas no laboratório por ser electricamente mais robusta criando, por isso menos problemas a alunos com pouca experiência Tensão de alimentação: 5V ± 5% para séries normais e 5V ± 10% para séries militares. Temperaturas de operação: [0;70] o C nas séries normais e [-55;125] o C nas séries militares. Sub-famílias: N (Normal), L, H, LS (a mais usada), S, ALS, AS, F,... Exemplos de tempos de atraso e de consumos para um 74XX00: Sub-família Atraso típico Corrente de alimentação (típ.) N (7400) (7;11) ns (4;12) ma LS (74LS00) (9;10) ns (0,8;2,4) ma S (74S00) (3;5) ns (10;20) ma Em cada sub-família a série 54XXnn é a série militar e a 74XXnn é a normal. 6
Famílias TTL (Níveis Eléctricos) Consideremos uma ligação entre duas gates TTL, por exemplo, uma negação e um AND: Os fabricantes de circuitos lógicos não garantem valores fixos de tensão para representar "0"s e "1"s. O que garantem é um intervalo de tensões de tal modo que, se a saída de uma gate se encontrar nesse intervalo, pode-se considerar que está representado um determinado valor lógico No caso da família TTL os fabricantes garantem que, aparte os momentos em que se verifica uma transição à saída da gate em resultado de uma mudança nas entradas, a gate estará ou no valor Alto, também designado por HIGH (entre 2,4V e 5V) ou no valor Baixo, também designado por LOW (entre 0V e 0,4V) A tendência natural é associar o valor Alto ao "1" lógico e o valor Baixo ao "0" lógico. Veremos adiante que há outras hipóteses Repare-se, contudo, que existe aquilo a que habitualmente chamamos ruído eléctrico e que mais não é do que a influência electromagnética de todos os campos que existem na zona onde está o circuito (emissões de rádio, TV, telemóveis, ruído provocado pelo arranque e paragem de motores eléctricos, emissão electromagnética de outras ligações do mesmo circuito, etc.). Assim, é possível que à saída da gate tenhamos um valor válido (por exemplo 0,3V) e à entrada da gate que lhe está ligada se observe um valor inválido (por exemplo, 0,5V). Para ter em conta que isso pode ocorrer, as entradas das gates têm uma especificação um pouco mais ampla, sendo os valores entre 2V e 5V interpretados como Alto e os valores entre 0V e 0,8V interpretados como Baixo. O intervalo de 0,4V entre os valores extremos à saída e à entrada é chamado, naturalmente, Margem de Ruído 5V 1 2,4V 0,4V 0V TTL Nível Alto & Nível Baixo 7
Famílias CMOS Sub-famílias: 4000, 74HC e 74HCT A 4000 é a primeira família CMOS, e tem vindo a ser progressivamente abandonada e substituída pelas outras A família 74HC tem as referências e o pinout compatíveis com as famílias TTL, mas não é electricamente compatível A família 74HCT é uma variante da HC com níveis lógicos compatíveis com a família TTL e é por isso hoje em dia utilizada no laboratório. Tensão de alimentação: 5V ± 5% para séries 74HC e 74HCT e 3 a 18V para a série 4000 Os níveis lógicos nas famílias CMOS são, em algumas sub-famílias, diferentes dos das famílias TTL: No caso da série 4000 os níveis são variáveis com a tensão de alimentação que pode ir de 3V a 18V 5V 3,5V 1,5V 0V CMOS Nível Alto Nível Baixo 8
Encapsulamento de CI s Os circuitos integrados são pequenos cristais de silício que, para poderem ser utilizados, estão inseridos em embalagens que facilitam o seu manuseio e interligação Os integrados que vamos usar estão encapsulados num tipo particular de embalagem chamada DIP Dual in-line package por terem duas séries de terminais (pinos) que estão organizados em duas filas de lados opostos do encapsulamento O número de terminais dos integrados DIP varia entre 8 e 64 terminais. Na figura ilustra-se um integrado de 14 terminais Repare-se na forma como os terminais são numerados. O terminal 1 e o último estão perto de uma pequena reentrância no encapsulamento (que pode assumir outras formas além da ilustrada). A númeração é feita no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio 14 8 1 2... 7 9
Montagem de CI s na breadboard Colocar os CI s correctamente Ligar alimentação de todos os CI s 10
Logigramas e Esquemas Eléctricos Logigrama Contém somente informação lógica Ex: x y f (x, y, z) = ( xy + xyz) xyz x y z 11
Logigramas e Esquemas Eléctricos Esquema eléctrico Contém informações de ordem técnica que permitem montar o circuito sem recorrer a mais nenhuma informação: Identificação dos CI s Legenda Números dos pinos correspondentes a cada entrada e saída de cada porta Exemplo de esquema eléctrico: Os catálogos de CI s são utilizados para preencher a informação do esquema eléctrico Exemplo: A informação relativa ao 74LS08 permite saber quais os pinos ligados a cada porta And 12
Fan-out O fan-out de uma saída é o número de entradas normais a que essa saída pode estar ligada. Esse valor anda na ordem de 10 a poucas dezenas Fan-in O fan-in de uma entrada é o número de saídas que podem estar ligadas a essa entrada Dissipação de potência Os integrados são alimentados em energia eléctrica e, no seu funcionamento, dissipam essa energia sob a forma de calor. O problema do aquecimento e das técnicas de arrefecimento dos integrados são, com a elevada integração, cada vez mais difíceis de tratar No caso dos circuitos CMOS, a energia é fundamentalmente gasta nas transições de nível sendo desprezável o valor gasto em repouso. É por isso que os processadores dissipam mais se a frequência de funcionamento for maior 13
Atrasos Dado que os circuitos integrados são dispositivos reais e físicos, não reagem instantaneamente a mudanças nas suas entradas Isso quer dizer que notamos atrasos na resposta dos integrados se observarmos os seu comportamento ao longo do tempo Vejamos o exemplo de uma porta AND: A B Z A B t PLH Z t PHL Este tipo de curvas designa-se por diagramas temporais De notar que: Os sinais não mudam instantaneamente. A representação aqui mostrada não é realista, mas permite exemplificar esse facto A resposta da saída Z a uma alteração numa entrada que provoca a sua mudança ocorre após um certo tempo O tempo de mudança da saída de Alto (H) para Baixo (L) pode ser diferente do inverso. Daí os tempos diferentes para tp HL e tp LH 14
Bibliografia Arroz,G., Monteiro,J.C., Oliveira,A., Arquitectura de Computadores, dos Sistemas Digitais aos Microprocessadores, Capítulo 3, 2ª Edição, 2009 Mano,M., Kime,C. Logic and Computer Design Fundamentals, Prentice Hall, secções 2.1,2.8,2.9 15