1 Faculdade de Ci^encia e Tecnologia Engenharia de Eletrica Disciplina: Eletr^onica Digital Professor: Vitor Le~ao Filardi Apostila de Eletr^onica Digital 2 Sumario 1 Primeira Unidade 7 1.1 SistemadeNumerac~ao.................................... 7 1.1.1 Polin^omioGeral ................................... 7 1.1.2 NumerosReais .................................... 7 1.1.3 ExercciosdeFixac~ao ................................ 8 1.2 PortasLogicas-De nic~ao.................................. 10 1.2.1 Tiposdeportaslogicas ............................... 10 1.2.2 TiposdePortasLogicas............................... 10 1.2.3 Teoremas ....................................... 17 1.2.4 Exerccios:....................................... 18 1.3 ExercciosdeFixac~ao: .................................... 19 2 Segunda Unidade 21 2.1 SistemasDigitais ....................................... 21 2.1.1 Flip-Flop-SR ..................................... 21 2.1.2 Flip-FlopSRcontroladoporumpulsodeClock. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3 Flip-FlopJK ..................................... 23 2.1.4 Flip-FlopJKcomentradasPreseteClear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.5 Flip-Flop JK Master-Slave (Mestre-Escravo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.6 Flip-FlopT ...................................... 25 2.1.7 Flip-FlopD ...................................... 25 2.2 RegistradoresdeDeslocamento ............................... 26 2.2.1 ConversorSerie-Paralelo ............................... 26 2.2.2 ConversorParalelo -Serie.............................. 27 2.3 Contadores .......................................... 28 2.3.1 ContadoresAssncronos ............................... 28 2.3.2 ContadoresSncronos ................................ 29 2.4 SistemadeProjetosdeSubsistemasSequenciais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Terceira Unidade 33 3.1 ConversoresA/DeD/A ................................... 33 3.1.1 Introduc~ao ...................................... 33 3.1.2 Quantizac~ao...................................... 34 3.1.3 TaxadeAmostragem ................................ 34 3.1.4 Linearidade...................................... 35 3.2 Desenvolvimento ....................................... 35 3.2.1 Aplicac~ao ....................................... 36 3.3 Multiplexadores........................................ 39 3.4 Demultiplexadores ...................................... 39 3.5 CircuitosAritmeticos..................................... 40 3.5.1 MeioSomador .................................... 40 3.5.2 SomadorCompleto .................................. 40 3.5.3 MeioSubtrator .................................... 41 3.5.4 SubtratorCompleto ................................. 42 3.6 Memorias ........................................... 43 3 4 SUM ´ ARIO 3.6.1 Classi cac~aodasMemorias ............................. 43 3.7 Terminologia ......................................... 45 3.8 PrincpiosdeOperac~aodaMemoria ............................ 48 3.8.1 EntradasdeEndereco ................................ 48 3.8.2 A Entrada R/W ................................... 49 3.8.3 Habilitac~aodaMemoria............................... 49 3.8.4 Exerccios....................................... 49 Refer^encias Bibliogra cas ´ IDOETA, I. V.; CAPUANO, F. G. Elementos de Eletr^onica Digital. [S.l.]: Editora Erica, 1984. IDOETA,I.V.;CAPUANO,F.G.SistemasDigitais-PrincpioseAplicacoes.[S.l.]:EditoraErica, 1984. 5 Captulo 1 Primeira Unidade 1.1 Sistema de Numerac~ao 0123456789 . Decimal 2003 . 2000 + 000 + 00 + 3 2 . 103 +0 . 102 +0 . 101 +3 . 100 abc= a . 102 + b . 101 + c . 100 1.1.1 Polin^omio Geral (n)b = ni . bi + ni..1 . bi..1 + ni..2 . bi..2 + ::. + n1 . b1 + n0 . b0 Convers~ao de Binaria (0,1) para Decimal utilizando o Polin^omio Geral (101101)2 =1 . 25 +0 . 24 +1 . 23 +1 . 22 +0 . 21 +1 . 20 =32+0+8+4+0+1 =(45)10 Por divis~oes sucessivas encontre os seguintes valores abaixo, lembrando que o restos devem ser sempre menores que a base em quest~ao e a montagem dos numeros seguem de baixo para cima. Exerccios: (46)10 = (?)2 (123)10 = (?)2 (4305)10 = (?)2 (146)10 = (?)2 (309)10 = (?)2 (1010111)2 = (?)5 (210011)3 = (?)5 (376)10 = (?)7 (9450)10 = (?)9 (1101011)2 = (?)4 (452)8 = (?)2 (13215)6 = (?)5 1.1.2 Numeros Reais (123, 456)10 =1 . 102 +2 . 101 +3 . 100 +4 . 2..1 +5 . 10..2 +6 . 10..3 (123, 45)10 = (?)2 1a Etapa: 123=2=1111011 2a Etapa: Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 8 0, 45 . 2= 0, 90 . 0, 90 . 2= 1, 80 . 0, 80 . 2= 1, 60 . 0, 60 . 2= 1, 20 . 0, 20 . 2= 0, 40 . 0, 80 . 2= 1, 60 (1111011, 011100)2 Ex: (101101, 11101)2 = (?)10 = 45, 90625 Operac~oes: Adic~ao: 111112 (121)10(1011011)2(1232)5 +(39)10+(11110)2+(32)5 (160)10(111001)2(1444)5 Subtrac~ao: 1112 (121)10(1011011)2(1232)5 -(39)10-(11110)2-(32)5 (82)10(111001)2(1200)5 1.1.3ExercciosdeFixac~aoa)(10346)10=(?)2b)(156;23)10=(?)2c)(305;34)10=(?)2 d)(786;46)10=(?)2e)(1001110011)2=(?)10f)(101101;1011)2=(?)10 g)(1010;100)2=(?)10h)(1111;111)2=(?)10i)(4305;009)10=(?)2 j)(200;002)10=(?)2l)(110011;1100)2=(?)10m)(10110011;11)2=(?)10 Somas:(daquest~aoanterior) a)(g+h)2=(?)2 b)(e+f)10=(?)10 c)(l+m)2=(?)2 d)(i + j)10 =(?)10 e)(a + b)2 =(?)2 f)(c + d)10 =(?)10 Subtrac~oes:(da quest~ao anterior) a)(a-b)=(?)2 b)(c-d)=(?)2 c)(e-f)=(?)2 Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 9 Tabela de Convers~oes de Unidades Decimal Binario Quartenario Octal Hexadecimal 000001111121022231133341001044510111556110126671111377810002010891001211191010102212A1110112313B1211003014C1311013115D141110321E1511113317FExerccios: (46)4=(?)2(123)4=(?)2(4305)4=(?)2(146)4=(?)2 (307)8=(?)2(4531)8=(?)2(1074)8=(?)2(5076)8=(?)2 (9450)16=(?)2(1AFDC)16=(?)2(FEDCBA)16=(?)2(DB452)16=(?)2 (A51F)16=(?)8(DBA4)16=(?)8(2100;11)16=(?)8(376;8)16=(?)8(9450)16=(?)4(E21A)16=(?)4(E94;50)16=(?)4(B45;F)16=(?)4 (1023)4=(?)16(765432)8=(?)16(65;42)8=(?)16(45;7)8=(?)16 (309)8=(?)4(74777)8=(?)4(76;72)8=(?)4(37;6)8=(?)4 Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 10 Portas Logicas 1.2 Portas Logicas -De nic~ao As portas logicas s~ao circuitos eletr^onicos destinados a executar as Operac~oes Logicas. Estes circuitos eletr^onicos, compostos de transistores, diodos,resistores, etc, s~ao encapsulados na forma de Circuito Integrado.Cada circuito integrado pode conter varias Portas Logicas, de iguais ou diferentes Func~oes Logicas. Portas logicas de mesma func~ao podem ter caractersticas eletricas diferentes, como: corrente de Figura 1.1: Porta OU de 2 entradas. 11 1 operac~ao,consumoevelocidadedetransmiss~ao.Oscircuitosintegrados,ser~aoestudadososaspectosreferentessomentealogica.Paraaeletr^onicadigital,ossmbolos\0"e\1"daalgebrabooleana,s~aonveisdetens~aoeletrica,onde\0"..Equivaleaonveldetens~aomaisbaixoe\1"..Equivaleaonveldetens~aomaisalto.Estesnveislogicosser~aoosestadoslogicosdasvariaveislogicasdeentradaesadadoscircuitoslogicos. 1.2.1TiposdeportaslogicasAseguirser~aoapresentadosostiposdeportaslogicasdeduasentradas,comsmbolo,func~ao,tabelaverdadeeumCircuitoIntegradoequivalentecomercial.Algumasportaslogicaspodempossuirmaisdeduasentradasealgunscircuitosintegrados,podempossuirtiposdiferentesdeportaslogicasnomesmoencapsulamento. Conhecidacomoalgebradechaveamento,binaria,aplicac~aodiretanaeletr^onicadigital. 1.2.2TiposdePortasLogicasPortaOU(OR) Representac~aoAlgebrica:F=A+BLer-se:Afunc~aoFeequivalenteavariavel\A"ou\B" TabelaVerdadeABF000011B01101B11DiagramadeBlocosMapadeKarnaugh AA Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 11 Tabela Verdade ABC F Diagrama de Blocos Mapa de Karnaugh 000 0 001 1 A A 010 1 C 0 11 1 011 1 C 1111 100 1 B B B 1 0 1 1 Figura 1.2: Porta OU de 3 entradas. 110 1 111 1 TabelaVerdadeABCDF00000000110010100111010010101101101011111000110011101011011111001110111110111111DiagramadeBlocosFigura1.3:PortaOUde4entradas. MapadeKarnaugh AA C 0111D 1111DC11111111D BBB PortaE(AND) Representac~aoAlgebrica:F=A*BLer-se:Afunc~aoFeequivalenteavariavel\A"e\B" TabelaVerdadeABF000010100111 Diagrama de Blocos Mapa de Karnaugh A A B 0 0 B0 1 Figura 1.4: Porta E de 2 entradas. Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 12 Tabela Verdade ABC F 000 0 Diagrama de Blocos Mapa de Karnaugh 001 0 A A 010 0 C 0 00 0 011 0 C 0001 100 0 B B B 1 0 1 0 Figura 1.5: Porta E de 3 entradas. 110 0 111 1 TabelaVerdadeABCDF00000000100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011111DiagramadeBlocosFigura1.6:PortaEde4entradas. MapadeKarnaugh AA C 0000D 0000DC00100000D BBB PortaInversora(NOT) Representac~aoAlgebrica:F=A Ler-se:Afunc~aoFeequivalenteavariaveln~ao\A" TabelaVerdadeAF0110DiagramadeBlocosMapadeKarnaugh A A 10 Figura 1.7: Porta Inversora. Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 13 Porta N~ao OU (NOR) Representac~ao Algebrica: F= A + B Ler-se: A func~ao F n~ao e equivalente a variavel \A"ou \B” Tabela Verdade Diagrama de Blocos Mapa de Karnaugh AB F 001010100110Figura1.8:PortaN~aoOUde2entradas. AA B10B00TabelaVerdadeABCF00010010010001101000101011001110DiagramadeBlocosFigura1.9:PortaN~aoOUde3entradas. MapadeKarnaugh AA C1000C0000 BBB TabelaVerdadeABCDF00001000100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011110DiagramadeBlocosFigura1.10:PortaN~aoOUde4entradas. MapadeKarnaugh AA C 1000D 0000DC00000000D BBB Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 14 Porta N~ao E (NAND) Representac~ao Algebrica: F= A . B Ler-se: A func~ao F N~ao e equivalente a variavel \A"e \B” Tabela Verdade Diagrama de Blocos Mapa de Karnaugh AB F 001011101110Figura1.11:PortaN~aoEde2entradas. AA B11B10TabelaVerdadeABCF00010011010101111001101111011110DiagramadeBlocosFigura1.12:PortaN~aoEde3entradas. MapadeKarnaugh AA C1111C1110 BBB TabelaVerdadeABCDF00001000110010100111010010101101101011111000110011101011011111001110111110111110DiagramadeBlocosFigura1.13:PortaN~aoEde4entradas. MapadeKarnaugh AA C 1111D 1111DC11011111D BBB Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 15 Porta OU Exclusivo (XOR) Representac~ao Algebrica: F=(A . B)+(A . B) ou A (+) B Ler-se: A func~ao F e equivalente ou a variavel \A"ou \B” Tabela Verdade Diagrama de Blocos Mapa de Karnaugh ABF000011101110Figura1.14:PortaOUExclusivode2en- tradas. AA B01B10TabelaVerdadeABCF00000011010101101001101011001110DiagramadeBlocosFigura1.15:PortaOUExclusivode3en- tradas. MapadeKarnaugh AA C0101C1000 BBB TabelaVerdadeABCDF00000000110010100110010010101001100011101000110010101001011011000110101110011110DiagramadeBlocosFigura1.16:PortaOUExclusivode4en- tradas. MapadeKarnaugh AA C 0101D 1000DC00001000D BBB Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 16 Porta N~ao OU Exclusivo (XNOR) Representac~ao Algebrica: F=(A + B)*(A + B) ou A (*) B Ler-se: A func~ao F n~ao e equivalente ou a variavel \A"ou \B” Tabela Verdade Diagrama de Blocos Mapa de Karnaugh ABF001010100111Figura1.17:PortaN~aoOUExclusivode2entradas. AA B10B01TabelaVerdadeABCF00010010010001111000101111011111DiagramadeBlocosFigura1.18:PortaN~aoOUExclusivode3entradas. MapadeKarnaugh AA C1010C0111 BBB TabelaVerdadeABCDF00001000100010000111010000101101101011111000010011101011011111001110111110111111DiagramadeBlocosFigura1.19:PortaN~aoOUExclusivode4entradas. MapadeKarnaugh AA C 1010D 0111DC11110111D BBB Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 17 1.2.3 Teoremas Teoremas de D'Morgam ou Morgan 1a Teorema A + B = A . B 2a Teorema A . B = A + B Demonstrac~ao1oTeoremaAB1oMem2oMem00110111101111002oTeoremaAB1oMem2oMem0011010010001100PrincipaisPostuladosdeBooleConsidereX,YeZvariaveislogicasdistintas. 0*X=01*X=XX*X=X X*X=00+X=X1+X=1X+X=X X+X=1 X=X Comutativas: X+Y =Y+X X*Y =Y*X Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 18 Associativas: X+(Y+Z) =(X+Y)+Z X*(Y*Z) =(X*Y)*Z Distributivas: X*(Y+Z) =(X*Y)+(X*Z) 1.2.4Exerccios: Dadoafunc~aoabaixo,monteatabelaverdade,omapadeKarnaugheoDiagramadeBlocos. a)F=(A+B)*C b)F=A*B+A*B*C+A*Cc)Monteaexpress~aoesimpli que-a A B d)Monteaexpress~aoesimpli que-a A B C D Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 19 e)Monte a express~ao e o diagrama de blocos A A C X01X C 0 10 0 f)Monte a express~ao e o diagrama de blocos A A 010 0 D C 011 1 D C11100000D BBB g)Monteaexpress~aoeodiagramadeblocos AA C X0X1D 1X01DC10001100D BBB 1.3ExercciosdeFixac~ao: a)Projetarumsistemaparaaidenti cac~aodaalturadegarrafasproduzidasporumaempresadecerveja.Sabe-sequeaempresaproduzgarrafascom3alturaspadronizadas10cm,15cme20cm. Asgarrafasabandonamalinhadeproduc~aonaposic~aoverticaltransportadaporumaesteira.Uti- lizarsensoresopticoseindicadoresdeledscoloridos,umacorparacadaalturadegarrafa. b)Umtecladodecimalfornece4informac~oesbinariasindicandoqualteclaquefoipressionada.Desejadimensionarumsistemadigitalqueacendaumledsemprequeateclapressionadasejamultiplade2oude3. c)Umtecladodecimalapresentasadacodi cadaembinario.Escreveraequac~aoalgebricasimpli cadadeumafunc~aodechaveamento(logica)queindiquesemprequaateclapressionadasejaumnumeroimpar. d)ProjetarumsistemalogicoconversordocodigoBCDparaumdisplayde7segmentos. e)Dimensionar um sistema logico que recebendo em suas entradas um codigo BCD mostre em um display de 7 segmentos os seguintes requesitos: 0 . U Par . L Impar . A Eletr^onica Digital -1aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 20 Simpli que as express~oes: S= A . B . C + A . C + A + B S= A . B . C + A . B . C + A . B + C S= A . B + A . B S= A . B + C + A . B . C + AB + C + A . B . C + A . B . C Captulo 2 Segunda Unidade 2.1 Sistemas Digitais Um sistema digital e um conjunto de func~oes de chaveamento envolvendo variaveis binarias e que realizam determinadas tarefas. Os sistemas digitais se agrupam em duas categorias distintas: a)Sistemas Digitais Combinacionais, e b)Sistemas Digitais Sequenciais. Os sistemas combinacionais apresentam em suas sadas, num certo instante de tempo, valores que dependem exclusivamente dos valores aplicados em suas entradas nesse exato instante. Os sistemas sequ^encias apresentam em suas sadas, em um determinado instante,valores que dependem dos valores presentes nas entradas nesse instante e em instantes anteriores. 2.1.1 Flip-Flop-SR Para tal comportamento os sistemas sequenciais dever~ao conter estruturas de memorizac~ao que armazenar~ao entradas anteriormente aplicadas. O modulo basico de memorizac~ao s~ao os FLIP-FLOP, sendo facilmente construdo a partir de portas logicas introduzindo-se uma realimentac~ao adequada na mesma. Assim os FLIP-FLOP s~ao dispositivos que possuem dois estados estaveis. Para um FLIP-FLOP assumir um desses estados e necessario que haja uma combinac~ao das variaveis e de um pulso de controle, clock. Apos este pulso, o FLIP-FLOP permanecera nesse estado ate a chegada de um novo pulso de controle e, ent~ao, de acordo com as variaveis de entrada, permanecera ou mudara de estado. Basicamente, podemos representar o FLIP-FLOP como um bloco onde temos duas sadas Q e  Q, entradas para as variaveis e um entrada de controle (clock). A sada Q sera a principal do bloco. S R 0 0 0 1 0 0 2 0 1 3 0 1 4 1 0 5 1 0 6 1 1 7 1 1 Qa/Qn Qf/Qn+1 0 1 0 1 0 1 0 1 Figura 2.1: Flip-Flop SR discreto. Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 22 Onde Qa/Qn representa o estado anterior e Qf ou Qn+1 o estado possvel. Assim podemos assumir que a tabela verdade de um ip- op SR basico e: S R Qf 0 0 Qa 0 1 0 1 0 1 1 1 N~ao permitido ExistemvariostiposdeFLIP-FLOPclassi cadosemdoisgrandesblocos: Sncrono AssncronoOsFLIP-FLOPsncronossorespondemasmudancasdeestadosnasentradasquandoessasocorremsimultaneamentecomaocorr^enciadeumpulsodecontrole(clockoutriger),ouseja,osincronismo, enquantoqueosassncronosreagemquantoavariac~aodasentradas. Alemdessasclassi cac~oesosFLIP-FLOPseagrupamemalgumasfamlias,outiposcomo: 1.Set-Reset(SR); 2.Master-Slave(MS); 3.JK; 4.TipoT,e; 5.TipoD(Delay) 2.1.2Flip-FlopSRcontroladoporumpulsodeClockParaqueo ip- opSRbasicosejacontroladoporumasequ^enciadepulsosdeclock,bastatrocarmososdoisinversoresporportasNAND,easoutrasentradasdestasportas,injetarmosoclock.Ocircuito cara,ent~ao: SR00011011 Quando a entrada clock assumir o valor 1, o circuito ira comportar-se como um ip- op SR basico. Teremos ent~ao, a seguinte tabela verdade: Qf Qa 0 1 N~ao permitido Esse circuito ira mudar de estado apenas quando o clock for igual a 1, em outras palavras, o circuito ira mudar de estado somente na chegada de um pulso de clock. Diagrama de Estados Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 23 Figura2.2:Flip-FlopSRdiscretocomclockFigura2.3:Flip-FlopSRBlococomclockClock S R Q Figura2.4:DiagramadeEstadosdoFlip-FlopSR2.1.3Flip-FlopJKO ip- opJK,nadamaisequeumSRrealimentadodemaneiramostradana guraaseguir,essaoutraformaderealimentac~aoeliminaoestadoinde nidodo ip- opSR. 00011010200130104101511061017110 A tabela verdade ca: J K Qa Qa SR Qf 0 0 1 1 0 0 1 1 Qa Qa 0 0 1 1 Qf Qf Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 24 Figura 2.6: Flip-Flop JK Bloco 0 0 N~ao permitido 01 0 10 1 1 1 Funcionamento Normal Figura2.5:Flip-FlopJKdiscretoOBS:Valeressaltarparaqueocircuitoassimfuncionecomodesejado,deve-seretiraroclocklogoaposasduasentradastenhamsidoiguaisa1.2.1.4Flip-FlopJKcomentradasPreseteClearOFlip-FlopJKpoderaassumirvaloresQ=1ouQ=0medianteautilizac~aodasentradasPreset(Pr)eClear(Clr).Estasentradass~aoinseridasnocircuitodaseguinteforma: Figura2.7:Flip-FlopJKcomPresetClearFigura2.8:Flip-FlopJKcomPresetClearAsentradasPreseteClearn~aopodemassumirvaloreszerosimultaneamente,poisacarretariaasadaumasituac~aon~aopermitida.AentradaClearetambemdenominadadeReset. CLRPRQf 2.1.5 Flip-Flop JK Master-Slave (Mestre-Escravo) O ip- op JK como foi visto, resolveu o problema anteriormente visto, quando as entradas J e K forem iguais a 1 porem, este circuito apresenta uma caracterstica indesejavel, quando o clock for igual a 1, teremos o circuito funcionando como um sistema combinacional, pois a entrada J e K estar~ao liberadas. Para solucionarmos o problema utilizaremos o circuito abaixo: Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 25 Figura 2.9: Flip-Flop JK Master-Slave 2.1.6Flip-FlopTEsseeum ip- opJKcomaparticularidadedepossuirasentradasJeKcurtocircuitadas(umaligadaaoutra),logoquandoJassumirvalor1,Ktambemassumiraovalor1,equandoJassumirvalorzero,Ktambem. Figura2.10:Flip-FlopT 2.1.7 Flip-Flop D Esse e um ip- op JK com a particularidade de possuir as entradas J e K invertidas. Logo, nesse ip- op, teremos as seguintes entradas possveis: J=0 e K=1; J=1 e K=0. Ex1 :Projetar um sistema bloqueador de b^ebados num carro. A sequ^encia da senha devera ser 101 Ex2 :Projetar um sistema sequencial sncrono que simule um dado eletr^onico. Utilizar ip- op JK. Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 26 Figura2.11:Flip-FlopDEx3:Projetarumsistemasequencialsncronousando ip- opJKqueacionadoporumgeradordeclockemumdisplayde7segmentosdeformasequencialecclico,asletrasquecomp~oemonome:LEAO. Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 27 Registradores 2.2 Registradores de Deslocamento Os ip- op podem armazenar durante o perodo em que sua entrada de clock for igual a 0, um bit apenas (sada Q). Porem quando necessitarmos guardar um informac~ao de mais de um bit, o ip- op ira tornar-se insu ciente. Contornar tal problema costuma-se utilizar no circuito o que se denomina Registradores de Deslocamento (Shift Register). Assim com um certo numero de ip- op do tipo RS ou JK mestre-escravo ligados de tal forma que as sadas de cada bloco alimentem as entradas S e R, respectivamente, do ip- op seguinte, sendo que, o primeiro tera suas entradas S e R ligadas naformadeum ip- optipoD(R=S).Ocircuitoabaixoexempli caumRegistradordeDeslocamento. Figura2.12:RegistradordeDeslocamentoSimplesVeremosent~aoalgumasaplicac~oesdoregistradordedeslocamento. 2.2.1ConversorSerie-ParaleloORegistradordedeslocamentopodeserutilizadoparaconverterumainformac~aoserieempar- alela.Acon gurac~aobasica,nessasituac~ao,paraumainformac~aode4bits,teremos: Figura 2.13: Conversor Serie -Paralelo Fazendo a seguinte entrada serie 1010 no circuito acima teremos a tabela verdade da seguinte forma: Informac~ao Descidas do Clock Q3 Q2 Q1 Q0 0 1 0 1 1Pulso 0000 2 Pulso 3 Pulso 4 Pulso Por esse motivo o circuito acima e conhecido como Registrador de Deslocamento. Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 28 2.2.2 Conversor Paralelo -Serie Para entrarmos com uma informac~ao paralela, necessitamos de um registrador que apresente as entradas Preset e Clear, pois e atraves destas que fazemos com que o Registrador armazene a in- formac~ao paralela. O registrador com essas entradas e representado abaixo: Figura2.14:ConversorParalelo-SerieAntesdecomecarmos,vamosreverofuncionamentodasentradasENABLEePRESET.Quandoaentradaenableestiveremzero,asentradaspreset(PR)dos ip- oppermanecer~aonoestado1, fazendocomqueos ip- opatuemnormalmente.Quandoaentradaenableforiguala1,asentradaspresetdos ip- opassumir~aoosvalorescomplementaresdasentradasPR3,PR2,PR1ePR0. Paraqueoregistradordedeslocamentofuncionecomoconversorparaleloserie,necessitamoslimpa- loelogoemseguida,introduzirainformac~aocomojadescrito,recolhendonasadaQ0amesmainformac~aodemodoserie.EfacildenotarqueasadaQ0assumeprimeiramenteovalorI0eacadadescidadopulsodeclock,iraassumirsequencialmenteosvaloresI1,I2,I3. Informac~aoDescidasdoClockQ3Q2Q1Q001Pulso000012Pulso03Pulso14Pulso Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 29 Contadores 2.3 Contadores S~ao sistemas sequenciais que contam o numero de pulsos que ocorre em sua entrada durante um certo intervalo de tempo. A indicac~ao da contagem e dada na base 2 e obtida atraves das sadas binarias do contador. Existem dois tipos basicos de contadores: a)Os Assncronos -dos quais as transic~oes dos Flip-Flop n~ao s~ao simult^aneos. b)OsSncronos-dosquaisastransic~oesdosFlip-Flops~aosimult^aneasegeradasporumsinaldeclock. 2.3.1ContadoresAssncronosS~aocaracterizadosporn~aoterementradasdeclockscomuns.Essasefazapenasno1 ip- opeasoutrasentradasdeclockdosoutros ip- opser~aofunc~oesdassada.Oscontadoresassncronospodemtermodulosbinarioemodulosn~aobinario. Figura2.15:ContadorAssncronoAprincipalcaractersticadeumcontadordepulsoerepresentarocodigoBCD8421.Seucircuitobasicoapresentaumgrupobasicode4 ip- opJKmestre-escravoosquaispossuiasentradasJ=K=1. clock Q0 Q1 Q2 Q3 Figura 2.16: Diagrama de estado Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 30 2.3.2 Contadores Sncronos Neste tipo de contador todos os ip- op s~ao liberados na mesmo instante, pois estes contadores possuem as entradas de clock curto-circuitadas, ou seja, o clock aciona todos os ip- op simultaneamente. A indicac~ao da contagem pode ser obtida diretamente das sadas dos ip- op ou atraves de circuitos combinacionais. O numero de ip- op necessarios para cada contador depende do modulo do contador apartar da seguinte express~ao: 2n..1 . M . 2n , onde n e o numero de ip- op. Para estudarmos os contadores sncronos devemos sempre escrever a tabela verdade, estudando assim quais devem ser as entradas J e K dos varios ip- op e que estes assumam o estagio seguinte. Para isso devemos lembrar ent~ao da tabela verdade do JK. JK0!00X0!11X1!0X11!1X0Ex:Utilizando ip- opJKcomPreset-Clearprojetarumcontadorcclicoparaasequ^enciaabaixo: 0!1!2 "# 5 4 3 Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 31 Sistema de Projetos 2.4 Sistema de Projetos de Subsistemas Sequenciais O projeto de subsistemas (pequenos sistemas basicos) sequenciais seguem os seguintes passos: a)A partir da descric~ao verbal do sistema deve-se construir um diagrama de estados no qual s~ao identi cados os varios estados distintos que o sistema apresenta, as transic~oes que devem ocorrer entre esses estados, assim como as sadas que devem ser produzidas. b)Osdiferentesestadosidenti cadosdever~aoserdesignados(identi cados)pelascombinac~oesdassadasdos ip- oputilizadosnosistema. c)Astransic~oesentreestadosdesejadosser~aoproduzidaspelaaplicac~aoadequadadevariaveisdaex- citac~aonasentradasdo ip- opdemodoaproduzirasmudancasadequadas.Essasvariaveisser~aocriadasapartirdasvariaveisdeestado(sadados ip- op). d)Asvariaveisdesadadever~aosercriadasapartirdasvariaveisdeestadodeacordocomadescric~aodosistema. Ossistemassequenciaispoder~aosersncronosquandotodosos ip- opreceberemomesmoclock, enquantoosistemareagirapenasaossinaispresentesnaentradasimultaneamentecomoclock,ouser~aoassncronosquandoosistemareagiraossinaisdeentradanoinstantequeessesforemaplicados, nestecason~aoexistiraumclockunicoparaos ip- op. JK0!00X0!11X1!0X11!1X0XYZ001010100111Ex:Dimensionarumsistemasequencialsncronoquerecebendoemsuaentrada2informac~oesbinariasXeY(sincronizadascomoclock),produzumasadaunicaZ,semprequepelaterceiravezconsecutivaas2entradas,XeYforemiguais.TodavezqueosistemaproduzirumasadaZ=1deveraserearmarparainiciarumanovacodi cac~ao. Eletr^onica Digital -2aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 32 Figura2.17:Umadaspossveisresoluc~aodoexerccio Captulo 3 Terceira Unidade 3.1 Conversores A/D e D/A 3.1.1 Introduc~ao A maioria dos dados obtidos de sensores comuns, tais como sensores de temperatura, intensidade luminosa, posic~ao, tens~ao, corrente e etc. fornecem sinais analogicos, ou seja, uma tens~ao que e proporcional a grandeza medida e que varia de forma contnua numa faixa de valores. No entanto, a maioria dos equipamentos modernos que fazem a aquisic~ao de dados destes sensores, trabalha com tecnicas digitais. Isso signi ca que o dado analogico, preciso ser convertido para a forma digital. Para fazer esta convers~ao s~ao utilizados circuitos denominados conversores analogico-digital, ou simplesmente A/D, como seu proprio nome indica, realiza a convers~ao de sinais, cuja amplitude varia continuamente em sinais digitais correspondentes a amplitude do sinal original. Para converter se faz o uso de um comparador de tens~ao ou corrente -variando de acordo com a aplicac~ao -que ira comparar o sinal analogico com o valor de refer^encia. Desta forma os circuitos A/D devem preencher certos requisitos importantes quanto ao seu desempenho que s~ao: Quantizac~ao; Taxa de Amostragem e; Linearidade. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 34 3.1.2 Quantizac~ao Entre os dois valores extremos da escala de valores analogicos que devem ser convertidos para a forma digital existem in nitos valores intermediarios, o que justamente caracteriza uma grandeza que varia de forma analoga ou analogica. Entretanto, quando passamos um valor qualquer entre os dois valores extremos incluindo-os, n~ao podemos representar qualquer quantidade, pois precisaramos para isso de um numero in nito de bits. Assim, por exemplo, se utilizarmos na convers~ao 4 bits, teremos a possibilidade de representar apenas 16 valores na escala total de valores analogicos, e se usarmos 8 bits poderemos representar 256 valores, conforme indica a gura 3.1. Se tivermos uma escala de 0 a 8 V, por exemplo, e usarmos 4 bits para a convers~ao, os "degraus"da escadadeconvers~aoter~ao0,5Vdealtura,oquesigni caqueesteconversorteraumaresoluc~aode0,5V.SeusarmosumconversorA/Dde8bits(256"degraus"deresoluc~ao)parafazerumvoltmetrode0a10Vporexemplo,aresoluc~aodestevoltmetroserade10/256oupoucomenosde0,04V. Figura3.1:Escaladeconvers~aoEstecomportamento"digital"podeserobservadoemmuitosinstrumentoscomuns,taiscomoosmultmetrosdigitaisemque,seagrandezamedidaestivernumvalorintermediarioentredoisdegrausdaresoluc~aodoconversorA/D,ovalorapresentadonodisplayoscilaraentreeles. Evidentemente,tantomaioreaprecis~aonaconvers~aomaisbitsser~aoutilizadospeloconversor. Tiposcom8a16bitss~aocomunsnasaplicac~oesindustriaiseemmedidas,dependendodaquantidadede"passos"desejadosnaconvers~aoouaresoluc~ao. 3.1.3TaxadeAmostragemMuitosprocessosdeaquisic~aodedadosdesensores,deprocessosoudeoutrasaplicac~oesprecisamserrapidos.Umaplacadeaquisic~aodedadosdeuminstrumentodemedidaqueprojeteumaformadeonda,desenheumgra conateladeumPCrepresentandoumprocessodin^amicooumesmoum  instrumento digital simples como um multmetro, devem estar constantemente em andamento. Um osciloscopio digital, por exemplo, deve medir as tens~oes instant^aneas de um sinal em diversos pontos ao longo de um ciclo para poder "desenhar"esta forma de onda com precis~ao na tela. Se a frequ^encia do sinal for alta, isso implica a necessidade de se fazer amostragens num tempo extrema- mente curto. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 35 Os conversores A/D podem ser encontrados em tipos que t^em frequ^encias de amostragem numa ampla escala de valores. Os tipos mais rapidos t^em suas velocidades especi cadas em MSPS (Mega Samples Per Second ou Mega Amostragens Por Segundo). Uma maquina industrial ou um instrumento de uso geral como um multmetro pode usar conversores A/D relativamente lentos com taxas ou velocidades de amostragens de ate algumas unidades por segundo. Um multmetro digital comum, por exemplo, faz de 1 a 10 amostragens por segundo apenas, dependendo do tipo. Todavia, um osciloscopio digital ou virtual que precise observar uma forma de onda de 10 MHz, deve, para ter uma de nic~ao razoavel, realizar pelo menos 100 milh~oes de amostragens por segundo (10 pontos por ciclo). 3.1.4LinearidadeAcurvadeconvers~aodagrandezaanalogicaparaaformadigitaldeveserlinearparaumbomconversor.Issosigni caquen~aoexistemdesviosnacorrespond^enciaentreovaloranalogicoeasadadigitalaolongodaescaladevaloresemqueoconversordevetrabalhar. Noentanto,napraticapodemocorrerpequenosdesvios,deacordocomoquemostraa gura3.2. Figura3.2:Graudelinearidadedaconvers~aoIssoquerdizerque,emdeterminadasfaixasdevalores,aconvers~aopodesermenosprecisa.Estaimprecis~aoemaisgravenostiposdemaiorde nic~ao,poisosdesviospodemteramesmaordemdegrandezaqueos"degraus"daescadadeconvers~ao,afetandoassimaprecis~ao naldamesma. 3.2DesenvolvimentoParafazerumaconvers~aodesinaisanalogicosparaaformadigitalexistemdiversastecnicasques~aoempregadasnoscircuitoscomerciais,muitasdelasencontradasemcircuitosintegradosques~ao"embutidos"(embedded)emaplicac~oesmaiscomplexas,osquaisfazemocontroledemaquinaseequipamentos. Analisamos as tecnologias mais empregadas para esta nalidade comecando com o bloco comum a todos os conversores, que e o circuito de amostragem e manutenc~ao (sample and hold). O valor dos sinais analogicos que devem ser convertidos para a forma digital corresponde a um determinado instante, cuja durac~ao, em alguns casos, n~ao vai alem de alguns milionesimos de segundo. Assim, um primeiro bloco importante do conversor e um circuito que l^e o valor do sinal a ser convertido num determinado instante e o armazena de modo que, mesmo que o sinal varie depois, os circuitos que fazem a convers~ao t^em numa memoria seu valor. Este circuito e ilustrado em blocos na gura 3.3. O sinal a ser amostrado e ampli cado por um bu er de entrada cuja nalidade e n~ao carregar o circuito externo, e ao mesmo tempo proporcionar isolamento do circuito de convers~ao. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 36 Figura 3.3: Diagrama de blocos de um conversor A/D Nasadadestecircuitotemosumachaveeletr^onicaouchaveador,quedeterminaoinstanteexatoemquealeituradosinaldeveserfeita.Achavefechaent~aoporumafrac~aodesegundo(numafrequ^enciaquedependedavelocidadedeamostragem)permitindoqueosinalcarregueocapacitorC. Assim,quandoachaveabre,esperandoaleituraseguinte,ocapacitortemarmazenadoovalordagrandezaanalogicaaserconvertida.Estatens~aonocapacitoremantidanocircuitoconversoratravesdeumbu erdesadaduranteotempoqueelenecessitaparaisso. Na gura4temosumgra coqueindicadequemodoatens~aodeentradavariaeocircuitodeamostragemeretenc~aomantemasadaconstanteduranteosintervalosdeconvers~ao(quecorrespon- demaos"degraus"). Figura3.4:Escaladeconvers~ao3.2.1Aplicac~aoDesenvolvendoumpequenoprogramanoMatlab6.0podemosexempli carmosmelhortodaestateoriaaquimostrada.Aondafundamentaltemumafrequ^enciade120Hzeestadefasadaem60o, atribumos valores de quantizac~ao de: 4, 8 e 12 Bits e taxa de amostragem de: 240, 600 e 1000 Hz (respeitando a frequ^encia de Nyquist). Primeiramente o nosso programa vai marcar os tempos que ser~ao armazenados com seus respectivos valores analogicos para posteriormente serem quantizados e assim aplicando a transforma discreta de Fourier reconstituir o sinal amostrado. Nos gra cos abaixo, podemos veri car que em se tratando de um sinal digital, n~ao existe valores negativos na quantizac~ao, o que pode ocorrer que vemos em multmetros digitais ou outros aparelhos s~ao um bit a mais inserido posteriormente a quantizac~ao para sinalizac~ao se aquele valor se trata de um valor negativo ou positivo, o que n~ao interfere em nada na convers~ao, com mencionei e apenas uma sinalizac~ao para o usuario. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 37 Figura3.5:Quantizac~aoem4bitsderesoluc~aoFigura3.6:Quantizac~aoem8bitsderesoluc~ao Figura 3.7: Quantizac~ao em 12 bits de resoluc~ao Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 38 Existem varias formas de se construir conversores A/D, sendo que cada um tem a sua caracterstica de funcionamento que deve ser levada em conta, na hora de se construir e/ou escolher para a sua aplicac~ao. Temos uma relac~ao de possveis combinac~oes: Conversor A/D com comparador em paralelo; Conversor A/D com rampa em escada; Conversor A/D de aproximac~oes sucessivas; Conversor A/D de rampa  unica; ConversorA/Dderampaduplae; Sigma-Delta. OSigma-Deltaeumdasimportantestecnicasdeconvers~aoA/D,utilizadaemquesedesejaumaaltssimavelocidadedeconvers~ao,comonosDSPs(DigitalSignalProcessing). Portanto,vimosqueaconvers~aodosinalanalogicoparaodigitalsempreexisteumaperdadeinformac~aosejaeladeamplitude-caractersticadaquantidadedebitsutilizados-oudefasedosinal-caractersticadataxadeamostragemempregada. Vimosqueoerromaximoquepodeocorrernaquantizac~aoedemetadedovalordenveldaquantizac~aoassimsendoquantomaiorforonumerodebitsdoconversormenorseraoseuerro. Oerrode"Aliasing"efacilmenteevitadoutilizandooteoremadaamostragemque"Paraqueumadeterminadafrequ^enciaf1dosinalanalogicosejaoupossasercompletamentereconstitudaataxaamostral,noprocessodedigitalizac~ao,devesernomnimoiguala2*f1" Conhecidasasimperfeic~oesdaconvers~aopodemosent~aosaberquaisosfatoresquein uemnaescolhadeumconversorA/Deassimprevermelhorosajustesquesistemadeverasofrer,poisjaesabidoassuasfraquezas. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 39 Multiplexadores e Demultiplexadores 3.3 Multiplexadores No nosso dia a dia lidamos com varios sistemas que utilizam multiplexadores e demultiplexadores, o mais comum deles e o aparelho de som de nossa resid^encia, em uma chave seletora, selecionamos qual fonte sonora a qual utilizaremos (Vinil, CD, Tape, Radio, MD, etc.). A chave seletora ent~ao especi ca qual o canal de comunicac~ao que sera utilizado, conhecida tambem como via de dados, e assim, esta informac~ao sera ampli cada e transmitida para os auto-falantes. Assim de uma maneira geral, o MUX, seleciona um entre varios sinais de entrada e o envia para a sada. Ummultiplexadordigitalouseletordedadoseumcircuitologicoqueaceitadiversosdadosdigi- taisdeentradaeselecionaumdeles,emumcertoinstante,paraasada.OroteamentodosinaldeentradadesejadoparaasadaecontroladopelasentradasdeSELEC~AO(conhecidastambemcomoENDERECOS). Omultiplexadoratuacomoumachavedigitalcontroladadevariasposic~oes,ondeocodigodigitalaplicadonasentradasdeSELEC~AOcontrolaqualseraaentradadedadoschaveadaparaasada. Porexemplo,asadaseraigualaentradadedadosI0paraumdeterminadocodigodeSELEC~AO;eassimseraigualaI1paraumoutrodeterminadocodigodeSELEC~AO;eassimpordiante.Emoutraspalavras,ummultiplexadorseleciona1entreNdadosdeentradaetransmiteodadoselecionadoparaumunicocanaldesada.Istoechamadodemultiplexac~ao. Figura3.8:Circuitodeummultiplexadorde2entradasUmaoutraaplicac~aoparaummultiplexadorseriautiliza-locomoumconversorparalelo-serieumvezqueoseuprincpiodefuncionamentoseadequaatal nalidade. 3.4 Demultiplexadores Um multiplexador recebe varias entradas e transmite uma delas para a sada Um demultiplexador (DEMUX) realiza a operac~ele recebe uma unica entrada e a distribui por varias sa ao inversa: das. ~ Assim como no multiplexador, o codigo de SELEC¸ AO de entrada determina para qual sada entrada de DADOS sera transmitida. Em outras palavras,o demultiplexador recebe uma fonte de dados e seletivamente a distribui para 1 entre N sadas, como se fosse uma chave de varias posic~oes. As aplicac~oes desses dispositivos s~ao inumeras desse de sistemas de seguranca sistemas complexos de telecomunicac~oes. Para todas as essas aplicac~oes os dois dispositivos devem ser previamente sincronizados para que as entradas serem as mesmas nas sadas. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 40 E A B S Figura 3.9: Circuito de um demultiplexador de 2 entradas CircuitosAritmeticos3.5CircuitosAritmeticosComovimosanteriormenteoscircuitoscombinacionais,vamosencontraralgunscircuitosimpor- tantesdegrandeutilidadeeques~aoaess^enciadacomputac~aohojeexistente.S~aooscircuitosar- itmeticostambemmuitoconhecidoscomoULA(UnidadeLogicaAritmetica). 3.5.1MeioSomadorComosabemos,oscomputadorestrabalhamnaformabinariaejaedeseesperarqueomesmofacasuasoperac~oesnaformabinaria.Relembrandoasomadedoisnumerosbinariosteremos: 10101+0+0+1+1---- 01110Montandoatabelaverdadeteremos: ABSada(S)Transporte(Ts) 0000011010101101 O diagrama de blocos seria as sadas receptivas a uma porta logica especi ca como para sada S teremos um XOR e para Ts teremos uma AND. Esse circuito denominado Meio Somador e tambem conhecido como Half-Adder, termo derivado do ingl^es. 3.5.2 Somador Completo O meio somador possibilita efetuar a soma de numeros binarios com 1 algarismo. Mas o mundo real se faz necessario que esta soma seja efetuadas com um numero maior algarismo. Para satisfazer estas condic~oes o circuito necessita de uma entrada de transporte proveniente de uma sada de trans- porte anterior. Para melhor compreens~ao, vamos analisar o caso da soma a seguir: Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 41 Desta forma a tabela verdade caria do seguinte modo: A 0 0 0 0 1 1 B 0 0 1 1 0 0 Te 0 1 0 1 0 1 S 0 1 1 0 1 0 Ts 0 0 0 1 0 1 1 1 11001111ColocandonomapadeKarnaugh,teremosoesquemadocircuitoconhecidocomoFullAdder. Ex1:MontarumsistemaquesomeemBCD. 3.5.3MeioSubtratorVamosfazerum ashbacknoassuntoparapodermosmontarastabelasverdadesequivalentes. 0-0=00-1=1eempresta11-0=11-1=0Vamosmontaratabelaverdadedeumasubtrac~aodedoisnumerosbinariosde1algarismo. ABSada(S)Transporte(Ts) 0000011110101100Assimdeformaanalogaaoocircuitomeiosomadorteremosaseguintesimpli cac~ao: S=AexclusivoouBTs=A+B Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 42 3.5.4 Subtrator Completo Novamente, o meio somador nos permite efetuar a subtrac~ao de apenas numeros com 1 algarismo. Para satisfazer uma subtrac~ao completa, devera ser inserida novamente uma entrada de transporte para que se possa montar tal circuito. Assim teremos a seguinte tabela verdade: A B Te S Ts 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0110110010101001100011111NovamenteaplicandoKarnaughteremosocircuitosimpli cadodoSubtratorCompleto. Ex:Montarumsistemaqueefetueasubtrac~aode2numerosbinarioscodi cadosemBCD. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 43 Dispositivos de Memoria 3.6 Memorias A principal vantagem dos sistemas digitais sobre os analogicos e a capacidade de armazenar, facilmente, grandes quantidades de informac~ao e/ou dados por perodos longos ou curtos de tempo. Esta capacidade de memoria e o que torna os sistemas digitais t~ao versateis e adaptaveis as diversas situac~oes. Por exemplo, em um computador digital, a memoria principal armazena instruc~oes que informam ao computador o que fazer sob qualquer circunst^ancia possvel, de modo que o computador realizara sua tarefa com um mnimo de intervenc~ao humana. Vamosestudarostiposmaiscomunsdessesdispositivosesistemadememoria.Jaestamosbemfamiliarizadoscomo ip- op,queeumdispositivoeletr^onicodememoria.TambemanalisamoscomogruposdeFFs,chamadosderegistradores,podendoserutilizadosparaarmazenarinformac~aoecomoestainformac~aopodesertransferidaparaoutroslugares.Registradoress~aoelementosdememoriadealtodesempenhoques~aomuitousadosnasac~oesinternasdeumcomputadordigital,noqualainformac~aodigitalestasendocontinuamentetransferidadeumlocalparaoutro.Osavancosnatec- nologiaLSI(LargeScaleIntegration)eVLSI(VeryLargeScaleIntegration)forampossvelaobtenc~aodeumgrandenumerodeFFs,unicochip,organizadosemvariosarranjosdememoria. Ent~aoasmemoriass~aoosdispositivosquearmazenaminformac~oes,essasporsuavezcodi cadas, digitalmente,atravesdeumcodigobinarioqualquer.Essasinformac~oespodemsernumeros,letras, caracteresquaisquer,comandosdeoperac~oes,enderecosouaindaqualqueroutrotipodedado. Essasinformac~oes,armazenamdadosparaenderecamento,programac~aoeparaconstituirocon- juntodefunc~oesinternasparaafuncionalidadedopropriosistema.Outratipodeaplicac~aoconsisteemutiliza-lasparaexecutaremquaisquerfunc~oesdecircuitoscombinacionais,eainda,comoauxliodecontadorescomunseconversores,gerarformasdeondadediversasmaneirasdemodomaissimples. 3.6.1Classi cac~aodasMemoriasAntesdeestudarmososdiversostiposdememorias,vamosconhecersuaclassi cac~ao.Podemosclassi carasmemoriasemvariostensdiferentes.Aseguir,vamosrelacionarosprincipais: Acesso Volatilidade Escrita/Leituraouapenasdeleitura Tipodearmazenamento Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 44 Vamos analisar cada tem: 1.Acesso: As memorias armazenam informac~oes em lugares denominados localidade de memoria. Cada um das localidades de memoria possui um conjunto de bits que nos permite o seu acesso, a esse conjunto de bits damos o nome de endereco. Esse conceito e de facil compreens~ao, pois como o proprio nome diz, o conjunto de bits representa o endereco da localidade onde esta armazenada uma informac~ao. O tempo de acesso de uma memoria e o tempo necessario desde a entrada de um endereco ate o momento em que a informac~ao apareca na sada. Para as memorias de escrita/leitura e tambem o tempo necessario para a informac~ao ser gravada. Podemosteracessoaumadadalocalidadedememoriadeduasmaneirasdiferentes: acessosequencial; acessoaleatorio. 2.Volatilidade: Quantoavolatilidade,asmemoriaspodemservolateisoun~aovolateis.Asmemoriasvolateiss~aoaquelasqueaoser'cortadaaalimentac~aoperdemasinformac~oesarmazenadas.S~aomemoriasfeitas,geralmente,apartirdesemicondutoresenamaioriadasvezes,possuemcomoelementodememoriao ip- op.Umexemplotpico,jacitado,eodamemoriaRAM.Asmemoriasn~aovolateiss~aoaquelasquemesmosemalimentac~aocontinuamcomasinformac~oesarmazenadas. Dentreessassedestacamasmemoriasmagneticaseaseletr^onicas:ROM,PROMeEPROM. 3.Memoriasdeescrita/leituraoumemoriasapenasdeleitura: Asmemoriasdeescrita/leituras~aoaquelasquepermitemacessoaumalocalidadequalquerparaescrevermosainformac~aodesejada,alemdisso,permitemoacessotambemparaaleituradodado. AsmemoriasRAMtambemseenquadraramnessasituac~ao.Asmemoriasapenasdeleitura, comooproprionomediz,s~ao.aquelasemqueainformac~ao.e xa,sopodendoefetuar-sealeitura.S~aotambemconhecidascomoROM(ReadOnlyMemory).Aanalisedessestiposdememoriasserafeitamaisadianteatravesdosseminarios. 4.Tiposdearmazenamento: Quanto ao tipo de armazenamento as memorias classi cam-se em estaticas e din^amicas. As memorias de armazenamento estatico s~ao aquelas em que uma vez inserido o dado numa dada localidade, este la permanece. As memorias de armazenamento din^amico s~ao aquelas em que necessitamos inserir a informac~ao de tempos em tempos, pois de acordo com as caractersticas de seus elementos internos perdem essas informac~oes apos um determinado tempo. As memorias de armazenamento estatico apresentam a vantagem de possuir uma utilizac~ao da maneira mais facil que as din^amicas. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 45 Aritmetica Unidade de Controle Unidade (Semi-Condutora) Memoria Principal (HD) Memoria de Massa Figura3.10:Arquiteturadeumcomputador3.7TerminologiaOestudodossistemasedosdispositivosdememoriaestarepletodetermos.Edegrandevaliaquevoc^epossacompreenderosigni cadodealgunstermosmaisbasicos,ques~aoeles: 1.CeluladememoriaUmdispositivooucircuitoeletricoutilizadoparaarmazenarumunicobit(0ou1).Exemplosdeceluladememoriaincluem:um ip- op,umcapacitorcarregadoeumpequenolocalnuma taoudiscomagnetico. 2.Palavradememoria: Umgrupodebits(celulas)emumamemoriaquerepresentainstruc~oesoudadosdealgumtipo.Porexemplo,umregistradordeoitoFFspodeserconsideradoumamemoriaqueestaar- mazenandoumapalavrade8bits.Ostamanhosdepalavranoscomputadoresmodernosvariamtipicamentede4a64bits,dependendodoportedocomputador. 3.Byte: Umtermoespecialusadoparaumgrupodeoitobits.Umbytesempreeconstitudode8bits. Tamanhosdepalavrapodemserexpressosembytesassimcomoembits.Porexemplo,umapalavrade8bitsetambemumapalavradeumbyte;umapalavrade16bitstemdoisbytes,eassimpordiante. 4.Capacidade: Uma maneira de especi car quantos bits podem ser armazenados em um determinado dispositivo de memoria ou num sistema de memoria completo. Para ilustrar, suponha que temos uma memoria capaz de armazenar 4.096 palavras de 20 bits. Isto representa uma capacidade total de 81.920 bits. Poderamos tambem expressar essa capacidade de memoria como 4.096 X 20. Quando representada desse modo, o primeiro numero (4.096) e o numero de palavras, e o segundo numero (20) e o numero de bits por palavra (tamanho da palavra). O numero de ´ palavras em uma memoria frequentemente e um multiplo de 1.024. E comum usar a designac~ao "1K"para representar 1.024 = 210 quando nos referimos a capacidade de memoria. Logo, uma memoria com uma capacidade de armazenamento de 4K X 20 e na verdade uma memoria de 4.096 X 20. O desenvolvimento de memorias maiores trouxe a designac~ao "1M"ou "1 mega"para representar 220 = 1.048.576. Assim, uma memoria que possui uma capacidade de 2M X 8 tem na verdade uma capacidade de 2.097.152 x 8. A designac~ao "giga"se refere a 230 = 1.073.741.824. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 46 5.Densidade: Um outro termo para capacidade. Quando dizemos que um dispositivo de memoria tem uma densidade maior do que um outro, queremos dizer que ele pode armazenar mais bits no mesmo espaco, ou seja ele e mais de denso. 6.Endereco: ´ E um numero que identi ca a posic~ao de palavra na memoria. Cada palavra armazenada em um dispositivo ou sistema de memoria possui um endereEnderecos sempre existem co unico. num sistema digital como um numero binario, embora, por conveni^encia, numeros em octal, hexadecimal e decimal sejam frequentemente utilizados para representar esses enderecos. Figura3.11:TabeladeenderecosdememoriaA gura3.11ilustraumapequenamemoriaconstitudadeoitopalavras.Cadaumadestasoitopalavrastemumenderecoespec corepresentadoporumnumerodetr^esbitsquevariade000ate111.Semprequenosreferimosaumaposic~aoespec canamemoria,utilizamosseucodigodeenderecoparaidenti ca-la. 7.Operac~aodeLeitura: Operac~aonaqualapalavrabinariaarmazenadanumadeterminadaposic~ao(endereco)dememoria edetectadaeent~aotransferidaparaoutrodispositivo.Porexemplo,sedesejamosutilizarapalavra4damemoriada guraanteriorparaalgumproposito,devemosrealizarumaoperac~aodeleituranoendereco100.Aoperac~aodeleiturafrequentementeechamadadeoperac~aodebusca,poisapalavraestasendobuscadadamemoria.Utilizaremososdoistermosindistinta- mente. 8.Operac~aodeEscrita: Operac~aonaqualumanovapalavraecolocadanumadeterminadaposic~aodememoria.Tambem e chamada de operac~ao de armazenamento. Sempre que uma nova palavra e escrita numa posic~ao de memoria, ela substitui a palavra que estava previamente armazenada la. 9.Tempo de Acesso: ´ Uma medida da velocidade de operac~ao de um dispositivo de memoria. E o tempo necessario para realizar uma operac~ao de leitura. Mais especi camente, e o tempo entre a memoria receber uma nova entrada de endereco e os dados se tornarem disponveis na sada da memoria. O smbolo tAcc e utilizado para tempo de acesso. 10.Memoria Volatil: Qualquer tipo de memoria que necessita da aplicac~ao de energia para poder armazenar in- formac~ao. Se a energia eletrica e removida, todas as informac~oes armazenadas na memoria Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 47 s~ao perdidas. Muitas das memorias semicondutoras s~ao volateis, enquanto todas as memorias magneticas s~ao n~ao-volateis, o que signi ca que elas podem armazenar informac~ao sem energia eletrica. 11.Memoria de Acesso Aleatorio (RAM -Random Access Memory): Memoria na qual a posic~ao fsica real de uma palavra da memoria n~ao tem efeito sobre o tempo necessario para ler ou escrever nesta posic~ao. Em outras palavras, o tempo de acesso e o mesmo para qualquer endereco na memoria. A maioria das memorias semicondutoras e de acesso aleatorio. 12.MemoriadeAcessoSequencial(SAM-SequenceAccessMemory) Umtipodememorianoqualotempodeacesson~aoeconstantemasvariadependendodoen- dereco.Umadeterminadapalavraarmazenadaeencontradapercorrendotodososenderecosatequeoenderecodesejadosejaalcancado.Istoproduztemposdeacessoques~aomuitomaioresdoqueosdasmemoriasdeacessoaleatorio.Umexemplodedispositivodememoriadeacessosequencialeuma tamagnetica.ParailustraradiferencaentreSAMeRAM,considereasituac~aonaqualvoc^egravou60minutosdemusicanuma tacassetedeaudio.Quandodesejaralcancarumamusicaemparticular,voc^eteraqueretrocederouavancara taateaencontrar. Oprocessoerelativamentelento,eotemponecessariodependedeondeamusicadesejadaestagravadana ta.IstoeSAM,jaquevoc^epercorreuatravesdasinformac~oesregistradasateen- contraroqueestavaprocurando.AcontrapartidaRAMparaissoseriaumCDouMDdeaudio, noqualvoc^epoderapidamenteselecionarqualquermusicainformandoocodigoapropriado,eelegastaaproximadamenteomesmotempo,n~aoimportandoamusicaselecionada.Asmemoriasdeacessosequencials~aoutilizadasondeosdadosaseremacessadossemprev^emnumalongasequ^enciadepalavrassucessivas.Amemoriadevdeo,porexemplo,devefornecerseuconteudonamesmaordemrepetidamenteparamanteraimagemnatela. 13.MemoriadeLeituraeEscrita(RWM-Read/WriteMemory): Qualquermemoriaquepossa.serlidaouescritademaneiraigualmentefacil. 14.MemoriaSomentedeLeitura(ROM-Read-OnlyMemory): Umavastaclassedememoriassemicondutoras,projetadasparaaplicac~oesnasquaisaraz~aoentreasoperac~oesdeleituraeescritaemuitoalta.Tecnicamente,umaROMpodeseres- crita(programada)apenasumavez,eestaoperac~aonormalmenteerealizadanafabrica.Depoisdisso,asinformac~oespodemsersomentelidasdamemoria.OutrostiposdeROMs~aonaverdadeRMM(read-mostlymemories),nasquaissepodeescrevermaisdeumavez;poremaoperac~aodeescritaemaiscomplicadadoqueadeleitura,en~aoerealizadafrequentemente.OsvariostiposdeROMser~aoapresentadasemformadeseminarios.TodasasROMss~aon~ao-volateisearmazenamdadosquandoaenergiaeremovida. 15.Dispositivos de Memoria Estatica: Dispositivos de memoria semicondutora nos quais os dados permanecem armazenados enquanto a energia esta presente, sem a necessidade de reescrever periodicamente os dados. na memoria. 16.Dispositivos de Memoria Din^amica: Dispositivos de memoria semicondutora nos quais os dados n~ao permanecem armazenados, mesmo com a energia presente, a menos que os dados sejam periodicamente reescritos na memoria. Esta ultima operac~ao e denominada refresh. Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 48 17.Memoria Principal: Tambem chamada de memoria de trabalho do computador. Ela armazena instruc~oes e dados ´ que a CPU esta acessando no momento. E a memoria mais rapida num computador e sempre e uma memoria semicondutora. 18.Memoria Auxiliar: Tambem chamada de memoria de massa porque ela armazena grandes quantidades de informac~ao ´ externamente oria principal. oria principal e sempre e n~ a memE mais lenta do que a memaovolatil. Discos magneticos e CDs s~ao dispositivos comuns de memoria auxiliar. 3.8PrincpiosdeOperac~aodaMemoriaEmboracadatipodememoriasejadiferentenasuaoperac~aointerna,certosprincpiosbasicoss~aocomunsatodaselas. Figura3.12:BlocodememoriaTodososdispositivosdememorianecessitamdediversostiposdiferentesdelinhasdeentradaedesadapararealizarasseguintesfunc~oes: 1.Selecionaroendereconamemoriaqueestasendoacessadoparaumaoperac~aodeleituraouescrita; 2.Selecionarumaoperac~aodeleituraouescritaqueserarealizada; 3.Fornecerosdadosdeentradaaseremarmazenadosnamemoriaduranteumaoperac~aodeescrita; 4.Manterosdadosdesadavindosdamemc~ oria durante uma operaao de leitura; 5.Habilitar (ou desabilitar) a oria de modo que ela responda(ou n~entradas de memao) as enderecamento e ao comando de leitura/escrita. 3.8.1 Entradas de Endereco Utilizando o bloco anterior como exemplo, a memoria armazena 32 palavras, ela tem 32 posic~oes de armazenamento diferentes, e portanto possui 32 enderecos binarios diferentes, variando de 00000 ate 11111 (0 a 31 em decimal). Logo, existem cinco entradas de endereco, A0 ate A4. Para acessar cada uma das posic~oes de memoria para uma operac~ao de leitura ou escrita, o codigo de enderecamento de cinco bits para essa posic~ao e aplicado nas entradas de endereco. De um modo geral, N entradas de endereco s~ao necessarias para uma memoria que possui uma capacidade de 2N palavras. Podemos visualizar a memoria da gura como um arranjo de 32 registradores, no qual cada registrador guarda uma palavra de quatro bits, conforme mostra o mesmo. Cada posic~ao e mostrada contendo Eletr^onica Digital -3aUnidade -Prof. Vitor Le~ao Filardi 49 quatro celulas de memoria que guardam 1s ou 0s, que formam a palavra de dados armazenada nesta posic~ao. Vejamos o seguinte exemplo, a palavra 0110 esta armazenada no endereco 00000, a palavra de dados 1001 esta armazenada no endereco 00001, e assim por diante. 3.8.2 A Entrada R/W Esta entrada controla qual operac~ao deve ser realizada na memoria: leitura (R -read) ou Escrita (W -write). A entrada e identi cada por R/W , e, como n~ao existe a barra sobre R, isto indica que a operac~ao de leitura ocorre quando R/W =1. A barra sobre W indica que a operac~ao de escrita acontece quando R/W =0. Outros identi cadores (nomenclaturas de outros autores)s~ao usados frequentemente para essa entrada. Dois dos mais comuns s~ao W (escrita) e WE (write enable-habilitac~ao de escrita). Novamente, a barra indica que a operac~ao de escrita ocorre quando a entrada esta em BAIXO. Fica subentendidoqueaoperac~aodeleituraocorreparanvelalto. 3.8.3Habilitac~aodaMemoriaMuitossistemasdememoriatemalgummododedesabilitarcompletamenteumaparteoutodaamemoria,demodoqueelan~aopossaresponderasoutrasentradas.Istoerepresentadona guraanteriorpelaentradaME,emboraelapossaternomesdiferentesnosvariostiposdememoria,taiscomochipenable(CE)ouchipselect(CS).Na gura,elaemostradacomoumaentradaativaemALTOquehabilitaamemoria,demodoqueelan~aoresponderaasentradasdeenderecoedeR/W. Essetipodeentradaeutilquandovariosmodulosdememorias~aocombinadosparaformarumamemoriamaior. 3.8.4Exerccios1aExerccio:Umcertochipdememoriasemicondutoraeespeci cadocomo4KX8.Quantaspalavraspodemserarmazenadasnestechip?Qualeotamanhodapalavra?Quantosbitsnestechippodearmazenarnototal? 2aExerccio:Qualdasmemoriasarmazenamaisbits:umamemoriade5MX8ouumamemoriaquearmazena2Mpalavrascomumtamanhodepalavrade16bits? 3aExerccio:Descreveascondic~oesdecadaentradaesadaquandooconteudodaposic~aocujoenderecoe00100deveserlido. 4aExerccio:Descrevaascondic~oesdecadaentradaesadaquandoapalavra1110deveserescritanaposic~aodeendereco011015aExerccio:Umadeterminadamemoriatemumacapacidadede4KX8. (a)Quantaslinhasdeentradadedadosesadadedadoselatem? (b)Quantaslinhasdeenderecoelatem? (c)Qualeasuacapacidadeembytes?