Curso Circuitos Digitales I Circuitos lógicos combinacionales y tecnologías para implementación de circuitos combinacionales Departamento de Ingeniería Electrónica Grupo de Microelectrónica - Control Universidad de Antioquia

Un ejemplo de un sistema digital… 1971 – Intel 4004: primer microprocesador del mundo: 2300 transistores, menos de 1000 puertas lógicas, 60.000 operaciones por segundo; capacidad de procesamiento semejante a la ENIAC.                                               Diseñador: Federico Faggin - Intel (F. Faggin and M.E. Hoff: "Standard parts and custom design merge in four-chip processor kit". Electronics/April 24, 1972, pp. 112-116 Tecnologías: - Se usa transistores MOS para implementar las puertas lógicas. - Creo una nueva metodología de diseño llamada "random logic design" Procesador digital de 4 bits

Un sistema construido previamente en otra tecnología 1942-1945. Diseño y desarrollo de la ENIAC por J. Presper Eckert e John W. Mauchly de la Universidad da Pensilvania (EUA): primer computador de propósito general                                                                             Totalmente digital ! Físicamente, la ENIAC tenía 17.468 tubos de vacío, 7.200 diodos de cristal, 1.500 relés, 70.000 resistencias, 10.000 condensadores y 5 millones de soldaduras. .

Otros sistemas digitales… Algunos procesadores más recientes…: Intel Pentium 4/2200: Clock de 2.2 GHz, 55 millones de transistores, 146mm2 de área. AMD Athlon XP 2000+: Clock de 1.66 GHz, 37.5 millones de transistores, 128 mm2 de área.

Otros sistemas digitales… FPGA Dispositivo semiconductor que contiene “bloques de lógica” cuya interconexión y funcionalidad se puede programar. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las de una puerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas digitales.

Metas del curso Estudiar los conceptos básicos relacionados con los componentes fundamentales (puertas lógicas, Flip-flops, registros, bloques básicos) utilizados en la implementación de circuitos digitales. Estudiar los aspectos metodológicos básicos para el diseño de circuitos digitales combinacionales y secuenciales de mediana complejidad. Comprender los métodos de especificación basados en lenguajes de descripción de hardware usados en el diseño de sistemas digitales y los conceptos básicos relacionados con la transformación de esas especificaciones en “redes lógicas” (constituidas de la interconexión de componentes fundamentales). Adquirir habilidades en el uso de herramientas (CAD) para el diseño de circuitos digitales con FPGAS. Comprender “como” todos estos conceptos son usados en el mundo real y “porqué” es importante para nosotros conocerlos..

Metodología Durante el curso se realizarán 26 reuniones académicas para analizar y complementar los conceptos teóricos, realizar ejercicios, asignar ejercicios complementarios y realizar las evaluaciones. Habrán talleres prácticos relacionados con cada tema. Los estudiantes dispondrán de un horario de atención: Lunes de 2-4 P.M. en el sala 18-330 (Lab. Microelect.) Jueves de 2-4 P.M. en el sala 18-330 Consultas también se pueden realizar por correo electrónico a: joseaedo@udea.edu.co, Se puede consultar información adicional sobre el curso en la página: http://microe.udea.edu.co

Evaluación del curso 1. Se realizarán 3 evaluaciones cada uno con un valor del 25% 2. Se realizarán al menos 7 exámenes cortos de 20 minutos de duración cada uno. Para el cálculo de nota final se considerarán los 5 mejores exámenes. Los exámenes cortos serán de escogencia múltiple y el número de preguntas se ajustará para que el examen tenga una duración de 20 minutos. Valor del promedio será del 25 %.

Temas cubiertos Introducción lógica combinacional Introducción a variables lógicas y compuertas lógicas. Sistemas numéricos y métodos de conversión Tipos de datos y sus representaciones. Implementación de Funciones Lógicas. Expresiones Estándar y técnicas de minimización (Mapas de Karnaugh, Quick Maclosky. Técnicas simplificación multinivel) Introducción al modelo de circuitos combinacionales usando lenguajes de descripción de hardware (tutorial de Verilog y VHDL ). Aspectos tecnológicos de la implementación física de compuertas lógicas: Fan-out, disipación de potencia, atraso de propagación, Familias lógicas (alternativas tecnológicas para la implementación física).

Temas cubiertos MÓDULOS COMBINACIONALES Multiplexores y Decodificadores Codificadores y Demultiplexores Sumadores y comparadores Unidad Aritmético Lógica (ALU) Modelos de abstracción de circuitos digitales Descripción comportamental, “data flow” y estructural . Modelado con VHDL y Verilog Introducción lógica Secuencial Elementos básicos: Latch JK y T, FlipFlops. Registros. Registros de Desplazamiento Contadores Asíncronos y síncronos.

Temas cubiertos Introducción lógica Secuencial (continuación) Estrategias para el uso del reloj. Análisis de timing Modelado con VHDL y Verilog a nivel RTL. Introducción al diseño y síntesis de sistemas secuenciales Máquinas de Estado finito (MEF). Métodos de síntesis. Memorias: ROM, RAM, Banco de Registrados, FIFOs, EPROM,EEPROM ( modelado en Verilog y VHDL). Dispositivos lógicos programables . Casos de estudio de circuitos secuenciales y aritméticos.

Temas cubiertos Introducción a los circuitos digitales asíncronos -Circuitos asíncronos de modo pulso -Síntesis de circuitos de modo pulso -Análisis de circuitos de modo fundamental -Síntesis de circuitos de modo fundamental -Competencias, ciclos y riesgos

Bibliografía Básica “Contemporary logic design”, Randy H. Katz and Gaetano Boriello Second Edition, 2006. “Fundamentos de diseño lógico”, Charles H. Roth Jr., Quinta edición, Thomson 2005. “ Principles of digital design”, Daniel D Gajski, Prentice Hall, 1997. Digital Design Principles and Practices, Fourth Edition, John F. Wakerley, fourth edition, 2005 NELSON, Victor P, H. Troy Nagle, Bill D. Carroll y J. David Irwin, “Análisis y Diseño de Circuitos Lógicos Digitales. Prentice Hall, 1996. 842p”. “HDL chip design”, Douglas J. Smith, Doone Publications, 1996. Manuales y artículos según el tema tratado.

Como construye un sistema con > 1G componentes

Switches: elementos básicos de implementación de un circuito digital. Construcción de un circuito simple (Flecha muestra la acción si el “alambre” “1”): A Z Switche cerrado(if A is “1” or asserted) prende el bombillo (Z) Z switch abierto (if A is “0” or unasserted) apaga el bombillo (Z) A Z  A

Switches (conti…) Composición de switches en funciones más complejas (Boolean functions): A B AND Z  A and B A OR Z  A or B B

Redes de conmutación (Switching Networks) - Switch Activados (settings) Determinan si existe un camino de conducción para encender el bombillo - Para construir funciones complejas (larger computations) Use la salida del bombillo (output of the network) to “comandar” otras redes (inputs to another network) - Redes de conmutación interconectadas (Interconnect switching networks) Construyendo grandes redes, i.e., conectando las salidas de una red a las entradas de la próxima.

Redes de transistores (Transistor Networks) Sistemas digitales modernos son diseñando usando tecnología CMOS MOS: Metal-Oxide Semiconductor (transistor MOS) C significa complementario: se consideran switches normalmente abierto y normalmente cerrados Los transistores MOS se pueden usar como switches controlados por voltaje: Similar, aún que más fácil de trabajar, que los relés

Transitores MOS Tres terminales: drain (D, dreno), gate (G, compuerta), y source (S, fuente) Acción como Switch: Ejemplo del transistor canal n: si el voltaje sobre la puerta es (en alguna cantidad) más alto que el que hay sobre el terminal de fuente entonces un camino de conducción se establece entre los terminales de dreno y la fuente (el transistor canal p funciona con voltaje en la compuerta menor que en la fuente) G G S D S D n-channel open when voltage at G is low closes when: voltage(G) > voltage (S) +  p-channel closed when voltage at G is low opens when: voltage(G) < voltage (S) – 

Redes MOS (MOS Networks) what is the relationship between x and y? X 3v x y Y 0 volts 0v 3 volts

Redes MOS con dos entradas (Two Input Networks) X Y 3v what is the relationship between x, y and z? Z 0v x y z X Y 0 volts 3 volts 0 volts 3 volts 3v Z 0v

Mapeo físico al mundo binario. Technology Estado “0” Estado “1” Relay logic Circuit Open Circuit Closed CMOS logic 0.0-1.0 volts 2.0-3.0 volts Transistor transistor logic (TTL) 0.0-0.8 volts 2.0-5.0 volts Fiber Optics Light off Light on Dynamic RAM Discharged capacitor Charged capacitor Nonvolatile memory (erasable) Trapped electrons No trapped electrons Programmable ROM Fuse blown Fuse intact Bubble memory No magnetic bubble Bubble present Magnetic disk No flux reversal Flux reversal Compact disc No pit Pit

Taller en clase (40 minutos) Funciones lógicas básicas: Not (inversor), AND, OR, NAND y NOR. Tablas de verdad. Implementación con interruptores y tecnología CMOS. Introducción a los símbolos para cada función.

Comentarios sobre efectos de tecnologías de fabricación Tensión de alimentación: Los circuitos integrados requiere una polarización (DC) de Vdd (VCC) y Tierra (GND): Tecnología CMOS, HCMOS (basada en transistores MOSFET): 5 V, 3V, 2,5V, 2V Tecnología TTL (Tansistor-Transistor Logic - bipolar): 5 V.

Comentarios sobre efectos de las tecnologías de fabricación Niveles lógicos para tecnologías TTL (transistores bipolares):

Comentarios sobre efectos de las tecnologías de fabricación Niveles lógicos para tecnología CMOS (5 V):

Comentarios sobre efectos de las tecnologías de fabricación Inmunidad al ruido: Ruido: una tensión indeseada (parasitaria) que se induce en los circuitos electrónicos que puede ser una amenaza para el funcionamiento correcto del circuito Se genera: Básicamente por la captura por parte de los cables internos de radiación electromagnética de alta frecuencia de los conductores adyacentes, en los que la corriente varía muy rápidamente o de otra fuentes externas al circuito. También por fluctuaciones en la fuente de alimentación del circuito. Por lo tanto: Los circuitos requieren cierta inmunidad al ruido

Inmunidad al ruido:

Comentarios sobre efectos de las tecnologías de fabricación Márgenes de Ruido: De nivel alto: VNH = VOH(mín) - VIH(mín) De nivel Bajo: VNL = VIL(máx) - VOL(máx)

Comentarios sobre efectos de las tecnologías de fabricación Atraso de propagación: Cuando una señal pasa a través de un circuito lógico siempre se introduce un retardo en tiempo que depende de la tecnología, de la estructura de del circuito y las dimensiones de los dispositivos electrónicos usados en la fabricación: Tiempo de retardo de propagación (tP): el tiempo para producir la salida después que se han producido un cambio en las entradas. tpHL: Tiempo entre el 50% del impulso de entrada y el 50% del impulso de salida cuando la salida cambia de alto para bajo. - tpLH: Tiempo entre el 50% del impulso de entrada y el 50% del impulso de salida cuando la salida cambia de bajo para alto.

Comentarios sobre efectos de las tecnologías de fabricación Ejemplo de atraso de propagación en una AND: I1 o salida entradas I2 Comportamiento de las entradas y salidas en el tiempo (señales digitales): Siempre ´1´ I1 t entradas ´1´ ´O´ ´O´ I2 t Tiempo de atraso: ´1´ ´O´ ´O´ tpLH + tpLH o salida tp = t 2 tpLH tpLH La salida cambia de 1 (H) para 0 (L) La salida cambia de 0 (L) para 1 (H)

+VCC +VCC Transistor NPN como switch: IC Transistor saturado, equivale a switch cerrado +V ON Colector (C) +VCC +VCC Base (B) IC Transistor bloqueado, equivale a switch abierto 0 V Emisor (E) OFF