Curso Circuitos Digitales I Circuitos Digitales I: circuitos lógicos (combinacionales y secuenciales) y tecnologías para su implementación Sesión 1 José Edinson Aedo Cobo PhD Departamento de Ingeniería Electrónica Grupo de Microelectrónica - Control Universidad de Antioquia

Un sistema construido con la tecnología de la década del 40 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. .

Un ejemplo de un sistema digital (tecnología MOSFET) 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

Como construye un sistema con > 1G componentes

Otros sistemas digitales… (década del 90) 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 (tecnología MOS) 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.

Otros sistemas digitales… En al actualidad se diseñan sistemas muy complejos sujetos a grandes restricciones

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 4-6 P.M. en el salón 18-330 (Grup. Microelect.) Jueves de 4-6 P.M. en el salón 18-330 Consultas también se pueden realizar por correo electrónico a: j.eacobo@gmail.com, joseaedo@udea.edu.co Se puede consultar información adicional sobre el curso en la página: http://microe.udea.edu.co

Evaluación del curso - curriculo antiguo 1. Se realizarán 2 evaluaciones cada uno con un valor del 23% 2. Se realizará una evaluación final (último parcial) con un valor del 24 % 3. 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 Tendrán una duración de 30 minutos. Valor del promedio será del 20 %. 4. Se considerará el trabajo final realizado en el laboratorio del curso. Por un valor del 10 % ( considerando el valor de la última evaluación del trabajo final - práctica final). Los estudiantes que ya pasaron el laboratorio tendrán dos opciones: Presentar un examen práctico o realizar un trabajo práctico por el mismo valor.

Evaluación del curso - currículo nuevo 1. Se realizarán 2 evaluaciones cada uno con un valor del 20% 2. Se realizará una evaluación final (último parcial) con un valor del 23 % 3. 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 Tendrán una duración de 30 minutos. Valor del promedio será del 17 %. 4. Se considerará el trabajo de laboratorio del curso. Por un valor del 20 % ( considerando el valor de la última evaluación del trabajo final - práctica final). Se considera el proceso definido por los profesores de la laboratorio

Temas cubiertos Introducción lógica combinacional Introducción a variables lógicas y compuertas lógicas Implementación de Funciones Lógicas. Tipos de datos y sus representaciones. 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 (VHDL, Verilog). Aspectos tecnológicos de la implementación física de compuertas lógicas: niveles lógicos, margen de ruido, Fan-out, disipación de potencia, atraso de propagación, Familias lógicas (alternativas técnológicas 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 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 Introducción al diseño y síntesis de sistemas secuenciales Máquinas de Estado finito (MEF). Métodos de síntesis. Memorias: ROM, RAM, EPROM, EEPROM. Dispositivos lógicos programables . Casos de estudio de circuitos secuenciales y aritméticos.

Temas cubiertos (opcionales) Introducción al diseño a nivel de transferencia de registradores Introducción a los circuitos digitales asíncronos

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.

Switches: elementos básicos de implementación de un circuito digital. Construcción de un circuito simple (Flecha muestra la acción sobre el “Switch” , si es “1”, lo cierra): 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 es una señal digital (tiene 2 posibles valores: 1 y 0) Z  A

Switches (conti…) Composición de switches en funciones más complejas (Boolean functions): Z  A and B Otras notaciones: Z=A • B Z= AB ; Z= A  B A B AND A Z  A or B Otras notaciones: Z=A + B Z= A  B OR 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, aunque 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

Diferentes formas de representar una red de conmutación (niveles de abstracción) Ejemplo 1 una red de dos entradas A Z B A nivel de transistores X Y Tabla de verdad 3V->”1” , 0V->”0” 3v X Y Z 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Z 0v A nivel de puertas lógicas X Z A nivel funcional (expresiones booleanas) Y VHDL: Verilog: Z<= X nor Y; Z: X ~^Y; Z= X + Y Z= X  Y Una or negada (nor)

Principales funciones de una y dos entradas… NOT X' X ~X AND X • Y XY X  Y - OR X + Y X  Y X Y 0 1 1 0 X Y X Y Z 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 X Z Y X Y Z 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 X Z Y

Principales funciones de una y dos entradas… X Y Z 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 - NAND - NOR - XOR X Y - XNOR X = Y X X • Y Z Y X Y Z 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 X X + Y Z Y X Y Z 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 X X xor Y = X Y' + X' Y X or Y but not both ("inequality", "difference") Z Y X Y Z 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 X xnor Y = X Y + X' Y' X and Y are the same ("equality", "coincidence") X Z Y

Ejercicio: encuentre la tabla de verdad de un función de 4 entradas implementada con funciones de 1 y dos entradas. También encuentre la expresión booleana A B C D T2 T1 Z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 A Z B T1 C T2 D

Z = A' • B' • (C + D) = (A' • (B' • (C + D))) Ejercicio: encuentre la tabla de verdad de un función de 4 entradas implementada con funciones de 1 y dos entradas. También encuentre la expresión booleana T2 Z = A' • B' • (C + D) = (A' • (B' • (C + D))) T1 A Z B T1 C T2 D

Mapeo físico al mundo binario (otras tecnologías) 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

Comentarios relacionados con las tecnologías de fabricación Tensión de alimentación y voltajes para los valores lógicos (señales digitales) : 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): 5 V.

Comentarios relacionados con las tecnologías de fabricación Niveles lógicos para tecnologías TTL (transistores bipolares):

Comentarios relacionados con las tecnologías de fabricación Niveles lógicos para tecnología CMOS (5 V):

Comentarios relacionados con 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

Entrada “A” (señal real) Inmunidad al ruido (efecto del ruido en las entradas de puertas lógicas) Rizado de la señal debido al ruido Entrada “A” (señal real) T (tiempo) VIH “A” O (salida) VIH (mínimo) 2 voltios Cambia de estado Por efecto del ruido ( situación indeseable) Entrada “A”, como señal digital “1” (lógico) “1” (lógico) T (tiempo) “0” (lógico) O (salida) T (tiempo)

Entrada “A” (señal real) VIL (máximo) 0.8 voltios Inmunidad al ruido (efecto del ruido en las entradas de puertas lógicas) Rizado de la señal debido al ruido Entrada “A” (señal real) VIL (máximo) 0.8 voltios T (tiempo) VIL “A” O (salida) Cambia de estado Por efecto del ruido ( situación indeseable) Entrada “A”, como señal digital “0” (lógico) “0” (lógico) T (tiempo) “1” (lógico) O (salida) T (tiempo)

Comentarios sobre efectos de las tecnologías de fabricación Márgenes de Ruido (establece magnitud máxima que puede variar la señales sin cambiar de estado lógico) 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 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 + tpHL o salida tp = t 2 tpLH tpHL 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

Encuentre la función implementada por el siguiente circuito: W X Z 3v O 0v

Encuentre la función implementada por el siguiente circuito: W X Z 3v 0v Y