IMEC2701_M3_Sistemas combinacionales MSI

Sistemas combinacionales MSI

Contextualización La revolución de la industria electrónica en la miniaturización de sus equipos, se ha visto compensada ampliamente con el descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se ha conseguido construir miles de componentes dentro de la misma cápsula con dimensiones similares a las de un sencillo transistor. La reducción de volumen no ha sido la única ventaja por la que los circuitos integrados se han hecho populares en la industria, entre otras ventajas destacan: Reducción de costo: Aunque el proyecto y los utillajes necesarios para fabricar un Cl son mucho más costosos que los de un elemento clásico, como consecuencia del alto número de unidades que se hacen de cada tipo, el bajo precio del material base y la automatización del proceso, se tiene que algunos modelos de Cl resultan de un precio inferior al de un solo transistor. Aumento de la fiabilidad: Un circuito integrado tiene una fiabilidad, en cuanto a funcionamiento y duración, mucho mayor que otro circuito similar implementado con componentes discretos, no sólo porque en este último caso la fiabilidad depende de cada uno de los componentes que lo forman, sino también debido a: • El esmerado estudio que exige el proyecto de unos circuitos integrados. • Las modernas técnicas de fabricación. • La reducción de longitud en las interconexiones. • La menor susceptibilidad a la temperatura sobre los diversos componentes, por estar todos contenidos en una mínima superficie.

Circuitos Lógicos Combinacionales: Procedimiento de Diseño Se puede diseñar siguiendo los siguientes pasos. Determinación e identificación del número de variables de entrada y variables de salida. Representar con símbolos las variables de entrada y salida. Expresando la relación de la variable de entrada y salida. Construir la tabla de verdad que indique la relación entre las variables de entrada y salida. Obtención de la expresión booleana para cada variable de salida en términos de variables de entrada. Minimizar las expresiones booleanas de varias variables de salida. Obtención del diagrama lógico mediante la implementación de expresiones booleanas minimizadas.

La implementación del circuito debe ser optimizado de esta manera, que tenga un número mínimo de compuertas, teniendo un número mínimo de entradas. El número de interconexiones entre las compuertas debería ser mínimo y el tiempo de propagación debería ser el mínimo. Para superar estos problemas, la mayoría de los circuitos combinacionales están disponibles en circuitos integrados (CI) que se utilizan ampliamente en el diseño de sistemas digitales. Depende de la capacidad de integración de las compuertas. Estos circuitos integrados se clasifican en circuitos integrados de pequeña, mediana, grande y muy grande escala. Para realizar funciones digitales específicas tales como adición, multiplexación, demultiplexación, codificación, decodificación, comparación, en los sistemas digitales se utilizan principalmente circuitos integrados de escala media integrada (MSI). Funciones del Circuito Lógico Combinacional Existen tres formas principales de especificar la función de un circuito lógico combinacional, estos son: • Tabla de verdad • Álgebra Booleana • Diagrama lógico

Tabla de verdad Una tabla de verdad, define la función de una compuerta lógica al proporcionar una lista de todos los estados de salida en forma de tabla para cada combinación posible de variable de entrada que la compuerta podría encontrar. Entradas Salida S R Qt Q+1 000 0 00 1 1 010 0 01 1 0 1 00 1 101 1 1 10 X 111 x Tabla de verdad lógica combinacional Álgebra Booleana Esto forma la expresión algebraica que muestra el funcionamiento del circuito lógico para cada variable de entrada, ya sea verdadero o falso, que, dá como resultado una salida lógica «1». + ( + )+ ( + ) Expresión booleana circuito combinacional

Diagrama Lógico Esta es una representación gráfica de un circuito lógico, que muestra el cableado y las conexiones de cada compuerta lógica individual, representada por un símbolo gráfico específico que implementa el circuito lógico. A AB + A (B+C) + B (B+C) B B + AC CB A B Circuito lógico combinacional usando compuertas lógicas La lógica combinacional es el proceso de combinar compuertas lógicas para procesar las dos o más entradas dadas, de manera que se genere al menos una señal de salida basada en la función lógica de cada compuerta lógica. Sistemas combinacionales MSI Son circuitos de media escala de integración, y contienen entre 10 y 100 puertas lógicas, o de 100 a 1000 transistores. Este tipo de circuitos se pueden clasificar según la función que cumplen dentro de los sistemas digitales en los siguientes tipos: De comunicación Aritméticos Transmiten y modifican Operan con los datos binarios que información, como los procesan, como los sumadores y codificadores,decodificadores, semisumadores, los comparadores multiplexores y demultiplexores. y los restadores.

Clasificación de los Circuitos Lógicos Combinacionales Los circuitos combinacionales se utilizan en una gran variedad de aplicaciones que forman parte de nuestra vida diaria, que incluyen calculadoras, técnicas de medición digital, computadoras, procesamiento digital, control automático de máquinas en procesamiento industrial, comunicaciones digitales, comunicaciones, entre otros. Circuito Lógico Combinacional Funciones Lógicas Transmisión Convertidores y Aritméticas de Datos de Código Sumadores Multiplexores Binario Sustractores Demultiplexores BCD Comparadores Codificadores 7 segmentos PLD’s Decodificadores Circuitos Aritméticos y Lógicos Esta es una de las principales funcionalidades de la mayoría de las computadoras y calculadoras que utilizamos con frecuencia. Estas operaciones son realizadas por las compuertas lógicas o simplemente circuitos combinacionales que combinan las varias compuertas lógicas para realizar la función demandada SSI o MSI. Entre los circuitos combinacionales utilizados son Semisumador, Sumador completo, Semirrestador, Resta completa, Sumador-Restador, Comparadores otros.

Circuitos de Transmisión de Datos En este caso los circuitos combinacionales más utilizados son los multiplexores y demultiplexores. Un circuito lógico multiplexor acepta las diversas entradas de datos y pasa una de ellas a través de la salida a la vez, lo que tiene amplia utilidad en aplicaciones de selección de datos, conversión en paralelo a serie, enrutamiento de datos en sistemas digitales. Un circuito demultiplexor, realiza la operación inversa a la del multiplexor. Otros circuitos de transmisión de datos esenciales incluyen codificadores y decodificadores. Estos se utilizan en la demultiplexación de datos, convertidores de digital a analógico y aplicaciones de visualización digital. Un circuito digital codificador convierte una señal de entrada activa en una señal de salida codificada como operación inversa del decodificador. Se utilizan en aplicaciones de compresión de bits. Circuitos Convertidores de Código Se utiliza en algunas aplicaciones, donde resulta necesario interconectar dos bloques digitales de diferentes sistemas de codificación. Entonces, se usa un circuito de conversión entre dichos circuitos para convertir la información. Entre estos convertidores están: de código binario a código gray, código gray a binario, BCD a código de exceso 3, código de exceso 3 a código BCD y circuitos de conversión de código de siete segmentos.

Circuitos MSI de comunicación Codificadores Son dispositivos que convierten una señal expresada en código humano a código binario, y el cual se denominará completo si las entradas son iguales a 2 elevado a la cantidad de salidas (n), e incompleto si las entradas son menores a dicha cantidad. De otra manera, un codificador consigue ser de dos tipos: con prioridad y sin prioridad; en el primer proceso, será capaz de atender a diferentes entradas sincrónicas y establecer el criterio que da prioridad a una señal u otra, mientras que al ser \"sin prioridad\", sólo aceptará una entrada a la vez. 2n bits Codificador n-bits binario Codificador binario Dos codificadores muy utilizados son H12E y HC148.

H12E El codificador Holtek H12E se utiliza para la conversión de paralelo a serie. Es un tipo de Circuito Integrado CMOS con 8 pines de dirección y 12 pines de datos. Es un CI de 18 pines. Se utiliza en la comunicación de RF donde convierte los datos paralelos de 12 bits a forma serial. Consiste en un pin de habilitación que es un pin bajo activo y cuando se establece bajo, la transmisión está habilitada. Características de H12E: • Funciona con una tensión de alimentación de 2.4 a 12 V. • Está emparejado con la serie H12 de decodificadores • Consta de osciladores incorporados • Se basa en la tecnología CMOS de alta inmunidad al ruido. • Se utiliza para operaciones por control remoto. HC148 El codificador CI utilizado como codificador de prioridad es el HC148, que es un codificador de prioridad de 8 a 3 líneas. Por codificador de prioridad nos referimos a codificadores donde se le da una cierta prioridad a cada entrada y en función del nivel de prioridad que se genera el código de salida. También tiene un pin de habilitación que es un pin activo bajo y cuando se establece bajo, habilita la operación del codificador. Funciona dentro del rango de voltaje de funcionamiento de 2 V a 6 V. Decodificadores Son la función inversa de un codificador, los cuales colocan de n entradas y 2n salidas y que, atendiendo a su salida, consiguen ser activos a nivel alto (\"1\") o activos a nivel bajo (\"0\"). Por lo tanto, la mayoría de los decodificadores componen un dispositivo de control mediante una entrada \"Enable\" o \"Habilitada\" (la cual puede estar activa a cualquiera de sus dos niveles), asimismo, en caso de no tener lugar no permitiría la activación del decodificador. Por otra parte, los decodificadores se consiguen fragmentar en dos tipos:

Excitadores Son aquellos en los que a partir de las diferentes entradas posibles se activa más de una salida, siendo estas salidas capaces de dar suficiente corriente como para atacar a otros CI de la misma familia y a otros dispositivos, como displays, lámparas, relés, transductores, entre otros. No excitadores son un tipo de decodificador cuyas salidas sólo pueden acoplarse a otros circuitos digitales de la misma familia, ya que proporcionan una corriente muy pequeña, incapaz de impulsar algún otro componente. Lo puede apreciar en la siguiente figura: 1 a0 Decodificador a 0 b 1 a0 BCD/7 c 0 a0 SEGMENTOS d a0 e f g Como se puede concluir, los codificadores y los decodificadores son circuitos que realizan operaciones inversas. En el primer caso, el dispositivo transforma la información que utilizamos en nuestro lenguaje habitual (números decimales, letras, signos, etc.) en un conjunto de ceros (0) y de unos (1) para que sean procesados por el resto del sistema digital. Los decodificadores se encargan de proporcionar a su salida una información inteligible a partir de una combinación binaria presente en sus entradas. La codificación y la decodificación serán siempre operaciones imprescindibles en sistemas digitales que traten información, o en procesos industriales donde haya que suministrar datos o presentar resultados.

Una aplicación que implica el uso de Codificadores y Decodificadores: es Cifrado y Descifrado de Datos Inalámbricos. En todas las comunicaciones inalámbricas, la seguridad de los datos es la principal preocupación, por suerte hay numerosas formas de brindar seguridad a la información inalámbrica de los piratas informáticos. Multiplexores 0 74151 El multiplexor es un dispositivo que tiene Entradas 1 1 Salida múltiples entradas y salidas de una sola línea. Las líneas de selección determinan 12 qué entrada está conectada a la salida y 3 también aumentan la cantidad de datos 4 que se pueden enviar a través de una red dentro de un tiempo determinado. 5 También se le llama selector de datos. 6 7 Son similares a un interruptor mecánico giratorio de varias posiciones, el cual 0 A admite enviar la información binaria 1 B procedente de diversas fuentes a una 0 C única línea de salida, para ser transmitida a través de ella a un destino común. Multiplexores MSI

Los multiplexores se clasifican en cuatro tipos: • Multiplexor de 2 a 1 (1 línea seleccionada) • Multiplexor de 4 a 1 (2 líneas seleccionadas) A0 A1 I0 I0 4:1 Z I1 I1 MUX I2 A0 A1 I3 Z I2 I3 • Multiplexor de 8 a 1 (3 líneas seleccionadas) HGFEDCBA I0 76543210 I1 S0 I2 Z S1 I3 8:1 S2 I4 MUX Z I5 I6 I7 A0 A1 A2 I0 A0 A1 A2 I1 Z I2 I3 Enable I4 I5 I6 I7 • Multiplexor de 16 a 1 (4 líneas seleccionadas)

Aplicaciones de multiplexores Sistema de Comunicación Un sistema de comunicación, tiene tanto una red de comunicación como un sistema de transmisión. Mediante el uso de un multiplexor, la eficiencia del sistema de comunicación se puede aumentar al permitir la transmisión de datos, como datos de audio y video de diferentes canales a través de líneas simples o cables. Memoria del ordenador Los multiplexores se utilizan en la memoria de la computadora para mantener una gran cantidad de memoria y también para reducir la cantidad de líneas de cobre necesarias para conectar la memoria a otras partes de la computadora. Red telefónica En las redes telefónicas, se integran múltiples señales de audio en una sola línea de transmisión con la ayuda de un multiplexor. Transmisión desde el sistema informático de un satélite El multiplexor se utiliza para transmitir las señales de datos desde el sistema informático de un satélite al sistema terrestre.

Demultiplexores Son circuitos que ejecutan la función opuesta a un multiplexor, es decir, tiene una única entrada de datos, \"n\" entradas de selección y un número de salidas menor al 2 elevado al número de entradas de selección, de modo que, según se introduzca una u otra combinación por las entradas de selección, se conseguirá comunicar la entrada de datos con la salida seleccionada. Revisa la imagen siguiente: Entrada Datos D0 S0 D1 Líneas de Líneas de Selección salida de datos S1 D2 D3 Los multiplexadores y los demultiplexadores funcionan de forma complementaria. Los primeros se utilizan para enviar a su única salida la información presente en alguna de sus numerosas entradas. Los demultiplexadores hacen lo contrario, es decir, permiten enviar la información presente en su única entrada a cualquiera de sus múltiples salidas. En ambos casos son necesarias unas entradas de control mediante las que se realiza la selección. Comercialmente, los demultiplexadores y los decodificadores son los mismos dispositivos.

Los demultiplexores se clasifican en cuatro tipos: • Demultiplexor 1 a 2 (1 línea seleccionada) • Demultiplexor 1 a 4 (2 líneas seleccionadas) AB D I0 I0 I1 D 1:4 I1 I2 DEMUX I2 I3 I3 I0 I1 AB I2 I3 • Demultiplexor 1 a 8 (3 líneas seleccionadas) I4 I5 D S0 S1 S2 I6 I7 I0 I1 I2 I3 D 1:8 I4 DEMUX I5 I6 I7 S0 S1 S2 • Demultiplexor 1 a 16 (4 líneas seleccionadas)

Aplicaciones del demultiplexor Los demultiplexores se utilizan para conectar una sola fuente a múltiples destinos. Estas aplicaciones son las siguientes: Sistema de comunicación Mux y demux se utilizan en los sistemas de comunicación para llevar a cabo el proceso de transmisión de datos. Un demultiplexor recibe las señales de salida del multiplexor y, en el extremo del receptor, las convierte de nuevo a la forma original. Unidad lógica aritmética La salida de la Unidad Lógica Aritmética se alimenta como entrada al demultiplexor y la salida del demultiplexor se conecta a varios registros. La salida de la Unidad Lógica Aritmética se puede almacenar en varios registros. Convertidor de serie a paralelo Este convertidor se utiliza para reconstruir datos en paralelo. Cuando se almacenan todas las señales de datos, la salida del demux se puede leer en paralelo.

Circuitos MSI aritméticos Sumadores Son circuitos que efectúan la suma de dos palabras binarias, siendo distinta de la operación OR, dado que la operación de suma de números binarios tiene la misma mecánica que la de números decimales. A Suma B Acarreo Semisumadores Son dispositivos aptos para sumar dos bits y obtener como resultado la suma de ambos y el acarreo. AS BC

Comparadores Poseen uno o más pares de entradas, que poseen como función cotejar dos magnitudes binarias para comprobar su relación, siendo el comparador más básico la compuerta XOR, ya que su salida es 1 si los dos bits de entrada son diferentes y 0 si ambos son iguales. A0 0 COMP A1 A A2 A>B A3 3 A>B B0 0 B1 B A>B B2 B3 3 Los comparadores admiten en sus entradas dos combinaciones binarias del mismo número de cifras e indican en sus salidas si esas combinaciones son iguales o no lo son. En este último caso, suelen indicar cuál de las dos es la mayor y cuál es la menor. Restadores Cada bit del sustraendo se resta de su correspondiente bit del minuendo, para formar el bit de la diferencia. El préstamo ocurre cuando el bit del minuendo es menor al bit del sustraendo, de tal forma que se presta un 1 de la siguiente posición significativa. MD SP

Bibliograf ía: • Stallings, W. (2011). Data & Computer Communications. Prentice Hall. • Tocci, R.J., Widmer, N.S. (2007). Sistemas digitales: Principios y aplicaciones. Pearson Education. • Floyd,T.L.(2006). Fundamentos de sistemas digitales. Pearson Education. • Morris, M. (2003). Diseño digital. Prentice Hall. • Mandado, E. (1992). Sistemas electrónicos digitales. Marcombo.