CIRCUITOS SECUENCIALES

U N I V E R S I D A D T E C N O L O G I C A N A C I O N A L - F . R . R . ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS SECUENCIALES

CIRCUITOS SECUENCIALES

El circuito que debemos disear, por ejemplo para el funcionamiento de un ascensor, recibe el nombre de circuito lgico secuencial, conocido como mquina de estados finitos, el cual toma una entrada y un estado actual para generar una salida y un nuevo estado. Esta mquina de estados finitos se distingue de un circuito combinacional en que la historia de las entradas del circuito secuencial tiene influencia sobre sus estados y sobre su salida. Este concepto es importante en la implementacin de circuitos de memoria, as como en el diseo de unidades de control en una computadora.

El modelo clsico de una mquina de estados finitos es el que se muestra en la figura. Consiste en un circuito combinacional que toma las entradas desde las lneas E0 Ek externas a la mquina de estados finitos, adems de tomar las entradas desde las lneas de estado Q0 Qi internas a ella. El circuito combinacional genera los nuevos bits de salida S0 Sm y un nuevo conjunto de bits de estado. Los elementos de retardo mantienen el estado actual de la mquina de estados finitos hasta que una seal de sincronismo provoque la carga de los valores Bi en los elementos FFi, tras lo que aparecen en Qi como los nuevos bits de estado.

CircuitoCombinacionalEntradasSalidasQ0 B0FF0E0EkSeal de sincronismoSmS0Variables de EstadoElementos de retardo: uno por cada variable de estadoQi BiFFi

Los circuitos secuenciales usan elementos de memoria (celdas binarias) adems de las compuertas lgicas. Las salidas de un circuito secuencial son una funcin no solamente de las entradas externas sino del presente estado de los elementos de la memoria. El estado de los elementos de memoria, a su vez, es una funcin de las entradas previas. Como consecuencia las salidas de un circuito secuencial dependen no solo de las entradas presentes, sino tambin, de las entradas del pasado y el comportamiento del circuito debe especificarse por una secuencia de tiempos de las entradas y estados internos.

Un diagrama de bloques de un circuito secuencial consta de un circuito combinacional al cual se le conectan elementos de memoria para formar un camino de realimentacin. Los elementos de memorias son capaces de almacenar dentro de ellos informacin binaria. La informacin binaria almacenada en los elementos de memoria en cualquier momento dado define el estado del circuito secuencial.

Hay dos tipos de circuitos secuenciales. Su clasificacin depende del temporizado de sus seales. Un circuito secuencial sincrnico es un sistema cuyo comportamiento puede definirse a partir del conocimiento de sus seales en instantes discretos de tiempos.

El comportamiento de un circuito secuencial asincrnico depende del orden en que cambien las seales de entrada y puedan ser afectadas en cualquier instante de tiempo dado. Los elementos de memoria comnmente usados en los circuitos secuenciales asincrnicos son mecanismos retardadores de tiempo. As, un circuito secuencial asincrnico puede tomarse como un circuito combinacional con realimentacin.

CircuitoLgicoSecuencialEntradasSalidaABSS f (A, B)S = f (A, B, Q (t)) Q (t+1) = g (A, B, Q (t)) Q (t) = Estado AnteriorQ (t+1) = Estado Siguiente

Un sistema lgico secuencial sincrnico, puede usar seales que afecten los elementos de memoria solamente en instantes de tiempo discreto. Una forma de lograrlo es usar pulso de duracin limitada a travs del sistema de tal manera que la amplitud de un pulso representa la lgica 1 y otra amplitud de pulso (o la ausencia de un pulso) represente lgica 0.

La sincronizacin se logra por un dispositivo de tiempo llamado generador maestro de tiempo el cual genera un tren peridico de pulsos de reloj. Los pulsos de reloj se distribuyen a travs del sistema de tal manera que los elementos de memoria son afectados solamente con la llegada del pulso de sincronizacin.

El pulso de reloj se aplica a las compuertas AND conjuntamente con las seales que especifican los cambios requeridos en los elementos de memoria. Los circuitos secuenciales sincrnicos son el tipo ms usado, tambin se les suele llamar circuitos secuenciales temporizados.

CircuitoCombinacionalMemoriaE1E2SM1M2H1H2Circuito SecuencialS = f (E1, E2, H1, H2)Q (t+1) = g (M1, M2)S (t+1) = f (E(t), Q(t))

Tabla de Estados

La secuencia de tiempo de las entradas, salidas y estados de los flip flops pueden enumerarse en una tabla de estado. Ella consiste en 3 secciones llamadas estado presente, estado siguiente y salida.

El estado presente designa los estados de los flip flops antes de la ocurrencia de un pulso de reloj. El estado siguiente muestra los estados de los flip flops despus de la aplicacin del pulso de reloj y la seccin de salida lista los valores de las variables de salida durante el presente estado. La deduccin de la tabla de estado comienza a partir de un estado inicial asumido. El estado inicial de la mayora de los circuitos secuenciales se define como el estado con ceros en todos los flip flops. En general, el siguiente estado es una funcin de las entradas, el estado presente y el tipo de flip flop usado, por ejemplo, para el flip flop RS, si S = 1 pone a uno el flip flop, en cambio si R = 0 pone a cero, etc.

Generalmente un circuito secuencial con m flip flops y n variables de entrada tendr 2m filas, una para cada estado. Las secciones del siguiente estado y de salida tendrn cada una 2n columnas, una para cada combinacin de entrada.

Ecuaciones de estado

Una ecuacin de estado (tambin conocida como una ecuacin de aplicacin) es una expresin algebraica que especifica las condiciones para la transicin de estado de un flip flop. El lado izquierdo de la ecuacin denota el estado siguiente del flip flop y el lado derecho una funcin de Boole que especifica las condiciones del presente estado que hacen el siguiente estado igual a 1. La ecuacin de estado se deriva directamente de la tabla de estado.Diagrama de estados

La informacin disponible en la tabla de estado puede representarse grficamente en un diagrama de estado. En este diagrama se representa un estado por un crculo y la transicin entre estados se indica por lneas dirigidas que conectan los crculos. El nmero binario dentro de cada crculo identifica el estado representado por el crculo. Las lneas dirigidas se marcan con dos nmeros binarios separados por /. El valor de entrada que causa la transicin de estado se marca primero; el nmero despus de la / da el valor de la salida durante el presente estado. Una lnea dirigida que conecta un crculo a s mismo indica que no hay cambio de estado. El diagrama de estado suministra la misma informacin que la tabla de estado, es decir, que no hay diferencias excepto en la forma de presentacin.

Tablas de Excitacin

Cada tabla consiste en dos columnas, Q (t) y Q (t + 1), y una columna para cada entrada para mostrar cmo se logra la transicin requerida (o cambio de estado). Hay cuatro transiciones posibles del presente estado al siguiente. Las condiciones de entrada requeridas para cada una de las cuatro se derivan de la informacin disponible en la tabla caracterstica (o tabla de funcionamiento). El smbolo X en las tablas representa la condicin de no importa, es decir, no importa que la entrada sea 1 0.

BIESTABLES

Son los elementos de memoria que se usan en los circuitos secuenciales temporizados. Estos circuitos son celdas binarias capaces de almacenar un bit de informacin. Un circuito flip flop tiene dos salidas, una para el valor normal y uno para el valor complemento del bit almacenado en l. La informacin binaria puede entrar a un flip flop en una gran variedad de formas, hecho que da lugar a diferentes tipos de flip flop.

Un circuito flip flop puede mantener un estado binario en forma indefinida an luego de que las entradas pasen a un estado inactivo, hasta que se cambie por una seal de entrada para cambiar estados. La diferencia principal entre los diversos flip flop esta en el nmero de entradas que poseen y en la manera en la cual las entradas afectan el estado binario.

Flip Flop: se llama as porque el sonido de las memorias de las maquinas viejas eran compuertas de biestables electromecnicos (relais). Circuito que conduce o no conduce.

Caractersticas

1. El flip-flop es un sistema con dos estados estables (0 o 1 estados binarios). A cada representacin del estado se le asigna una funcin. El estado es una situacin interna del circuito. El estado de un circuito esta determinado por los valores que los biestables puedan estar en ese momento. La salida de un flip flop queda determinada tanto por las entradas actuales como por la historia de las mismas. El circuito del flip-flop puede recordar o almacenar un BIT de informacin binaria. El flip-flop tiene dos seales de salida, de las cuales una es el complemento de la otra. El flip flop se mantiene en uno de los estados, mientras no sea exitado por seal alguna. La mayora de los flip flop tienen entradas de impulso y salidas de nivel.

Segn en qu instante pueden actuar sus entradas y cambiar de estado (y en correspondencia cambiar el valor de sus salidas), los flip flops pueden ser:

Asincrnico: sus entradas pueden actuar en cualquier instante para cambiar el estado del circuito, y en conformidad cambiar el valor de sus salidas.

Sincrnico: sus entradas pueden actuar sobre el estado del circuito slo en determinados instantes, definidos en relacin a pulsos que llegan por otra entrada de sincronismo conocida como reloj o clock. La entrada CP o CLK recibe pulsos de sincronismo que son generados por lo general a una frecuencia regular por algn tipo de oscilador, de donde viene el nombre reloj.

AsincrnicoSincrnicoAsincrnicoSincrnicoFlip Flop RS Flip Flop JK

AsincrnicoSincrnicoSincrnicoFlip Flop D Flip Flop T

SincrnicoFlip Flop M-S

Tipos

Elementos biestables elementales: poseen dos estados posibles en los cuales permanecen.

FLIP-FLOP RS

Un circuito flip flop puede construirse con dos compuertas NAND o dos compuertas NOR. La conexin de acoplamiento intercruzado de la salida de una compuerta a la entrada de la otra constituye un camino de realimentacin. Por esta razn, los circuitos se clasifican como circuitos secuenciales asincrnicos.

Este tipo de flip flop se llama RS acoplado directamente o bloqueador SR. El biestable dispone de 2 entradas S (set) y R (reset) y de dos salidas Q y Q, donde una es el complemento de la otra, y se les trata como salidas normales y de complemento respectivamente.Supongamos que la entrada de puesta a uno (set) es 1 y que la entrada de puesta a cero (reset) sea 0. Como la compuerta 2 tiene una entrada de 1, su salida Q debe ser 0, lo cual coloca ambas entradas de la compuerta 1 a 0 para tener la salida Q como 1. Cuando la entrada de puesta a uno (set) vuelva a 0, las salidas permanecern iguales ya que la salida Q permanece como 1, dejando una entrada de la compuerta 2 en 1. De la misma manera es posible demostrar que un 1 en la entrada de puesta a cero (reset) cambia la salida Q a 0 y Q a 1. Cuando la entrada de puesta a cero cambia a 0, las salidas no cambian.

Cuando se aplica un 1 a ambas entradas de puesta a uno y puesta a cero ambas salidas Q y Q van a 0, esta condicin viola el hecho de que estas salidas deben ser complementos entre s; por lo tanto, este estado es indefinido y debe evitarse.

S = SET: puesta a 1R = RESET: puesta a 0

El circuito RS con compuertas NAND trabaja a la inversa del anterior, es decir, cuando se aplica un 0 en la entrada de puesta a uno, pone a uno al flip flop; y un 0 en R pone a cero el flip flop. Cuando las dos entradas sean 0, el estado del flip flop es indefinido.

Esta tabla denominada tabla de excitacin que consiste en definir qu valor debe ingresar por las entradas del biestable para que un cierto cambio de estados sea posible:

QtQ t+1RSExplicacin

00X0Observando la tabla de funcionamiento se verifica que hay dos situaciones en que se verifica este cambio de estado: en ambos casos por S ingresa un 0 y por R puede ingresar 1 o 0. Esto implica que independientemente del valor de R(x) por S debe ingresar un 0.

0101Observando la tabla de funcionamiento se verifica que hay una sola situacin en que se verifica este cambio de estado: Cuando por R ingresa un 0 y por S ingresa un 1.

1010Ocurre lo mismo que en el caso anterior, es decir, hay una sola situacin, donde por R ingresa un 1 y por S ingresa un 0.

110XPara este hay dos situaciones en que se verifica este cambio de estado: en ambos casos por R ingresa un 0 y por S puede ingresar un 1 o 0. Esto implica que independientemente del valor de S(x) por R debe ingresar un 0.

Otras Consideraciones

El tiempo requerido para que una seal se propague desde las entradas de una compuerta lgica hasta sus salidas no es nulo, existe un cierto retardo t que representa el tiempo de propagacin a travs de la compuerta. Para el anlisis, el retardo suele considerarse acumulado a la salida de la compuerta, como se indica en la figura. El retardo no se indica en los circuitos, pero su presencia est implcita.

El tiempo de propagacin a travs de la compuerta NOR afecta el funcionamiento de un flip flop. Supongamos un circuito biestable RS cuando se aplica un 1 en la entrada S y un 0 por R, la salida Q adopta el valor 0 luego de un tiempo t, lo que hace que la salida Q adopte el valor 1 luego de un retardo igual a 2t.Como resultado de este tiempo de propagacin finito (no nulo), durante un pequeo instante de tiempo t ambas salidas adoptan el valor 0, lo que no corresponde desde el punto de vista lgico. Esta situacin se soluciona mediante la configuracin conocida como maestro esclavo.

Comportamiento temporalSRQQtt2 t2 t

FLIP-FLOP RS SINCRONICO

Con el objeto de lograr una sincronizacin controlada de los circuitos de lgica secuencial, se suele incorporar una seal de sincronismo o reloj, con la cual cada circuito se sincroniza a s mismo para aceptar cambios de sus entradas en instantes determinados. Un circuito de reloj produce una secuencia continua de ceros y unos, como se muestra en la figura.

AmplitudTiempoPerodo (tiempo de ciclo)

Se define como frecuencia de seal de reloj a la inversa de su perodo. Para un perodo de 25 ns/ciclo, la frecuencia correspondiente es de 1/25 ciclos/ns, lo que corresponde a 40 millones de ciclos por segundo 40 Mhz (1ns = 10-9 seg)

El uso de una seal de sincronismo permite la eliminacin de riesgos por medio de la creacin de un circuito biestable sincrnico que incluye una entrada CP (clock pulse) como seal de sincronismo.

El flip flop RS con reloj consta de un flip flop bsico NOR y dos compuertas AND. Las salidas de las 2 compuertas AND permanecen en 0 en tanto que el pulso de reloj (clock pulse) sea 0 sin importar los valores de entrada de R y S. Cuando el CP va a 1, se permite que la informacin de las entradas S y R lleguen al flip flop bsico. El estado de puesta a uno se logra con S = 1, R = 0 y CP = 1 y para puesta a cero S = 0, R = 1 y CP = 1. Cuando S = 1 y R = 1, la ocurrencia de un pulso de reloj provoca que ambas salidas momentneamente sean 0. Cuando el pulso se elimina, el estado del flip-flop es indeterminado, esto es, puede resultar cualquier estado.

Este flip flop tiene 3 entradas S, R y CP; la entrada CP no se escribe sino que se simboliza con un tringulo, que denota el hecho de que el flip flop responde a una transicin del reloj. El estado del flip flop se determina del valor de su salida normal Q, para obtener el complemento de la salida normal, no es necesario usar un inversor ya que el valor complementado se obtiene directamente de la salida Q.

FLIP-FLOP D

Es una modificacin del flip flop bsico RS con reloj. Las compuertas NOR 1 y 2 forman el flip flop bsico y las compuertas 3 y 4 las modifican para conformar el flip flop RS sincronizado. La entrada D va en forma directa a la entrada S, y su complemento se aplica a la entrada R. La diferencia que tiene este flip flop con el RS con reloj es que, en el RS para almacenar un 1 o un 0, hace falta aplicar un 1 a una de sus entradas y un cero a la otra, lo que no ocurre con el flip flop D ya que las entradas R y S estn conectadas a travs de un inversor. Dicho de otra manera, cuando D = 1 y CP = 1, el flip flop se pone a uno, y cuando D = 0 y CP = 1, el flip flop se pone a cero.

Este flip - flop recibe su denominacin por la habilidad de transferir datos a u flip flop. Es bsicamente un flip flop RS con un inversor en R. El inversor agregado reduce el nmero de entradas de dos a uno. Este flip -flop se llama algunas veces bloqueador D con compuertas o flip flop de bloque. La entrada CP con frecuencia recibe la designacin de variable G (Gate o compuerta) para indicar que esta entrada habilita el flip flop de bloqueo para hacer posible la entrada de informacin dentro del flip-flop.

FLIP-FLOP JK

Un flip flop JK es un refinamiento del flip flop RS ya que el estado indeterminado del tipo RS se define en el tipo JK. Las entradas J y K se comportan como las entradas S y R para poner a uno o cero al flip flop (en este flip flop, la letra J se usa para la entrada de puesta a uno y la entrada K para la entrada de puesta a cero). Cuando se aplican seales de entrada en forma simultanea a J como a K, es decir cuando ambas son 1, el flip flop cambia a su estado de complemento, o sea, si Q = 1 cambia a Q = 0 y viceversa.La salida Q se aplica con K y CP a una compuerta AND de tal manera que el flip flop se ponga a cero (clear) durante un pulso de reloj solamente si Q fue 1 previamente. De manera similar la salida Q se aplica con J y CP a una compuerta AND de tal manera que el flip flop se ponga a uno con un pulso de reloj, solamente si Q fue 1 previamente.

Cuando J y K sean 1, el pulso de reloj se transmite a travs de una compuerta AND solamente; es decir, si Q = 1 la salida de la compuerta AND superior se convertir en 1 una vez que se aplique el pulso de reloj y el flip flop se pondr a cero. Si Q = 1 la salida de la compuerta AND inferior se convierte en 1 y el flip flop se pone a uno. En cualquier caso el estado de salida del flip flop se complementa, cuando J y K sean 1.

FLIP-FLOP T

El flip flop T es una versin de una sola entrada del flip flop JK. El flip flop T se obtiene de un tipo JK a la cual se le unen las dos entradas. La denominacin T proviene de la habilidad del flip flop para conmutar (del termino ingles: toggle), o cambiar de estado. Independientemente del presente estado del flip flop, este asume el estado de complemento cuando ocurre el pulso de reloj mientras que la entrada T est en lgica 1.Es decir, que este biestable mantiene su estado si por la entrada ingresa un 0 y complementa el estado si por la entrada ingresa un 1.

FLIP-FLOP Maestro Esclavo

Un flip-flop maestro esclavo se construye con dos flip flops separados. Un circuito sirve como maestro y el otro como esclavo y el circuito completo se conoce como un flip flop maestro esclavo. Este consiste en un flip flop maestro, un flip flop esclavo y un inversor. Cuando el pulso de reloj CP es 0, la salida del inversor es 1. Como el pulso de entrada de reloj del esclavo es 1, el flip flop se habilita y la salida Q es igual a Y mientras que Q se iguala a Y. El flip flop maestro se inhabilita debido a que CP = 0. Cuando el pulso de reloj se convierte en 1, la informacin en las entradas externas R y S se transmiten al flip flop maestro. El flip flop esclavo sin embargo, se asla por el intervalo en que el pulso est en un nivel 1, ya que la salida del inversor es 0. Cuando el pulso regresa a 0, el flip flop maestro se asla, lo cual previene que las entradas externas lo afecten. El flip flop esclavo ir al mismo estado que el maestro.

Las relaciones de tiempo mostradas en la figura ilustran la secuencia de eventos que ocurren en un flip flop maestro esclavo. Asmase que el flip flop est en el estado de puesta a cero antes de la ocurrencia de un pulso, de tal manera que Y = 0 y Q = 0.

Supongamos que las entradas sean S = 1 y R = 0, cuando el pulso de reloj pasa de 0 a 1, el flip flop maestro se pone a uno y conmuta Y a 1. El flip flop esclavo no se afecta debido a que su CP es 0. Cuando el pulso de reloj regrese a 0, la informacin del maestro se permite pasar al esclavo haciendo la salida externa Q = 1.Hay que tener en cuenta que la entrada S puede cambiarse al mismo tiempo que el pulso va a travs de la transicin de un flanco negativo. Esto se debe a que una vez que CP alcance el 0, el maestro se inhabilita y sus entradas R y S no tienen influencia hasta que el siguiente pulso de reloj ocurra. Entonces, en un flip flop maestro esclavo, es posible variar la salida y la informacin de entrada con el mismo pulso de reloj. Puede ocurrir por ejemplo que la entrada S venga de la salida de otro flip flop maestro esclavo que fuera conmutado con el mismo pulso de reloj.

Algunos flip flops maestro esclavo cambian los estados de salida en la transicin del flanco positivo de los pulsos de reloj, esto se debe a que el inversor del CP esta puesto en el flip flop maestro.

La combinacin maestro esclavo puede construirse para cualquier tipo de flip-flop agregando un flip-flop RS temporizado con un reloj invertido para formar un esclavo. La figura muestra un flip flop JK maestro esclavo que consiste en 2 flip flops; las compuertas 1 hasta 4 forman el flip flop maestro y las compuertas 5 hasta 8 el flip flop esclavo. La diferencia con el anterior es que esta construido con compuertas NAND. El CP de este flip flop maestro esclavo funciona de la misma manera que el anterior.

Se dice que un flip flop es activado por nivel cuando puede cambiar sus estados en forma continua cuando la seal de reloj esta en su estado activo (alto o bajo, segn como se haya diseado).

Un flip flop es activado por flanco cuando solo cambia en una transicin creciente o decreciente de la seal de reloj.

El Monoestable

Es un sistema de 2 estados con solo una posicin estable. Bascula bajo el efecto de un impulso de entrada y retorna seguidamente a su posicin de equilibrio.

El estado estable es el estado 0, que bajo la influencia de un impulso S el biestable pasa a 1, lo que a su vez posiciona la entrada R a 1: el sistema vuelva al estado de equilibrio. La temporizacin permite ajustar la duracin de la seal de salida

Bascula (Cambia de estado)

La bscula es un sistema de 2 estados, ninguno de ellos estable. Puede realizarse uniendo las 2 entradas de un biestable JK.

Mientras se tenga a 1 la entrada T, la bscula cambia constantemente de estado y el ritmo de cambio depende del tiempo de respuesta de los circuitos. Este ritmo es ajustable mediante las temporizaciones 1 y 2. Pueden utilizarse las bsculas para realizar relojes que dan un tren de impulsos regularmente espaciados.

REGISTROS

Son elementos de memoria de almacenamiento temporal de informacin, instrucciones y datos, durante el procesamiento. A una orden procedente en general de la unidad de control, una informacin puede ser transferida de un registro a otro, sin que se altere el contenido del primero. Se denomina registro a un conjunto de biestables que funcionan como unidad, permitiendo almacenar informacin en el transcurso de un proceso.

Un registro es un grupo de celdas de almacenamiento binario capaz de retener informacin binaria que actan en conjunto para cumplir con cierta funcin. Como una celda almacena un bit de informacin, se desprende que un registro de n celdas puede almacenar cualquier cantidad discreta de informacin que contenga n bits. Un registro de n bits tiene un grupo de n flip flops y tiene la capacidad de acumular cualquier informacin binaria que contiene n bits.El estado de un registro es un nmero ensimo de unos o ceros con cada bit indicando el estado de una celda en el registro. Ms claramente, un registro de n celdas puede estar en uno de los 2n estados posibles. El contenido de un registro, es una funcin de la interpretacin dada a la informacin almacenada en l.

Adems de los flip flops, un registro puede tener compuertas combinacionales que ejecutan ciertas tareas de procesamiento de datos, es decir, que las compuertas controlan cuando y como se transfiere la nueva informacin al registro.Un registro puede almacenar uno o ms elementos discretos de informacin, pero la misma configuracin de bits puede ser interpretada, de manera diferente para diferentes elementos de informacin. Los registros de un sistema digital son designados por letras maysculas (algunas veces seguidas de nmeros) para denotar la funcin del registro. Tal es el caso del registro de palabra de memoria RPM. Las celdas o flip flops de un registro de n bits se numeran en secuencia desde 1 a n (o desde 0 hasta n-1) comenzando desde la izquierda o desde la derecha. La forma ms comn e representar un registro es por medio de un rectngulo con el nombre del registro dentro de l (Figura a). Las celdas individuales pueden ser distinguidas como en la Figura b, cada celda con su respectiva letra y nmero suscrito.

La numeracin de las celdas de derecha a izquierda puede ser marcada en la parte superior del rectngulo como en el registro RPM de 12 bits en la Figura c. Un registro de 16 bits se divide en dos partes en Figura d. Los bits de 1 a 8 se designan por medio de la letra L (LOW) y los bits 9 a 16 se les asigna la letra H (HIGH). El nombre del registro de 16 bits es PC. El smbolo PC (H) se refiere a las 8 celdas de mayor orden y PC (L) se refiere a las 8 de menor orden. En algunos casos los parntesis se utilizan para definir una porcin del registro y en otras para hacer referencia al contenido del registro.

Operaciones elementales sobre los registros

1. Un registro puede limpiarse o ponerse a cero, envindole un impulso por la entrada R de cada biestable. (ver figura 69)

1. El contenido de un registro puede complementarse, envindole un impulso por la entrada C (de complemento) de cada biestable (ver figura 69). Para complemento a la base -1 se toma los Q.

2. El contenido de un registro puede desplazarse a izquierda o a la derecha.

3. El contenido de un registro puede incrementarse o decrementarse.

Operaciones entre registros

1. Transferir el contenido de un registro a otro.

1. Sumar o restar el contenido de un registro con el contenido de otro.

Registros de Desplazamiento

Es un registro capaz de desplazar su informacin binaria hacia la izquierda o hacia la derecha. La configuracin lgica de un registro de desplazamiento consiste en una cadena de flip flops conectados en cascada, con la salida de un flip flop conectado a la entrada del siguiente. Todos los flip flops reciben un pulso de reloj comn el cual causa el desplazamiento de un estado al siguiente. La salida Q de un flip flop dado, se conecta a la entrada S, mientras que la salida Q a la entrada R, del flip flop a la derecha (en caso de desplazamiento a derecha). Cuando se trabaja con flip flop D, la salida Q va conectado a la entrada D, del flip flop de la derecha.

Transferencia entre Registros

Una operacin de transferencia entre registros es una operacin bsica en sistemas digitales y consiste en la transferencia de la informacin almacenada de un registro a otro.Por medio de una flecha se indica la transferencia de informacin, de un registro a otro, y tambin indica la direccin de la misma. Por lo tanto, la siguiente expresin designa un reemplazo del contenido de A por lo contenido en B.

A B

Por definicin, lo contenido en el registro fuente B no cambia despus de la transferencia.Esta proposicin que especifica una transferencia entre registros implica que los circuitos estn conectados entre las salidas del registro fuente hasta las celdas de entrada del registro destino. Las salidas del registro B se conectan a las entradas del registro A, y el nmero de lneas en esta condicin es igual al nmero de bits en los registros. El registro A debe tener una entrada de control de carga de tal manera que pueda habilitarse cuando la seal de carga sea igual a 1.

Considrese las siguientes 2 proposiciones:

C A

C B

La conexin de 2 registros fuente al mismo registro de destino no puede hacerse directamente, pero requiere un circuito multiplexor para seleccionar entre 2 caminos posibles. Para registros con 4 bits cada uno, se necesita un multiplexor de 2 a 1 lneas cudruple, como se ver en una figura en el tema multiplexores. Tambin se podr ver otro ejemplo en el tema buses en la parte de memoria.

Transferencia en Serie entre Registros

Se dice que un sistema digital opera en modo serie cuando la informacin se transfiere y se manipula un bit en cada pulso de reloj. El contenido de un registro se transfiere a otro desplazando los bits de un registro al siguiente. La informacin se transfiere bit a bit, uno cada vez desplazando los bits del registro fuente hacia el registro de destino. La transferencia en serie de la informacin del registro A al registro B se hace con registros de desplazamiento. La salida serial (SO) del registro A va a la entrada serial (SI) del registro B.

Para prevenir la prdida de informacin almacenada en el registro fuente, al registro A se le hace circular su informacin conectando la salida serial a su terminal de entrada serial, como consecuencia de esto el registro A tiene desplazamiento cclico a derecha. En cambio, el contenido inicial del registro B es desplazado hacia afuera a travs de su salida serial y se pierde a no ser que se desplace a un tercer registro de desplazamiento. La entrada de control de desplazamiento, en forma conjunta con los pulsos de reloj, determina cundo y cuntas veces se desplazan los registros. Los computadores pueden operar en modo serie, en paralelo o una combinacin de ambas.

La diferencia entre los modos de operacin en serie o en paralelo son: en el modo en paralelo, la informacin es disponible de todos los bits del registro y todos los bits pueden ser transferidos simultneamente durante un pulso de reloj; en el modo en serie, los registros tienen una entrada en serie sencilla y una salida en serie sencilla y por lo tanto, la informacin se transfiere bit a bit, un bit cada vez mientras que los registros se desplazan en la misma direccin. Las operaciones en serie son ms lentas debido al tiempo que se demora en transferir la informacin hacia adentro y hacia fuera de los registros de desplazamiento; sin embargo los computadores en serie requiere menos materiales para ejecutar operaciones porque un circuito comn puede usarse una y otra vez para manipular los bits que salen del registro de desplazamiento de una manera secuencial.

El intervalo de tiempo entre los pulsos de reloj se llama el tiempo del bit y el tiempo necesario para desplazar todo el contenido del registro de desplazamiento se llama tiempo de palabra. La mayora de los computadores operan en un modo en paralelo ya que este es un modo ms rpido de operacin.

Transferencia en Paralelo entre Registros

Puede transferirse la informacin de un registro B a otro A, bien por dos impulsos sucesivos, uno de puesta a cero, el otro de transferencia de los 1 (figura a), bien por introduccin forzada de los 0 y de los 1 (figura b y c).

Registro con Carga en Paralelo

La transferencia de nueva informacin a un registro se denomina como la carga del registro. Si todos los bits del registro se cargan simultneamente con un solo pulso de reloj, se dice que la carga se hace en paralelo. Esto quiere decir, que cuando el CP va a 1, la informacin se carga al registro. Si CP permanece en 0, el contenido del registro no cambia.

El terminal de carga sera una seal habilitadora, mientras que el terminal de borrado funciona como puesta a cero de los flip flops del registro antes de realizar cualquier operacin. Esto decir, cuando el terminal de borrado va a 0, todos los flip flops se borran asincrnicamente. As, el valor de la entrada se transfiere al registro, si el terminal de carga (Carga) y el terminal de borrado (Borrado) estn en 1, y el pulso de reloj pasa de 1 a 0.

La conexin de realimentacin en cada flip flop es necesaria cuando se usa el tipo de flip flop D ya que no tiene una condicin de entrada de no cambio. Para dejar la salida sin cambiar, es necesario hacer la entrada D igual a la salida Q en cada flip flop.

Registros de Desplazamiento Bidireccional con Carga en Paralelo

Un registro capaz de desplazar hacia la izquierda y hacia la derecha se llama registro de desplazamiento bidireccional. En cambio, un registro que puede desplazarse solamente en una direccin se llama registro de desplazamiento unidireccional.

Caractersticas que tiene el siguiente registro:

1. Un control de borrado para llevar el registro a 0.1. Una entrada o terminal CP para sincronizar con los pulsos de reloj todas las operaciones.2. Un control de desplazamiento a la derecha para habilitar dicha operacin, y las lneas de entrada y salida en serie asociadas con este tipo de desplazamiento.3. Un control de desplazamiento a la izquierda para habilitar dicha operacin, y las lneas de entrada y salida en serie asociadas con este tipo de desplazamiento.4. Un control de carga en paralelo para habilitar una transferencia en paralelo y las n lneas de entrada asociadas con la transferencia en paralelo.5. n lneas de salida en paralelo.6. Un estado de control que deja la informacin sin variar en el registro aunque los pulsos de reloj se apliquen continuamente.

Los 4 multiplexores que aparecen en la figura son parte del registro. Cuando las dos variables de seleccin s1 s2 = 00, selecciona la entrada 0, si s1 s2 = 01 selecciona la entrada 1, y as sucesivamente. Las entradas s1 y s2 controlan el modo de operacin del registro como se especifica en la tabla.

Control de modoOperacin de Registro

S1S2

00No cambio

01Desplazar derecha

10Desplazar izquierda

11Carga en paralelo

En lugar de flip flops D, se pueden utilizar RS siempre y cuando se coloque un inversor entre los terminales S y R.

Contador

Es un registro (circuito secuencial) que pasa por una secuencia predeterminada de estados despus de la aplicacin de pulsos de entrada. Esta secuencia es creciente y es almacenada en dicho registro cada vez que se excite. Las compuertas en un contador se conectan de tal manera que se produce una secuencia preestablecida de estados binarios en el registro.

Los pulsos de entrada, pueden ser pulsos de reloj, o ellos pueden originarse en una fuente externa y pueden ocurrir en intervalos establecidos de tiempo o aleatoriamente. En un contador, la secuencia de estados puede seguir una cuenta binaria, que es la ms simple y directa, o cualquier otra secuencia de estados. Un contador que sigue la secuencia binaria se llama contador binario.

Un contador de n bits consiste en n flip flops y puede contar de 0 hasta 2n 1. La nica entrada al circuito puede ser el pulso de cuenta, o bien, una entrada de habilitacin. Mientras que las salidas se especifican directamente con los estados presentes de los flip flops.

El siguiente estado del contador depende enteramente de su estado presente y la transicin de estado ocurre cada vez que ocurre un pulso de reloj. Debido a esta propiedad, un contador puede especificarse por medio de una lista de secuencia de cuenta, es decir, la secuencia de los estados binarios que se le suceden. Esto es muy importante ya que la secuencia de cuenta da toda la informacin necesaria para disear el circuito.

Otra cosa que se debe tener claro, es que la secuencia de cuenta del contador se repite una vez que se haya alcanzado el ltimo valor, de tal manera que el estado 000 es el estado siguiente despus de 111. Los contadores binarios se construyen ms eficientemente con flip flops T (o JK con J y K unidas).

Para un contador BDC cuenta la secuencia binaria desde 0000 hasta 1001 y regresa a 0000 para repetir la secuencia. Otros contadores pueden seguir una secuencia arbitraria, la cual puede no ser la binaria.

Los contadores se usan para contar el nmero de ocurrencias de un evento y se usan para generar secuencias de tiempo para controlar las operaciones en un sistema digital.

Secuencia de cuentaEntradas del flip - flop

A2A1A0TA2TA1TA0

000001

001011

010001

011111

100001

101011

110001

111111

Contadores de Impulsos

Son registros cuyo contenido se incrementa en 1 cada vez que se presenta un impulso a la entrada de cuenta. Son capaces de contar el nmero de impulsos recibidos. Trabaja de la siguiente manera: el impulso ataca al biestable de menor peso posicional.Si esta a cero, debe pasar a 1; si est a 1, debe pasar a 0, pero debe propagar el impulso al biestable inmediato con objeto de tomar en cuenta el arrastre. Por consiguiente, el biestable debe ser complementado en todos los casos y debe propagarse el impulso solamente en aquellos casos en que el biestable estaba a 1 antes de la complementacin (condicin para que haya arrastre).

Contador Binario Creciente Decreciente

Un contador binario con una cuenta invertida se llama contador binario decreciente. En este contador la cuenta binaria se disminuye en 1 con cada pulso de cuenta de entrada. La cuenta de un contador decreciente de 4 bits comienza con el binario 15 y contina con las cuentas binarias 14, 13, 12,, 0 para pasar de nuevo a 15. El circuito de la figura 7-18 funcionar como un descontador binario si las salidas se toman de los terminales complementados Q de todos los flip flops. Es decir, si al circuito 7-18 le sacamos todas las compuertas OR, las compuertas AND (conectadas a la salida normal Q) y la entrada creciente; para el primer flip flop de menor orden conectamos la entrada decreciente directamente al flip flop en la entrada T y para los dems conectamos la salida de una compuerta AND a la entrada T de su correspondiente flip flop.

Una lista de una secuencia de cuenta de un contador binario decreciente muestra que el bit de menor orden debe ser complementado con cada pulso de cuenta. Cualquier otro bit en la secuencia es complementado, si el bit previo de menor orden va de 0 a 1. Por lo tanto, podemos decir que cuando Q va de 0 a 1, Q ir de 1 a 0 y se complementar el siguiente flip flop como se requiere.

En un contador binario sincrnico creciente decreciente el flip flop en la posicin de menor orden se complementa con cada pulso. Un flip flop en cualquier otra posicin se complementa con un pulso siempre y cuando todos los bits de menor orden sean iguales a cero. Un contador capaz de contar hacia arriba o hacia abajo se muestra en la figura. Los flip flops T empleados en este circuito pueden considerarse como flip flops JK con los terminales J y K unidos entre s.

Cuando la entrada de control creciente es 1, el circuito cuenta hacia arriba, ya que las seales de T se determinan a partir de los valores previos de las salidas normales de Q.Cuando la entrada del control decreciente es 1, el circuito contar hacia abajo, ya que las salidas complementadas Q determinan los estados de las entradas T. Cuando ambas seales creciente y decreciente son 0, el registro no cambia de estado pero permanece en la misma cuenta.

El Contador Decimal

Un contador decimal sigue una secuencia de diez estados, es decir, que cuenta desde 0000 a 1001 y regresa a 0000 despus de la cuenta de 1001 (9(10). Debido al regreso a 0 despus de la cuenta de 9, un contador BDC no tiene un patrn regular como el contador binario directo. Tal contador debe tener por lo menos 4 flip flops para representar cada dgito decimal, ya que en este caso utilizamos el cdigo BDC para representar los dgitos decimales.

El contador BDC de la de la figura es un contador en dcada, ya que cuenta de 0 hasta 9. El siguiente impulso deber devolver el contenido de la dcada a cero y generar un impulso de arrastre hacia la prxima dcada de mayor orden. Hay que tener en cuenta que los trminos del 10 al 15 se toman como trminos de no importa, estos trminos los podramos utilizar en el mapa para obtener un circuito ms simplificado. Para contar en decimal desde 0 hasta 99 se necesitan 2 contadores en dcada. Para contar desde 0 a 999 se necesitan 3 contadores en dcada. Los contadores multidcada pueden construirse conectando los contadores BDC en cascada, uno para cada dcada.

Contador Binario con Carga en Paralelo

Los contadores usados en los sistemas digitales a menudo requieren una condicin de carga en paralelo para transferir un nmero binario inicial antes de la operacin de conteo. La figura muestra el diagrama lgico de un registro que tiene una caracterstica de carga en paralelo y puede operar tambin como un contador. La entrada de control de carga, cuando es igual a 1, inhabilita la secuencia de cuenta y causa la transferencia de datos I1 hasta I4 a los flip flops A1 hasta A4 respectivamente.Si la entrada de carga es 0 y la entrada del control de cuenta es 1, el circuito opera como un contador. Los pulsos de reloj causan entonces cambios del estado de los flip flops de acuerdo a la secuencia de cuenta binaria. Si ambas entradas de control son 0, los pulsos de reloj no cambian el estado del registro.

El terminal de salida del arrastre se convierte en 1 si todos los flip flops son iguales a 1 mientras se habilita la entrada de cuenta. Esta es una condicin para complementar los flip flops que almacenan el bit siguiente de mayor orden. Esta salida es til para expandir el contador a ms de 4 bits.

Cuando la entrada de borrado es 0, causar que el contador sea puesto a cero, independientemente de la presencia de los pulsos de reloj de otras entradas. Esto se indica en la tabla por medio de las entradas X, las cuales simbolizan las condiciones de no importa para las otras entradas, bien sea que su valor sea 0 1. La entrada de borrado debe ir al estado de 1 para las operaciones temporizadas listadas en las siguientes entradas en la tabla. Con las entradas de carga y cuanta iguales a 0, las salidas no cambian bien sea aplique un pulso en el terminal CP o no. Un contador con carga en paralelo puede ser usado para generar cualquier nmero deseable de secuencias de cuenta.

Un contador de N mdulos (abreviado en ingls mod N) es un contador que pasa por una secuencia repetida de N cuentas. Por ejemplo, un contador binario de 4 bits es un contador de 16 mdulos (mod 16 counter). Un contador BDC es un contador de 10 mdulos.Contador de Programa

El contador de programa almacena la direccin de la siguiente instruccin para ser leda de la memoria. Este registro pasa por una secuencia de conteo paso a paso y causa que el computador lea instrucciones sucesivas almacenadas previamente en la memoria.

Cuando el programa llama una transferencia a otro lugar con el fin de evitar la siguiente instruccin en secuencia, se modifica el contador de programa al mismo tiempo, causando que el programa contine a partir de un lugar de memoria que est fuera de la secuencia de conteo. Para leer una instruccin, el contenido del contador de programa se transfiere al MAR y se inicia la operacin de lectura. El contador del programa incremente siempre en 1 mientras que la operacin de escritura de memoria lee la instruccin presente. Por tanto, la direccin de la siguiente instruccin, mayor una unidad que la que est siendo ejecutada en el procesador, est siempre disponible en el contador de programa.

Registro de Direccin de Memoria y Registro Separador de Memoria

El registro de direccin de memoria, MAR (o registro de seleccin), se usa para direccionar lugares de memoria especficos. Como cada palabra de memoria tiene una identificacin, para comunicarse con una palabra de memoria especfica, su nmero de localizacin o direccin se transfiere al registro de direcciones. El MAR se carga del contenido del contador del programa cuando una instruccin se va a leer de la memoria (inicindose un ciclo de lectura de memoria) y de los 12 bits menos significativos del registro B, cuando un operando se va a leer de la memoria.

Los circuitos internos de la unidad de memoria aceptan esta direccin del registro de y abren los caminos necesarios para seleccionar la palabra buscada. Un registro de direccin con n bits puede especificar hasta 2n palabras de memoria.

La informacin transferida hacia adentro y afuera de los registros en la memoria y al ambiente externo, se comunica a travs de un registro comn llamado registro separador de memoria (registro de palabra, registro de informacin y registro de almacenamiento).El registro separador de memoria B almacena la palabra leda o escrita en la memoria.

Cuando la unidad de memoria recibe una seal de control de escritura, el control interno interpreta el contenido del registro separador como la configuracin de bits de la palabra que se va a almacenar en un registro de memoria. Con una seal de control de lectura, el control interno enva la palabra del registro de memoria al registro separador. En cada caso el contenido del registro de direcciones especifica el registro de memoria particular referenciado para escritura o lectura.

Por ejemplo, considrese una memoria de 1.024 palabras de 8 bits por palabra. Para especificar 1.024 palabras, se necesita una direccin de 10 bits, ya que a 210 = 1.024. Por lo tanto, el registro de direcciones debe contener 10 flip flops. El registro separador de memoria debe tener 8 flip flops para almacenar los contenidos de las palabras transferidas hacia adentro y afuera de la memoria. La unidad de memoria tiene 1.024 registros con nmeros asignados desde 0 hasta 1.023.

La secuencia de operaciones necesarias para comunicarse con la memoria para propsitos de transferir una palabra hacia fuera dirigida al MBR es:

1. Transferir los bits de direccin de la palabra seleccionada al MAR.1. Activar la entrada de control de lectura.

Como resultado, la informacin binaria almacenada hasta el presente en el registro de memoria se transfiere al MBR.

0110111001101110Unidad de MemoriaMAR = 42MBROperacin de lectura

La secuencia de operaciones necesarias para almacenar una nueva palabra a la memoria es:

1. Transferir los bits de direccin de la palabra seleccionada al MAR.1. Transferir los bits de datos de la palabra al MBR.2. Activar la entrada de control de escritura.

El resultado de la operacin de escritura, muestra que los bits de datos del MBR se almacenan en el registro de memoria.

1001001010010010Unidad de MemoriaMAR = 42MBROperacin de escritura

Otras Consideraciones:

La parte de operacin de una palabra de instruccin colocada en B, se transfiere al registro I (Instruccin) y la parte de la direccin se deja en el registro B para ser transferida al MAR. Una palabra de operando colocada en el registro B se hace accesible para operacin con el registro A. La palabra que va a ser almacenada en la memoria debe ser cargada al registro B antes de iniciar una operacin de escritura.

Registro Acumulador

Algunas unidades procesadoras separan un registro de otros y se le llama registro acumulador, abreviado AC o registro A. El nombre de este registro se deriva del proceso de adicin aritmtica que se encuentra en los computadores digitales.

El registro acumulador en una unidad de proceso es un registro procesador o multipropsito que opera con datos previamente almacenados en la memoria. Este registro se usa para ejecutar la mayora de instrucciones, es decir, es capaz de realizar no solamente la microoperacin de suma sino tambin otras microoperaciones de la misma forma. De hecho, las compuertas asociadas con un registro acumulador suministran todas las funciones digitales encontradas en un ALU. La figura muestra el diagrama de bloque de una unidad procesadora que emplea un registro acumulador.

Tambin se utiliza para aceptar datos del dispositivo de entrada o transferir datos al dispositivo de salida. En algunos casos toda la unidad procesadora es justamente el registro acumulador y la ALU asociado, y algunas veces se suele incluir al registro B. Aunque la mayora de los sistemas procesadores de datos incluyen ms registros para la unidad procesadora, se ha escogido incluir solamente un acumulador, para no complicar el diseo.Es posible configurar solamente la operacin de suma con un simple acumulador con elemento aritmtico. Otras operaciones aritmticas tales como sustraccin, multiplicacin y divisin pueden ser configuradas con una secuencia de instrucciones que forman una subrutina.

Registro ProcesadoresoUnidad de memoriaALURegistro Acumulador (A)Seleccin fuente BEntrada de datosBASalida de datosFigura 9-4 Procesador con un registro acumulador

El registro en s puede funcionar como un registro de desplazamiento bidireccional con carga en paralelo para suministrar las microoperaciones de desplazamiento. La entrada B suministra una fuente de informacin externa. Esta informacin puede provenir de otros registros procesadores o directamente de la memoria principal del computador.

El proceso de sumar muchos nmeros se lleva a cabo almacenando inicialmente esos nmeros en otros registros procesadores o en la unidad de la memoria del computador y borrando el acumulador a 0. Los nmeros se agregan al acumulador 1 a 1 en orden consecutivo. El primer nmero se agrega a 0 y la suma se transfiere al acumulador. El segundo nmero se agrega a los contenidos del acumulador y la suma formada de nuevo remplaza su valor previo. Este proceso contina hasta que todos los nmeros se agregan y se forma la suma total. As el registro acumula la suma paso a paso haciendo sumas secuenciales entre un nmero nuevo y la suma acumulada previamente.

El registro A suministra la otra fuente de informacin a la ALU por el terminal A. El resultado de una operacin se transfiere de nuevo al registro A y se remplaza su contenido previo. La salida del registro A puede ir a un destino externo o a los terminales de entrada de otros registros procesadores o unidad de memoria.

Para formar la suma de dos nmeros almacenados en los registros procesadores, es necesario agregarlos en el registro A usando la siguiente secuencia de microinstrucciones:

T1: A 0 borrar AT2: A A + R1 Transferir R1 a AT3: A A + R2 Agregar R2 a A

El registro A se borra primero. El primer nmero en R1 se transfiere al registro A agregando al actual contenido de ceros de A. El segundo nmero en R2 se agrega al valor presente de A. La suma formada en A debe usarse para otros clculos o puede ser transferida a su destino requerido.

Diseo del Acumulador

El registro A y el circuito combinacional asociado constituyen un circuito secuencial. El circuito combinacional remplaza a la ALU pero no puede separarse del registro ya que ste es solamente la parte del circuito combinacional del circuito secuencial.Las entradas externas al acumulador son las entradas de datos de B y las variables de control que determinan las microoperaciones del registro. El acumulador es similar a los registros que desplazan, cargan en paralelo y cuentan, pero es ms general ya que ste puede realizar no solamente las funciones anteriores sino tambin otras operaciones de procesamiento de datos. Las microoperaciones incluidas en un acumulador dependen de las operaciones que deben incluirse en el procesador particular.Se presentar el diseo de un acumulador con 9 microoperaciones, cabe aclarar que se puede extender este registro para que realice otras microoperaciones. El conjunto de microoperaciones para el acumulador se listan en la tabla. Las variables de control p1 hasta p9 son generadas por los circuitos lgicos de control y deben ser consideradas como funciones de control que inician las operaciones correspondientes de transferencia entre registros.

El registro A es un registro fuente de todas las microoperaciones listadas.El registro B se usa como un segundo registro fuente para microoperaciones que necesitan dos operandos. El registro B se asume que est conectado al acumulador y suministra las entradas al circuito secuencial.

El registro destino para todas las microoperaciones es siempre el registro A. La nueva informacin transferida a A constituye el siguiente estado del circuito secuencial. Las nueve variables de control se consideran tambin como entradas al circuito secuencial. Estas variables son excluyentes mutuamente y solamente una variable debe ser habilitada cuando ocurre un pulso de reloj. La ltima entrada que figura en la tabla es una declaracin de control condicional. Esta produce un 1 binario en una variable de salida Z, cuando el contenido del registro A es 0, es decir, cuando los flip flops del registro estn borrados.

El acumulador consiste en n etapas y n flip flops A1, A2,..., An numeradas consecutivamente comenzando desde la posicin de la extrema izquierda.Es conveniente la particin del acumulador en n etapas similares compuesta cada una de un flip flop denotado como Ai, una entrada de datos denotada por Bi y la lgica combinacional asociada con el flip flop. En el procedimiento de diseo se considera solamente una etapa tpica i teniendo en cuenta que un acumulador de n bits consiste de n etapas para i = 1, 2,, n. Cada etapa Ai se interconecta a su etapa Ai-1 vecina a su derecha y a la Ai+1 a su izquierda. La primera etapa A1 y la ltima no tienen vecinas de un lado. Como las microoperaciones son excluyentes y ocurre solamente una en un tiempo dado se puede tratar separadamente el circuito combinacional una para cada microoperacin (despus las unimos).

Explicacin de las operaciones:

Agregar B a A (p1): La microoperacin de suma se inicia cuando la variable de control p1 es 1. Se puede utilizar un sumador completo en cada etapa i que aceptar como entradas el estado presente Ai, la entrada de datos Bi y el bit de arrastre previo Ci. El bit de suma generado con el sumador completo debe ser transferido al flip flop Ai y el arrastre de salida Ci+1 debe aplicarse al arrastre de entrada en la siguiente etapa.

Borrar (p2): Para borrar todos los flip flops del registro A simplemente se aplica la variable de control p2 a la entrada K del flip flop, mientras la entrada J se asumir como cero.

Complementar (p3): Para complementar aplico la variable de control p3 sobre las entradas J y K.

AND (p4): Cuando la variable p4 es 1 se realiza la operacin AND entre Ai y Bi.

OR (p5): La variable de control p5 inicia la operacin OR entre Ai y Bi.

OR Exclusivo (p6): Realiza la operacin OR Exclusivo entre Ai y Bi.

Desplazamiento a la derecha (p7): Esta operacin desplaza el contenido del registro A una posicin a la derecha.

Desplazamiento a la izquierda (p8): La inversa del anterior.

Incremento (p9): Esta operacin incrementa el contenido del registro A en uno, es decir, que se comporta como un contador.

Comprobacin del cero (Z): La variable Z es una salida del acumulador usado para indicar un contenido de cero en el registro A. Esta salida es igual 1 cuando todos los flip flops se hayan borrado. Para ello se toman la salida complementada Q que es igual a 1, si el flip flop es 0.

Todos los resultados de las microoperaciones deben transferirse nuevamente al registro A. Una etapa tpica del acumulador consiste de todos los circuitos que fueron deducidos para las microoperaciones individuales. Las variables de control son excluyentes mutuamente de manera que los circuitos lgicos correspondientes pueden ser con una operacin OR.

Cada etapa del acumulador tiene ocho entradas de control p1 hasta p8 que indican una de las 8 microoperaciones posibles. La variable de control p9 se aplica solamente a la primera etapa para habilitar la operacin de incremento a travs de la entrada Ei, hay otras seis entradas en el circuito. Bi es el bit de datos de los terminales B que suministran las entradas al acumulador. Ci es el arrastre de entrada de la etapa previa a la derecha. Ai-1 viene de la salida del flip flop que est una posicin a la derecha y Ai+1 de la izquierda. Ei es el arrastre de entrada para la operacin de incremento y zi se usa para formar la cadena para la deteccin de cero (con compuertas AND).

El circuito tiene 4 salidas: Ai es la salida del flip flop, Ci+1 es el arrastre para la siguiente etapa, Ei+1 es el arrastre de incremento para la siguiente etapa y zi+1 es para la siguiente etapa a la izquierda, para formar la famosa cadena de cero te romp el agujero.

Un acumulador completo con n bits requiere n estados conectados en cascada con cada etapa conteniendo el circuito mostrado en la figura anterior. Todas las variables de control excepto p9 deben ser aplicadas a cada etapa. Las otras entradas y salidas en cada etapa deben estar conectadas en cascada para formar un acumulador completo. Cada bloque en el diagrama representa el circuito de la figura anterior. La operacin de incremento se habilita con la variable de control p9 en la primera etapa. Los otros bloques reciben el incremento de arrastre de la etapa previa.

Operaciones de Desplazamiento

El operador de desplazamiento puede estar constituido nicamente por puertas lgicas, en cuyo caso posee un carcter puramente combinacional. La figura 5 representa un operador de esta clase, colocado entre dos buses, para realizar desplazamientos circulares.

Tambin puede montarse el acumulador como un registro de desplazamiento. En los operadores de las mquinas pequeas no puede ejecutarse generalmente ms que un desplazamiento elemental (una posicin a derecha o a izquierda) por impulso. A fin de no tener que utilizar una instruccin para cada desplazamiento elemental, se emplea un descontador de desplazamiento, cargado al principio de la operacin con el nmero de desplazamientos por efectuar, nmero que aparece como operando inmediato en la instruccin. Este contador se ve restado en una unidad a cada impulso de orden de desplazamiento; la operacin se detiene cuando el descontador de desplazamiento llega a cero (figura 6). Es un primer ejemplo de operador secuencial y de su dispositivo de control. En las mquinas ms importantes, el acumulador est cableado de tal manera que puedan ejecutarse desplazamientos de 1, 2, 3,, k posiciones, a derecha o izquierda, a la recepcin de cada impulso de reloj.

CIRCUITOS INTEGRADOS

Un circuito integrado (CI) es un cristal semiconductor de silicn, llamado pastilla, que contiene componentes elctricos tales como transistores, diodos, resistencias y condensadores. Los diversos componentes estn interconectados dentro de la pastilla para formar un circuito electrnico. Los circuitos integrados vienen en dos clases de pastillas, la pastilla plana y la pastilla de hilara doble de patillas. La ltima es la ms usada debido a su bajo costo y fcil instalacin en los circuitos impresos.

Caractersticas

1. Tienen una proteccin que se hace de plstico o cermica. Para identificarlo tienen una designacin numrica impresa sobre su superficie. Son de bajo costo. Tienen bajo consumo de energa. Tienen gran confiabilidad de no fallar. La velocidad de operacin es alta. Son de tamao bastante pequeo y por lo tanto reduce el nmero de conexiones externas.

Los CI se clasifican en dos categoras generales: lineales y digitales. Los CI lineales operan con seales continuas para producir funciones electrnicas tales como amplificadores y comparadores de voltaje. Los CI digitales, operan con seales binarias y se hacen de compuertas digitales interconectadas.

Unas pocas compuertas en una sola pastilla constituyen un elemento de integracin pequea (SSI). Para poder calificar como un elemento de integracin mediana (MSI) el circuito integrado debe cumplir una funcin lgica completa y tener una complejidad de 10 a 100 compuertas.

Un elemento de integracin a gran escala (LSI) realiza una funcin lgica con ms de 100 compuertas. Existe tambin una integracin de muy grande escala (VLSI) para aquellos elementos que contienen miles de compuertas en una sola pastilla. Estos son algunos de los CI ms populares:

Nombre del circuitoSiglaVelocidad retardo por compuertaPotencia por compuertaVentajasProblema

Lgica resistencia transistorRTL4020 mWSimple y barato para fabricar. Fcil de interconectarSensible al ruido. Capacidad de salida (Fan-out) baja. Baja densidad de componentes

Lgica diodo transistorDTL208 mWBarata con buen rechazo al ruido, fcil de usar e interconectarRelativamente de baja velocidad. Baja densidad de componentes.

Lgica diodo transistor de alto nivelHLDTL3015 mWTipo especial de DTL hecho para aplicaciones industriales a causa de su alto rechazo al ruido. Fcil de interconectar.Baja velocidad, disipacin de potencia relativamente alta. Baja densidad de componentes.

Lgica transistor transistorTTL4 (1.5 ns para el tipo Schottky)10 mW (20 mW para el tipo Schottky)En el momento el tipo ms popular. Fcil de interconectar, rpida, gran variedad de circuitos disponibles. Empaques MSI disponibles, barata.Genera impulsos de ruido, disipacin de potencia relativamente alta, densidad de componentes modesta.

Lgica transistor transistor de baja densidadLPTTL201 mWTTL de baja potencia por compuerta, desarrollada para el espacio y otras aplicaciones, fcil de usar e interconectar.Baja velocidad.

Lgica acoplada por emisorECL0.360 mWAltsima velocidad, generando un poco de ruido internamenteDifcil de interconectar. Baja densidad de componentes. Difcil de enfriar. Ms costosa que la TTL.

Canal-p, metal xido semiconductorPMOS500.1 mWBaja potencia, buena densidad de componentes, fcil de construir, barata.Lenta y delicada, tiene una limitada capacidad de manejo y de interconexin con otros tipos de circuitos.

Nombre del circuitoSiglaVelocidad retardo por compuertaPotencia por compuertaVentajasProblema

Canal-n, metal xido semiconductorNMOS100.1 mWMs rpida que la PMOS, baja disipacin relativa, buena densidad de componentes, barata y relativamente fcil de fabricar.Capacidad limitada de manejo y de interconexin con otros tipos de circuitos.

Lgica metal xido semiconductor complementariaCMOS510 nWRequiere baja potencia de reposo. Modesta velocidad y densidad de componentes, precio razonable. Considerable resistencia al ruido.Difcil de fabricar. El consumo de potencia aumenta al conmutarse a alta velocidad.

Lgica de inyeccin integradaIIL10.1 mWRpida, de baja potencia. Esta concebida bsicamente para realizar circuitos de integracin de gran escala (como la MOS). Estos circuitos solemos encontrar en microprocesadores y memorias de alta velocidad.Dificultad de fabricacin, formacin de compuertas de lgica no convencional. No permite interconexin entre circuitos

w = vatsn = nanos (=10-9)m = mili (=10-3)s = segundos

Los seis primeros tipos de la tabla, se llaman lgica bipolar, a causa de la utilizacin de transistores convencionales en los CI; los tres tipos finales usan los llamados transistores de efecto de campo (FET), fabricados usando tecnologa metal xido semiconductor (MOS). El tipo de lgica bipolar se usa ampliamente para construir tarjetas en las que se realizan operaciones lgicas de alta velocidad. Generalmente, no se tienen muchas compuertas o flip flops en un CI usando lgica bipolar, pero este tipo es ms rpido y puede interconectarse con mayor facilidad que los del tipo MOS. Esto se debe a que su lgica bipolar consume ms potencia (bsicamente ms corriente) por cada flip flop o compuerta y puede, como resultado, producir una mayor corriente de salida y por lo tanto, manejar cables ms largo, alambres mayores, y en general una mayor cantidad de circuitos.

Los circuitos MSI y los integrados convencionales usan transistores npn y algunas veces pnp convencionales fabricados sobre pastillas de silicio. Los circuitos MOS necesitan reas muy pequeas en la pastilla, y consumen muy poca potencia, lo que es muy importante considerando el factor volumen complejidad. Por otra parte, los circuitos bipolares convencionales son ms rpidos y ms fciles de interconectar.Como resultado la tecnologa MOS se usa con mayor frecuencia para grandes conjuntos que pueden se tratados como una unidad sencilla en vez de unidades de varios circuitos.

La TTL tiene una lista extensa de funciones digitales y es la ms popular. La ECL se usa en sistemas que requieren operaciones de alta velocidad. Los MOS e I2L se usan en circuitos que requieren alta densidad de componentes y la CMOS se usa para sistemas que requieren bajo consumo de energa.

Los circuitos DTL se caracterizan por contener diodos y transistores en sus circuitos; estos tienen significado histrico, ya que se usan muy raramente en nuevos diseos. Los circuitos que suplantaron al anterior son los circuitos TTL o T2L que reemplaz los diodos de la DTL por transistores. Los transistores MOS constituidos fsicamente por una estructura Metal xido de Silicio Semiconductor, son los nicos componentes de los circuitos de las familias NMOS, PMOS y CMOS. Los mismos se usan ya sea como llaves conmutadoras o bien como resistores fijos. Las siglas ECL identifican a los circuitos muy veloces usadas en grandes computadoras.

Los transistores MOS ocupan menos superficie que los transistores bipolares, son ms sencillos de fabricar que stos, y reemplazan a las resistencias, ahorrando superficie de silicio en los circuitos. Por presentar menor disipacin y rea de silicio por compuerta, los circuitos MOS son pues las que permiten mayores escalas de integracin, si bien su tiempo de respuesta es comparativamente ms lento.

Mientras los circuitos TTL para funcionar necesitan una fuente de 5 volts 5% muy estabilizada, un circuito CMOS puede hacerlo con bateras comunes dentro del rango de 3 a 18 volts. Los circuitos CMOS fue desarrollada originalmente para las industrias aeroespacial y oceanogrficas, y se suelen usar ampliamente para diversos propsitos, desde relojes y calculadoras hasta microprocesadores.

La ECL ofrece los menores tiempos de respuesta a costa de una fuerte de disipacin de potencia y de escalas de integracin reducidas. Se usa para grandes y veloces computadoras. Los circuitos MOS se usan para microcomputadoras y memorias dinmicas de gran capacidad. Los CMOS son apreciados por su alta inmunidad al ruido en aplicaciones industriales sin exigencias de velocidad ni de fuentes de alimentacin elaboradas, y en aplicaciones donde se requiere bajo consumo de energa cuando el circuito no esta activo. Los circuitos TTL comparten algunas propiedades de los circuitos anteriores. Si bien no son tan rpidos como los circuitos ECL, pero en algunas series de TTL son usadas en microcomputadoras en aplicaciones que necesitan buena velocidad de respuesta y nivel de integracin. Tambin puede utilizarse en aplicaciones industriales si el nivel de ruido no es muy elevado. Existen algunas series CMOS que pueden reemplazar con igual disposicin de patas a las pastillas TTL, con la ventaja de menor disipacin esttica y mayor inmunidad al ruido.

Debido a la alta densidad con la que puedan ser fabricados los transistores con MOS e I2L, estas se usan principalmente para funciones LSI. Las TTL, ECL y CMOS se usan en las compuertas LSI y en un gran nmero de compuertas MSI y SSI. Las compuertas SSI son aquellas que contienen un nmero pequeo de compuertas o flip flops en una pastilla de CI.Pgina 1