Circuitos Combinacionales CAPITULO IV circuitos logicos

of 26 /26
CAPITULO IV CIRCUITO COMBINACIONALES 4.1 TÉCNICAS BÁSICAS DE ANÁLISIS Y DISEÑO A medida que las computadoras son empleadas cada vez más por personas que no son especialistas en computación el rostro del desarrollo de sistemas de información adquiere una nueva magnitud. Los usuarios emprenden ya el desarrollo de algunos sistemas que ellos emplean. Estas situaciones están representadas por tres distintos enfoques al desarrollo de sistemas de información basados en computadora: El diseño de un sistema de información produce los detalles que establecen la forma en la que el sistema cumplirá con los requerimientos identificados durante la fase de análisis. Los especialistas en sistemas se refieren, con frecuecia, a esta etapa como diseño lógico en contraste con la de desarrollo del software, a la que denominan diseño físico. Los analistas de sistemas comienzan el proceso de diseño identificando los reportes y demás salidas que debe producir el sistema. Luego determinar los datos específicos para cada reporte y salida. Es común que los diseñadores hagan unbosquejo del formato o pantalla que esperan que aparezca cuando el sistema esté terminado. Lo anterior se efectúa en papel o en la pantalla de una terminal

Embed Size (px)

Transcript of Circuitos Combinacionales CAPITULO IV circuitos logicos

CAPITULO IV CIRCUITO COMBINACIONALES 4.1 TCNICAS BSICAS DE ANLISIS Y DISEO A medida que las computadoras son empleadas cada vez ms por personas que no son especialistas en computacin el rostro del desarrollo de sistemas de informacin adquiere una nueva magnitud. Los usuarios emprenden ya el desarrollo de algunos sistemas que ellos emplean. Estas situaciones estn representadas por tres distintos enfoques al desarrollo de sistemas de informacin basados en computadora:

El diseo de un sistema de informacin produce los detalles que establecen la forma en la que el sistema cumplir con los requerimientos identificados durante la fase de anlisis. Los especialistas en sistemas se refieren, con frecuecia, a esta etapa como diseo lgico en contraste con la de desarrollo del software, a la que denominan diseo fsico. Los analistas de sistemas comienzan el proceso de diseo identificando los reportes y dems salidas que debe producir el sistema. Luego determinar los datos especficos para cada reporte y salida. Es comn que los diseadores hagan unbosquejo del formato o pantalla que esperan que aparezca cuando el sistema est terminado. Lo anterior se efecta en papel o en la pantalla de una terminal utilizando para ello algunas de las herramientas disponibles para el desarrollo de sistemas. El diseo de un sistema tambin indica los datos de entrada, aquellos que sern calculados y los que deben ser almacenados. Asimismo, se escriben con todo detalle los procedimientos de clculo y los datos individuales. Los diseadores seleccionan las estructuras de archivo y los dispositivos de almacenamiento, tales como discos y cintas magnticas o incluso archivos en papel. Los procedimientos que se escriben indican cmo procesar los datos y producir las salidas. Los documentos que contienen las especificaciones de diseo representan a ste de muchas maneras. La informacin detallada del diseo se proporciona al equipo de programacin para comenzar la fase de desarrollo de software.

Los diseadores son los responsables de contestar preguntas, aclarar dudas y manejar los problemas que enfrentan los programadores cuando utilizan las especificaciones de diseo. Desarrollo de Software:losprogramadores o Analistas programadores que trabajan en las grandes organizaciones pertenecen a un grupo permanente de profesionales y son los responsables de la programacin y documentacin de los programas en donde proporcionan una explicacin de cmo y porqu ciertos procedimientos se codifican en determinada forma. La documentacin es esencial para probar el programa y llevar a cabo el mantenimiento una vez que la aplicacin se encuentra instalada. Prueba de sistemas:Durante la fase de prueba de sistemas, el sistema se emplea de manera experimental para asegurarse de que el software no tenga fallas, es decir que funciona de acuerdo con las especificaciones y en la forma en que los usuarios esperan que lo haga. Es preferible descubrir cualquier sorpresa antes de que la organizacin implante el sistema y dependa de l.En muchas organizaciones, las pruebas son conducidas por personas ajenas al grupo que escribi los programas originales; con esto se persigue asegurar, por una parte, que las pruebas sean completas e imparciales y, por otras, que el software sea ms confiable. Implantacin y evaluacin:La implantacin es el proceso de verificar e instalar nuevo equipo, entrenar a los usuarios, instalar la aplicacin y construir todos los archivos de datos necesarios para utilizarla. dependiendo del tamao de la organizacin que emplear la aplicacin y el riesgo asociado con su uso, puede elegirse comenzar la operacin del sistema slo en un rea de la empresa (prueba piloto). Algunas veces se deja que los dos sistemas (El viejo y el nuevo) trabajen en forma paralela con la finalidad de comparar los resultados. En otras circunstancias, el viejo sistema deja de utilizarse determinado da para comenzar a emplear el nuevo al dia siguiente. Cada estrategia de implantacin tienen sus mritos de acuerdo con la situacin que se considere dentro de la empresa. Sin importar cul sea la estrategia utilizada, los encargados de desarrollar el sistema procuran que el uso inicial del sistema se encuentre libre de problemas. Una vez instaladas, las aplicaciones se emplean durante muchos aos. Sin embargo las organizaciones y los usuarios cambian con el paso del tiempo, incluso el ambiente es diferente con el paso de las semanas y los meses. Por consiguiente, es indudable que debe darse mantenimiento a las aplicaciones; realizar cambios y modificaciones en el software, archivos o procedimientos. Para satisfacer las nuevas decesidades de los usuarios. Los sistemas de informacin deben mantenerse siempre al dia. En este sentido, la implantacin es un proceso en constante evolucin. La evolucin de un sistema ocurre a lo largo de cualquiera de las siguientes dimensiones: Evaluacin operacional Valoracin de la forma en que funciona el sistema, incluyendo su facilidad de uso, tiempo de respuesta, lo adecuado de los formatos de informacin, confiabilidad global y nivel de utilizacin. Impacto Organizacional:Identificacion y medicin de los beneficios para la organizacin en reas tales como finanzas (costos, ingresos y ganancias), eficiencia

operacional e impacto competitivo. Tambin se incluye el impacto sobre el flujo de informacin interno y externo. Opinin de los administradores Evaluacin de las actitudes de directivos y administradores dentro de la organizacin as como de los usuarios finales. Desempeo del desarrollo La evaluacion del proceso de desarrollo de acuerdo con criterios tales como iempo y esfuerzo de desarrollo, concuerdan con presupuestos y estndares, y otros criterios de administracin de proyectos. Tambin se incluye la valoracin de los mtodos y herramientas utilizados en el desarrollo. Desafortunadamente la evaluacin de sistemas no siempre recibe la atencin que merece. Sin embargo, cuando se conduce en forma adecuada proporciona mucha informacin que puede ayudar a mejorar la efectividad de los esfuerzos de desarrollo de aplicaciones subsecuentes 4.2 ARITMTICA DIGITAL

Representacin de nmeros con signo en forma de signo-magnitud

Representacin de nmeros con signo en el sistema de complemento a2

4.3 CODIFICADORES Y DECODIFICADORES CODIFICADORES Son circuitos combinacionales con m variables de entrada y n variables de salidas, que hace corresponder el cdigo de salida conformado por los n bits de salida a cada una de las entradas numeradas de la 0 (cero) a la m, los codificadores nos proporcionan un nuevo orden o un nuevo cdigo, como resultado de la combinacin de las variables de entrada. En el caso del codificador a binario natural se cumple que 2^N = m, donde m es el numero de entradas y N es el numero de salidas. Los codificadores pueden, tambin, proporcionar otras operaciones de conversin, tal como ocurre en las calculadoras de bolsillo con el teclado: El Keyboard (teclas, llaves) , convierte la posicin de cada tecla (No. 9, No. 3, No. 5, +, %, etc.) En su correspondiente Word asignado previamente. Un ejemplo de lo anterior es el teclado codificador en ASCII (American Standard Code for Information Interchange), que genera el Word palabra de 7 bits, por cuando es activa la tecla del porcentaje (%), el circuito genera el cdigo 0100101. Un codificador decimal-binario consiste en una red lgica combinacional con diez entradas (desde 0 hasta 9) y cuatro salidas binarias. La salida binaria puede representar los nmeros que van del 0 hasta el 9 en este caso se habla de cdigo BCD (Decimal Codificado en Binario). Puede observarse en la tabla 1, la tabla de la verdad de un codificador Decimal-BCD y en la figura 1.1 su smbolo lgico.

Si no es seguro que las entradas se activen una a la vez hace falta utilizar codificadores de prioridad, que normalmente consideran activa slo la entrada de peso mayor.

En la figura 1.2 se haya ilustrado el esquema elctrico de un codificador sin prioridad que funciona con lgica positiva (o sea con nivel alto) y que es capaz de realizar la funcin requerida.

Este codificador no presenta la entrada 0 porque generalmente, es el valor que se espera tener como condicin inicial.

En la figura 1.3 se encuentra el esquema lgico interno del circuito integrado SN74LS147, que es un codificador decimal BCD de prioridad y que funciona con lgica negativa tanto en la entrada como en la salida (las lneas estn activas cuando tienen un nivel bajo.)

4.3 DECODIFICADORES El decodificador es un circuito combinacional diseado para convertir un nmero binario (entrada) en Word o palabra formada por unos y ceros con un orden distinto, para ejecutar un trabajo especial. En otras palabras, el Word que sale es diferente al Word que entr, aunque tenga la misma cantidad de bits. En la figura 1.4, se puede observar el circuito bsico de un decodificador de 2 a 4, donde se cumple que la siguiente formula 2^N=m, donde m es el numero de entradas y N el numero de salidas.

Los decodificadores son usados en los microprocesadores para convertir instrucciones binarias en seales de tiempo, para controlar mquinas en procesos industriales e implementar circuitos lgicos avanzados. El decodificador convierte nmeros binarios en sus equivalentes Octales (base 8), decimales (base 10) y Hexadecimales (base 16). En la figura 1.5 se representa en el esquema interno del circuito integrado 74LS42 y en la figura 1.6 la disposicin de sus pines.

A las entradas se les deber aplicar un cdigo de tipo BCD que provoque la activacin de la lnea de salida correspondiente al nmero aplicado. A continuacin se presenta la tabla de verdad de un codificador binario-decimal con salida de lgica negativa, constituido por el integrado 74LS42.

En Electrnica Digital es a menudo necesario pasar un nmero binario a otro formato, tal como el requerido para manejar motores paso a paso o para energizar los siete segmentos de los display hechos con diodos emisores de luz, en el orden adecuado para que se ilumine la figura de un nmero decimal. Para lograr tales fines se utiliza el codificador binario-decimal. Este dispositivo est constituido por una red lgica combinacional con cuatro lneas de entrada de tipo binario y diez lneas de salida de tipo decimal. Muchas veces los datos procesados por los equipos, hay que visualizarlos de forma numrica. Esto se resuelve usando dispositivos de visualizacin de siete segmentos (display o pantallas de presentacin visual) que representen los nmeros decimales del 0 hasta el 9. Algunos display representan todo el sistema de numeracin hexadecimal, visualizando las letras desde la A hasta la F en lugar de los nmeros desde el 10 hasta el 15. La visualizacin de nmeros o de caracteres alfanumricos se controla a travs de etapas decodificadoras que suministran niveles de tensin de salida adecuados, o por medio de etapas decodificadoras de control (decoder/drive), las cuales se diferencian de las anteriores porque en el mismo circuito integrado tambin vienen la parte de potencia. Esta red lgica particular permite visualizar por medio de un display de 7 segmentos los nmeros expresados en cdigo BCD. Tiene 4 entradas, que corresponden a los cuatro bits del cdigo BCD y 7 salidas, cada una de las cuales controla un segmento del display. En la figura 1.7 se presenta la disposicin de los pines del 74LS47, mientras que en la figura 1.8 se reproduce el esquema elctrico interior de dicho decodificador

Con el Terminal de entrada LT (Lamp Test) se efecta la prueba del display, encendindose todos los segmentos al mismo tiempo, mientras que los terminales RB (Ripple Blanking o borrado) sirven para que los display queden apagados cuando haya que visualizar cantidades no significativas.

4.4 MULTIPLEXORES Y DEMULTIPLEXORES Un Multiplexor o Selector de datos es un circuito lgico que acepta varias entradas de datos y permite que slo una de ellas pase a un tiempo a la salida. El enrutamiento de la entrada de datos hacia la salida est controlado por las entradas de seleccin (a las que se hace referencia a veces como las entradas de direccin). El multiplexor, tambin conocido como MUX, acta como un conmutador multiposicional controlado digitalmente, donde el cdigo digital aplicado a las entradas de seleccin controla cules entradas de datos sern conmutadas hacia la salida. Por ejemplo, la salida ser igual a la entrada de datos, llammosle D0, para el cdigo de entrada de seleccin que sea cero (ABC=000 en el diagrama de abajo); la salida ser igual D1 para cuando el cdigo de seleccin sea uno y as sucesivamente. Establecido de otra manera, un multiplexor selecciona 1 de N fuentes de datos y transmite los datos seleccionados a un solo canal de salida. Esto se llama multiplexin o multiplexaje. Los multiplexores son representados en diagramas de bloques como trapezoides issceles. A continuacin en la siguiente figura se muestra el esquemtico de un multiplexor de dos entradas y una salida con su respectivo bit de seleccin:

Multiplexor de dos entradas y una salida

Un ejemplo de multiplexores (aunque no digitales como los que vemos aqu) se ve en las lneas telefnicas. stas usan exactamente este principio. Transmiten varias llamadas telefnicas (seales de audio) a travs de un nico par cableado usando la tcnica de multiplexado y cada seal de audio va nicamente al receptor al que est destinado. Una aplicacin comn para los MUX es encontrado en las computadoras, en las cuales la memoria dinmica usa las mismas lneas de direccin para el direccionamiento tanto de las filas como de las columnas. Un grupo de multiplexores es usado para primero seleccionar las direcciones de la columna y luego cambiar para seleccionar la de la fila. Este esquema permite que grandes cantidades de memoria sean incorporadas dentro de una computadora mientras se limita a la vez la cantidad de conexiones de cobre requeridas para conectar la memoria al resto del circuito. Por eso es que tambin se les conoce a veces como selectores de datos. Ya se vio el smbolo esquemtico del multiplexor de 2 entradas y una salida pero los multiplexores no estn limitados a 2 entradas. Si las lneas de seleccin son dos podemos alternar entre 4 datos de entrada, si son 3 entre 8 y as sucesivamente. A continuacin se muestran en la siguiente figura los smbolos esquemticos de los multiplexores de 4 a 1 (cuatro entradas y una salida), 8 a 1 (ocho entradas y una salida) y 16 a 1 (diecisis entradas y una salida) con sus respectivas lneas de seleccin, respectivamente.

En todos los casos la salida es Z, las entradas de seleccin S y el resto es la entrada que ser multiplexada. A veces pueden verse en forma rectangular asemejando el circuito integrado que representan pero en este caso siempre debe ir bien identificados para poder saber que es. Por ejemplo:

Se representa (como se ve indicado) un multiplexor a nivel MSI de 8 entradas (que implica las 3 lneas de seleccin) y una salida (F). Las entradas de seleccin, o sea, quienes indicarn cual de las entradas ser reflejada en la salida, vienen dadas por el cdigo binario representado por ABC. ABC son las entradas de direccionamiento o de direccin o de seleccin, como usted lo quiera llamar, ya que estas sern quienes indican el dato a acceder. Este mismo concepto es el usado en las memorias. Veamos ahora la implementacin de multiplexores a nivel SSI. Para el caso de un multiplexor de 2 entradas y una salida (quien por supuesto requiere slo una lnea de seleccin) el circuito sera:

El uso del inversor dos veces NO es absolutamente necesario. Se observa que cuando la entrada de seleccin A tiene un valor cualquiera, una de las compuertas AND tendr un UNO en una de sus entradas y la otra un CERO. La que tiene el CERO dejar pasar slo el CERO pero el que tenga el valor de UNO dejar pasar la otra entrada de la AND intacta y ser este valor quien se refleje a la salida. Pueden verificar este circuito a travs de su tabla de la verdad. Vemosla a continuacin:

Se ve aqu que cuando que cuando A=0, X=X0 y cuando A=1, X=X1. Esto representa la funcin booleana: X = AX1+A'X0 que es exactamente la implementacin mostrada. Veamos como se ven las implementaciones de 4 a 1 y de 16 a 1:

Se ve que en el diseo de multiplexores de n entradas se requerir siempre lneas de seleccin (que dara un nmero entero si n es potencia de 2). Claro que, aunque es lo normal, el multiplexor no necesariamente debe tener 2m lneas de entrada con m entero pero en todo caso se requerirn tantas lneas de seleccin que hagan suficientes combinaciones para direccionar todas las entradas. Por ejemplo, para multiplexar 3 4 entradas se requieren 2 lneas de seleccin. Si se requiere multiplexar 5, 6, 7 8, entonces se necesitan 3 lneas de seleccin y as sucesivamente. El Multiplexor es tpicamente usado para combinar dos o ms seales digitales en una sola lnea pero no es la nica forma. Tambin puede conseguirse de otras caractersticas pero aqu mencionar slo un par de ejemplos de multiplexores: De dos entradas de 4 bits y una salida de 4 bits. ste selecciona uno de los nibbles de entrada (internamente son 4 multiplexores de 2 a 1 en un solo encapsulado) y lo refleja en la salida. De dos entradas de 4 bits a una salida de dos bits que representan un bit direccionado en cada nibble reflejado a la salida (internamente son 2 multiplexores de 4 a 1). Algunas designaciones para multiplexores de la familia TTL son: 74153 que son dos multiplexores 4 a 2, 74157 que son cuatro MUX 2 a 1 y el 74151 que es un MUX 8 a 1. Por ltimo los multiplexores quier pueden ser organizados en cascada para implementar multiplexores ms grandes. Por ejemplo podemos usar multiplexores de 2 a 1 para implementar un multiplexor de 4 a 1 (o de 4 a 2 se darn cuenta de que es elemental) o incluso para implementar multiplexores de ms entradas. 4.4 DEMULTIPLEXORES Es lo inverso a un multiplexor. Los demultiplexores o DEMUX tienen una entrada que es transferida a una de las m posibles lneas de salida. La lnea m vendr direccionada por los n bits de seleccin donde lo normal es que 2n=m. "Cada salida del demultiplexor corresponde con el trmino mnimo del nmero binario que se encuentra en las lneas de seleccin". Un uso popular del DEMUX es como decodificador y por eso suele usarse el trmino Demultiplexor/Decodificador indistintamente. Pero el propsito principal de un decodificador no es tanto transferir una entrada a una de las salidas sino llevar un valor binario (el de la entrada de seleccin) a una representacin de una nica lnea a la salida. Esta funcin es de gran utilidad en la decodificacin de la direccin en los microporcesadores por ejemplo cuando involucra la seleccin de uno de mltiples dispositivos (como por ejemplo la memoria). De hecho, la mayora de los decodificadores son de lgica invertida (o negativa) debido a que la mayora de los dispositivos perifricos de los microprocesadores son activados por una seal baja (como el pin E' que vimos en los multiplexores en cascada hace un par de prrafos). Los DEMUX tambin suelen incluir un bit de entrada de habilitacin. Algunos DEMUX de la familia TTL son: el 74139 que son dos DEMUX de 1 a 4 con salidas

invertidas (lgica negada), el 74156 que son dos DEMUX de 1 a 4 con salida de colector abierto (Open Collector), el 74138 que es un DEMUX de 1 a 8 con salida invertida, el 74156 que es un DEMUX de 1 a 16 y el 74159 que es de 1 a 16 con salida a colector abierto. A continuacin la implementacin de demultiplexores a nivel SSI. Para el caso de un demultiplexor de 1 a 2 sera:

Se observa que el circuito tiene slo una entrada (representada por IN), dos salidas (OUT1 y OUT0) y el bit de direccin (A). El proceso es justo el contrario del multiplexor. Para los casos de DEMUX de 1 a 4 y de 1 a 8 tenemos las siguientes implementaciones.

La seleccin de la salida especfica es controlada por la combinacin de bits de n lneas de seleccin o control.

El circuito es:

Si examinamos el circuito veremos que el circuito demultiplexor es idntico a un decodificador de 2 a 4 lneas con entrada de habilitacin: Para el decodificador: las entradas de datos son C0 y C1, y la habilitacin es la entrada E. Para el demultiplexor: la entrada E provee los datos, mientras que las entradas C0 y C1 son las entradas de control o seleccin.

Aunque ambos circuitos tienen aplicaciones diferentes, sus diagramas lgicos son idnticos. Por esto, a los decodificadores con entrada de habilitacin se les llama decodificador/demultiplexor. Las aplicaciones de los demultiplexores son: Conversor serie-paralelo Ejemplo :de demultiplexor: el 74154, de 16 salidas.