Contadores, Registros y Memorias

Sistemas Digitales 1

CONTADORES, REGISTROS, MEMORIAS Y PLD’s


Los contadores son circuitos secuenciales capaces de recorrer una secuencia previamente especificada de estados. Reciben un tren de impulsos y responden con una sucesión de estados correspondientes al equivalente en binario del numero de impulsos recibidos desde que se inicia el ciclo.

Tipos de contadores:1.Asíncronos: Los flip flops no cambian de estado al mismo tiempo, puesto que no comparten el mismo pulso de reloj.2.Sincronos: Todos los flip flops reciben el mismo pulso de reloj, y por tanto cambian en el mismo instante.


Contadores Asíncronos: Compuestos por flip flops JK, con J = K = 1 (configuración T) de modo que el reloj entra al primer F/F, y el reloj del resto de F/F se toma de las salidas Q del F/F anterior u otro.

Inconvenientes:1.La frecuencia máxima de trabajo depende de la suma de los retardos que introducen los biestables que lo componen. 2.Los estados estables no se alcanzan siempre al mismo tiempo.


Contador asíncrono ascendente BCD


Contadores Síncronos

En los contadores síncronos a diferencia de los contadores de propagación o asincrónicos, la señal de reloj se aplica simultáneamente a todos los flip-flops. Estos contadores por lo general tienen mas circuitería que los contadores de propagación y están conformados por flip-flops J-K.


Contador Ascendente BCD síncrono


Registros: Son grupos de flip flops con dos funciones básicas: el almacenamiento y el movimiento de datos.

Tipos:


Registro entrada serie-salida serie:


Registro entrada serie-salida paralelo:


Registro entrada paralelo- salida serie:


Registro entrada paralelo- salida paralelo:


Registro de desplazamiento bidireccional:


Memorias: Aspectos generales:

Las unidades de memoria son módulos conformados por un conjunto de cerrojos o condensadores agrupados de tal forma que almacenan varias palabras binarias de n bits. Cada una de ellas tiene la capacidad de almacenar un bit de información (1 o 0), y se conocen con el nombre de celdas de memoria. Las celdas o bits de memoria se ubican mediante la fila y la columna en la que se encuentra.


Las palabras binarias se identifican con una dirección.El parámetro básico de una memoria es su capacidad, la cual corresponde al total de unidades que puede almacenar. El tiempo de acceso es otro parámetro importante en las memorias. Este corresponde al tiempo que tarda la memoria en acceder a la información almacenada en una dirección.

Memoria Tiempo de Acceso

Núcleo de Ferrita 0.3 - 1.0 us

Cinta Magnética 5 ms - 1s

Disco Magnético 10ms - 50 ms

CD ROM 200 ms – 400 ms

Memorias Integradas MOS

2ns – 300 ns

Memorias Integradas Bipolares

0.5ns – 30 ns


Operaciones básicas de una MemoriaLa función básica de las memorias es almacenar información. Sin embargo las memorias tienen la función específica de escribir y leer los datos en su interior. En los computadores modernos las memorias actúan directamente con la CPU a través de canales de comunicación llamados buses.


Las operaciones básicas de una memoria consisten en leer y almacenar información mediante el uso del bus de datos y direcciones. Estas operaciones ocurren en un orden lógico, el cual se indica a continuación:• Apuntar a la dirección de memoria que se desea leer o escribir mediante el uso del bus de direcciones• Selección del tipo de operación: Lectura o escritura.• Cargar los datos a almacenar (en el caso de una operación de escritura)• Retener los datos de la memoria (en el caso de una operación de lectura)• Habilitar o deshabilitar la memoria para una nueva operación.


Translation Lookaside Buffer (TLB): Es una memoria caché administrada por la CPU, que contiene partes de la tabla de paginación, es decir, relaciones entre direcciones virtuales y reales. Posee un número fijo de entradas y se utiliza para obtener la traducción rápida de direcciones.

Caché de 1er nivel (L1): Esta caché está integrada en el núcleo del procesador, trabajando a la misma velocidad que este.Caché de 2º nivel (L2): Integrada también en el procesador, aunque no directamente en el núcleo de este, tiene las mismas ventajas que la caché L1, aunque es algo más lenta que esta. La caché L2 suele ser mayor que la caché L1, pudiendo llegar a superar los 2MB.


Clasificación de las memorias RAM:

1.DRAM (RAM dinámica):Elemento de almacenamiento es un capacitor.Necesita refresco.Consume potencia (corrientes de fuga).No muy rápida (tiempos de acceso ~ 50-

100ns).Muy densa → muy barata.Muchos tipos (EDO, SDRAM, DDR, RDRAM).

2. SRAM (RAM estática):Elemento de almacenamiento es un flip flop.No necesita refresco.Muy rápidas (tiempos de acceso ~ 10ns).Poco densa → muy cara.


Técnicas de Expansión de Memorias:

1.Expansión de datos.2.Expansión de direcciones.3.Mapeo de memoria. El mapeo y decodificación es el índice de localidades que indican en que rangos de dirección se encuentra cada dispositivo externo del procesador y las funciones que contiene. Esto se logra mediante la combinación de las líneas de control, selección y dirección, para generar una única señal de habilitación para el dispositivo deseado.


Características de los PLD’s:

1.Circuito integrado digital, donde la función Booleana puede ser determinada por el usuario.2.Los PLD’s pueden reemplazar circuitos integrados de propósito especifico en el diseño de circuitos digitales.3.Un solo PLD es funcionalmente equivalente a dispositivos que tienen desde 5 hasta 10 000 puertas lógicas.4.Básicamente en los PLD’s se pueden implantar funciones Booleanas usando SOP o POS, mediante una estructura AND-OR.5.Contienen una arquitectura general predefinida y se puede reprogramar por el usuario.


6. Algunos PLD’s contienen flip flops y latches para ser usados como elementos de almacenamiento para entradas y salidas.

7. Los pines pueden ser usados como entradas, salidas o I/O con habilitación de tres estados.

Ventajas de los PLD’s:

1. Reducen la cantidad de circuitos integrados.2. Reducen el espacio en las tarjetas electrónicas.3. Menor consumo de potencia.4. Tiempo de diseño corto.5. Se pueden realizar cambios del programa

(mantenimiento).6. Arquitectura compacta.


PLD’s no reprogramables

En este tipo de PLD's es posible programar el arreglo de compuertas sólo una vez, de tal manera que no es posible hacer modificaciones posteriores al estado de los fusibles, operando con la lógica definida por las conexiones internas programadas. Estos dispositivos son conocidos por la sigla PAL (Programmable Array Logic).En la figura se muestran diversos PLD’s. El PAL 16R6 es un dispositivo que tiene 20 pines, los cuales se distribuyen de la siguiente forma: • 8 entradas principales (pines 2 a 9). • 8 salidas (pines 12 a 19). • 1 entrada de reloj (pin 1). • 1 entrada de habilitación (pin 11). • 2 entradas de alimentación (pines 10 y 20).


PLD’s reprogramables

Estos PLDs utilizan tecnología EEPROM (Electrical Erasable Programmable ROM) y se conocen con el nombre de GALs (Generic Array Logic). Estos dispositivos a diferencia de los anteriores permiten modificar la disposición interna de las conexiones de las compuertas después de haber sido programados. Por ejemplo el GAL 16V8 tiene 20 pines distribuidos de la siguiente forma:• 8 entradas dedicadas (pines 2 a 9). • 8 salidas de registro programables (pines 12 a 19). • 1 entrada de reloj (pin 1). • 1 entrada de habilitación (pin 11). • 2 entradas de alimentación (pines 10 y 20).


Las salidas se pueden programar como salida secuencial o como salida combinacional dependiendo del estado de los fusibles de selección ubicados en la macro celda lógica de cada salida. La macro celda corresponde al conjunto de elementos agrupados en cada salida, incluyendo la compuerta OR).

Estas celdas son conocidas como OLMCs de la sigla en inglés Output Logic MacroCell y en la figura se observa la estructura interna de una de estas celdas en sus dos configuraciones disponibles (salida secuencial y salida combinacional).


Macro celdas para el GAL 16V8


PAL 16R8


Una salida de la PAL 16R8


CPLD y FPGA:

1. CPLD (Complex programmable logic device), es una arreglo de bloques de PLDs y una red de interconexiones programables. Algunas CPLDs comerciales tiene algunos cientos de bloques de PLDs.

2. FPGA (Field programmable gate array), son usados para circuitos mayores, en vez de usar PALs, las FPGAs usan como bloque básico de construcción, un generador lógico de propósito general (lookup table), con multiplexores y flip flops.


FPGA’s

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