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Introducción a la electrónica digital 1Electrónica Digital I

Universidad

Rey Juan Carlos

Ingeniería de Telecomunicación

ElectrElectróónicanica Digital IDigital I

Felipe MachadoNorberto Malpica

IntroducciIntroduccióón a la Electrn a la Electróónica Digital nica Digital

Ingeniería de Telecomunicación


Objetivos del cursoObjetivos del curso

Electrónica digital (Electrónica Digital I)

A+B=B+ACDA

CAD

Sistemas de numeración y codificaciónÁlgebra de BooleLógica combinacionalLógica secuencial

El diseño digital es INGENIERÍA y la ingeniería es resolver problemas !!!


1. Introducción: Analógico vs. Digital2. Dígitos binarios, niveles lógicos y formas de ondas digitales3. Lógica combinacional y secuencial4. Sistemas digitales

ContenidoContenido


AnalAnalóógico vs. Digitalgico vs. Digital





22


IntroducciIntroduccióón: Analn: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital

AnalAnalóógicogico DigitalDigital• Proporción• Semejanza

• Cuantificación• Análisis• Detalle





¿Son paralelas?





¿Son paralelas?





¿Miden lo mismo?





¿Miden lo mismo?



Circuito analógico

AnalAnalóógicogico

Sonido

SonidoMicrófono Altavoz

V

t

V

t

La señal analógica es similar a la señal real

Sensores y transductores que transforman la señal real en una señal eléctrica

Los circuitos analógicos operan con señales semejantes

El valor de la tensión indica la magnitud de la señal

original en cada instante.Señal continua

Ampli

33


01100100110010


Circuitodigital

DigitalDigital

Sonido

Sonido

V

t

Los circuitos digitales operan con señales consistentes en ceros y unos

Convertidoranalógico

digital

Convertidordigital

analógicoAmpli

V

t



ConversiConversióón a digitaln a digital

V

t

Cada cierto tiempo (T) mido cuanto vale la tensión

TX

Digital

Analógico

Periodo de muestreo

Digital: Discontinua en tiempo Digital: Discontinua en amplitud

Resolución: Incremento mínimo

de la medida

r




Señal continua en tiempo y

amplitud

La resolución dependerá de las divisiones de mi regla para medir la señal

Convertidor AD

Señal analógicaSeñal digital

Señal discontinua en tiempo y amplitud

Compuesta de varios bits

A más resolución mayornúmero de bits



T


t



T

ConversiConversióón a digitaln a digital 1 bit de resolución La señal valdrá 0 ó 1

0

1

Un bit

t



T

ConversiConversióón a digitaln a digital 2 bits de resolución La señal valdrá 0, 1, 2, 3

00

01

10

11

t1=0 t2=1 t3=2 t4=3 ti=2

Se añade este bit

t

44



T

ConversiConversióón a digitaln a digital 3 bits de resolución La señal valdrá {0, …, 7}

000

010

100

110

t1=0 t2=1 t3=2 t4=3 ti=2

Los valores irán multiplicados por una escala para que se correspondan con el valor real

001

011

101

111

Se añade este bit

t



Hemos pasado de una única señal analógica y por tanto

intuitiva y continua

A una señal compuesta de varias señales binarias (bits) y discontinua y

aparentemente más difícil de interpretar

AnalAnalóógicogico DigitalDigital

Convertidor AD

¿Hemos mejorado algo?

V

t

001011...011011...000001...101001...

CDAY después de procesar digitalmente la señal, en muchas ocasiones

tenemos que volverla a convertir

V

t

Circuito digital

Entonces, …


Circuitos analCircuitos analóógicosgicos

FiltroFiltro

Los componentes tienen que estar bien calibradosDependen de la temperaturaSon complicados de diseñar y difíciles de ajustarSe requiere más experiencia en el diseño


Circuitos digitalesCircuitos digitales

FiltroFiltro

Fáciles de ajustar y reprogramar (cambiar constantes)

Independientes de la temperatura

MultiplicadoresSumadoresConstantesMemorias (retardos)

Fáciles de reprogramar (cambiar constantes) sin cambiar el hardware

Fáciles de comprobar

Operaciones que siempre dan los mismos resultados


Circuitos analCircuitos analóógicosgicos

Generador de formas de ondasGenerador de formas de ondas P. ej: Sintetizador de sonido

Resulta sencillo generar formas de ondas típicas:

Cuadrada

Diente de sierra

Triangular

Senoidal

Pero generar otras formas de ondas específicas puedes ser complicado


Circuitos digitalesCircuitos digitales

Generador de formas de ondasGenerador de formas de ondas Sintetizador de sonido

Digitalmente puedo generar cualquier forma de onda,con las características más diversasPuedo guardar los valores en una memoria o crear una función que los genere

000

010

100

110

001

011

101

111

Diente de sierra en digital

Ejemplo de función:Llevar un contador, que incremente en cada ciclo, y vuelva a cero al llegar al valor máximo

ciclo tiempo

55



¿Qué diferencia hay entre la electrónica digital y analógica?¿Por qué se comportan tan diferentemente?

La tecnología de un circuito digital y analógico puede ser la misma

Pero cambia la forma de manejar las señales

AnalAnalóógicogico

La señal es continua

El transistor está en conducción

Pequeños cambios en las entradas producen importantes cambios en las salidas

El ajuste es delicado

DigitalDigital

La señal es discontinua '0' ó '1'

El transistor está en corte o saturación

Pequeños cambios en las entradas no producen cambios en las salidas


SeSeññales digitalesales digitales

'1'

'0'

Variaciones dentro de estos rangos no producen cambios

de valor lógico de la señal


SeSeññales digitalesales digitales

'1'

'0'

Los dos dígitos del sistema binario 1,0 , se denominan bits (binary digit)En los circuitos digitales se emplean niveles de tensión distintos para

representar los dos bitsLas tensiones que se utilizan para representar los unos y los ceros se les

denominan niveles lógicos. Existen distintos tipos de lógica• Lógica positiva: VH = 1 y VL = 0. ALTO (HIGH)= 1, BAJO (LOW) = 0• Lógica negativa: VH = 0 y VL = 1• Lógica mixta: se mezclan ambos criterios en el mismo sistema, eligiendo uno u otro en cada caso según convenga.


AbstracciAbstraccióón ln lóógicagica

Tengo señales binarias que valen '0' ó '1'

"Casi" me da igual como funcionan los transistores por debajo

Dispongo de estructuras electrónicas que realizan operaciones lógicas

Y diseño a nivel lógico, "casi" sin tener en cuenta la electrónica

Subo de nivel

No hablo de tensiones eléctricas sino de '0' y '1'

No hablo de transistores sino de puertas lógicas

Realizo un diseño lógico Más fácilMás rápido



Puertas lógicasCompuertas que dejan pasar la informaciónY realizan operaciones lógicas

Puerta ANDA

BS

A B S 0 0 00 1 01 0 01 1 1

A

B

Puerta OR

S

A B S 0 0 00 1 11 0 11 1 1

Puerta NOT A S 0 11 0

A S

Conecto señales y puertas para formar mi circuito

Las reglas vienen dadas por el álgebra de Boole

Por ejemplo



Conecto las puertas para formar otros circuitos

BA

C

S

Este circuito hace queSi A='1' entoncesS<=B

Si noS>=C

1

0

SA

B

C

MultiplexorEsto es un multiplexor

Selecciona una señal u otra (B ó C) según el valor de la señal de selección A

Puedo ir creando bloques de mayor abstracción para

simplificar la tarea del diseño

SumadoresMultiplicadoresComparadoresDecodificadores…

66


AbstracciAbstraccióón ln lóógica: Segica: Seññales digitalesales digitales

Si necesito señales con un mayor rango de valores que '0' y '1', agrupo varias señales binarias

Cada una de las señales binarias las podremos transmitir en paralelo o en serie

En paralelo

8 bits

001011...bit0bit1

bit7

110010...

100001...

Más interconexionesMás velocidad

En serie

001011011001110bit0

bit7

Valor de la señal en tiempo t


ImplementaciImplementacióón de un disen de un diseñño digitalo digital

De pequeña escala de integración (SSI)

De mediana escala de integración (MSI)

Con unas 10 puertas Hasta 100 puertas

SumadoresMultiplicadoresComparadoresDecodificadores…

Se usan cada vez menos

En diseños pequeñosPara lógica de unión entre circuitos (glue logic)

Componentes discretosComponentes discretos



Dispositivos que permiten la implementación de los circuitos lógicos

Pueden tener desde cientos de puertas hasta millones

Son los más versátiles

Son los más rápidos de diseñar

Es la opción más empleada para producciones bajas y mediasCada vez más empleados

LLóógica programable (PLD y gica programable (PLD y FPGAsFPGAs))



ASIC

Implementan directamente en el dado de silicio la lógica específica

Es una opción arriesgada, sólo para producciones muy grandes

Requieren tiempos de diseño mayores

Dado

Oblea del Intel Pentium 4 (130nm)



Millones de dólares

Coste de la máscara:250 nm: 100 k$180 nm: 300 k$130 nm: 800 k$90 nm: 1200 k$65 nm: 2000 k$

+ Placa prototipos

- Yield (productividad de oblea)

Fabricación Diseño

Decenas de millones de dólares

Retrasos: 85% de proyectos

Tiempo de retraso: 53%

Iteraciones: 4,7

Cada iteración: Máscara nueva

ASICASIC

Sólo se lo permiten las grandes empresas con grandes producciones


La información viene dada por los valores que toman un conjunto de magnitudessignificativas.Las magnitudes pueden ser de dos tipos: analógicas y digitales.

Magnitudes analógicas: toman valores en un rango continuo.Ejemplos: temperatura, voltaje, corriente eléctrica, tiempo, luminosidad, etc.Se corresponden matemáticamente con el concepto de números reales.

Magnitudes digitales: su rango de posibles valores es discreto.Ejemplos: número de personas en una habitación, número de libros en una

biblioteca, etc.Se corresponden matemáticamente con el concepto de números enteros.

Z

X

Digital

Analógico

Resumen: AnalResumen: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital

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Revolución digital:Cámaras DigitalesDVD (video)CD (audio)Automóviles, teléfonos, efectos especiales…

Resumen: AnalResumen: Analóógico vs. Digitalgico vs. Digital

¿Por qué del éxito de los sistemas digitales?:ProgramablesFlexibilidad y funcionalidadMayor velocidad de procesamientoMayor inmunidad al ruidoMayor capacidad de integración


DDíígitos Binarios, Niveles lgitos Binarios, Niveles lóógicos y formas de onda digitalesgicos y formas de onda digitales

Señales digitales reales

- Pregunta: ¿Las señales digitales reales adquieren solamente uno de estos dos valores, 1 ó 0 ?

- Respuesta: NO. Un sistema digital tendrá que procesar señales con un espectro de valores mayor:

1 “fuerte” => conexión cuasi-directa a nivel alto (Vcc).

0 “fuerte” => conexión cuasi-directa a masa.

alta impedancia => salida “desconectada” de la línea (o conectada vía una alta impedancia).

1 “débil” => conexión indirecta a nivel alto, vía una resistencia grande (“pull up resistor”) que limita corriente.

0 “débil” => conexión indirecta a nivel bajo, vía una resistencia grande (“pul down resistor”) que limita corriente.

Otras señales utilizadas:

“Desconocido fuerte” => conflicto entre 1 y 0 fuertes (significa un cortocircuito directo de alimentación a masa).

“Desconocido débil” => conflicto entre 1 y 0 débiles

“Indiferente” => A la salida final le es indiferente esta señal, y el software (o nosotros) asignaremos el que más simplifique.


Forma de onda de una señal: muestra su evolución a lo largo del tiempo.• Las formas de onda digitales se suelen representar en forma ideal, con transiciones instantáneas.• Pulso: transiciones H→L y L→H (o viceversa) consecutivas de una anchura determinada.

Pulso negativo Pulso positivo

Flanco de bajada Flanco de bajadaFlanco de subida

CronogramasCronogramas


Pulso real:• Tiempo de subida (tr): tiempo requerido en la transición del nivel BAJO al ALTO• Tiempo de bajada (tf): tiempo requerido en la transición del nivel ALTO al BAJO• Anchura de pulso (tw):


tr tw tf


Reloj (CLK): señal que varía periódicamente de forma infinita.•Los sistemas digitales suelen contar con una señal de reloj (o varias) que sincroniza(n) a todas las demás.

ClkNivel alto

Nivel bajo

Flanco desubida

Flanco debajada

Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de bajada)

Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de subida)

Pulso denivel alto

Pulso denivel bajo


T T

• Periodo (T)• Frecuencia (f) T/1f =


En un reloj, el nivel alto y el bajo no tienen por qué durar lo mismo.

Simetría del reloj: porcentaje de tiempo de un periodo en el que el reloj está a nivel alto o bajo.

Ejemplos de señales de reloj periódicas (simétricas y asimétricas):

Clk

Clk

Clk


Ttw

• Ciclo de trabajo (δ) : razón entre el ancho de pulso (tw) y el periodo (T).

100Tt w ⋅=δ

88


Cronograma o diagrama de tiempo: conjunto de formas de onda de varias señales de un sistema que normalmente están interrelacionadas.

Evolución de las señales:

•En el periodo de reloj 1 A = “0” y B = “1”.

•En el periodo 2 A = “1” y B = “0”.

•Etc.

La flechas indican que el pulso de la señal A es una consecuencia del pulso de la señal B.

Reloj

A

B

1 2 3 4 5 6 7



En los circuitos combinacionales la salida Z en un determinado instante de tiempo ti sólo depende de X en ese mismo instante de tiempo ti , es decir que no tienen capacidad de memoria y que se puede obviar la variable de tiempo t.

Z(t) = F(X(t)) Z = F(X)

FX Z

LLóógica gica combinacionalcombinacional y secuencialy secuencial

Unidad Básica: la PUERTA LÓGICA


En los circuitos secuenciales la salida Z en un determinado instante detiempo ti depende de X en ese mismo instante de tiempo ti y en todoslos instantes temporales anteriores. Para ello es necesario que el sistema disponga de elementos de memoria que le permitan recordar la situación en que se encuentra (⇒ estado).

⎩⎨⎧

=+=

transicióndefunción:HS(t))H(X(t),1)S(tsalidadefunción:GS(t))G(X(t),Z(t)

G,HX(t) Z(t)

memoriaRealimentación

S(t+1)S(t)

X(t): entrada actual

S(t+1): estado próximo

Z(t): salida actualS(t): estado actual

Como un sistema secuencial es finito, tiene una capacidad de memoria finita y un conjunto finito de estados posibles ⇒ máquina finita de estados (FSM: finite state machine).



Un sistema secuencial dispone de elementos de memoria cuyo contenido puede cambiar a lo largo del tiempo.

El estado de un sistema secuencial viene dado por el contenido de sus elementos de memoria.

Es frecuente que en los sistemas secuenciales exista una señal que inicia los elementos de memoria con un valor determinado: señal de inicio (reset).

La señal de inicio determina el estado del sistema en el momento del arranque (normalmente pone toda la memoria a cero).

La salida en un instante concreto viene dada por la entrada y por el estado anterior del sistema.

El estado actual del sistema, junto con la entrada, determinará el estado en el instante siguiente ⇒ realimentación.



Existen dos tipos de sistemas secuenciales: asíncronos y síncronos.

Los asíncronos son sistemas secuenciales que pueden cambiar de estado encualquier instante de tiempo en función de cambios en las señales de entrada.

Son más frecuentes en la vida real.

Existen métodos específicos para diseñar sistemas asíncronos (no los vamos a estudiar).

Los síncronos son sistemas secuenciales que sólo pueden cambiar de estadoen determinados instantes de tiempo, es decir, están “sincronizados” con unaseñal que marca dichos instantes y que se conoce como señal de reloj (Clk). El sistema sólo hace caso de las entradas en los instantes de sincronismo.

Son más fáciles de diseñar.

Estudiaremos los sistemas síncronos, y veremos cómo “sincronizar” los sistemas asíncronos.

Tipos de sincronismosTipos de sincronismos


Los sistemas síncronos están regulados por una o varias señales de reloj.

Tipos de sincronismo:

Sincronismo por nivel (alto o bajo): el sistema hace caso de las entradas mientras el reloj esté en el nivel activo (alto o bajo).

Sincronismo por flanco (de subida o de bajada): el sistema hace caso de las entradas y evoluciona justo cuando se produce el flanco activo (de subida o de bajada).

ClkNivel alto

Nivel bajo

Flanco desubida

Flanco debajada

Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de bajada)

Ciclo de reloj(medido entre dosflancos de subida)

Pulso denivel alto

Pulso denivel bajo

Tipos de sincronismosTipos de sincronismos

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El estudio de los sistemas digitales requiere métodos para su especificación, diseño, materialización y análisis.

Especificación de un sistema: descripción formal y no ambigua de su función y de otros detalles que serán relevantes en el diseño (tecnología, tamaño, consumo, etc).

Diseño o síntesis de un sistema: permite generar una materialización a partir de una especificación dada.

Análisis de un sistema: permite describir el comportamiento de un sistema generando una especificación del mismo a partir de su materialización.

Materialización de un sistema: indica cómo se ha construido el sistema a partir de componentes más sencillos (primitivas).

Sistemas digitalesSistemas digitales


Un sistema digital puede describirse desde diferentes dominios conceptuales:

Comportamental: cómo se comporta.

Estructural: qué bloques lo componen y cómo se interconectan.

Físico: cómo está construido realmente.

DescripciDescripcióón de los sistemas digitalesn de los sistemas digitales


Niveles de abstracción:

Circuito: electrónica.

Lógico: valores lógicos (0,1).

RT (transferencias entre registros): palabras, señales de control, temporizaciones.

Algorítmico: estructuras abstractas, dependencias.

Sistema: protocolos de sincronización entre subsistemas.



Transiciones:

Síntesis - análisis: dominios conductual ⇔ estructural.

Generación - extracción: dominios físico ⇔ estructural.

Optimización: mejora dentro del mismo nivel de abstracción.

Refinamiento - abstracción: cambiar el nivel de abstracción en el mismo dominio.



Existen lenguajes de descripción de sistemas digitales muy extendidos que permiten incluso realizar la síntesis de los mismos. Entre ellos señalaremos los siguientes:

VHDL

ABEL

Verilog

VHDL permite describir sistemas según diferentes modelos de comportamiento (funcional, algorítmico y estructural).

El modelo funcional está próximo a la especificación del sistema.

El modelo algorítmico es más elaborado, y describe el comportamiento del sistema.

El modelo estructural describe el sistema indicando los bloques que lo componen y sus interconexiones.


!


Una especificación de alto nivel de un sistema digital se compone de un conjunto (I,O,F) formado por:

•Entradas (I)

•Salidas (O)

•Función realizada por el sistema (F)

La especificación de un sistema puede realizarse mediante:

• Tablas

• Expresiones matemáticas

• Descripciones textuales

• Expresiones condicionales

• Expresiones lógicas (de conmutación) …

EspecificaciEspecificacióón de los sistemas digitalesn de los sistemas digitales

1010


• Evolución de las máquinas digitales.

Engranajes relés válvulas de vacío transistores

circuitos integrados ultra-altas escalas de integración ULSI...

1642-45 • Calculadora de Pascal.

Desde antaño se tuvo claro que el sistema binario era más apropiado para manejarlo con máquinas y engranajes.

Esta calculadora esencialmente sumaba. La resta la hacía mediante el complementado. La multiplicación y división las hacía mediante combinaciones de las anteriores.

Un poco de historiaUn poco de historia……..


1834 • “Máquina analítica” de Babbage.

- Manejaba números de 31 dígitos. Se accedía mediante el concepto de “tablero perforado”.

- Tiempo de multiplicación = 1 MINUTO

- Terminada de construir en 1910 por su hijo (esto es un “time-to-market” no muy bueno).

Charles Babbage


1878 • Calculadora Odhner (Rusia)

- Pervivió hasta los años 30 (...rastro madrileño)

1844

Mientras tanto...• Encuentro “comunicaciones – transmisión eléctrica digital”

- Código Morse

1854 • George Boole publicó su obra titulada “Investigación de las leyes del pensamiento sobre las que se basan las teorías matemáticas de la lógica y la probabilidad”, donde formula la idea de un “álgebra de las operaciones lógicas”.


- Apartados a impartir

1919

1938

• Encuentro “electrónica – computación”

Invención del circuito flip-flop (W.H. Eccles y F.W. Jordan *, 1919), primera célula elemental de memoria electrónica.

• Claude Shannon fue el primero en aplicar los principios del Álgebra de Booleal análisis y diseño de circuitos, presentando en el MIT su tesis titulada “Análisis simbólico de los circuitos de conmutación y los relés” .

* Radio Review, 1, 143 (1919)


• Tecnología de relés

- Interruptor controlado por tensión.

- Una pequeña corriente (mA) puede cerrar una llave por donde circulen altas intensidades (centenares de amperios).

- Puede incluir varios contactos.

- Problema: los antiguos eran sensibles a “bugs”...de seis u ocho patas. ; - )

1911 • Leonardo Torres Quevedo presenta su autómata ajedrecista (electromecánico). El primero de que se tiene noticia


• Tecnología de válvulas de vacío.

- Thomas Alva Edison inventa la lámpara de incandescencia.

- Braun fabrica el primer tubo de rayos catódicos.

- John Ambrose Fleming inventa el diodo de vacío.

- Lee de Forest inventa el triodo o audión: modular corrientes grandes mediante una señal pequeña.

1878

1897

1904

1907

Patente del diodo de vacío

• Los dos últimos dispositivos dieron lugar a la RADIODIFUSIÓN. Pero también eran interruptores controlados por tensión...

1111


1942 • Atanasoff-Berry fabrican en la Universidad del Estado de Iowa el primer ordenador electrónico digital (no estaban en programas militares).

• Aplicaciones con válvulas

H. Abrahm y E. Bloch proponen el multivibrador *.

W.H. Eccles y F.W. Jordan proponen el multivibrador biestable

1919


* Annales de Physique 12, 252 (1919).

1943-45 • Se construye en la Universidad de Pennsylvannia el ENIAC (ElectronicNumerical Integrator and Calculator ), 1er ordenador electrónico (más válvulas de vacío que relés).

-30 toneladas. 200 kw de consumo

- 19000 tubos de vacío y 1500 relés

- Era básicamente una ALU

- Dedicado a aplicaciones militares: cálculos de trayectorias balísticas, sistemas atómicos...

http://ei.cs.vt.edu/~history/ENIAC.Richey.HTML

• Poco después, en Harvard se llevan la fama construyendo el Mark1:

- 35 toneladas.

- Operaciones aritméticas. Números de 24 dígitos decimales

- Incorporaba una pequeña memoria.

1943


1957-59 • 1er paso hacia la miniaturización

Jack Kilby (Texas Instruments) y R. Noyce(Fairchild) anuncian por separado la construcción de un circuito integrado y de la tecnología planar.

Se comercializan en 19611961

http://www.icknowledge.com/history/history.html

• J. Bardeen, W.H. Brattain trabajando en el grupo de W. B. Shockley“descubren” el transistor bipolar intentando hacer el de efecto de campo.

1945-48

U.S. Patents #2502488, #25240351er circuito integrado en Texas Instruments(5 transistores) U.S. patent # 3,138,743


1960The IBM 1401 was called the Model T of the computer business, because itwas the first mass-produced digital, all-transistorized.

httphttp://://www.geocities.comwww.geocities.com//SiliconValleySiliconValley//LakesLakes/5705/1401./5705/1401.htmlhtml

- It came with 4,096 characters of memory.- The memory was 6-bit (plus 1 parity bit) CORE memory, made out of littlemetal donuts strung on a wire mesh by workers (mostly women) at IBM factories.- The 1401 in this picture has a Storage Expansion Unit (the box on the right) which expanded the core storage to an amazing 16K!! - The cost of these machines ran to six-figures.


1962 • Mayo 1962:

Se instala la primera unidad del IBM 1401 en España, en la empresa Sevillana de Electricidad. Era el tercer ordenador llegado a la península y el primero adquirido por una sociedad privada.

1964 • El número de ordenadores por cada millón de españoles activos es de 11. Tres años más tarde pasa a 37 y se alcanzan los 82 en 1970. *

En 1964 había en Europa 4000 ordenadores. En 1970 se llegó a 20000.

* http://www.lmdata.es/f_ehhit.htm

• Los profesores John Kemeny y Thomas Kurtz, del Darmouth College, diseñan el lenguaje BASIC (Beginners All purpose Symbolic Instruction Code), que incorpora características del FORTRAN y ALGOL, pero mucho más fácil de aprender y poco costoso de implantar y utilizar.

1965 • Gordon Moore enuncia su famosa ley, según la cual el nº de transistores integrados por chip se duplicaría cada dos años. 40 años después esta ley conserva una sorprendente vigencia.

1969 • Nace el sistema operativo UNIX, reescrito en 1973 a lenguaje C

http://www.thocp.net/timeline/1969.htm Introducción a la electrónica digital 66Electrónica Digital I

1965-90

• DEC presenta la familia de minicomputadoras PDP-8 (1965-1990).

A finales de 1973, la familia PDP-8 era la más vendida en el mundo.

Fue el primer ordenador vendido en masa a bajo precio (¡unos 18000$!), costeable por una sola compañía sin necesidad de compartirlo.

- The PDP-8 is a 12 bit single accumulator machine which can addressup to 32K 12 bit words.- It has 8 basic instructions and the PDP-8/E executes them in 1.2 microsecond for simple instructions to 4 microsecond for complexmemory reference instructions. This gives the machine about a .5 MIPS rating.

¿se podría meter esto en un chip?

1212


...-70 • Crisis de la estandarización de componentes digitales.

A principios de los 70 en CIs impera la tecnología bipolar, trabajándose a escalas SSI, MSI y LSI (memorias).

Problemas:

- Confidencialidad => fáciles de copiar (“ingeniería inversa”).

- Excesivo tamaño

- Alto consumo

- Insuficiente velocidad

Conclusión

La estandarización va bien si los circuitos no son demasiado complejos.

¿Cómo hacer un circuito de tamaño óptimo, que sirva para construir sistemas lo suficientemente complejos, pero que a la vez sea lo suficientemente estándar?


Nace el microprocesador (µP).

• (5-10-1971) Intel anuncia un nuevo circuito capaz de integrar las partes esenciales de un ordenador (una CPU, una memoria y los controladores de entrada y salida) en un chip de (1/8 x 1/6) ’. Se le dio el nombre de i4004. Al año siguiente se le llamaría MICROPROCESADOR.

1971

U.S. Patent #3,821,715

El circuito contenía 2300 transistoresMOS, que daban lugar a un sumador rápido de números de 4 bits, 16 registros de 4 bits, un registro acumulador y un pequeño stack.

El desarrollo de este nuevo componente fue realizado en 9 meses por Federico Faggin y Stan Mazor, bajo la dirección de Ted Hoff.

1968 • La solución... Tecnología MOS con puerta de óxido de silicio

- Primeros componentes comerciales en1968 (Fairchild).

En 1976 ya había 50 tipos de µPs diferentes en el mercado.


1978 • Tecnología VLSI (“muy alta escala de integración”) basada en combinaciones de transistores PMOS y NMOS (principalmente tecnología CMOS).

- La tecnología CMOS permite desarrollar la escala de integración VLSI (de 10 a 100k transistores por chip), y propicia el nacimiento de los ASICs (“Application Specific Integrated Circuit”).

• Características de los ASICs

- Inmejorable figura de área-consumo-fiabilidad.

- Permiten integrar circuitos analógico-digitales.

- Alta complejidad: incrementa la velocidad y el nº de transistores..., pero también el nº de personas y gremios implicados.

- DESVENTAJAS:

Alto coste => requiere altos stocks

Exige herramientas de diseño

complejas.

Vulnerabilidad a errores.Introducción a la electrónica digital 70Electrónica Digital I

1975 • Da comienzo la historia de los ordenadores personales.

Cuatro jóvenes norteamericanos deciden construir un ordenador. JimKatzman, el de menos edad, diseña en varios días en la esquina de una mesa las conexiones de la máquina a la que bautizan con el nombre de Tandom. En 1977, su empresa comienza a cotizar en bolsa, y cada dólar invertido al inicio se ha multiplicado por 180.

La revista Popular Electronics (EE.UU.) publica un anuncio de la empresa MITS (Micro Instruments & Telemetry Systems Inc) con la oferta de un pequeño ordenador, el ALTAIR 8800, con sus periféricos correspondientes, en dos modalidades: kit (desmontado) o ensamblado.

Aparece en EE.UU. el primer ordenador personal con pantalla incorporada, el SPHERE.

Mientras tanto...


1975

• Se lanza al mercado el APPLE I, con BASIC de números enteros (Integer BASIC) y señal de color. El primer prototipo había sido fabricado en un garaje por dos jóvenes norteamericanos Steve Jobs y Steve Wozniak.

• A partir de esta fecha, y sobre todo en la década de los 80, aparece una enorme gama de fabricantes de ordenadores personales:

IBM, Hewlett Packard, Texas Instruments, Genie, Epson, Victor, Oric, Digital, Toshiba, Dragon, Atari, Osborne, New Brain, NEC, Olivetti, Casio y tantos otros.

80´s

• Los modelos de la empresa británica Sinclair(ZX 80, ZX 81, Spectrum y QL), llegan a los supermercados españoles.

• William H. Gates, un joven de 19 años que no había terminado sus estudios en la Universidad de Harvard, funda la empresa Microsoft, líder indiscutible del software para micros. Bill Gates se convirtirá en el multimillonario más joven del mundo.

1977


-90s

- Los µP permiten realizar sistemas complejos y toleran ciertos errores pero no alcanzan las velocidades que un ASIC puede permitir y son relativamente copiables.

- Los ASICs son rápidos, permiten realizar sistemas complejos y no son fácilmente copiables... Pero no toleran errores y resultan muy caros: Circuitos con máscara <0.18 µm 300k$ el lote.

• Siguiente crisis de la estandarización (µPs y ASICs incluidos)

- PROCESO HABITUAL con ASICs: estudio de mercado diseño HWdiseño SW fabricación verificación+documentación.

La complejidad genera errores tiempos de verificación muy altos. Pero la obsolescencia abre una ventana de aprox. 2 años

Consecuencia: presión sobre el diseñador los anteriores pasos no se efectúan secuencialmente ...

(posibilidad de desastre ... no olvidar la Ley de Murphy)

• Los circuitos digitales reconfigurables sobre el terreno (“field programmable”) han ayudado a solucionar este problema.

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Around 1978, it was clear that as prices were fallingand people could afford more powerful computers, larger models would be needed to serve the samemarkets, but the PDP-11 with its 16-bit addressregisters could not be easily extended, and a 32-bitarchitecture was designed.

Agosto 1981. IBM entra en el mercado de los ordenadores personales con el anuncio de su PC. Para celebrar aquella efeméride la compañía Applelanzó una enorme campaña publicitaria con anuncios a doble página en los que se leía: Welcome IBM¡.

1984. Telefónica anuncia su proyecto de construir una fábrica de chips en colaboración con la AT&T; el lugar escogido para su emplazamiento fue Tres Cantos.

La revista Novática publica un artículo de Luis Arroyo, Ingeniero de Telecomunicación y por entonces Director General de ENTEL, en el que por primera vez en el mundo se define el concepto "TELEMÁTICA" como fusión de las tecnologías informática y telecomunicaciones. Nueve meses más tarde se publicaría en Francia el Informe NORA consagrador de “Telematique”.


2007: En la URJC los alumnos de primero de Teleco de la URJC intentan adentrarse en el mundo digital…


EvoluciEvolucióón de los niveles de integracin de los niveles de integracióónnLey de Moore Nº de componentes x2 cada 18 meses

4004 (1971): 2.300 tr. Itanium 2 (2004): 592 M tr.

electrónica digital i - cursoelectronica.files.wordpress.com · 1 introducción a la electrónica...

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