Unidad Didáctica I: Circuitos de Lógica Digital y Componentes Digitales

Circuitos de Lógica Digital

1.1 Compuertas lógicas

Compuertas lógicas:

Una compuerta lógica es un circuito

lógico cuya operación puede ser definida

por una función del álgebra lógica, cuya

explicación no es el objeto de esta obra.

Veamos entonces las compuertas lógicas básicas, para ello definamos el

término “tabla de la verdad”, por utilizarse a menudo en las técnicas digitales.

Se llama tabla de verdad de una función lógica a una representación de la

misma donde se indica el estado lógico “1” o “0” que toma la función lógica

para cada una de las combinaciones de las variables de las cuales depende.

Inversor:

Un inversor es un circuito lógico que tiene una sola entrada y una sola salida.

La salida del inversor se encuentra en el estado lógico “1” si y solo si la entrada

se encuentra en el estado lógico “0”. Esto significa que la salida toma el estado

lógico opuesto al de la entrada.

Compuerta lógica AND :

Las puertas lógicas AND (o Y en castellano) son circuitos de varias entradas y

una sola salida, caracterizadas porque necesitan disponer de un nivel 1 en

todas las primeras para que también la salida adopte ese nivel.

Basta con que una o varias entradas estén en el nivel 0 para que la salida

suministre también dicho nivel. Todas las unidades AND o derivadas del AND,

deben tener señal simultánea en todas sus entradas para disponer de señal de

salida

Observando el funcionamiento de la unidad AND se comprende fácilmente que

las entradas pueden ser aumentadas indefinidamente. Las compuertas AND

pueden tener más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si cualquier

entrada es 1.

Compuerta lógica NAND:

La función NO-Y, llamada mas comúnmente NAND es la negación de la

función Y (AND) precedente. Así como en una puerta Y se necesita que exista

nivel 1 en todas las entradas para obtener el mismo nivel en la salida, en una

NAND el nivel de la salida seria 0 en las mismas condiciones. Por el contrario,

cuando hay un nivel 0 en alguna de las entradas de una puerta Y la salida esta

a nivel 0, mientras que en iguales circunstancias en una puerta NAND el nivel

de salida seria 1. Una designación más adecuada habría sido AND invertido

puesto que Es la función AND la que se ha invertido

Compuerta lógica OR:

La función reunión, también llamada O, al traducir su nombre ingles OR, es la

que solo necesita que exista una de sus entradas a nivel 1 para que la salida

obtenga este mismo nivel. La expresión algebraica de esta función, suponiendo

que disponga de dos entradas, es la siguiente: s = a + b. Es suficiente que

tenga señal en cualquiera de sus entradas para que de señal de salida (OR).

Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la

salida es 1 si cualquier entrada es 1.

Compuerta lógica NOR:

La función NOR consiste en la negación de la O, o sea, así como esta

suministra nivel 1 a su salida si cualquiera de las entradas que posee está a

nivel 1, una puerta NOR se comporta justamente al revés. En la función NOR

es suficiente aplicarle una cualquiera de sus entradas para que niegue su

salida. la NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el

complemento de las funciones AND u OR, respectivamente.

Compuerta lógica EX - OR :

La función O exclusiva (“exclusive OR” según el idioma ingles) se caracteriza

porque su salida esta a nivel 1 siempre y cuando también lo estén un número

impar de sus entradas.

Para conseguir la función O exclusiva de 3 entradas pueden usarse funciones

O exclusiva de dos entradas para acoplarse entre si.

Compuerta lógica EX - AND:

La función Y exclusiva (exclusive AND en inglés) se emplea para verificar

comparaciones entre sus entradas. En efecto su salida presenta nivel 1 cuando

sus entradas se encuentran en el mismo nivel, sin importar que dicho nivel sea

1 o 0

Compuerta lógica EX - NOR:

Es la función negada de la compuerta EX - OR y es el contrario de la EX - OR,

su salida presenta nivel 1 cuando sus entradas se encuentran en el mismo

nivel, sin importar que dicho nivel sea 1 o 0, al igual que las EX - AND

Compuerta lógica EX - NAND :

Es la función negada de la compuerta EX - AND y es el contrario de la EX -

AND, Para conseguir la función O exclusiva de 3 entradas pueden usarse

funciones O exclusiva de dos entradas para acoplarse entre si.

1.2 Simplificación por mapas

Un método general para simplificar un circuito consiste en encontrar primero la

función booleana que representa el circuito, luego simplificar la función y

finalmente dibujar el circuito de la función simplificada.

Surgen algunos problemas o inconvenientes e la simplificación de circuitos. A

veces puede ser difícil o imposible decir, sólo por la forma de la función

booleana, cual de varios circuitos es le más simple. El mejor circuito puede

depender del costo relativo del alumbrado y de los conmutadores requeridos.

Si se usan solamente las leyes del álgebra booleana puede suceder que una

posible simplificación pudiera ser omitida. También es posible que cierto paso

sea más fácil de reconocer si se expresa en términos de una de las leyes

duales en lugar de la otra; por lo anterior se sugiere otro método de

simplificación que puede ser útil y es el siguiente: para simplificar una función f

se toma el dual de f y se simplifica la expresión resultante. Si se toma otra vez

el dual, se obtiene de nuevo la función f pero en una forma diferente que,

generalmente, será más simple que la original.

1.3 Flips-Flops

Un biestable también llamado báscula (flip-flop en inglés), es un multivibrador

capaz de permanecer en un estado determinado o en el contrario durante un

tiempo indefinido. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica

digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza

variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables

se dividen en:

Asíncronos: Sólo tienen entradas de control. El más empleado es el

biestable RS.

Síncronos: Además de las entradas de control posee una entrada de

sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de

sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por lo

general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las síncronas.

La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por

flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados

por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK,

T y D.

Componentes Digitales

2.1 Circuitos Integrados

Un circuito integrado (CI) es una pastilla o chip

muy delgado en el que se encuentran miles o

millones de dispositivos electrónicos

interconectados, principalmente diodos y

transistores, y también componentes pasivos

como resistencia o capacitores. Su área puede

ser de un cm2 o incluso inferior. Algunos de los

circuitos integrados más avanzados son los

microprocesadores que controlan múltiples artefactos: desde computadoras

hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles.

La fabricación de circuitos integrados es un proceso complejo y en el que

intervienen numerosas etapas. Cada fabricante de circuitos integrados tiene

sus propias técnicas que guardan como secreto de empresa, aunque las

técnicas son parecidas.

Los dispositivos integrados pueden ser tanto analógicos como digitales, aunque

todos tienen como base un material semiconductor, normalmente el silicio.

2.2 Codificadores y Decodificadores

Un codificador es un bloque combinacional hecho para convertir una entrada

no binaria en una salida de estricto orden binario. En otras palabras, es un

circuito integrado por un conjunto de componentes electrónicos con la habilidad

para mostrar en sus terminales de salida un word binario (01101, 1100, etc.),

equivalente al número presente en sus entradas, pero escrito en un código

diferente. Por ejemplo, un Octal-to-binary encoder es un circuito codificador con

ocho entradas (un terminal para cada dígito Octal, o de base 8) y tres salidas

(un terminal para cada bit binario).

Los codificadores pueden, también, proporcionar otras operaciones de

conversión, tal como ocurre en las calculadoras de bolsillo con el teclado: El

Keyboard (teclas, llaves) encoder convierte la posición 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 de 7 bits 0100101

cuando es presionada la tecla del porcentaje(%).

El decodificador es un circuito combinacional diseñado para convertir un

número binario (entrada) en word de "unos" y "ceros" (niveles altos y bajos de

voltaje) con un orden distinto, para ejecutar un trabajo especial. En otras

palabras, el word que sale es diferente al word que entró, aunque tenga la

misma cantidad de bits. En Electrónica Digital es a menudo necesario pasar un

número binario a otro formato, tal como el requerido 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 individual número decimal.

Los decodificadores son también usados en los microprocesadores para

convertir instrucciones binarias en señales de tiempo, para controlar máquinas

en procesos industriales o implementar circuitos lógicos avanzados. El

decodificador convierte números binarios en sus equivalentes Octales (base 8),

decimales (base 10) y Hexadecimales (base 16).

2.3 Registros

En arquitectura de ordenadores, un registro es una memoria de alta velocidad y

poca capacidad, integrada en el microprocesador, que permite guardar y

acceder a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas.

Los registros están en la cumbre de la jerarquía de memoria, y son la manera

más rápida que tiene el sistema de almacenar datos. Los registros se miden

generalmente por el número de bits que almacenan; por ejemplo, un "registro

de 8 bits" o un "registro de 32 bits". Los registros generalmente se implementan

en un banco de registros, pero antiguamente se usaban biestables individuales,

memoria SRAM o formas aún más primitivas.

El término es usado generalmente para referirse al grupo de registros que

pueden ser directamente indexados como operandos de una instrucción, como

está definido en el conjunto de instrucciones. Sin embargo, los

microprocesadores tienen además muchos otros registros que son usados con

un propósito específico, como el contador de programa. Por ejemplo, en la

arquitectura IA32, el conjunto de instrucciones define 8 registros de 32 bits.

Tipos de registros

Los registros de datos son usados para guardar números enteros. En

algunas computadoras antiguas, existía un único registro donde se

guardaba toda la información, llamado acumulador.

Los registros de memoria son usados para guardar exclusivamente

direcciones de memoria. Eran muy usados en la arquitectura Harvard, ya

que muchas veces las direcciones tenían un tamaño de palabra distinto que

los datos.

Los registros de propósito general (en inglés GPRs o General Purpose

Registers) pueden guardar tanto datos como direcciones. Son

fundamentales en la arquitectura Von Neumann. La mayor parte de las

computadoras modernas usa GPRs.

Los registros de coma flotante son usados para guardar datos en formato

de coma flotante.

Los registros constantes tienen valores creados por hardware de sólo

lectura. Por ejemplo, en MIPS el registro $zero siempre vale 0.

Los registros de propósito específico guardan información específica del

estado del sistema, como el puntero de pila o el registro de estado.

2.4 Unidad de Memoria

Los registros de un computador digital pueden ser clasificados del tipo

operacional o de almacenamiento. Un circuito operacional es capaz de

acumular información binaria en sus flip-flops y además tiene compuertas

combinacionales capaces de realizar tare as de procesamiento de datos.

Un registro de almacenamiento se usa solamente para el almacenamiento

temporal de la información binaria. Esta información no puede ser alterada

cuando se transfiere hacia adentro y afuera del registro. Una unidad de

memoria es una colección de registros de almacenamiento conjuntamente con

los circuitos asociados necesarios par a transferir información hacia adentro y

afuera de los registros. Los registros de almacenamiento en una unidad de

memoria se llaman registros de memoria.

La mayoría de los registros en un computador digital son registros de memoria,

a los cuales se transfiere la información para almacenamiento y se encuentran

pocos registros operacionales en la unidad procesadora. Cuando se lleva a

cabo el procesamiento de datos, la información de los registros seleccionados

en la unidad de memoria se transfiere primero a los registros operacionales en

la unidad procesadora. Los resultados intermedios y finales que se obtienen en

los registros operacionales se transfieren de nuevo a los registros de memoria

seleccionados. De manera similar, la información binaria recibida de los

elementos de entrada se almacena primero en los registros de memoria. La

información transferida a los elementos de salida se toma de los registros en la

unidad de memoria.

Una unidad de memoria almacena información binaria en grupos llamados

palabras, cada palabra se almacena en un registro de memoria. Una palabra

en la memoria es una entidad de n bits que se mueven hacia adentro y afuera

del almacenamiento como una unidad. Una palabra de memoria puede

representar un operando, una instrucción, o un grupo de caracteres

alfanuméricos o cualquier información codificada binariamente.

La comunicación entre una unidad de memoria y lo que la rodea se logra por

medio de dos señales de control y dos registros externos. Las señales de

control especifican la dirección de la trasferencia requerida, esto es, cuando

una palabra debe ser acumulada en un registro de memoria o cuando una

palabra almacenada previamente debe ser transferida hacia afuera del registro

de memoria. Un registro externo especifica el registro de memoria particular

escogido entre los miles disponibles; el otro especifica la configuración e bits

particular de la palabra en cuestión.

Referencia Bibliográfica

http:// www.electronica2000.com

http://www.micropik.com/provisional/pag_cir_int.htm