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Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz

Realização física de circuitos lógicos


  Circuitos integrados digitais   Famílias lógicas   Níveis de tensão   Atrasos

  Lógica positiva, negativa e de polaridade   Realização usando ROMs

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Sistemas Digitais - Taguspark

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Mário Serafim Nunes Guilherme Silva Arroz 2010/2011


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Acções e processamento pretendidos

Funções lógicas

Circuitos electrónicos



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Funções Lógicas

Domínio Conceptual Portas Lógicas

Domínio Físico Circuitos integrados

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Terminal número 1

Cristal de silício — o circuito integrado propriamente dito



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Domínio Conceptual

Logigrama

Domínio Físico

Esquema eléctrico

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  Há várias tecnologias para os circuitos integrados digitais.

  As mais comuns são:   TTL   CMOS

  Não analisaremos as estruturas electrónicas de ambas as famílias.

  Apenas se referem alguns aspectos relacionados com o seu uso

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  Foi a mais utilizada no passado, tendo estabelecido todo um referencial de arquitecturas, critérios e normas.

  Tem um comportamento médio no que diz respeito à velocidade e ao consumo.

  Várias subfamílias com características diferenciadas, mas todas compatíveis entre si (74, 74LS, 74S, 74F, 74L,…).

  O CMOS tem circuitos com entradas e saídas compatíveis com TTL nos pin-outs (74HC e 74HCT) e electricamente (74HCT).

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  CMOS é, actualmente, a tecnologia mais utilizada.

  Inicialmente era uma tecnologia mais lenta que a TTL, consumindo muito menos potência.

  Hoje, essas diferenças desapareceram. Se se trabalhar com baixa velocidade o consumo é baixo. Se se usar alta velocidade o consumo de energia sobe.

  Existem também algumas subfamílias (4000, 74HC e 74HCT são as mais usadas).

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  Para construir um circuito podem usar-se portas construídas numa das tecnologias ou circuitos integrados mais complexos que utilizam de dezenas (contadores) a milhões de portas (microprocessadores).

  No que diz respeito a circuitos digitais que não microprocessadores é hoje frequente utilizar circuitos programáveis com muitas (até milhões) portas em que se podem programar as interligações entre as portas. FPGAs, por exemplo.

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  Os circuitos integrados são alimentados com tensão eléctrica cujo valor depende da família. No caso do TTL esse valor é de 5V ± 5%

  No caso do CMOS que utilizamos (74HCT) é de 5V ± 10%.

  O CMOS não compatível com TTL (74HC) pode ser alimentado entre 2V e 6V.

  Poder-se-ia admitir que o 0 lógico corresponde aos 0V e o 1 à tensão de alimentação.

  Não é assim.

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  Os níveis de tensão correspondentes ao 0 e ao 1 lógico podem ser definidos de várias formas como se verá adiante mas fazendo os níveis lógicos corresponder a intervalos de tensão e não a valores fixos.

  A razão principal é que não se consegue garantir um valor de tensão definido na saída de um integrado. O que se consegue definir é que a saída está dentro de um leque de valores.

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• O nível H, de HIGH, corresponde ao intervalo superior marcado na figura. • O nível L, de LOW, corresponde ao intervalo inferior.

Níveis de tensão à saída de um circuito TTL


  Mas as ligações entre as saídas de uma porta e as entradas da seguinte são sujeitas a ruído eléctrico.

  Por isso, um valor de tensão à saída de uma porta pode chegar com um valor ligeiramente diferente à entrada da porta seguinte.

  Os fabricantes resolvem isso, com intervalos de tensão H e L um pouco mais alargados nas entradas que nas saídas.

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Saída Entrada

Margem de Ruído = 0,4V

2,4V

0,4V

2,0V

0,8V


  Por vezes, em circuitos digitais, há entradas que “não é necessário” utilizar. Por exemplo quando se utiliza uma porta de 3 entradas para implementar uma porta de 2 para poupar integrados.

  É fundamental que essas entradas estejam ligadas a algo: um valor constante (0 ou 1) que não altere o funcionamento do circuito ou um sinal que não altere o funcionamento.

  Uma entrada “no ar” origina comportamentos erráticos por parte do circuito.

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  Dado que os circuitos integrados são dispositivos reais e físicos, não reagem instantaneamente a mudanças nas suas entradas.

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A figura ao lado representa um diagrama temporal.

O tempo de atraso ou de reacção ou de propagação é o tempo que decorre entre uma mudança numa entrada e a mudança consequente na saída.


  Em geral o valor dos tempos de atraso na passagem da saída de uma porta de L para H pode ser diferente do valor dos tempos de atraso na passagem de H para L.

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Por exemplo para o 74HCT08 o valor máximo do tempo de atraso nas duas hipóteses é igual a 30 ns para uma temperatura até 40ºC

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  Como se viu, a saída de uma porta pode assumir valores de tensão em dois intervalos denominados H e L.

  Do ponto de vista lógico tem-se vindo a falar de 0 e 1.

  Qual é a correspondência entre as duas visões?   Não há uma resposta única.

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  Usualmente faz-se corresponder os dois conjuntos de valores desta forma:

  A este tipo de correspondência denomina-se Lógica Positiva.

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Valor Lógico Nível de tensão

0 L

1 H

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  Em alternativa pode-se usar a correspondência inversa:

  A este tipo de correspondência denomina-se Lógica Negativa.

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Valor Lógico Nível de tensão

0 H

1 L


  Considere-se que se usa um 74HCT08.   O fabricante apenas garante a tabela em termos

de níveis lógicos que é (A e B são entradas e S é a saída)

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A B S

L L L

L H L

H L L

H H H

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  Se se usar lógica positiva, isto traduz-se por

que é tabela do AND e, portanto, S = A B.

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A B S

L L L

L H L

H L L

H H H

A B S

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1


  Mas se se usar lógica negativa, as coisas mudam.

A tabela lógica que se obteve é agora a tabela do OR S = A + B.

  Portanto a mesma porta física tem interpretações lógicas diferentes consoante se trabalha com lógica positiva ou negativa.

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A B S

L L L

L H L

H L L

H H H

A B S

1 1 1

1 0 1

0 1 1

0 0 0

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  Neste tipo de lógica não é feita a atribuição global para um circuito de nenhuma das anteriores convenções.

  As linhas do esquema interpretam-se conforme uma terminação que se adiciona ao nome.

  A_H, por exemplo, significa que, na linha com esse nome, quando A é 1, a linha está a HIGH e, portanto, na prática a linha está em lógica positiva.

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  B_L, por sua vez, significa que, quando B = 1 a linha está a LOW. A linha está, portanto em lógica negativa.

  Do mesmo modo a presença de um triângulo na entrada ou na saída de uma porta, indica que a porta intrepreta aquela entrada como estando em lógica negativa.

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  A menos que algo em contrário seja dito assume-se que se trabalha com lógica positiva.

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  Uma memória que apenas pode ser lida (e não escrita) denomina-se ROM do inglês Read only memory.

  As ROMs podem ser gravadas na construção de um circuito para depois serem lidas durante o seu funcionamento.

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Este é o esquema de princípio de uma ROM de oito palavras de quatro bits. Os quadrados indicam que nesses locais pode ou não haver ligação — a programação da ROM.



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  O conteúdo de uma ROM pode ser descrito por uma tabela. Por exemplo:

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  A tabela anterior corresponde à programação que se indica simplificando um pouco o diagrama. O x indica os pontos de ligação programados.



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  Num logigrama ou num esquema a ROM é representada por este símbolo mas o seu conteúdo tem de ser também indicado algures.

  Uma ROM pode ter muitas utilizações como se verá melhor em Arquitectura de Computadores.

  Uma muito interessante é a implementação de funções lógicas.

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  Uma ROM propriamente dita é um tipo de circuito construído para ter o conteúdo desejado e não pode ser alterado.

  Uma PROM é uma variante em que o circuito é programado pelo projectista.

  Uma EPROM é uma variante de PROM que pode ser reprogramada um certo número de vezes.

  Neste contexto, quando se refere ROM pode ser usada qualquer uma das suas variantes.



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  Considere-se, então uma função lógica de três variáveis com a tabela indicada

Esta tabela descreve a função. Mas uma tabela com a mesma estrutura pode ser a descrição do conteúdo de uma ROM com um bit de dados e três de endereço.

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  Repare-se que implementando uma função deste modo não é necessário minimizar a sua expressão, uma vez que a implementação é feita directamente a partir da tabela.

  Por outro lado, como as ROMs têm várias linhas de dados, a mesma ROM pode implementar várias funções simultaneamente.

  As ROMs comerciais têm um número de linhas de endereços e dados muito superior.



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  As vantagens deste tipo de abordagem são:   Número de circuitos integrados muito reduzido.   Facilidade de substituição das funções (basta

programar outra ROM.   Torna mais difícil fazer reverse engineering.

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  Livro recomendado, Capítulo 3 (secções 3.1 até 3.1.4 inclusive, 3.2.1, 3.5.1)

  Existem muitos livros com capítulos sobre o assunto.

  A Internet é, como de costume, uma fonte que, explorada com espírito crítico, tem muito para dar.

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