Sistemas Digitales. Tema 3. Circuitos Lógicos Combinacionales PDF
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Sistemas Digitales Tema 3. Circuitos Lógicos Combinacionales «Digital Design and Computer Architecture» (Harris & Harris). Chapter 1 (1.5 -‐ 1.7) / Chapter 2 (2.1 -‐ 2.9) Pablo Abad Pablo Prieto Torralbo Departamento de Ingeniería Informá2ca y Electrónica Este tema se publica bajo Licencia: Crea2ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0 Índice • Introducción: – Definición de CLC, Modelo matemá2co. – Del transistor a la puerta lógica. – Puertas Lógicas. – CLCs jerárquicos. • Análisis Temporal: – Tiempo de propagación. – Glitches. • Álgebra de conmutación: – Axiomas y teoremas. – Expresiones/Circuitos equivalentes. • Análisis y Síntesis: – Suma de Minterms. – Decodificador + OR. – ROM. Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 2 Introducción • Circuito Lógico Combinacional (CLC): – Definición: circuito encargado de procesar (transformar) las señales binarias (información digital). – Se puede representar como una «caja negra» (abstracción) con los siguientes componentes: • Una ó más entradas (señales binarias). • Una ó más salidas (señales binarias). • Funcionalidad describiendo la relación entre entradas y salidas. • Timing: determina el retraso entre el cambio de una entrada y la respuesta de una salida. * x0, x1, x2, w1 y w2 son señales x0(t) eléctricas binarias únicamente w0(t) w0(t) = f (x2(t), x1(t), x0(t)) x1(t) con dos posibles valores: 0 y 1 CLC x2(t) w1(t) w1(t) = g (x2(t), x1(t), x0(t)) vol[o (1980: 5 v.; 2011: 1 v). Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 3 Introducción • Circuito Lógico Combinacional (CLC): – Un ejemplo concreto: y(t) X(t) W(t) w(t) = F (x(t), y(t)) x(t) 0 v 0 v 0 v F w(t) 0 v 1 v 1 v 1 v 0 v 0 v y(t) Formulación exhaus[va 1 v 1 v 0 v x(t) t y(t) Respuesta instantánea t w(t) t Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 4 Introducción • Circuito Lógico Combinacional (CLC): – Modelado Matemá2co. Señales eléctricas binarias Variables Lógicas x(t), y(t), w(t) x, y, w Є {0,1} x(t) x F w(t) F w y(t) y w(t) = F (x(t), y(t)) w = F (x, y) func. lógica Formulación exhaus[va Tabla de Verdad y(t) X(t) W(t) x y w 0 v 0 v 0 v 0 0 0 0 v 1 v 1 v 0 1 1 1 v 0 v 0 v 1 0 0 1 v 1 v 0 v 1 1 0 Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 5 Introducción • Del Transistor a la Puerta Lógica: – El transistor fue inventado en 1947 por tres dsicos Americanos (John Bardeen, William Shockley, Walter Bragain) en los laboratorios de Bell Telephone. Ganaron el premio Nobel de dsica en 1956 por su hallazgo. – Esto hizo posible, en 1958, la fabricación del primer circuito integrado por Jack Kilby en Texas Instruments (1971, primer microprocesador comercial, Intel 4004). – Sin lugar a dudas, estos son algunos de los hechos más relevantes en electrónica en el siglo XX. Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 6 Introducción • Un poco de Física: – Para entender cómo funciona un transistor, tendremos que «descender hasta el átomo» (casi). – Lo haremos de manera «informal» (lenguaje coloquial). – Los expertos (Fundamentos Físicos, Tema 5) arrojarán mucha más luz sobre todo esto. – Orden lógico (cronológico): Fundam. Físicos -‐> Sistemas Digitales. Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 7 Introducción • El Transistor: – Disposi2vo electrónico que conmuta entre aislante y conductor al aplicar un nivel de tensión en uno de sus terminales (puerta). – Esquema Básico: Drain Actúa como un circuito cerrado Gate (conduce) entre Drenador y Fuente si se aplica una tensión posi2va en la Puerta. Source – Dos 2pos básicos (hay más): • Transistor Bipolar (BJT): U2lizado ámpliamente en electrónica analógica. • Transistor de Efecto de Campo (FET, MOSFET, MOS): empleado en electrónica digital (ICs). Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 8 Introducción • Semiconductores: – Los transistores MOS se construyen de Silicio, un material Semiconductor. Cristal de Silicio e-‐ e-‐ e-‐ El silicio no es conductor, ya que todos sus electrones de úl2mo nivel forman enlaces e-‐ e-‐ e-‐ Si Si Si (no hay e-‐ libres). e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ ee-‐-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ Dopado: Se añaden impurezas al silicio. Si añadimos As (grupo V), aparecen e-‐ que no Si e-‐ ASsi eee-‐-‐-‐ Si e-‐ e-‐ e-‐e -‐ e-‐ forman enlaces, y se mueven libremente. Este 2po de dopantes se denominan !po-‐n. e-‐ e-‐ e-‐ ee-‐-‐ e-‐ e-‐ eh-‐ + e-‐ e-‐ Si Si Si e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 9 Introducción • Semiconductores: – Los transistores MOS se construyen de Silicio, un material Semiconductor. Cristal de Silicio e-‐ e-‐ e-‐ El silicio no es conductor, ya que todos sus electrones de úl2mo nivel forman enlaces e-‐ e-‐ e-‐ Si Si Si (no hay e-‐ libres). e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ Dopado: Se añaden impurezas al silicio. Si añadimos As (grupo V), aparecen e-‐ que no e-‐ e-‐ e-‐ Si Si Si e-‐ e-‐ e-‐ forman enlaces, y se mueven libremente. Este 2po de dopantes se denominan !po-‐n. eee-‐-‐-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ e-‐ eh-‐ + e-‐ e-‐ Existen también los dopantes 2po-‐p (B, SBi Si Si ee-‐-‐e -‐ e-‐ e-‐ grupo III), que generan huecos al tener menos e-‐ en el úl2mo nivel. ee-‐-‐ e-‐ e-‐ Tema 3: Circuitos Lógicos Combinacionales 10
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