En este curso aprenderemos los fundamentos del diseño de los circuitos digitales actuales, siguiendo una orientación eminentemente práctica. A diferencia de otros cursos más "clásicos" de Circuitos Digitales, nuestro interés se centrará más en el Sistema que en la Electrónica que lo sustenta. Este enfoque nos permitirá sentar las bases del diseño de Sistemas Digitales complejos. Se trata de un curso muy adecuado para estudiantes de primeros cursos de carreras de Ingenierías cercanas a las TIC (Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones), y para todas aquellas personas que deseen introducirse en el mundo de los Sistemas Digitales. Por otra parte, este primer curso de Sistemas Digitales es un paso obligado para aquellas personas que deseen posteriormente profundizar en temas como el hardware de computadores y/o los circuitos integrados de aplicación específica, con todas las aplicaciones que ello implica (robótica, biónica, control industrial, etc.). Al acabar el curso serás capaz de: * Diseñar Sistemas Digitales de complejidad media. * Comprender la descripción de Sistemas Digitales mediante lenguajes de alto nivel como VHDL. * Comprender el funcionamiento de los computadores a su nivel más básico (lenguaje máquina), así como su materialización e interpretación a través de sistemas digitales algorítmicos. ACLARACIONES * Puedes realizar el curso de manera gratuita. Con ello puedes acceder a todo los contenidos (vídeos, lecturas, cuestionarios, foros). Sin embargo, no permite la opción de obtener un certificado. * Obtener el certificado implica cumplir una serie de requisitos, entre los cuales, abonar el coste asociado.
Lección L1.3. (1/2) Sistemas electrónicos digitales
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Do curso por Universitat Autònoma de Barcelona
Sistemas Digitales: De las puertas lógicas al procesador
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Universitat Autònoma de Barcelona
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¿Qué son los Sistemas Digitales?
<b><font size=4 color=#B22222><b>Clicka en "v Más" para leer cuales son los objetivos de este módulo</b></font> </b><br/><br/><b>TEMA 1:</b><br/>Este módulo es una introducción a los sistemas digitales. Contiene: <ol><li>Los vídeos de las lecciones_L y los ejercicios correspondientes, y </li><li>Dos vídeos_P en los que se introduce el procesador que iremos diseñando a lo largo del curso. </ol><br/> Lee el "Índice de las lecciones" para más informació.
Conheça os instrutores
Elena ValderramaProfessor
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
Jean-Pierre DeschampsProfessor
Lluis TerésProfessor
Centro Nacional de Microelectrónica del CSIC
Merce RullanProfesoraTitular
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
Joaquín Saiz AlcaineIngeniero Informático
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
David BañeresProfesor Agregado
Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación. UOC.
Juan Antonio MartínezCollaborator
APSI - UAB
En los dos primeros temas de este curso hemos hablado de los sistemas digitales.
En el primer tema definimos lo que entendemos por un sistema digital y
en el segundo tema hablamos de cómo podemos definir su comportamiento
explícitamente, como tabla, como algoritmo, jerárquicamente, etc.
En este tercer tema, vamos a ver qué son los sistemas digitales electrónicos.
Y vamos a ver, vamos a hablar de los componentes más sencillos que
permiten definir y construir estos sistemas electrónicos.
Una observación preliminar:
Cuando hablamos de sistemas reales, el sistema real es una cosa muy grande.
Son sistemas que habitualmente contienen unos ciertos dispositivos de entrada,
como pueden ser teclados, como pueden ser por ejemplo sensores de temperatura
en el caso de controlador de la caldera, interruptores, etc.
Contienen también una serie de dispositivos de salida, motores,
por ejemplo el display que utilizamos en el 7-segmentos que
utilizamos en el cronómetro, altavoces, teclados, etc., etc.
También tienen una serie de dispositivos que nos
permiten convertir las señales que vienen de los dispositivos de entrada en
señales electrónicas discretas que van a ser entendibles por nuestra electrónica.
Y también sistemas de conversión que cogen las salidas de nuestra electrónica,
salidas que son señales discretas que son capaces de convertirlas
convenientemente para que sean capaces de controlar los dispositivos de salida.
Y finalmente en el centro está el kernel, digamos, que es el que realiza el
procesado de todos los datos de entrada para generar, dependiendo de ellos,
los datos de salida.
Bien, esta parte central es el sistema electrónico digital y
en esta parte es dónde nos vamos a centrar a lo largo de todo el curso.
No nos van a preocupar demasiado ni los dispositivos de salida,
ni todo lo que son dispositivos de entrada.
Las entradas y salidas de un sistema electrónico digital, bueno pues ...
son datos convenientemente codificados en forma de señales eléctricas discretas
y, en concreto, en forma de señales eléctricas que sólo pueden tomar 2 valores,
el 0 y el 1.
¿Con qué tipo de códigos se codifican estos datos?
Pues la verdad es que esto depende, ¿no?
Los números, por ejemplo, se suelen codificar expresándolos simplemente en
base 2, en código binario; los datos alfanuméricos
utilizan códigos como el ASCII o algunos otros, etc., etc.
Hablemos ahora de los componentes digitales.
Cuando hablamos de la representación jerárquica decíamos que esta se basaba en
la existencia previa de un catálogo de componentes.
Pues vamos a ver cuáles podrían ser estos componentes básicos,
esos elementos del catálogo.
Decíamos que,
en primer lugar vamos a hablar de lo que es la codificación binaria.
Decíamos que los datos se codifican en forma binaria, ¿no?
Pero, la pregunta sería, vale los datos los codificamos con 0s y 1s pero,
¿qué significa el 0 y el 1 dentro del sistema electrónico?
¿Qué significado electrónico tiene el 0 y el 1?
Bueno, lo que se hace es que se definen dos niveles de tensión,
el nivel de tensión alto y bajo. V<sub>L</sub> viene de V-low,
nivel de tensión bajo y V<sub>H</sub> de V-high, nivel de tensión alta ¿vale?
Se identifican cada uno de estos niveles de tensión con un 0 y con el 1.
Por ejemplo, si estamos trabajando con un circuito que se
alimenta a 5 voltios, el 0 voltios se identifica con el
0 lógico y las tensiones cercanas a 5 voltios,
que es la tensión de alimentación, se asocian, se identifican, con el 1.
Nosotros vamos a seguir este ejemplo porque es mucho más sencillo:
Vamos a suponer que nuestro dispositivo se alimenta entre 0 y 1 voltio,
y simplemente vamos a decir que 0 voltios representa el
0 lógico y 1 voltio representa el 1 lógico.
Los componentes del catálogo se construyen con transistores.
Y hoy en día,
la inmensa mayoría de los componentes se construyen además con transistores MOS.
De una manera sencilla, un transistor MOS es un dispositivo electrónico que
tiene tres terminales, la puerta, la fuente y el drenador,
tal es que el terminal de puerta controla el paso de corriente de la fuente
al drenador, deja pasar o no pasar corriente entre fuente y drenador.
Esto más adelante veremos que significa con bastante más detalle.
Se trabaja con dos tipos de
transistores MOS, el N-MOS y el P-MOS.
Cuyos símbolos veis aquí, fijaros que son
muy similares salvo que en el caso del P-MOS aquí tenemos un pequeño círculo.
Aquí tenemos un transistor N-MOS y
vamos a ver qué pasa en distintas situaciones,.
Vamos a empezar analizándolo por aquí, por los circuitos a la derecha.
Si la puerta la ponemos a una tensión baja, a 0 voltios, el transistor se
comporta hemos dicho como un interruptor que queda permanentemente abierto.
Y el drenador, por lo tanto, queda en circuito abierto, queda
eléctricamente desconectado del resto del circuito independientemente del
valor que tengamos en el emisor.
Si la puerta está a una tensión alta,
1 voltio, y por el emisor tenemos 0 voltios, simplemente al
cabo de un instante de tiempo estos 0 voltios se transmiten al drenador.
Todo funciona bien. El problema es si en el emisor tenemos 1 voltio.
El voltio, la tensión esta alta, en el transistor nMOS no consigue
transmitirse perfectamente bien es decir, conseguiríamos que el drenador
estuviese a una tensión mayor que 0, pero que no llegaría a ser de 1.
Es decir, dicho de otra manera, el transistor N-MOS transmite bien los 0s,
las tensiones bajas, pero no transmite tan bien los 1s.
Si nos vamos al transistor P-MOS sucede algo muy parecido:
Otra vez empezamos por aquí, por la derecha.
Os recuerdo que el transistor P-MOS cuando la tensión de puerta es
alta es cuando queda en permanentemente abierta,
cuando actúa como un switch, como un interruptor permanentemente abierto.
Supongamos que en la puerta le aplicamos una tensión alta de 1
voltio, esto se comportará como un interruptor abierto y
por lo tanto el drenador queda en circuito abierto independientemente de
la tensión que hayamos aplicado al emisor.
Por el contrario, si la puerta la ponemos a 0 voltios y en el emisor
colocamos 1 voltio, este voltio se transmite perfectamente bien al drenador
pero si colocamos 0 voltios, estos 0 voltios no se transmiten bien al drenador.
Es decir, el drenador se queda a una tensión algo más alta que 0 voltios.
O sea, hemos dicho de otra manera que
el transistor P-MOS se comporta de una manera complementaria ¿no?
al transistor N-MOS: transmite bien los 1s pero no transmite tan bien los 0s.
Debido a esta asimetría en la facilidad con que se transmiten los 0s y
los 1s, los ciruitos CMOS, que es el tipo de circuitos con el que vamos a
trabajar, utilizan ambos transistores,
usando uno u otro dependiendo de el valor que se quiera transmitir.
Sabiendo esto, ahora ya estamos en condiciones de ver como es la puerta
lógica más sencilla, la primera puerta lógica: el inversor CMOS.
El inversor CMOS está formado por dos transistores,
un transistor P-MOS y un transistor N-MOS,
conectado como muestra esta figura. Vamos a analizar su funcionamiento.
Supongamos, primer caso, que por la tensión de entrada aparece un 0,
la tensión de entrada está a 0 voltios, quiere decir que las puertas de
los dos transistores están a 0 voltios.
El transistor N-MOS, como hemos dicho, cuando la puerta se pone a 0 se
comporta como un interruptor en circuito abierto, quiere decir que aísla,
que deja aislada la salida de este 0 de aquí.
Un poco el símil es como si aquí simplemente no existiera ningún
transistor y por lo tanto, la salida ha quedado desconectada de esta tierra.
Por otro lado, el transistor P-MOS funciona al revés es decir,
cuando la tensión de puerta es 0 es cuando actúa como un interruptor cerrado y
por lo tanto, transmite este 1 a la salida;
este 1 se transmite aquí.
Y además recordad que el transistor P-MOS es el que transmite bien los 1s.
Es decir, resumiendo, si la tensión de entrada es 0,
la tensión de salida es 1.
Vamos a ver el siguiente caso, dejadme primero borrar.
Vamos a ver ahora qué pasa si por la tensión de entrada,
la tensión de entrada la aplicamos un 1,
le aplicamos 1 voltio.
Otra vez, ambas puertas de los dos transistores se colocan a 1 voltio y
ahora es el transistor P el que actúa como circuito abierto y,
por lo tanto, aísla la salida de este valor de 1 voltio.
Otra vez como si,
aquí no hubiese transistor y por lo tanto ha quedado aislada la salida de la
tensión de alimentación que tenemos aquí.
¿Qué pasa ahora con el transistor N-MOS?
El transistor N-MOS actúa como un interruptor cerrado y
por lo tanto transmite este 0 a la salida. Es decir, resumiendo,
si la tensión de entrada es 1 voltio, la tensión de salida es 0 voltios.
Esto lo podemos resumir fácilmente diciendo que el inversor es un dispositivo
que si le entran 0 voltios saca 1 voltio o hablando con más precisión,
si le entran 0 voltios sale una tensión cercana a la tensión de alimentación,
que aquí estamos suponiendo que es un voltio y si le entra una
tensión cercana a la tensión de alimentación sale un 0.
Y este es el símbolo del inversor.
La puerta NAND es otro de los elementos esenciales de los sistemas digitales.
La puerta NAND de dos entradas se construye conectando en serie dos
transistores N-MOS y conectando en paralelo dos transistores P-MOS.
Fijémonos, que para que esta tierra,estos 0 voltios puedan transmitirse
a la salida necesitamos que los dos transistores N-MOS estén actuando
como interruptores cerrados, dejando pasar la información, es decir, necesitamos
que la tensión de entrada 1 y la tensión de entrada 2 sean de 1 voltio.
Además, si estas dos tensiones son de 1 voltio quiere decir que aquí también
tendremos 1 voltio, aquí tendremos 1 voltio y puesto que este voltio está
entrando a la puerta de transistores P-MOS, estos transistores P-MOS quedan,
aíslan eléctricamente la salida de la tensión esta de alimentación.
Es decir, si las dos entradas son 1 y sólo en este caso,
el 0 que tenemos aquí se transmite a la salida.
En cualquier otro caso, que tengamos un 0 o bien por aquí, o bien por aquí,
o bien por ambos, será la parte de los transistores N-MOS la que quedará
eléctricamente desconectada y al menos uno de estos transistores P-MOS conducirá.
Con lo cual, este 1 que tenemos aquí se transmitirá a la salida.
Es decir, resumiendo el comportamiento de la puerta NAND de dos entradas:
Sólo cuando las dos entradas son 1 la salida toma el valor 0,
y en cualquier otro caso
al menos uno de estos dos transistores estará cortando este paso y al menos
uno de los dos transistores P-MOS estará transmitiendo este 1 a la salida.
Este es el símbolo de la puerta NAND de dos entradas.
Os dejo con un par de preguntas para ver si
habéis comprendido estos funcionamientos.
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