Curso Circuitos Digitales I

Circuitos lógicos combinacionales y tecnologías para implementación de circuitos combinacionales

Departamento de Ingeniería ElectrónicaGrupo de Microelectrónica - Control

Universidad de Antioquia

Un ejemplo de un sistema digital…

° 1971 – Intel 4004: primer microprocesador del mundo: 2300 transistores, menos de 1000 puertas lógicas, 60.000 operaciones por segundo; capacidad de procesamiento semejante a la ENIAC.

                                             

Diseñador: Federico Faggin - Intel (F. Faggin and M.E. Hoff: "Standard parts and custom design merge in four-chip processor kit". Electronics/April 24, 1972, pp. 112-116

Tecnologías: - Se usa transistores MOS para implementar las puertas lógicas.- Creo una nueva metodología de diseño llamada "random logic design"

Procesador digital de 4 bits

Un sistema construido previamente en otra tecnología° 1942-1945. Diseño y desarrollo de la ENIAC por J. Presper Eckert e

John W. Mauchly de la Universidad da Pensilvania (EUA): primer computador de propósito general

                                                  

                         

Totalmente digital !

Físicamente, la ENIAC tenía 17.468 tubos de vacío, 7.200 diodos de cristal, 1.500 relés, 70.000 resistencias, 10.000 condensadores y 5 millones de soldaduras. .

Otros sistemas digitales…

Algunos procesadores más recientes…:

° Intel Pentium 4/2200: Clock de 2.2 GHz, 55 millones de transistores, 146mm2 de área.

° AMD Athlon XP 2000+: Clock de 1.66 GHz, 37.5 millones de transistores, 128 mm2 de área.

Otros sistemas digitales… FPGA

Dispositivo semiconductor que contiene “bloques de lógica” cuya interconexión y funcionalidad se puede programar. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las de una puerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas digitales.

Metas del curso

Estudiar los conceptos básicos relacionados con los componentes fundamentales (puertas lógicas, Flip-flops, registros, bloques básicos) utilizados en la implementación de circuitos digitales.

Estudiar los aspectos metodológicos básicos para el diseño de circuitos digitales combinacionales y secuenciales de mediana complejidad.

Comprender los métodos de especificación basados en lenguajes de descripción de hardware usados en el diseño de sistemas digitales y los conceptos básicos relacionados con la transformación de esas especificaciones en “redes lógicas” (constituidas de la interconexión de componentes fundamentales).

Adquirir habilidades en el uso de herramientas (CAD) para el diseño de circuitos digitales con FPGAS.

Comprender “como” todos estos conceptos son usados en el mundo real y “porqué” es importante para nosotros conocerlos..

Metodología

Durante el curso se realizarán 26 reuniones académicas para analizar y complementar los conceptos teóricos, realizar ejercicios, asignar ejercicios complementarios y realizar las evaluaciones. Habrán talleres prácticos relacionados con cada tema.

Los estudiantes dispondrán de un horario de atención: Lunes de 2-4 P.M. en el sala 18-330 (Lab. Microelect.) Jueves de 2-4 P.M. en el sala 18-330

Consultas también se pueden realizar por correo electrónico a: joseaedo@udea.edu.co, Se puede consultar información adicional sobre el curso en la página: http://microe.udea.edu.co

Evaluación del curso

1. Se realizarán 3 evaluaciones cada uno con un valor del 25%

2. Se realizarán al menos 7 exámenes cortos de 20 minutos de duración cada uno.

Para el cálculo de nota final se considerarán los 5 mejores exámenes.

Los exámenes cortos serán de escogencia múltiple y el

número de preguntas se ajustará para que el examen tenga una duración de 20 minutos.

Valor del promedio será del 25 %.

Temas cubiertosIntroducción lógica combinacional

Introducción a variables lógicas y compuertas lógicas.Sistemas numéricos y métodos de conversiónTipos de datos y sus representaciones.Implementación de Funciones Lógicas.Expresiones Estándar y técnicas de minimización (Mapas de Karnaugh, Quick Maclosky. Técnicas simplificación multinivel) Introducción al modelo de circuitos combinacionales usando lenguajes de descripción de hardware (tutorial de Verilog y VHDL ).Aspectos tecnológicos de la implementación física de compuertas lógicas: Fan-out, disipación de potencia, atraso de propagación, Familias lógicas (alternativas tecnológicas para la implementación física).

Temas cubiertos

MÓDULOS COMBINACIONALES Multiplexores y Decodificadores Codificadores y Demultiplexores Sumadores y comparadores Unidad Aritmético Lógica (ALU) Modelos de abstracción de circuitos digitales Descripción comportamental, “data flow” y estructural . Modelado con VHDL y Verilog

Introducción lógica SecuencialElementos básicos: Latch JK y T, FlipFlops.Registros.Registros de DesplazamientoContadores Asíncronos y síncronos.

Temas cubiertosIntroducción lógica Secuencial (continuación)

Estrategias para el uso del reloj. Análisis de timingModelado con VHDL y Verilog a nivel RTL. Introducción al diseño y síntesis de sistemas secuenciales Máquinas de Estado finito (MEF). Métodos de síntesis. Memorias: ROM, RAM, Banco de Registrados, FIFOs, EPROM,EEPROM ( modelado en Verilog y VHDL). Dispositivos lógicos programables .Casos de estudio de circuitos secuenciales y aritméticos.

Temas cubiertos

Introducción a los circuitos digitales asíncronos-Circuitos asíncronos de modo pulso-Síntesis de circuitos de modo pulso-Análisis de circuitos de modo fundamental-Síntesis de circuitos de modo fundamental-Competencias, ciclos y riesgos

Bibliografía Básica

• “Contemporary logic design”, Randy H. Katz and Gaetano Boriello Second Edition, 2006. • “Fundamentos de diseño lógico”, Charles H. Roth Jr., Quinta edición,

Thomson 2005. • “ Principles of digital design”, Daniel D Gajski, Prentice Hall, 1997.

• Digital Design Principles and Practices, Fourth Edition, John F. Wakerley, fourth edition, 2005

• NELSON, Victor P, H. Troy Nagle, Bill D. Carroll y J. David Irwin, “Análisis y Diseño de Circuitos Lógicos Digitales. Prentice Hall,

1996. 842p”.

• “HDL chip design”, Douglas J. Smith, Doone Publications, 1996.

• Manuales y artículos según el tema tratado.

Como construye un sistema con > 1G componentes

Switche cerrado(if A is “1” or

asserted) prende el bombillo (Z)

A Z

switch abierto (if A is “0” or

unasserted) apaga el bombillo (Z)

Switches: elementos básicos de implementación de un circuito digital.

Construcción de un circuito simple (Flecha muestra la acción si el “alambre” “1”):

Z A

AZ

AND

OR

Z A and B

Z A or B

A B

A

B

Switches (conti…)

Composición de switches en funciones más complejas (Boolean functions):

Redes de conmutación (Switching Networks)

- Switch Activados (settings) Determinan si existe un camino de conducción para

encender el bombillo

- Para construir funciones complejas (larger computations) Use la salida del bombillo (output of the network) to

“comandar” otras redes (inputs to another network)

- Redes de conmutación interconectadas (Interconnect switching networks)Construyendo grandes redes, i.e., conectando las

salidas de una red a las entradas de la próxima.

Redes de transistores (Transistor Networks)

Sistemas digitales modernos son diseñando usando tecnología CMOS MOS: Metal-Oxide Semiconductor (transistor

MOS) C significa complementario: se consideran

switches normalmente abierto y normalmente cerrados

Los transistores MOS se pueden usar como switches controlados por voltaje: Similar, aún que más fácil de trabajar, que los

relés

n-channelopen when voltage at G is low

closes when:voltage(G) > voltage (S) +

p-channelclosed when voltage at G is low

opens when:voltage(G) < voltage (S) –

Transitores MOS

Tres terminales: drain (D, dreno), gate (G, compuerta), y source (S, fuente)

Acción como Switch: Ejemplo del transistor canal n:si el voltaje sobre la puerta es (en alguna cantidad) más alto que el que hay sobre el terminal de fuente entonces un camino de conducción se establece entre los terminales de dreno y la fuente (el transistor canal p funciona con voltaje en la compuerta menor que en la fuente)

G

S D

G

S D

3v

X

Y 0 volts

x y

3 volts0v

what is the relationship

between x and y?

Redes MOS (MOS Networks)

x y z

0 volts

3 volts

0 volts

3 volts

0 volts

0 volts

3 volts

3 volts

what is the relationship

between x, y and z?

Redes MOS con dos entradas (Two Input Networks)

3v

X Y

0v

Z

3v

X Y

0v

Z

Taller en clase (40 minutos)

Funciones lógicas básicas: Not (inversor), AND, OR, NAND y NOR.

Tablas de verdad. Implementación con interruptores y tecnología CMOS.

Introducción a los símbolos para cada función.