Sistemas Digitales. Tema 1. Introducción...Pablo Abad Fidalgo y Pablo Prieto Torralbo Keywords Sistema Digital; Representación Binaria; Puerta Lógica; Circuito Combinacional; Circuito

Tema 1. Introducción

Sistemas Digitales

Pablo Abad Pablo Prieto Torralbo

Departamento de Ingeniería Informá2ca y Electrónica

Este tema se publica bajo Licencia: Crea2ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

Índice

•   Definición: –  Definición de sistema digital. –   Componentes y Elementos básicos.

•   Analógico Vs Digital: –   Sistemas analógicos, digitales y mixtos. –  Un ejemplo: DSP.

•   Obje@vo Final: El Computador: –   Propósito general. –  Abstracción.

2 Tema 1: Introducción

Definición


Definición

•   Sistema Digital: circuito electrónico capaz de comunicar/almacenar/procesar información digital.

•   Información Digital: datos codificados mediante un vector de dígitos.

•   Dígito: elemento de un conjunto de símbolos finito: –   Decimal: 10 símbolos (0, 1, 2…).

–   BIT (Binary digit): 2 símbolos (0, 1).


Definición

•   Elementos básicos: Todo sistema digital se construye con un pequeño conjunto de elementos básicos: –   Puertas: realización de operaciones básicas (and, or…). –   Cables: transporte de resultados entre puerta y puerta. –   Flip-‐flops: almacenamiento de resultado.


Definición

•   Codificación: Conversión de la información a un sistema de representación dis2nto.


Definición

•   Codificación Binaria: conversión a un sistema de representación binaria (0 ó 1): –   n bits pueden codificar 2n símbolos diferentes.

–  M símbolos requieren N bits, con N≥log2M. –   Ejemplo:


Hacen falta, al menos:

2 bits ≥ (log2 3)

Tres personas (M=3): •  Juan •  Luisa •  Andrés

Posible tabla de codificación:

Andrés

x y w 0 0 1 1

0 1 0 1

-‐

Luisa

Juan

•   Codificación: Conversión de la información a un sistema de representación dis2nto.

Índice





Analógico Vs. Digital

•   Sistema Analógico: procesado de una señal variable en el 2empo que toma valores de un rango con2nuo.

•   Señal: variación en el 2empo (o en el espacio) de una magnitud ^sica. –   Señal eléctrica: magnitud ^sica = Voltaje (intensidad).

–   Señal eléctrica analógica: el voltaje puede tomar infinitos valores dentro de un rango.


Presión (Pa)

@empo

Voltaje(V)

@empo


•   Sistema Digital: procesado de una señal variable en el 2empo que toma valores de un rango discreto: –   Señal eléctrica digital: el voltaje puede tomar un número finito de valores dentro de un rango.


@empo 0

Vol@os

6

4

2

Señal Digital Asíncrona: el voltaje puede cambiar de valor en cualquier instante de 2empo.

Señal Digital Síncrona: el voltaje solo varía en ciertos instantes de 2empo (cuando marca la señal de reloj).

0

Vol@os

@empo

6

4

2


•   ¿Por qué Digital?: –  Mucho mayor inmunidad al ruido. –   Facilidad de diseño y fabricación (menores costes).

–  Menor necesidad de calibrado/mantenimiento. –  Mayor fiabilidad (diagnós2co y reparación más simples).

–   Podemos u2lizar sistemas digitales de propósito general (computador) para procesar la información.


•   Señal Binaria: –   Necesitamos conver2r la señal eléctrica digital a algo que el computador en2enda (código binario).


•   Codificación Binaria de señal eléctrica: –   Señal eléctrica digital síncrona = secuencia de números.


t 0

Vol@os

6

4

2

20 22 24 26 28

0

20 22 24 26 28

0 0 2 6 1 3 4 4 4

t

Codificamos los valores decimales en sistema binario (facilita la realización de operaciones aritmé2cas.

¿¿Cuántos bits necesitamos??

X X0 X1 X2

0 0 0 0

1 0 0 1

2 0 1 0

3 0 1 1

4 1 0 0

5 1 0 1

6 1 1 0

Posible tabla de codificación


•   Codificación Binaria de señal eléctrica: –   Señal eléctrica digital síncrona = secuencia de números.


t 0

Vol@os

6

4

2

20 22 24 26 28

0

20 22 24 26 28

0 0 2 6 1 3 4 4 4

t

X X0 X1 X2

0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 6 1 1 0

20 22 24 26 28 t

000

000

000

010

110

001

011

100

100

100

3 cables (3 Señales binarias) Bus

3 x2(t) x1(t) x0(t)

20 22 24 26 28 t 0

1 X0(t)

20 22 24 26 28 t 0

1 X1(t)

20 22 24 26 28 t 0

1 X2(t)


•   Pero… el mundo real es analógico: –   Ejemplo: el sonido (no presenta valores discretos). –   Necesitamos sistemas mixtos:

•   Parte Digital: control y procesado de datos (DSP). •   Parte Analógica: interfaz con el entorno (recogida de datos).

–   Conversores (A/D y D/A). –   Ejemplo: Filtro Paso Bajo (elimina altas frecuencias – elimina cambios bruscos de la señal).


Ampli. Analog.

A / D Procesador Digital

D / A Ampli. Analog.

Clock



Ampli. Analog.

A / D Procesador Digital

D / A Ampli. Analog.

Clock

t 0

Vol@os 6

4

2

20 22 24 26 28

0

20 22 24 26 28

0 0 2 6 1 3 4 4 4 t

0

20 22 24 26 28

0 1 1 4 1 2 3 4 4 t

t 0

Vol@os 6

4

2

20 22 24 26 28

Índice





Obje@vo Final: El Computador

•   Computador: Sistema Digital de Propósito General: –   Del lain «com putare»: con pensamiento. –   ¿Ordenador? Imposición de IBM en Europa:

•   Del Francés «ordinateur» (Dios que pone orden en el mundo).

•   A grandes Bloques…

Tema 1: Introducción 17

Entrada y

Salida

Procesador (CPU)

Memoria (Programa

y Datos)

Bus

Comunicar Procesar/Controlar Almacenar


•   ¿Cómo se puede manejar un sistema digital tan complejo? (millones de puertas lógicas).

•   Abstracción: esconder los detalles cuando no sean importantes: –   Dividimos el sistema en objetos, cada uno con:

•   Interfaz (entrada/salida): para la comunicación entre objetos. •   Implementación: especifica la funcionalidad del objeto (qué hace).

–  Los especialistas trabajan en la implementación, el resto solo conoce el interfaz.

–  Ejemplo: conductor de coche / mecánico.



•   Niveles de Abstracción: construimos el sistema de forma progresiva.


Gate

Source Drain

channe

l

Source

Drain

Gate

Disposi@vo Físico

Circuito Puerta Lógica Módulo Funcional

Sistema

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