© 2014 Mario Medina
Introducción a los
sistemas digitales
Prof. Mario Medina
[email protected]
Introducción a los sistemas
digitales
Descripción del curso
Sistemas análogos y sistemas digitales
Representación análogo-digital
Motivación y objetivos del curso
Presentación del profesor
Mario Medina Carrasco
E-mail: [email protected]
E-mail alternativo: [email protected]
Oficina: 215, Edificio de Ingeniería
Teléfono: 2203506
Web: http://mondrian.die.udec.cl/~mmedina
Forma más fácil de ubicarme: e-mail!
Versión Semestre 2014-2
Código: 543290-3
Horario clases
Miércoles, 5:15 – 6pm, TM 3-14 Jueves, 3:15 – 5pm, TM 3-14 Horario práctica
Miércoles, 6:15pm – 7pm, TM 3-14 Ayudante
A anunciarBibliografía
H. Rautenberg, “Diseño de circuitos digitales”,
3ra. Edición, Universidad de Concepción, 2005.
Disponible en dirección de docencia por $6000
Varias copias en biblioteca
C. Roth, “Fundamentos de diseño lógico”, 5ta.
Edición, Editorial Thomson, 2005.
Usado como base para las transparencias
Bibliografía en línea
Varios libros electrónicos disponibles en
http://udec.libricentro.com
Tópicos
1. Introducción 2. Sistemas numéricos 3. Códigos 4. Álgebra binaria 5. Funciones booleanas 6. Mapas de Karnaugh 7. Quine-McCluskey 8. Compuertas lógicas 9. Diseño combinacional 10. Bloques estándar 11. ROMs 12. Circuitos secuenciales 13. Registros y contadores 14. Análisis de circuitos sincrónicos 15. Diseño de circuitos sincrónicos 16. Procesamiento digital de señalesEvaluaciones (I. C. Telecom.)
3 exámenes no acumulativos
1er. Examen (30%): Después de minimización 2do. Examen (30%): Después de bloques estándar
3er. Examen (40%): Después de diseño sincrónico
3er. Examen debe ser aprobado con nota 3.5
Examen de recuperación: reemplaza todas las
notas de exámenes faltantes
Nota definitiva: notafinal*0.7 + notarecup*0.3
Administrivia
Apuntes de clases en InfoAlumno
Apuntes de años anteriores en página del profe
Listado de ejercicios por tópico
A resolver por Uds.
Software auxiliar
Mapas de Karnaugh, minimización
Asistencia libre
No pasaré lista
Resultados de cursos anteriores
Reglas del juego
Copia en 1 examen
Calificada con nota 1 a todos los involucrados
No se acepta ningún tipo de excusa
Copia en 2 exámenes
Nota NCR en la asignatura
Examen de recuperación: oral ó escrito
Recuperaunanota de examen
Nota Final: Presentación*0.7 + Recuperación*0.3
Objetivos generales
Presentar conceptos básicos y una metodología
general para el estudio de sistemas digitales.
Estudiar especificación y realización de sistemas digitales, mediante métodos de análisis y de diseño jerárquicos y estructurados.
Capacitar al alumno para atender, analizar y aplicar los fundamentos y técnicas de especificación y diseño de sistemas digitales.
Contenidos
Introducción
Códigos, bases y representación de números
Álgebra binaria
Lemas y teoremas del algebra de Boole
Procedimientos de simplificación
Funciones Booleanas
Representación en expresiones canónicas
Representación gráfica, Mapas de Karnaugh
Representación en sumas de productos y productos de sumas
Ejemplos de sistemas combinacionales
Contenidos
Métodos de minimización
Simplificación de funciones
Métodos de Quine-McCluskey y Petrick
Condiciones superfluas
Realización de sistemas combinacionales
Compuertas lógicas y redes AND, OR, NOT
Modulos universales
Redes NAND y NOR
Contenidos
Diseño combinacional
Módulos combinacionales y redes modulares
Módulos estándar: codificadores, decodificadores, selectores, ROMs, PLAs
Módulos aritméticos: sumadores, ALUs, multiplicadores
Realización de sistemas combinacionales con decodificador y OR; con selectores
(multiplexores); con ROM y PLA
Redes iterativas
Contenidos
Especificación de sistemas secuenciales
Descripción por estado: sistemas sincrónicos y
asincrónicos
Diagrama de estados
Descripción por evolución en el tiempo de
sistemas sincrónicos
Minimización del número de estados Ejemplos de sistemas secuenciales
Contenidos
Sistemas secuenciales sincrónicos
Análisis y síntesis de redes canónicas
Flip-Flops: módulos y redes Módulos secuenciales sincrónicos
Módulos estándar: registros, desplazadores, contadores, RAM, CAM, PSA
Sistemas secuenciales con ROM, contador y red combinacional, RAM y red combinacional
Representación análoga y
digital
En un sistema análogo, las variables pueden
tomar un valor cualquiera dentro de un
rango continuo
Representación análoga y
digital
En un sistema digital, las variables pueden
tomar un valor cualquiera dentro de un
conjunto finito de valores discretos
Variables análogas
Representación realista de las cantidades del
mundo real
Variables digitales suelen ser sólo
aproximaciones de éstas
En la práctica, los sistemas análogos presentan el problema de ser altamente sensibles al ruido
Un pequeño error en la entrada genera un error
en la salida
Error en sistemas análogos
Sistemas análogos conectados entre sí
Errores generados en cada componente se van sumando hasta la salida final
Precisión de un sistema análogo
Depende de la precisión de cada uno de los componentes individuales del sistema
Difícil mejorar resolución de componentes
análogas
Suele implicar cambios en la tecnología
Representación digital
Sistemas digitales operan bien con señales
degradadas por ruido
Pequeñas variaciones en las entradas no se reflejan en la salida
Mucho más fácil hacer sistemas complejos garantizando un comportamiento predecible
Error en sistemas digitales
Aumentar la precisión de una medición
digital
Aumentar el número de valores posibles del conjunto
La resolución del sistema digital
Aumento en el costo del sistema
Costo generalmente es menor que el asociado a su contraparte analógica
Costo y precisión
Fácil y barato construir sistema análogo de baja precisión Alta precisión requiere generalmente un sistema digitalEjemplos
Sistemas análogos Computación análoga Televisión Telefonía Fotografía análoga Reloj análogo BetaMax, VHS, LaserDisc Super8, Video8 Cassettes Cine análogo Sistemas digitales Computación digital Televisión digital Telefonía celular Fotografía digital Reloj digital DVD, Blu-Ray MPEG MP3 Cine digitalEjemplo: reloj
Reloj de sol Reloj atómico
Ejemplo: temperatura
Temperatura toma valores continuos en el
tiempo
Cuantificación (muestreo) de
temperatura
Discretización de temperatura en el tiempo
Discretización de la temperatura a un rango
Ejemplo: audio
Cómo se amplifica una señal de audio
Ejemplo: discos análogos
Señal de audio codificadacomo surcos en sustrato de vinilo ó acetato como variaciones en
Radio del surco Profundidad del surco
Fidelidad de la señal
Susceptibilidad al ruido (polvo, deformación, fracturas, etc.)
Ejemplos: discos compactos
Señal musical almacenada en forma digital
(secuencias de 1s y 0s)
Ejemplo: discos compactos
Señales de audio digitalizadas yalmacenadas en áreas reflectantes
Sistemas análogo-digitales
Sistemas análogos y digitales no son
excluyentes entre sí
Mundo real opera en forma análoga Mediciones usan sistemas análogos
Sistemas complejos tienen ambas partes
Parte análoga para interactuar con el entorno Parte digital para el procesamiento y
manipulación de los datos
Memoria análoga
Memoria digital
Flip - Flop
SRAM (1bit)
Motivación
¿Para qué me sirve aprender todo esto?
Como ingenieros, es necesario alcanzar un alto grado de abstracción que nos permita resolver problemas de la vida real utilizando la gran cantidad de herramientas disponibles, que hoy en día son en su gran mayoría digitales.
Introducción a los sistemas
digitales
Lo anterior implica que debemos aprender
a comunicarnos con la máquina, dándole
las instrucciones adecuadas para obtener
la máxima eficiencia de sus elevadas
capacidades de procesamiento.
Objetivos
Conocer los fundamentos y principios de los
sistemas digitales y las metodologías de
diseño, nos entregará un primer grado de
abstracción para resolver de forma eficiente
problemas reales simples mediante circuitos
discretos (en este curso) y nos acercarán a
entender el funcionamiento de sistemas más
complejos como
controladores y
procesadores (cursos posteriores).
Problema de la vida diaria
Bosquejo de diseño
Extractos tomados de un diseño completo (sólo referencial para ilustrar etapas)
Tabla de verdad (siempre en lógica binaria)
Esquema de circuito obtenido
de los mapas
Circuito implementado
Resultado final
Un buen diseño implica:
Control de tráfico Reducción de accidentes Trabajo 24/7/365 Reducción de costos Mejoras en el diseño Semáforo inteligente Optimización de energía Medición de tráfico Vigilancia