Circuitos Secuenciales

Circuitos Secuenciales
EL - 3307
Diseño
Lógico
Ing. José Alberto
Díaz García
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Circuitos Secuenciales
Circuitos Secuenciales
Agenda
EL - 3307
Diseño
Lógico
Ing. José Alberto
Díaz García
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
Introducción
El biestable
Diseño de flip flops
Diseño de flip flops
Diseño de flip flops
Diseño de flip flops
Diseño de flip flops
Diseño de circuitos
Conclusiones
tipo
tipo
tipo
tipo
D
T
S-R
J-K
Circuitos Secuenciales
Introducción
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Diseño
Lógico
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Díaz García
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• Los circuitos combinacionales son buenos en
situaciones donde se requiere la aplicación
inmediata de una función Booleana bajo la
presencia de alguna combinación de entradas.
• Existen otras ocasiones en que se quiere que el
circuito cambie bajo consideraciones de las
entradas y de su estado.
– Este circuito debe de “recordar” en que estado se
encuentra.
• Los circuitos lógicos secuenciales nos permiten
este tipo de funcionamiento.
Circuitos Secuenciales
Introducción
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Diseño
Lógico
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• Como su nombre lo indica, los circuitos
lógicos secuenciales requieren de un medio
por medio del cual los eventos pueden
secuenciarse.
• Los cambios de estado del circuito se
controlan por medio de una señal de reloj.
– Un reloj es un circuito especial que envía pulsos
eléctricos a través del circuito.
• Los relojes producen señales como la que se
muestra.
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Introducción
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Lógico
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• Los cambios de estado ocurren en los
circuitos secuenciales solo en los pulsos
de reloj.
• Los circuitos pueden cambiar en el borde
creciente (rising edge), en el decreciente
(falling edge) o cuando el pulso de reloj
alcanza su máximo voltaje.
Circuitos Secuenciales
Introducción
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• Los circuitos que cambian su estado en el
borde creciente o decreciente se llaman
“disparados por borde” (edge-triggered).
• Los circuitos disparados por nivel (Leveltriggered) cambian su estado cuando la señal
de reloj alcanza su máximo o mínimo valor de
voltaje.
Circuitos Secuenciales
Introducción
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Lógico
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• Para mantener su estado es necesario que el
circuito sea realimentado.
• La realimentación en los circuitos digitales
ocurre cuando la salida presente del circuito
es una función del estado anterior y de las
entradas presentes.
Circuitos Secuenciales
Elementos de memoria
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• Los elementos lógicos que dependen del
tiempo para su operación y que pueden o
no contener lazos de realimentación en su
circuito básico reciben el nombre de
elementos de memoria.
• Los circuitos de memoria se caracterizan
por su capacidad de adoptar dos estados
diferentes y ser por lo tanto capaces de
almacenar un bit de información.
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El biestable (Celda Binaria)
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• Se utiliza para realizar
muchos tipos de
memoria.
• Consiste de un circuito
con dos compuertas con
entradas realimentadas.
• Su comportamiento deja
de ser combinacional
• La salida dependerá no
solo del estado de las
entradas sino que
también del estado
interno de la celda.
Circuitos Secuenciales
El biestable (Celda Binaria)
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• Este biestable se activa
con la señal Po=0 y se
desactiva con la señal
Co=0
• La combinación
PoCo=(00) está
prohibida
• Po= Preestablecer
(Poner) (SET)
• Co= Limpiar, Borrar
(RESET)
Circuitos Secuenciales
Funcionamiento
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• Una señal de comando en el terminal
Po de un biestable causa una salida
QQ=(1,0) y nuevos comandos en ese
mismo terminal no tienen efecto.
0
0
1
1
1
0
Circuitos Secuenciales
Funcionamiento
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Diseño
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• Simultáneamente, un comando en el terminal Co
limpiar, causa una salida QQ=(0,1), y nuevos
comandos en el mismo terminal no tienen efecto.
• Los comandos Po=0, Co=0 no pueden aplicarse
simultáneamente.
1
1
0
0
0
1
Circuitos Secuenciales
Análisis de comportamiento
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Lógico
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Estados iniciales
del sistema
PARTE A estados
subsiguientes. La
compuerta 1 actúa de
primero
PARTE B estados
subsiguientes. La
compuerta 2 actúa de
primero
CPQQ
C+P+Q+Q+
C+P+Q+Q+
0000
(0011)
0001 (0011)
Condición prohibida
0001
(0011)
(0011)
Condición prohibida
0010
(0011)
(0011)
Condición prohibida
0011
(0011)
(0011)
Condición prohibida
0100
0110 0101 (0101)
0110 0111 (0101)
SE BORRA
0101
(0101)
(0101)
SE BORRA
0110
0111 (0101)
0111 (0101)
SE BORRA
0111
(0101)
(0101)
SE BORRA
1000
(1010)
1001 1011 (1010)
SE PONE
1001
1011 (1010)
1011 (1010)
SE PONE
1010
(1010)
(1010)
SE PONE
1011
(1010)
(1010)
SE PONE
1100
(1110)
(1101)
PERMANECE
1101
(1101)
(1101)
PERMANECE
1110
(1110)
(1110)
PERMANECE
1111
(0111)
(1110)
PERMANECE
Comentario
Circuitos Secuenciales
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Simplificación
• Utilizando mapas K, se pueden
obtener las funciones para las
salidas en un tiempo después.
Circuitos Secuenciales
MAPA PARA Q+
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X
1
X
1
X
0
X
0
X
0
X
1
X
1
X
1
Q+ (C , P, Q, Q ) = P + CQ
Circuitos Secuenciales
MAPA PARA Q+
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Lógico
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X
1
X
1
X
1
X
1
X
1
X
0
X
0
X
0
Q+ (C , P, Q, Q ) = C + PQ
Circuitos Secuenciales
TABLA DE VERDAD
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ENTRADAS
SALIDAS
C
P
Q
Q
0
0
PROHIBIDO
PROHIBIDO
0
1
0
1
1
0
1
0
1
SE
MANTIENE
SE
MANTIENE
1
Circuitos Secuenciales
FLIP FLIPS
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Lógico
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• “Un biestable, también llamado
báscula (flip-flop en inglés), es un
multivibrador capaz de permanecer
en un estado determinado o en el
contrario durante un tiempo
indefinido. Esta característica es
ampliamente utilizada en electrónica
digital para memorizar información.”
http://es.wikipedia.org/wiki/Biestable
Circuitos Secuenciales
DISEÑO DE FLIP FLOPS
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• Para el diseño de Flip Flops se utiliza el
concepto de un decodificador para el
manejo de la celda binaria.
• El diseño de cualquier flip flop se puede
reducir a la utilización de una celda
binaria para memorizar un estado y un
decodificador que permita manejar sus
los estados de las entradas.
Circuitos Secuenciales
DISEÑO DE FLIP FLOPS
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Lógico
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Entradas
de
control
del FF
Señal
de reloj
D
E
C
O
D
I
D
F
I
C
A
D
O
R
SET
Q
Q
RESET
Circuitos Secuenciales
TIPOS DE FLIP FLOPS
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Página 21
• De acuerdo al decodificador que
maneja las entradas del biestable,
los flip flops se agrupan en:
– Tipo
– Tipo
– Tipo
– Tipo
D (latch)
T (Toggle)
S-R
J-K
Circuitos Secuenciales
Diseño de un Flip Flop Tipo D
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• Se caracteriza porque solo posee una
única entrada de datos y una entrada
de reloj y ofrece dos salidas Q y Q.
• Los cambios siempre se realizan si
solo si se detecta un pulso de reloj
ya sea por su borde positivo o el
negativo.
• Se utilizan para implementar
registros donde se almacenan
temporalmente datos
Circuitos Secuenciales
DISEÑO DE UN FLIP FLOP TIPO D
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Circuitos Secuenciales
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COMPORTAMIENTO DE UN FLIP FLOP
TIPO D
ENTRADAS
SALIDAS
CLK
D
Qn
Qn+1
SET
RESET
1
0
0
0
0
X
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
X
0
Circuitos Secuenciales
SIMPLIFICACION
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Díaz García
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QN
SET
00
0
01
00 01
0
10 11
D
1
1
SET = D * CLK
QN
RESET
D
1
1
10
11
0
0
RESET = D * CLK
Circuitos Secuenciales
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Diseño
Lógico
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Página 26
DECODIFICADOR PARA IMPLEMENTAR UN
FLIP FLOP TIPO D
Circuitos Secuenciales
HOJA DE DATOS
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Circuitos Secuenciales
DISEÑO DE UN FLIP FLOP TIPO T
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Circuitos Secuenciales
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Página 29
COMPORTAMIENTO DE UN FLIP FLOP
TIPO T
ENTRADAS
SALIDAS
CLK
T
Qn
Qn+1
SET
RESET
1
0
0
0
0
X
1
0
1
1
X
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
Circuitos Secuenciales
SIMPLIFICACION
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SET
T
QN
00 01
0
X
1
0
10 11
SET = T * QN * CLK
RESET
T
QN
00 01
X
0
0
1
10
11
RESET = T * QN * CLK
Circuitos Secuenciales
EL - 3307
Diseño
Lógico
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DECODIFICADOR PARA UN FLIP FLOP
TIPO T
Circuitos Secuenciales
HOJA DE DATOS
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Página 32
• No hay flip flops comerciales del tipo
T ya que estos se pueden
implementar utilizando J-K.
Circuitos Secuenciales
DISEÑO DE UN FLIP FLOP TIPO S-R
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Página 33
Circuitos Secuenciales
COMPORTAMENTIO DE UN FLIP FLOP TIPO S-R
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Lógico
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Página 34
ENTRADAS
CLK
1
1
1
1
1
1
1
1
S
0
0
0
0
1
1
1
1
R
0
0
1
1
0
0
1
1
QN QN+1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
SALIDAS
SET
0
X
0
0
1
X
X
X
RESET
X
0
X
1
0
0
X
1
Circuitos Secuenciales
SIMPLIFICACIÓN
EL - 3307
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Lógico
Ing. José Alberto
Díaz García
Página 35
SET
RESET
R
R
S
0
0
1
4
X
1
3
0
0
X
5
7
6
X
2
X
QN
SET = S * CLK
S
X
0
0
4
0
1
0
5
3
1
X
7
6
X
QN
RESET = R * CLK
2
1
Circuitos Secuenciales
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Diseño
Lógico
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DECODIFICADOR PARA UN FLIP FLOP
TIPO S-R
Circuitos Secuenciales
HOJA DE DATOS
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Diseño
Lógico
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Página 37
Circuitos Secuenciales
DISEÑO DE UN FLIP FLOP J-K
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Página 38
Circuitos Secuenciales
COMPORTAMIENTO DE UN FLIP FLOP TIPO J-K
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ENTRADAS
CLK
1
1
1
1
1
1
1
1
J
0
0
0
0
1
1
1
1
K
0
0
1
1
0
0
1
1
QN QN+1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0
SALIDAS
SET
0
X
0
0
1
X
1
0
RESET
X
0
X
1
0
0
0
1
Circuitos Secuenciales
SIMPLIFICACIÓN
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Diseño
Lógico
Ing. José Alberto
Díaz García
Página 40
SET
RESET
R
R
0
S
1
0
4
X
X
1
5
0
0
0
1
3
7
2
6
QN
SET = J * QN* CLK
X
0
S 0
4
0
1
0
5
3
X
7
6
1
1
2
0
QN
RESET = K * QN * CLK
Circuitos Secuenciales
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Página 41
DECODIFICADOR DE UN FLIP FLOP TIPO
J-K
Circuitos Secuenciales
HOJA DE DATOS
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Diseño
Lógico
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Página 42
Circuitos Secuenciales
Latches vs. Flip-flops
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Diseño
Lógico
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Página 43
• Latches: las salidas cambian cuando hay
cambios en las entradas
– Unclocked latch: R-S latch
• Flip-flops: las salidas cambian solo
respecto a una transición de reloj (no
transparente)
– Trailing-edge triggered (disparo por borde
negativo): el reloj pasa de 1 Æ 0
– Leading-edge triggered (disparo por borde
positivo): el reloj pasa de 0 Æ 1
Circuitos Secuenciales
Diseño de circuitos
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Diseño
Lógico
Ing. José Alberto
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Página 44
• Hemos visto los circuitos digitales desde dos
puntos de vista: análisis digital y síntesis digital.
– Análisis digital: explora la relación entre las entradas
del circuito y sus salidas.
– Síntesis digital: crea diagramas lógicos utilizando los
valores especificados en las tablas de verdad.
• Los diseñadores de sistemas digitales también
deben tener en mente el comportamiento físico
de los circuitos donde incluyan tiempos de
propagación que ocurren desde el momento en
que se energiza el circuito hasta que la salida se
estabiliza.
Circuitos Secuenciales
Diseñando circuitos
EL - 3307
Diseño
Lógico
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Página 45
• Los diseñadores digitales tienen relación
con los programas computacionales para
crear circuitos eficientes.
– Los programas son fundamentales para la
construcción de un mejor hardware.
• Por supuesto, los programas son en
realidad una colección de algoritmos que
son implementados en hardware.
– Esto apunta al principio de equivalencia entre
el hardware y el software.
Circuitos Secuenciales
Diseñando circuitos
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Diseño
Lógico
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Página 46
• Cuando necesitamos implementar un
algoritmo y su velocidad de ejecución
debe ser lo menor posible, se prefiere una
solución por hardware.
• Esta es la idea en los sistemas
empotrados (embedded systems), los
cuales son pequeños computadores de
aplicación específica.
• Los sistemas empotrados requieren de una
programación especial que demanda un
conocimiento de operación de los
circuitos digitales.
Circuitos Secuenciales
Conclusión
EL - 3307
Diseño
Lógico
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Díaz García
Página 47
• Los computadores son implementaciones de lógica
Booleana.
• Las funciones Booleanas se describen completamente por
medio de tablas de verdad.
• Las compuertas lógicas son pequeños circuitos eléctricos
que implementan operadores lógicos.
• Los computadores consisten de circuitos lógicos
combinacionales y secuenciales
• Los circuitos combinacionales producen salidas
inmediatamente después de que sus entradas cambian.
• Los circuitos secuenciales requieren de las señal de reloj
para producir cambios en las salidas
• Los circuitos secuenciales básicos son los flip flops.
• El comportamiento de los circuitos secuenciales puede ser
expresado utilizando tablas de comportamiento.