Sistemas Digitales. Tema 1. Introducción

Sistemas Digitales Tema 1. Introducción Pablo Abad Pablo Prieto Torralbo Departamento de Ingeniería Informá2ca y Electrónica Este tema se publica bajo Licencia: Crea2ve Commons 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. Tema 1: Introducción 2 Definición Tema 1: Introducción 3 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). Tema 1: Introducción 4 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. Tema 1: Introducción 5 Definición •  Codificación: Conversión de la información a un sistema de representación dis2nto. Tema 1: Introducción 6 Definición •  Codificación: Conversión de la información a un sistema de representación dis2nto. •  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. Posible tabla de codificación: –  Ejemplo: Tres personas (M=3): • Juan • Luisa • Andrés Tema 1: Introducción Hacen falta, al menos: 2 bits ≥ (log2 3) x 0 0 1 1 y w 0 -­‐ 1 Luisa 0 Andrés 1 Juan 7 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. Tema 1: Introducción 8 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. Voltaje(V) Presión (Pa) –  Señal eléctrica: magnitud ^sica = Voltaje (intensidad). –  Señal eléctrica analógica: el voltaje puede tomar infinitos valores dentro de un rango. @empo Tema 1: Introducción @empo 9 Analógico Vs. Digital •  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. Vol@os 0 4 2 Tema 1: Introducción 4 2 6 0 6 Vol@os Señal Digital Asíncrona: el voltaje puede cambiar de valor en cualquier instante de 2empo. @empo @empo Señal Digital Síncrona: el voltaje solo varía en ciertos instantes de 2empo (cuando marca la señal de reloj). 10 Analógico Vs. Digital •  ¿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). Tema 1: Introducción 11 Analógico Vs. Digital •  Codificación Binaria de señal eléctrica: –  Señal eléctrica digital síncrona = secuencia de números. X X0 X1 X2 Vol@os 6 Posible tabla de codificación 4 2 0 20 22 24 26 28 t 22 24 Tema 1: Introducción 26 28 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 Codificamos los valores decimales en sistema binario (facilita la realización de operaciones aritmé2cas. 0 0 0 2 6 1 3 4 4 4 20 0 t ¿¿Cuántos bits necesitamos?? 12 Analógico Vs. Digital •  Codificación Binaria de señal eléctrica: –  Señal eléctrica digital síncrona = secuencia de números. 20 4 22 24 26 2 0 20 22 24 26 28 t 0 0 0 2 6 1 3 4 4 4 20 22 24 Tema 1: Introducción 26 28 t X 0 1 2 3 4 5 6 X0 0 0 0 0 1 1 1 3 cables X1 X2 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 28 1 0 1 0 1 0 Bus x0(t) x1(t) x2(t) 100 011 100 100 000 Vol@os 6 000 000 010 110 001 (3 Señales binarias) 3 t X0(t) 20 22 24 26 28 t 20 22 24 26 28 t 20 22 24 26 28 t X1(t) X2(t) 13 Analógico Vs. Digital •  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 Tema 1: Introducción 14 Analógico Vs. Digital Ampli. Analog. A / D Procesador Digital Ampli. Analog. D / A 6 Vol@os Vol@os Clock 4 2 0 6 4 2 20 22 24 26 28 t 0 0 0 2 6 1 3 4 4 4 20 22 24 26 28 t Tema 1: Introducción 0 20 22 24 26 28 0 0 1 1 4 1 2 3 4 4 20 22 24 26 28 t 15 t 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. Tema 1: Introducción 16 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… Bus
Entrada y Salida Comunicar Tema 1: Introducción Procesador (CPU) Procesar/Controlar Memoria (Programa y Datos) Almacenar 17 Obje@vo Final: El Computador •  ¿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. Tema 1: Introducción 18 Obje@vo Final: El Computador •  Niveles de Abstracción: construimos el sistema de forma progresiva. Gate Source Drain Gate channel Drain Source Disposi@vo Físico Circuito Puerta Lógica Tema 1: Introducción Módulo Funcional Sistema 19