Introdução aos Sistemas Digitais

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Sistemas Digitais
Introduc¸a˜o
Myle`ne Christine Queiroz de Farias
Departamento de Engenharia Ele´trica
Universidade de Bras´ılia (UnB)
Bras´ılia, DF 70910-900
mylene@unb.br
August 10, 2017
Aula 01: Introduc¸a˜o aos Sistemas Digitais - Parte 1
Suma´rio
Apresentac¸a˜o
Hoje:
Plano de Ensino;
Sistemas e sinais analo´gicos e digitais;
Introduc¸a˜o a lo´gica digital e a circuitos digitais;
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Apresentac¸a˜o
Professora Adjunta IV
Departamento de Engenharia Ele´trica
Universidade de Bras´ılia (UnB)
Campus Universita´rio Darcy Ribeiro
70919-970 Bras´ılia - DF, Brazil
Email: mylene@ene.unb.br
Bacharel em Engenharia Ele´trica (UFPE), Mestrado em Engenharia
Ele´trica (Unicamp) e Doutorado em Engenharia Ele´trica (University
of California Santa Barbara).
A´rea de pesquisa: Processamento de Imagens/ Sinais/ V´ıdeo.
Mais informac¸o˜es: www.ene.unb.br/mylene
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Plano de Ensino
Todo o material do curso, incluindo aulas, apostilas e notas, sera´
disponibilizado na pa´gina http://ead.unb.br (senha sd1 A 2017)
no espac¸o reservado para a disciplina Sistemas Digitais (Turma A).
Conteu´do Programa´tico
Introduc¸a˜o aos sistemas digitais
A´lgebra de Boole e func¸o˜es lo´gicas
Circuitos combinacionais
Representac¸a˜o bina´ria de dados
Aritme´tica digital
Sistemas digitais MSI
Circuitos sequenciais
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Datas das Provas
Havera´ 2 provas escritas, individuais e sem consulta nas seguintes datas:
Datas
1 Prova 1: 10/10 - terc¸a-feira – 16h-19h
2 Prova 2: 05/12 - terc¸a-feira – 16h-19h
Na˜o ha´ provas de reposic¸a˜o.
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Notas e Menc¸o˜es
No decorrer do curso, teremos:
conjunto de listas de exerc´ıcios;
aulas de exerc´ıcios;
As listas devera˜o ser resolvidas pelos alunos como forma de fixac¸a˜o do
conteu´do.
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Notas e Menc¸o˜es
Teoria
A Nota Final (NF) a sera´ calculada de acordo com a seguinte fo´rmula:
NF = 0, 45 · P1 + 0, 55 · P2
onde P1 e P2 sa˜o as notas das provas 1 e 2, respectivamente.
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Notas e Menc¸o˜es
A menc¸a˜o final do(a) aluno(a) sera´ atribu´ıda segundo a tabela a seguir:
Nota Final Menc¸a˜o Final
0, 9 ≤ NF ≤ 10, 0 SS
7, 0 ≤ NF < 9, 0 MS
5, 0 ≤ NF < 7, 0 MM
3, 0 ≤ NF < 5, 0 MI
0 ≤ NF < 3, 0 II
Acima de 25% de faltas (ou NF = 0, 0) SR
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Pla´gio
Em hipo´tese alguma sera´ permitido o pla´gio, co´pia ou cola parcial
e/ou integral de qualquer atividade de avaliac¸a˜o da disciplina.
Todos os envolvidos sera˜o punidos com a nota 0, 0 (zero) nas
avaliac¸o˜es em questa˜o e uma repreensa˜o.
Uma reincideˆncia implicara´ na reprovac¸a˜o na disciplina.
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Bibliografia
0 Livro texto: Wakerly, John F., “Digital Design Principles
and Practices”, Prentice Hall, ISBN: 0-13-055520-7.
3o edic¸a˜o (2000) ou 4o edic¸a˜o (2005)
Inclui VHDL e esta´ dispon´ıvel na sala de reserva da
Biblioteca;
Errata do livro texto:
http://www.ddpp.com/errata3ed.htm
1 Alexandre Mendonc¸a e Ricardo Zelenovsky, “Eletroˆnica
Digital: Curso Pra´tico e Exerc´ıcios”, MZ Editora Ltda, 2004,
ISBN: 85-87385-10-0.
Inclui VHDL.
2 Ronald J. Tocci, Neal S. Widner, Gregory L. Moss,
“Sistemas digitais”, 11 Edic¸a˜o, Pearson Education do Brasil.
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Bibliografia
3 M. Mano and C. Kime, “Logic and Computer Design
Fundamentals”, 2o edic¸a˜o, Prentice Hall, Upper Saddle
River, NJ, 2001.
Inclui o software Xilinx Student Edition Foundation.
Dispon´ıvel na biblioteca da UnB.
4 Ercegovac, Milos D.; Lang, Tomas; Moreno, Jaime
H.“Introduc¸a˜o aos sistemas digitais”. Porto Alegre:
Bookman, 2000. 453 p. ISBN 85-7307-698-4
Dispon´ıvel na biblioteca da UnB.
5 John P. Uyemura, “Sistemas Digitais: Uma abordagem
integrada”, Sa˜o Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2002.
ISBN: 85- 221-0268-6.
Inclui linguagem VHDL.
6 Randy H. Katz, “Contemporary Logic Design”, The
Benjamin/Cummings Publishing Company, 1993.
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Bibliografia
7 Daniel D. Gajski, “Principles of Digital Design”,
Prentice-Hall, 1997.
8 Tocci e Widmer, “Sistemas Digitais Princ´ıpios e Aplicac¸o˜es”,
JC Editora, 1998. Lee, Samuel C, Digital circuits and logic
design, Prentice Hall.
Dispon´ıvel na biblioteca da UnB.
9 Roberto d’Amore, VHDL: descric¸a˜o e s´ıntese de circuitos
digitais, Rio de Janeiro: LTC, 2005, ISNB: 85-216-1452-7
www.ltceditora.com.br
10 S. Yalamanchili, “VHDL Starter’s Guide”, Prentice Hall,
Upper Saddle River, NJ, 1998
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Bibliografia
11 D. Pellerin, D. Taylor, “VHDL Made Easy”, Prentice Hall,
Upper Saddle River, NJ, 1997
12 P. Ashenden,“The Students’ Guide to VHDL,” Morgan
Kaufman Publ, San Francisco, 1998.
Dispon´ıvel na biblioteca da UnB.
13 Dewey, Allen M., “Analysis and design of digital system with
VHDL”. Boston: Pws 682 p.
Dispon´ıvel na biblioteca da UnB.
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Analo´gico versus Digital
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Analo´gico versus Digital
Analo´gico:
Cont´ınuo (tempo e amplitude);
Conjunto infinito de possibilidades.
Sinal Digital:
Valores discretos (tempo e amplitude);
Conjunto finito possibilidades
0 e 1; LOW e HIGH; FALSE e TRUE; etc.
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Sinais
Figure: Sinal de Voz.
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Sinais
Figure: Zoom do sinal de voz nas letras (a) ‘I’ e (b) ‘S’.
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Sinais
Figure: Formas de onda do (a) violoncelo e (b) bateria.
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Sinais
A maioria dos sinais (na natureza) e´ originalmente cont´ınuo.
E´ frequentemente deseja´vel obter verso˜es discretas destes sinais.
Isto e´ feito por um processo de amostragem dos sinais cont´ınuos,
resultando em uma sequeˆncia de nu´meros.
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Sinais
Amostragem: x [n] = s(nTs)
n e´ um nu´mero inteiro;
Ts e´ o per´ıodo de amostragem.
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Sinais
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Sinais
cont´ınuos no tempo vs. discretos no tempo;
cont´ınuos em amplitude vs. discretos em amplitude;
discretos vs analo´gico;
aleato´rio vs. determin´ıstico.
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Sinais
Nem todos os sinais variam com o tempo.
Imagens variam apenas espacialmente – sinais bidimensionais.
p[m, n] = p(m∆x , n∆y )
∆x e ∆y sa˜o os per´ıodos de amostragem horizontal e vertical.
V´ıdeos sa˜o imagens que variam no tempo – sinais tridimensionais:
v(x , y , t).
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Sistemas
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Sistemas
Sistema Analo´gico:
Entradas cont´ınuas gera sa´ıdas cont´ınuas.
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Sistemas
Sistema Digitais:
Entradas digitais gera sa´ıdas digitais;
Exemplo: computador, celulares, instrumentos musicais, DVD players,
caˆmeras digitais, relo´gios etc.
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Sistemas
Sistema Digitais:
Entradas digitais gera sa´ıdas digitais;
Exemplo: computador, celulares, instrumentos musicais, DVD players,
caˆmeras digitais, relo´gios etc.
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Lo´gica Digital
Circuitos digitais:
Conexa˜o de componentes digitais que
juntos formam um sistema digital.
Sinal digital:
2 valores poss´ıveis:
�� ��bina´rio ;
Tipicamente representados por 0 e 1;
D´ıgito bina´rio e´ um bit.
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Lo´gica Digital
Circuitos digitais:
Conexa˜o de componentes digitais que
juntos formam um sistema digital.
Sinal digital:
2 valores poss´ıveis:
�� ��bina´rio ;
Tipicamente representados por 0 e 1;
D´ıgito bina´rio e´ um bit.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 27 / 45
Lo´gica Digital
Circuitos digitais:
Conexa˜o de componentes digitais que
juntos formam um sistema digital.
Sinal digital:
2 valores poss´ıveis:
�� ��bina´rio ;
Tipicamente representados por 0 e 1;
D´ıgito bina´rio e´ um bit.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 27 / 45
Lo´gica Digital
AND, OR, NOT sa˜o as portas mais importantes: qualquer func¸a˜o
digital pode ser escrita com estas portas.
Portas sa˜o constru´ıdas com transistores (antes disso com rele´s,
va´lvulas, etc.)
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 28 / 45
Lo´gica Digital
AND, OR, NOT sa˜o as portas mais importantes: qualquer func¸a˜o
digital pode ser escrita com estas portas.
Portas sa˜o constru´ıdas com transistores (antes disso com rele´s,
va´lvulas, etc.)
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 28 / 45
Lo´gica Digital
AND, OR, NOT sa˜o as portas mais importantes: qualquer func¸a˜o
digital pode ser escrita com estas portas.
Portas sa˜o constru´ıdas com transistores (antes disso com rele´s,
va´lvulas, etc.)
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 28 / 45
Lo´gica Digital
Flip-flop e´ um dispositivo que armazena um ‘0’ ou ‘1’ (estado) e e´
contru´ıdo de portas lo´gicas. Os estados de um flip-flop so´ podem
mudar em instantes determinados por um clock.
Um circuito digital que conte´m flip-flops e´ denominado circuito
sequencial porque a sua sa´ıda na˜o depende apenas da sua entrada,
mas tambe´m de entradas passadas (memo´ria).
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Lo´gica Digital
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Vantagens da Estrutura Digital
Sinais digitais podem ser mais facilmente recuperados.
Processamento, compressa˜o, programac¸a˜o, etc.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 31 / 45
Hardware Digital
Circuitos integrados padro˜es:
circuitos bastante utilizados;
quantidade reduzida de circuitos ele´tricos envolvidos;
desempenham func¸o˜es simples;
se interconectados desempenham funcionalidades mais complexas.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 32 / 45
Hardware Digital
Dispositivos lo´gicos programa´veis (PLD):
estrutura que pode ser configurada para executar uma variedade de
tarefas;
a maioria pode ser programada va´rias vezes;
programada pelo usua´rio final ao inve´s do fabricante;
tipo comum: FPGA (Field-Programmable Gate Array)
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 33 / 45
Hardware Digital
Circuitos integrados de aplicac¸a˜o espec´ıfica:
projetados para executar uma tarefa especificamente;
mais caros;
consomem mais energia.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 34 / 45
Hardware Digital
Microprocessadores:
dispositivo digital programa´vel;
usua´rio final escreve um programa/software para especificar sua
funcionalidade.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 35 / 45
Lei de Moore
Gordon Moore: co-fundador da Intel
Moore’s Law
“The complexity for minimum component costs
has increased at a rate of roughly a factor of
two per year... Certainly over the short term
this rate can be expected to continue, if not to
increase. Over the longer term, the rate of
increase is a bit more uncertain, although there
is no reason to believe it will not remain nearly
constant for at least 10 years. That means by
1975, the number of components per
integrated circuit for minimum cost will be
65,000. I believe that such a large circuit can
be built on a single wafer.”
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 36 / 45
Lei de Moore
1975: “O nu´mero de transistores por chip (circuito integrado) dobra a
cada 2 anos ...”
David House (Intel): mudou o fator para 18 meses ...
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 37 / 45
Lei de Moore
1975: “O nu´mero de transistores por chip (circuito integrado) dobra a
cada 2 anos ...”
David House (Intel): mudou o fator para 18 meses ...
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Lei de Moore
1975: “O nu´mero de transistores por chip (circuito integrado) dobra a
cada 2 anos ...”
David House (Intel): mudou o fator para 18 meses ...
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 37 / 45
Lei de Moore
Cray 1A Supercomputer
computador mais ra´pido em 1976;
custo: 10 milho˜es de do´lares;
usado para pesquisas atmosfe´ricas,
simulac¸o˜es f´ısicas, etc.
1 milha˜o de transistores;
Atualmente:
chega-se a 1 bilha˜o de transistores
por cm2 (65 nm);
1 milha˜o de transistores (Cray 1):
0.1 mm2
custo: 1 do´lar
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 38 / 45
Lei de Moore
2010, International Technology Roadmap for Semiconductors: ate´
2013 a contagem e densidades de transistores deve dobrar a cada 3
anos.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 39 / 45
Hardware Digital
Implementac¸a˜o de um Sistema Digital:
Projetar um sistema digital que detecte movimentos a` noite.
2 soluc¸o˜es
microprocessador
circuito projetado
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 40 / 45
Hardware Digital
Soluc¸a˜o 1: microprocessador
circuito: microprocessador (software)
entradas: 2 sensores (luz e movimento)
sa´ıda: sinal para uma laˆmpada
descric¸a˜o funcional: laˆmpada acende quando estiver escuro e algum
movimento for detectado.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 41 / 45
Hardware Digital
Soluc¸a˜o 2: Projeto de circuito digital dedicado
circuito: circuito digital
entradas: 2 sensores (luz e movimento)
sa´ıda: sinal para uma laˆmpada
descric¸a˜o funcional: laˆmpada acende quando estiver escuro e algum
movimento for detectado.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 42 / 45
Hardware Digital
Crite´rio de escolha:
software pode ser lento;
quantidade de circuitos envolvida;
custo;
consumo de poteˆncia.
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 43 / 45
Hardware Digital
Exemplo 2: Poss´ıveis implementac¸o˜es de uma caˆmera digital
Microprocessador
Circuito dedicado
Microprocessador + circuito dedicado
Tarefas:
Leitura
Compressa˜o
Armazenamento
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 44 / 45
Hardware Digital
Exemplo 2:
Myle`ne Farias (ENE-UnB) SD1 August 10, 2017 45 / 45