Livro de Circuitos Digitais

KLS CIR CUIT OS DIGIT AIS Cir cuitos D igitais Rodrigo Vinícius Mendonça Pereira Hugo Tanzarella Teixeira Circuitos digitais Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Pereir a, Rodrigo Vinícius Mendonça ISBN 978-85- 522-0 715-3 1. Circuitos digitais. 2. T ecnologia. I. P ereira, R odrigo Vinícius Mendonça. II. T eixeira, Hugo T anzarella. III. Título. CDD 600 © 2018 por Editor a e Distribuidora Educacional S.A. T odos os direitos r eservados. Nenhuma parte desta publicação poder á ser reproduzida ou tr ansmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletr ônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gr avação ou qualquer outr o tipo de sistema de armazenamento e tr ansmissão de informação, sem prévia aut orização, por escrito, da Editor a e Distribuidora Educacional S.A. 2018 Editora e Distribuidora Educacional S.A. Avenida Paris, 675 \u2013 Parque Residencial João Piza CEP: 86041-100 \u2014 Londrina \u2014 PR e-mail: editora.educacional@kroton.com.br Homepage: http://www.kroton.com.br/ Presidente Rodrigo Galindo Vice-Presidente Acadêmico de Gr aduação e de Educação Básica Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Ana Lucia Jankovic Bar duchi Camila Cardoso Rotella Danielly Nunes Andrade Noé Grasiele Apar ecida Lourenço Isabel Cristina Chagas Barbin Lidiane Cristina Vivaldini Olo Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão T écnica Marcio Apar ecido Artero Editorial Camila Cardoso Rotella (Dir etora) Lidiane Cristina Vivaldini Olo (Gerent e) Elmir Carvalho da Silva (Coordenador) Letícia Bento Pieroni (Coor denadora) Renata Jéssica Galdino (Coordenador a) Thamiris Mantovani CRB-8/9491 P436c Circuitos digitais / R odrigo Vinícius Mendonça Per eira, Hugo T anzarella T eixeir a. \u2013 Londrina : Editor a e Distribuidora Educacional S.A., 2018. 232 p. Sumário Unidade 1 | Introdução aos cir cuitos digitais Seção 1.1 - Conceitos de circuitos digit ais Seção 1.2 - Caract erísticas dos circuitos digitais Seção 1.3 - Visão ger al das funções lógicas básicas 7 9 28 44 Unidade 2 | Lógica combinacional Seção 2.1 - Lógica progr amável e simulação Seção 2.2 - Álgebra boo leana e simplificação lógica Seção 2.3 - Diagrama de V eitch-Karnaugh Unidade 3 | Seção 3.1 - Seção 3.2 - Seção 3.3 - Unidade 4 | Seção 4.1 - Seção 4.2 - Seção 4.3 - 63 66 85 101 Lógica sequencial 121 Flip-flops 123 Contadores e regi stradores 143 Máquina s de estados finitos 16 1 Especi\ufb01cação e interfaceamento de cir cuitos integr ados 179 Especif icações de cir cuitos in tegrados 182 Apli ca ção d e ci rc uitos i nteg ra do s 199 Apli ca ção d e ci rc uitos i nteg ra do s 216 Palavras do autor Caro aluno, estamos vivendo momentos significativos na história da humanidade. Se você nasceu entre a década de 1980 e 1990, pertence à geração Y , também conhecida como geração do milênio . Essa geração foi a primeira que nasceu necessariamente em um mundo completamente tecnológico. Essa evolução somente foi possível devido aos significativos avanços da ciência \u2014 em especial, aos avanços na área de microeletrônica. Ano após ano, observamos saltos tecnológicos em dispositivos como celulares, tablets ou computadores pessoais, tanto em capacidade de processamento quanto nas aplicações que funcionam nesses sistemas. Dessa forma, este livro traz uma análise básica, mas contemporânea, de um tema cada vez mais relevante: circuitos digitais. O conteúdo aqui exposto guia você para um entendimento aprofundado sobre eletrônica digital e seus conceitos básicos, aspectos do sistema de numeração utilizado em sistemas computacionais, bem como suas operações e codificações. Apresentará também uma visão geral sobre funções lógicas e portas lógicas, detalhes sobre álgebra booleana e sua simplificação lógica. Além disso, serão abordados assuntos fundamentais, como diagrama de Veitch-Karnaugh, flip-flops , contadores e máquina de estados finitos. Por fim, entraremos no campo da especificação de circuitos integrados e o seu interfaceamento e aplicação. Todo esse estudo possibilitará que você compreenda pontualmente detalhes sobre circuitos digitais. Isso permitirá que você obtenha confiança para tratar desse assunto com seus pares. Saiba que o tema é relevante, atual e, ao mesmo tempo, instigante. Dessa forma, não se limite a este livro, mas extrapole procurando outras fontes de informação e, principalmente, experimentando as abordagens aqui propostas. No momento no qual este livro está sendo produzido, é evidente o chamado Boom do Hardware . Esse movimento é caracterizado por grandes empresas inundando o mercado com sistemas completos para desenvolvedores extrapolarem a imaginação. Existe um investimento significativo da parte das grandes organizações em ambientes de programação gratuitos, com diversas bibliotecas free e dispositivos dos mais variados preços, processamento e aplicação. Nós, brasileiros, somos um povo criativo. Já embarcamos nessa nova onda, sobretudo com boas ideias. Caso você seja professor, este livro faz uma coletânea dos pontos mais relevantes sobre circuitos digitais e, em contrapartida, aborda tópicos fundamentais para que o aluno tenha um contato mais aprofundado com o mundo da microeletrônica. Este conteúdo permite uma abordagem mais prática, apresentando aplicações e ferramentas de simulação disponibilizadas de forma gratuita na web, propondo, assim, uma abordagem moderna. Dessa forma, a aprendizagem se baseia na descoberta gradativa do conteúdo pelo aluno, na qual são enfatizados conceitos-chave em conjunto com situações problemas que instigam o estudante aprofundar sobre um tema contemporâneo, factível e escalável. De leitura fácil e instigante, o presente texto é um convite ao estudo, sem deixar de lado o contexto atual e a criatividade da juventude. Seja bem-vindo ao mundo dos circuitos digitais. Unidade 1 Introdução aos circuitos digitais Convite ao estudo Estimado aluno, nas seções seguintes desta unidade iniciaremos nosso conhecimento sobre circuitos digitais. Inicialmente, em linhas gerais, iremos definir os conceitos de circuitos digitais. A construção desse conhecimento se inicia definindo o que é um circuito digital e em que são empregados, seguido de alguns exemplos de circuitos digitais no nosso cotidiano e quais a tecnologias envolvidas. Em seguida, iremos entender a diferença entre um circuito analógico e um circuito digital. Começaremos o texto entendendo os primórdios do maior sistema eletrônico do mundo \u2013 o sistema de telecomunicações \u2013, e o quanto esse sistema faz uso tanto de circuitos analógicos quanto de circuitos digitais. Posteriormente, entenderemos como é definida a informação com relação aos níveis lógicos e às formas de ondas. O próximo tópico traz um conhecimento mais específico sobre como transformar a informação em circuitos lógicos através de portas lógicas e variáveis booleanas. Por fim, apontaremos nosso conhecimento para o futuro. Pontuaremos detalhes sobre circuitos integrados, circuitos lógicos e, finalmente, sistemas digitais. Tudo isso através de um contexto com base em exemplos. Todo esse conhecimento justifica-se observando o nosso cotidiano. No presente momento em que você lê esse texto, bilhões de pessoas estão interagindo com algum circuito digital, ora ligando o celular, ora usando um relógio, ora assistindo a um vídeo na internet. A quantidade de informação gerada somente na internet rompeu a casa dos zettabyte (equivalente a um sextilhão de bytes). Portanto, circuitos digitais e toda eletrônica envolvida nesse volume de informação faz parte da revolução dos bytes nos últimos 100 anos. Você já pensou que faz parte dessa revolução? E que você vive um momento da história na qual não existem mais barreiras entre idiomas, culturas e conhecimento? Todo esse cenário só foi possível porque milhões de cientistas levaram a ciência a um novo patamar, criando sistemas e incrementando as tecnologias de forma a facilitar o dia a dia do homem. Mas o que é um sistema digital? Como ele interage como um sistema analógico? Como um circuito com alguns sensores pode ser capaz de tomar uma decisão e acionar um motor? Como se dá essa interação? Todas essas perguntas podem ser respondidas no contexto de circuitos digitais. Portanto, gradativamente podemos construir o seu pensamento, trabalhando conceitos básicos sobre circuitos digitais e evoluindo o pensamento até culminar em circuitos mais complexos para acionamento de motores, por exemplo. Para tanto, vamos iniciar esta unidade de ensino contextualizando um cenário prático: considere que você está iniciando sua carreira na área de microeletrônica. Você acaba de ser contratado para fazer parte do time da linha de montagem de uma empresa de telecomunicações, na área de modens para a internet. Você é uma pessoa extremamente curiosa e não se limita a aprender somente o básico. De forma despretensiosa, por meio dos seus estudos nas horas vagas, acaba resolvendo um grande problema em um modem. Até onde você pretende chegar? Será que é possível subir de cargo ou mudar de setor? Quem sabe em breve você não estará em um time mais desafiador \u2013 o time do P&D (Pesquisa e Desenvolvimento)? Como mencionado, circuitos digitais fazem parte da nossa vida. Conhecer, identificar e solucionar problemas em circuitos digitais não é uma tarefa fácil, exigindo muito estudo e dedicação. Para chegar ao time de P&D, você deve seguir uma trilha que passa pelo conhecimento, dedicação e profissionalismo. Esteja atento a todos os conceitos que serão apresentados aqui. Lembre-se: não se contente somente com o conhecimento deste material, extrapole. Boa sorte, mãos à obra e bons estudos.

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