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Circuitos Lógicos Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Renan Cardoso Melli Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Sistemas de Numeração e Aritmética Binária Sistemas de Numeração e Aritmética Binária • Introduzir os conceitos e fundamentos de Lógica Digital; • Conhecer e utilizar os principais Sistemas de Numeração utilizados em Circuitos Digitais; • Realizar operações de valores em forma binária. OBJETIVOS DE APRENDIZADO • Circuitos Lógicos; • Circuitos Digitais e Níveis Lógicos; • Sistemas de Numeração Aplicados em Circuitos Lógicos; • Aritmética Binária. UNIDADE Sistemas de Numeração e Aritmética Binária Contextualização Atualmente, o termo “Digital” é tão comum em nosso vocabulário que nem pensamos o que essa palavra realmente significa. O termo é derivado da forma com que os computadores realizam operações, contando dígitos, e disso se tratam os sistemas microprocessados: computar a maior quantidade de dados possível. E é isso que torna possível o funcionamento de elementos como computadores, robôs, médicos eletrônicos, transportes e entretenimento, dentre muitos outros. Nesta unidade, você conhecerá alguns elementos desse mundo digital, além de ter contato com novas informações que ampliarão seu conhecimento da área. 8 9 Circuitos Lógicos Ao longo da evolução dos Sistemas Eletrônicos, os desenvolvimentos da Eletrônica Digital foram direcionados, sobretudo, ao melhoramento dos Sistemas Computacionais. Hoje em dia, a Tecnologia Digital encontra-se disponível em diversas áreas, como entretenimento, Sistemas de Comunicação, Tecnologias de Segurança, Sistemas de Na- vegação e Direcionamento, Instrumentação Médica, Controle de Processos Industriais e os mais diferentes equipamentos eletrônicos. Quando trabalhamos com números, mais especificamente, quando trabalhamos com as representações digitais dos números, estamos quantificando por comparação ou pro- porcionalidade, elementos de cálculo por símbolos chamados dígitos. Podemos usar como exemplo um relógio digital, no qual as horas do dia são repre- sentadas por dígitos decimais e esses valores são comuns em qualquer lugar do mundo, dessa forma, tornando o método de medição único. Nos mais diferentes campos, como Ciência, Tecnologia e Negócios, é sempre neces- sário quantificar elementos. As quantidades são medidas, monitoradas e manipuladas aritmeticamente, dentre outras ações. É importante, ao lidarmos com diferentes quantidades, que possamos representar seus valores de maneira eficiente e precisa. Nos circuitos lógicos, isso também se faz necessário. Em Sistemas Eletrônicos existem, basicamente, duas formas de se representar o valor numérico de quantidades: analógica e digital. A Eletrônica Digital abrange estudos e aplicações de grandezas com valores discretos e a Eletrônica Analógica abrange as grandezas com valores contínuos. Sistemas Digitais e Analógicos Utilizamos o termo Sistema Digital quando há uma combinação de dispositivos pro- jetados para lidar com informações lógicas ou com quantidades físicas representadas de forma digital, ou seja, as quantidades que só podem assumir valores discretos. Os dispo- sitivos que trabalham dessa forma são, em sua grande maioria, dispositivos eletrônicos. Pode-se exemplificar um Sistema Digital por um equipamento audiovisual ou telefônico. Quando trabalhamos com o termo Sistema Analógico estamos falando de dispositi- vos que podem manipular quantidades físicas que são representadas de forma analógica, em que as quantidades físicas acabam variando sobre um intervalo contínuo de valores, como, por exemplo, a amplitude do sinal de saída de um receptor de rádio que pode ter uma gama de valores de zero até milhares. É claro que, se existem duas frentes de trabalho disponíveis, haverá vantagens e des- vantagens para cada uma. 9 UNIDADE Sistemas de Numeração e Aritmética Binária Dentre as vantagens de Sistemas Digitais, destacam-se: • Sistemas Digitais: são mais fáceis de projetar: isso se deve ao fato de que os cir- cuitos utilizados são circuitos de chaveamento, em que os valores exatos de tensão ou corrente não são importantes, mas apenas o intervalo (ALTO ou BAIXO), no qual eles se localizam; • Fácil armazenamento de informação: isso é alcançado por circuitos de chave- amento especiais, capazes de capturar a informação e guardá-la pelo tempo que for necessário; • Maior exatidão e precisão: Sistemas Digitais podem manipular quantos dígitos de precisão forem necessários, para o que basta adicionar um número maior de circui- tos de chaveamento. Em Sistemas Analógicos, a precisão está, geralmente, limitada a três ou quatro dígitos, porque os valores de corrente e tensão são diretamente dependentes dos valores dos componentes dos circuitos e, também, são afetados por flutuações randômicas (ruídos); • A operação do Sistema pode ser programada: é bastante simples projetar Sis- temas Digitais, cuja operação pode ser controlada por um conjunto de instruções, constituindo um programa. À medida que a Tecnologia avança, a programação de sistemas vem se tornando cada vez mais simples. Sistemas Analógicos também podem ser programados; entretanto, a variedade e a complexidade das operações disponíveis são bastante limitadas; • Circuitos Digitais: são menos afetados pelo ruído: flutuações na tensão (ruído) não são tão críticas em Sistemas Digitais porque o valor exato da tensão não é tão importante, desde que a amplitude do ruído também não seja tão grande que nos impeça de distinguir corretamente os níveis lógicos; • Um maior número de Circuitos Digitais pode ser colocado em um Circuito Integrado: é verdade que circuitos analógicos também foram beneficiados com o grande desenvolvimento da tecnologia de fabricação de circuitos integrados, mas sua complexidade e a utilização de componentes economicamente inviáveis de serem integrados (capacitores de alto valor, resistores de precisão, indutores, transformadores) têm impedido que Sistemas Analógicos alcancem o mesmo nível de integração. Como dito, se há vantagens, podemos esperar também algumas desvantagens e, no contexto dos Sistemas Digitais, não é diferente. No mundo real, quase tudo ao nosso redor é medido de forma analógica, como, por exemplo, temperatura, pressão, posicionamento e velocidade, entre muitos outros. Você pode até achar que não, mas quando você determina uma hora ou uma tem- peratura, você está, na verdade, fazendo uma aproximação digital de uma grandeza inerentemente analógica. Na prática, ao proceder uma medição de uma quantidade analógica, ocorre sempre um arredondamento para um nível conveniente de precisão. Em termos simples, estamos digitalizando a quantidade e essa representação digital é resultante da atribuição de um valor de precisão limitada a uma variável que se altera continuamente. 10 11 Portanto, para tirarmos alguma vantagem digital de medições analógicas, temos de seguir alguns passos, como converter as leituras analógicas para formato digital, proces- sar a informação digitalizada e converter as resultantes digitais de volta à forma analógica. A Figura 1 mostra uma aplicação típica de um Sistema de Controle de Temperatura. Como visto no esquema, a temperatura é monitorada por um dispositivo analógico e o valor medido correspondente é, então, convertido para uma representação na forma digital por um Conversor Analógico–Digital (Conversor A/D). Em seguida, esse valor é processado por um circuito digital que pode incluir, ou não, um computador digital. A saída digital é, então, convertida de volta à forma analógica por um conversor digital-analógico (conversor D/A). Essa saída analógica é fornecida como entrada a um controlador que realiza algum tipo de ação para ajustar a temperatura. Figura 1 – Diagrama esquemático de um sistema de controle de temperatura que utiliza técnicas de processamento digital, possíveis graças às conversões analógico-digitais Fonte: Adaptado de TOCCI;WIDMER; MOSS, 2007 A necessidade de conversão entre formas analógicas e digitais pode ser considerada uma desvantagem por causa do seu custo e complexidade adicionais. Um outro fator que, geralmente, é importante é o tempo extra necessário para realizar essas conversões. Em muitas aplicações, esses fatores são compensados pelas numerosas vantagens de usarmos técnicas digitais, em razão das quais a conversão entre quantidades digitais e analógicas tomou-se algo bastante comum na Tecnologia atual. Existem situações, entretanto, em que a utilização de técnicas analógicas é mais sim- ples e econômica. Por exemplo: a amplificação de sinais é mais facilmente realizada com o auxílio de Circuitos Analógicos. É comum observar as Técnicas Analógicas e Digitais serem utilizadas em um mesmo sistema, de modo a se tirar proveito das vantagens de cada uma das técnicas. Nesses sistemas híbridos, uma das mais importantes etapas do projeto é determinar em que partes devem ser empregadas as técnicas analógicas e aquelas em que devem ser utilizadas técnicas digitais. 11 UNIDADE Sistemas de Numeração e Aritmética Binária Circuitos Digitais e Níveis Lógicos Os Circuitos Digitais são sempre projetados para produzir degraus de tensão que es- tejam dentro dos intervalos predeterminados correspondentes aos níveis lógicos binários 0 e 1, além de também serem utilizados na resposta a essas tensões, ou seja: um circuito digital responderá, do mesmo modo, a todos os valores de tensão dentro do intervalo definido para o nível lógico 0. De maneira semelhante, ele não distinguirá tensões que estejam dentro do intervalo definido para o nível lógico 1. Na Figura 2, você encontra uma representação de um Circuito Digital com uma entrada Vi e uma saída V0. É possível identificar na figura que o valor digitalizado da tensão V0 é idêntico em ambos os Casos I e II, ainda que, para cada caso, a fonte de entrada de sinal apresente diferentes valores de tensão ao longo do tempo. Logo, as duas saídas V0 possuem o mesmo valor binário. Circuito Digital vi vi O V 4 V 0.5 V 4 V 5 V t Caso I Caso II O V 3.7 V O V t vO vO vi vO Figura 2 – Um circuito digital responde a um nível binário (O ou 1) e não ao valor exato da tensão de entrada Fonte: Adaptado de TOCCI; WIDMER; MOSS, 2007 Lógica do Circuito Chamamos de lógica do circuito a forma como um Circuito Digital responde a uma entrada. Cada tipo de circuito digital obedece a um determinado conjunto de regras lógicas e, por essa razão, também chamamos os Circuitos Digitais de Circuitos Lógicos. Quase todos os Circuitos Digitais existentes nos Sistemas Digitais modernos são Circuitos Integrados (CIs). A grande variedade de CIs Lógicos tornou possível a construção de Sistemas Di- gitais complexos menores e mais confiáveis do que aqueles construídos com circuitos lógicos discretos. 12 13 Várias tecnologias de fabricação são aplicadas para produção de CIs, dentre as quais destacam-se a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) e a TTL (Transistor- -Transistor Logic). Cada um difere no tipo de dispositivo eletrônico utilizado para fornecer a operação lógica desejada. Por exemplo, a TTL usa o transistor bipolar como seu principal elemento de circuito, enquanto o CMOS usa transistores do tipo MOSFET como seu principal elemento de circuito. Formas de Ondas Digitais Formas de Onda Digitais consistem em níveis de tensão que alternam entre os estados lógicos ALTO e BAIXO. A Figura 3 (a) mostra o comportamento de um pulso positivo gerado quando a tensão passa do nível BAIXO para o nível ALTO e, em seguida, retorna para o nível BAIXO. Já o pulso negativo, visto na Figura 3 (b), é gerado quando a tensão passa do nível ALTO para o nível BAIXO e retorna para o nível ALTO. Uma forma de onda digital é constituída de uma série de pulsos positivos e negativos. Borda de subida ou positiva ALTO ALTO BAIXO BAIXO Borda de descida ou negativa Borda de subida ou descida Borda de descida ou subida (b) Pulso negativo(a) Pulso positivo to t1 to t1 Figura 3 – Formas de onda digitais aplicadas em circuitos eletrônicos e suas respectivas transições: pulso positivo (a) e pulso negativo (b) Fonte: Adaptado de FLOYD, 2007 Características de uma Forma de Onda Digital As Formas de Onda utilizadas em Sistemas Digitais são compostas, em sua maioria, de uma série de pulsos que podem ser periódicas ou não-periódicas, de acordo com o formato de repetição da onda. Uma Forma de Onda Periódica se repete num intervalo fixo, denominado de Período (T). A Frequência (f) é a taxa na qual o sinal se repete e é medida em Hertz (Hz). Uma Forma de onda Não Periódica, por sua vez, não se repete em intervalos fixos e é composta por pulsos com larguras aleatórias e/ou intervalos aleatórios de tempo entre os pulsos. Um exemplo de cada tipo é mostrado na Figura 4: 13 UNIDADE Sistemas de Numeração e Aritmética Binária T1 T2 T3 Período = T1 = T2 = T3 = ... = Tn (a) Periódica (onda quadrada) (b) Não–periódica Frequência = 1 T Figura 4 – Características de periodicidade de onda digitais periódicas (a) e não periódicas (b) Fonte: Adaptado de FLOYD, 2007 Sistemas de Numeração Aplicados em Circuitos Lógicos O Sistema Binário é o mais importante em Sistemas Digitais, mas há outros igual- mente importantes. O Sistema Decimal é importante, por exemplo, porque é univer- salmente usado para representar quantidades fora de um sistema digital, o que significa que os valores decimais devem ser convertidos para valores binários antes de serem inseridos no Sistema Digital. Os processadores têm por função básica executar operações matemáticas como a soma, subtração e divisão, entre outras mais complexas. Para tanto, foram criadas diversas formas para se tentar reproduzir tais funções no computador, sendo a mais comum a notação posicional. Conceitualmente falando, na notação posicional, os algarismos assumem valores di- ferentes de acordo com a posição relativa no número representado, sendo o valor total do número equivalente à soma dos valores relativos de cada algarismo. Dessa forma, de acordo com o Sistema de Numeração adotado, a quantidade de algarismos que o com- põe é chamada de base e, assim, chegamos à famosa conversão de bases. Pode-se, à primeira vista, estranhar-se esse conceito, pois a cultura ocidental não utiliza a notação posicional, vez que esta é característica dos numerais hindu-arábicos. No Sistema Ocidental, basta relacionarmos um valor a outro e pronto. Para tanto, convencionaram-se dez algarismos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), que chamamos de Sistema Decimal. Em outras palavras, a base de um Sistema é a quantidade de algarismos que ele possui. Logo, no Ocidente, utilizamos um Sistema de Base 10, bem como há o Sistema Binário que possui base 2 (0 e 1) utilizado para os Sistemas Computacionais. Conversões entre Sistemas de Numeração Para descobrirmos um número de uma base (x), simplesmente, utilizamos o Teorema Fundamental da Numeração, representado pela equação: 1 10 n i i m N d xb − =− = ∑ 14 15 Onde: • N = número equivalente na base 10; • d = dígito; • b = base (em outro Sistema de Numeração); • i = índice do dígito ou expoente da base “b”; • m = quantidade de dígitos à direita da vírgula; • n = quantidade de dígitos à esquerda da vírgula. Vamos usar, como exemplo, uma conversão do Sistema Binário para Decimal: • → 101,012 (onde b=2, m=2, n=3) temos: N10 = 1 x 2 2 + 0 x 21 + 1 x 20 + 0 x 2 –1 + 1 x 2 –2 N10 = 4 + 0 + 1 + 0 + 0,25 N10 = 5,25 Vejamos, agora, uma conversão do Sistema Octal para Decimal: • → 10118 (onde b=8, n=4) temos: N10 = 1 x 83 + 0 x 82 + 1x 81 + 1 x 80 N10 = 512 + 0 + 8 + 1 N10 = 521 Na sequência, vejamos uma conversão do Sistema Hexadecimal para Decimal: • → 111116 (onde b=16, n=4) temos: N10 = 1 x 16 3 + 0 x 162 + 1 x 161 + 1 x 160 N10 = 4096 + 0 + 16 + 1 N10 = 4113 Em nosso material complementar, temos o link para um jogo da Ciscode conversões entre Binário e Decimal. Acesse e veja até onde você consegue chegar. Será uma forma bastante competitiva de aprender. Será que você consegue raciocinar como uma máquina? De forma complementar à conversão de um número para o Sistema Decimal, a con- versão de um número no Sistema Decimal para qualquer outra base é realizada dividin- do-se a parte inteira da quantidade decimal pela base do Sistema para o qual se deseja a conversão e, complementarmente, multiplicando-se a parte fracionária (se existir) da quantidade decimal pela base do Sistema até se chegar a um inteiro. Vamos verificar um exemplo a seguir. 15 UNIDADE Sistemas de Numeração e Aritmética Binária Para convertermos o valor 37,12510 para binário, realizamos, primeiramente, a con- versão da parte inteira por divisões sucessivas: 3710 → ?2 • 37 2 18, 1 ;resta÷ = • 18 2 9, 0;resta÷ = • 9 2 4 1 resta÷ = ; • 4 2 2, 0;resta÷ = • 2 2 1, 0resta÷ = . Organizando os resultados da última divisão em ordem retroativa com os restos das demais divisões, teremos o valor correspondente ao algarismo 3710 no Sistema Binário: 1001012. Agora, realizamos a conversão da parte fracionária por multiplicações sucessivas: 0,(125)10 → ?2 • 0,125 2 0,25, 0;fraçãode× = • 0,25 2 0,50, 0;fraçãode× = • 0,50 2 1,00, 1 inteiro× = . Organizando a representação do dígito anterior à vírgula do resultado de cada produto, de forma consecutiva, teremos como resultado 0,(125)10 → 0,(001)2; adicionando o valor fracionário convertido ao valor da parte inteira convertida, temos, então, 37,12510 → 100101,0012. Complementarmente, vejamos as conversões do Sistema Binário para o Octal e para o Hexadecimal. Para a realização dessas conversões, é necessário conhecermos a conversão de alga- rismos entre sistemas apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 – Tabela de conversão de sistemas Decimal Binário Octal Hexadecimal 0 0 0 0 1 1 1 1 2 10 2 2 3 11 3 3 4 100 4 4 5 101 5 5 6 110 6 6 7 111 7 7 8 1000 10 8 9 1001 11 9 10 1010 12 A 16 17 Decimal Binário Octal Hexadecimal 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101 15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F A conversão de base 2 para base 8 se dá da seguinte forma: • Na parte inteira, devem ser formados grupos de três dígitos à esquerda, comple- mentando-se com zeros; • Na parte fracionária, devem ser formados grupos de três dígitos à direita, comple- mentando-se com zeros. Essa conversão deve utilizar a Tabela de Conversão para identificar o valor que cada grupo representa. Vamos usar, como exemplo de conversão, o seguinte valor binário: • 0101010101002 → ?8 • 010=2 101=5 010=2 100=4 Assim, temos: • 0101010101002 → 25,248. A conversão do Sistema Binário para Hexadecimal se dá igualmente à conversão para Octal, apenas usando grupos de quatro dígitos à esquerda e à direita, ao invés de três, e utilizando as relações apresentadas na Tabela 1. Vejamos o exemplo a seguir: • 1100101110111110112 → ?16 • 0110=6 0101=5 1101=D 1111=F 0110=6 Assim, temos: • 1100101110111110112 → 65DF616 Essas são as conversões mais utilizadas em Sistemas Digitais para Processamento de Dados em Microprocessadores e para entendermos melhor as operações com valores em linguagens de baixo nível. A seguir, na Unidade, veremos as técnicas básicas de operações com números binários. Aritmética Binária A Aritmética Binária é essencial em todos os computadores digitais e em muitos outros tipos de Sistemas Digitais. Para compreender os Sistemas Digitais, é preciso conhecer os fundamentos das operações de básicas em binário. 17 UNIDADE Sistemas de Numeração e Aritmética Binária Soma e Subtração As quatro regras básicas para a adição de dígitos binários (bits) são: • 0 + 0 = 0 Resultado: 0; carry: 0; • 0 + 1 = 1 Resultado: 1; carry: 0; • 1 + 0 = 1 Resultado: 1; carry: 0; • 1 + 1 = 10 Resultado: 0; carry: 1. Observe que, na quarta regra, a soma resulta no número binário dois (10). Quando números binários são somados, o último caso acima gera um resultado 0 em uma dada coluna e um carry de 1 para a próxima coluna à esquerda. Vejamos alguns exemplos de soma de binários a seguir: ( ) ( ) 1 1 3 100 4 11 3 10 2 110 6 110 6 a b+ + + + As quatro regras básicas para a subtração de bits são: • 0 – 0 = 0 Resultado: 0; empréstimo: 0; • 0 – 1 = 0 Resultado: 1; empréstimo: 0; • 1 – 0 = 1 Resultado: 1; empréstimo: 0; • 1 – 1 = 1 Resultado: 0; empréstimo: 1. Quando subtraímos números em formato binário, é preciso fazer um empréstimo (borrow) quando tentamos subtrair 1 de 0. Nesse caso, um 1 é obtido como empréstimo da próxima coluna à esquerda. Veja- mos alguns exemplos de subtração de binários a seguir: ( ) ( ) 1 1 3 101 5 10 2 011 3 01 1 010 2 a b− − − − Multiplicação e Divisão As quatro regras básicas para a multiplicação de bits são: • 0 × 0 = 0; • 0 × 1 = 0; • 1 × 0 = 0; • 1 × 1 = 1. A multiplicação e a divisão binária seguem os mesmos procedimentos que as respec- tivas operações com decimais, como ilustram os exemplos a seguir. 18 19 Para a multiplicação ilustrada em (a), basta calcularmos os produtos parciais e somarmos para obtenção do resultado: Para as operações de divisão, o valor do divisor deve ser igual ou menor que o do dividendo e, caso seja igual ou menor, é escrito 1 no quociente. Esse valor é multiplicado pelo divisor e subtraído do dividendo, até atingir o valor zero, no caso da divisão exata. No exemplo (b) acima, subtraímos 112 de 1102 e obtemos 0 como re. Na segunda operação, subtraímos 002 de 112, resultando no valor 102. Para confirmar, faça a multiplicação do divisor pelo quociente. Complementos de 1 e de 2 de Números Binários O complemento de 1 e o complemento de 2 de um número binário são importantes pois permitem a representação de números negativos nesse Sistema. O método da aritmética do complemento de 2 é usado em computadores na operação com números negativos. O complemento de 1 de um número binário é determinado trocando-se todos os 1s por 0s e todos os 0s por 1s, conforme ilustrado no exemplo a seguir: 1 0 1 1 0 0 1 0 Número binário ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 0 1 0 0 1 1 0 1 Complemento de 1 de 10110010 O complemento de 2 de um número binário é obtido somando-se 1 ao dígito menos significativo (LSB) do complemento de 1 do número operado, conforme ilustrado no exemplo a seguir: 1 0 1 1 0 0 1 0 Número binário ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 0 1 0 0 1 1 0 1 Complemento de 1 + 1 (Soma-se 1 ao LSB (Dígito mais à direita)) 0 1 0 0 1 1 1 0 Complemento de 2 de 10110010 Nas próximas Unidades, vamos explorar mais profundamente os conceitos de Tra- tamentos de Dados Numéricos em Sistemas Computacionais, que vão necessitar dos conhecimentos aqui estudados. Então, não deixe de exercitar e participar dos fóruns para sanar todas suas dúvidas. 19 UNIDADE Sistemas de Numeração e Aritmética Binária Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Sites The National Museum of Computing https://bit.ly/3qDPS1o Cisco Binary Game https://bit.ly/3a1XGEi Livros Elementos de eletrônica digital CAPUANO, F. G. Elementos de eletrônica digital. 41. ed. São Paulo: Erica, 2012. Fundamentos de eletrônica digital TOKHEIM, R. Fundamentos de eletrônica digital, V.1: sistemas combinacionais. Porto Alegre: AMGH, 2013. Leitura O que são FLOPS? https://bit.ly/37Ss3u5 20 21 Referências CAPUANO, F. G. Elementos de eletrônica digital. 41.ed. São Paulo, Erica, 2012. (e-book) FLOYD, T. Sistemas Digitais: fundamentos e aplicações. 9 ed. Porto Alegre, Bookman, 2011. (e-book) TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Digital Systems: principles and applications. 10.ed. New Jersey: Pearson. 2007. 21
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