Objetivos del curso

Universidad Rey Juan Carlos Ingeniería de Telecomunicación

Electrónica digital (Electrónica Digital I) CDA

A+B=B+A CAD

Electró Electrónica Digital I El diseño digital es INGENIERÍA y la ingeniería es resolver problemas !!!

Introducció Introducción a la Electró Electrónica Digital Felipe Machado Norberto Malpica

   

Ingeniería de Telecomunicación

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

1

Contenido 1. 2. 3. 4.

Sistemas de numeración y codificación Álgebra de Boole Lógica combinacional Lógica secuencial

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

2

Analó Analógico vs. Digital

Introducción: Analógico vs. Digital Dígitos binarios, niveles lógicos y formas de ondas digitales Lógica combinacional y secuencial Sistemas digitales

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

3

Analó Analógico vs. Digital

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

4

Analó Analógico vs. Digital

5

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

6

1

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital Analó Analógico

• Proporción • Semejanza

Digital

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

• Cuantificación • Análisis • Detalle

Analó Analógico

• Proporción • Semejanza

Digital

• Cuantificación • Análisis • Detalle

¿Son paralelas?

Introducción a la electrónica digital

7

Electrónica Digital I

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital Analó Analógico

• Proporción • Semejanza

Digital

Introducción a la electrónica digital

8

Electrónica Digital I

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

• Cuantificación • Análisis • Detalle

Analó Analógico

• Proporción • Semejanza

Digital

• Cuantificación • Análisis • Detalle

¿Son paralelas?

¿Miden lo mismo?

Introducción a la electrónica digital

9

Electrónica Digital I

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital Analó Analógico

• Proporción • Semejanza

Digital

Introducción a la electrónica digital

10

Electrónica Digital I

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

• Cuantificación • Análisis • Detalle

Analó Analógico

Sensores y transductores que transforman la señal real en una señal eléctrica

Micrófono

Altavoz Sonido Circuito analógico

Sonido La señal analógica es similar a la señal real

V V

¿Miden lo mismo?

t El valor de la tensión indica la magnitud de la señal original en cada instante. Señal continua

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

Ampli

11

Introducción a la electrónica digital

t

Los circuitos analógicos operan con señales semejantes Electrónica Digital I

12

2

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

Digital

Conversió Conversión a digital Sonido

Resolución: Incremento mínimo de la medida

V

Los circuitos digitales operan con señales consistentes en ceros y unos

Sonido

Cada cierto tiempo (T) mido cuanto vale la tensión

Digital

r

Analógico Convertidor Convertidor Circuito digital analógico 0110010 digital 0110010 analógico digital

V

Ampli

V

X

t T t Introducción a la electrónica digital

Digital: Discontinua en amplitud

Digital: Discontinua en tiempo 13

Electrónica Digital I

t

Periodo de muestreo

Introducción a la electrónica digital

14

Electrónica Digital I

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

Conversió Conversión a digital

Conversió Conversión a digital

Señal digital Señal analógica

Compuesta de varios bits

Convertidor AD

Señal continua en tiempo y amplitud

Señal discontinua en tiempo y amplitud

La resolución dependerá de las divisiones de mi regla para medir la señal

A más resolución mayor número de bits

t

T

Introducción a la electrónica digital

15

Electrónica Digital I

Introducción a la electrónica digital

16

Electrónica Digital I

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital

Conversió Conversión a digital

Conversió Conversión a digital

1 bit de resolución

La señal valdrá 0 ó 1

2 bits de resolución La señal valdrá 0, 1, 2, 3

11 1

10 01

0 Un bit

00 t

T

T

t1=0 t2=1 t3=2 t4=3

ti=2

t

Se añade este bit

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

17

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

18

3

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital Conversió Conversión a digital

Introducció Introducción: Analó Analógico vs. Digital Analó Analógico

3 bits de resolución La señal valdrá {0, …, 7}

Digital

Hemos pasado de una única señal analógica y por tanto intuitiva y continua

111 110 101 100 011 010 001 000

V

A una señal compuesta de varias señales binarias (bits) y discontinua y aparentemente más difícil de interpretar

Convertidor AD

t

t1=0 t2=1 t3=2 t4=3

T

ti=2

Y después de procesar digitalmente la señal, en muchas ocasiones tenemos que volverla a convertir

t

Entonces, …

Los valores irán multiplicados por una escala para que se correspondan con el valor real

Se añade este bit

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

19

001011... 011011... 000001... 101001...

Circuito digital

V

CDA

t

¿Hemos mejorado algo?

Introducción a la electrónica digital

20

Electrónica Digital I

Circuitos analó analógicos

Circuitos digitales

Filtro

Filtro Multiplicadores Sumadores Constantes Memorias (retardos) Operaciones que siempre dan los mismos resultados

Los componentes tienen que estar bien calibrados

Fáciles de ajustar y reprogramar (cambiar constantes)

Dependen de la temperatura

Fáciles de reprogramar (cambiar constantes) sin cambiar el hardware

Son complicados de diseñar y difíciles de ajustar

Independientes de la temperatura

Se requiere más experiencia en el diseño

Fáciles de comprobar Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

21

Circuitos analó analógicos

22

Electrónica Digital I

Circuitos digitales

Generador de formas de ondas P. ej: Sintetizador de sonido

Generador de formas de ondas Sintetizador de sonido Digitalmente puedo generar cualquier forma de onda, con las características más diversas Puedo guardar los valores en una memoria o crear una función que los genere

Resulta sencillo generar formas de ondas típicas:

Cuadrada

Ejemplo de función: Diente de sierra en digital

Diente de sierra Triangular

Pero generar otras formas de ondas específicas puedes ser complicado Electrónica Digital I

Llevar un contador, que incremente en cada ciclo, y vuelva a cero al llegar al valor máximo

111 110 101 100 011 010 001 000

Senoidal

Introducción a la electrónica digital

Introducción a la electrónica digital

23

tiempo

ciclo Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

24

4

Analó Analógico vs. Digital

Señ Señales digitales

¿Qué diferencia hay entre la electrónica digital y analógica? ¿Por qué se comportan tan diferentemente? La tecnología de un circuito digital y analógico puede ser la misma

'1' Pero cambia la forma de manejar las señales Analó Analógico

Digital

La señal es continua

La señal es discontinua '0' ó '1'

El transistor está en conducción

El transistor está en corte o saturación

Pequeños cambios en las entradas producen importantes cambios en las salidas

Pequeños cambios en las entradas no producen cambios en las salidas

'0'

Variaciones dentro de estos rangos no producen cambios de valor lógico de la señal

El ajuste es delicado Introducción a la electrónica digital

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Electrónica Digital I

Señ Señales digitales

Introducción a la electrónica digital

26

Electrónica Digital I

Abstracció Abstracción ló lógica

Los dos dígitos del sistema binario 1,0 , se denominan bits (binary digit) En los circuitos digitales se emplean niveles de tensión distintos para representar los dos bits Las tensiones que se utilizan para representar los unos y los ceros se les denominan niveles lógicos. Existen distintos tipos de lógica • Lógica positiva: VH = 1 y VL = 0. ALTO (HIGH)= 1, BAJO (LOW) = 0 • Lógica negativa: VH = 0 y VL = 1 • Lógica mixta: se mezclan ambos criterios en el mismo sistema, eligiendo uno u otro en cada caso según convenga.

Tengo señales binarias que valen '0' ó '1' Dispongo de estructuras electrónicas que realizan operaciones lógicas "Casi" me da igual como funcionan los transistores por debajo Y diseño a nivel lógico, "casi" sin tener en cuenta la electrónica Subo de nivel No hablo de tensiones eléctricas sino de '0' y '1' No hablo de transistores sino de puertas lógicas

'1'

Realizo un diseño lógico

Más fácil Más rápido

'0'

Introducción a la electrónica digital

27

Electrónica Digital I

Abstracció Abstracción ló lógica

Conecto las puertas para formar otros circuitos

Por ejemplo Puerta AND Puerta NOT

A

S

Puerta OR

A S B

A A 0 1

A 0 0 1 1

S 1 0

B 0 1 0 1

Introducción a la electrónica digital

B

S 0 1 1 1

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Electrónica Digital I

Abstracció Abstracción ló lógica

Compuertas que dejan pasar la información Y realizan operaciones lógicas

Puertas lógicas

Introducción a la electrónica digital

A 0 S 0 1 1

B 0 1 0 1

S 0 0 0 1

B A

Esto es un multiplexor

Conecto señales y puertas para formar mi circuito

Selecciona una señal u otra (B ó C) según el valor de la señal de selección A

Las reglas vienen dadas por el álgebra de Boole Electrónica Digital I

S

C

Este circuito hace que Si A='1' entonces S=C Multiplexor

A

1

B

0

S

C

29

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

Puedo ir creando bloques de mayor abstracción para simplificar la tarea del diseño Sumadores Multiplicadores Comparadores Decodificadores … 30

5

Abstracció Abstracción ló lógica: Señ Señales digitales

Implementació Implementación de un diseñ diseño digital

Si necesito señales con un mayor rango de valores que '0' y '1', agrupo varias señales binarias Cada una de las señales binarias las podremos transmitir en paralelo o en serie

Componentes discretos De pequeña escala de integración (SSI)

De mediana escala de integración (MSI)

8 bits

Sumadores Multiplicadores Comparadores Decodificadores …

En serie

En paralelo 001011... bit0 110010... bit1

t0 bi

t7 bi

001011011001110 bit7

100001...

Valor de la señal en tiempo t

Más interconexiones Más velocidad Introducción a la electrónica digital

Hasta 100 puertas

Con unas 10 puertas Se usan cada vez menos

En diseños pequeños Para lógica de unión entre circuitos (glue logic) 31

Electrónica Digital I

Implementació Implementación de un diseñ diseño digital

Introducción a la electrónica digital

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Electrónica Digital I

Implementació Implementación de un diseñ diseño digital ASIC

Lógica programable (PLD y FPGAs) FPGAs) Dispositivos que permiten la implementación de los circuitos lógicos

Implementan directamente en el dado de silicio la lógica específica

Son los más versátiles

Es una opción arriesgada, sólo para producciones muy grandes

Son los más rápidos de diseñar

Requieren tiempos de diseño mayores

Pueden tener desde cientos de puertas hasta millones Dado

Es la opción más empleada para producciones bajas y medias Cada vez más empleados

Oblea del Intel Pentium 4 (130nm) Introducción a la electrónica digital

Implementació Implementación de un diseñ diseño digital Fabricación Coste de la máscara: 250 nm: 100 k$ 180 nm: 300 k$ 130 nm: 800 k$ 90 nm: 1200 k$ 65 nm: 2000 k$

33

Electrónica Digital I

34

Electrónica Digital I

Resumen: Analó Analógico vs. Digital

ASIC

La información viene dada por los valores que toman un conjunto de magnitudes significativas. Las magnitudes pueden ser de dos tipos: analógicas y digitales.

Diseño Retrasos: 85% de proyectos

Magnitudes analógicas: toman valores en un rango continuo. Â Ejemplos: temperatura, voltaje, corriente eléctrica, tiempo, luminosidad, etc. Â Se corresponden matemáticamente con el concepto de números reales.

Tiempo de retraso: 53% Iteraciones: 4,7 Cada iteración: Máscara nueva

Magnitudes digitales: su rango de posibles valores es discreto. Â Ejemplos: número de personas en una habitación, número de libros en una biblioteca, etc. Â Se corresponden matemáticamente con el concepto de números enteros.

+ Placa prototipos - Yield (productividad de oblea)

Introducción a la electrónica digital

Decenas de millones de dólares

Millones de dólares

Digital

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

Analógico

Z

Sólo se lo permiten las grandes empresas con grandes producciones 35

Introducción a la electrónica digital

X Electrónica Digital I

36

6

Resumen: Analó Analógico vs. Digital

Dígitos Binarios, Niveles ló lógicos y formas de onda digitales Señales digitales reales

Revolución digital: Cámaras Digitales DVD (video) CD (audio) Automóviles, teléfonos, efectos especiales…

- Pregunta: ¿Las señales digitales reales adquieren solamente uno de estos dos valores, 1 ó 0 ? - Respuesta: NO. Un sistema digital tendrá que procesar señales con un espectro de valores mayor: 1 “fuerte” => conexión cuasi-directa a nivel alto (Vcc). 0 “fuerte” => conexión cuasi-directa a masa. alta impedancia => salida “desconectada” de la línea (o conectada vía una alta impedancia).

¿Por qué del éxito de los sistemas digitales?: Programables Flexibilidad y funcionalidad Mayor velocidad de procesamiento Mayor inmunidad al ruido Mayor capacidad de integración

1 “débil” => conexión indirecta a nivel alto, vía una resistencia grande (“pull up resistor”) que limita corriente. 0 “débil” => conexión indirecta a nivel bajo, vía una resistencia grande (“pul down resistor”) que limita corriente. Otras señales utilizadas: “Desconocido fuerte” => conflicto entre 1 y 0 fuertes (significa un cortocircuito directo de alimentación a masa). “Desconocido débil” => conflicto entre 1 y 0 débiles “Indiferente” => A la salida final le es indiferente esta señal, y el software (o nosotros) asignaremos el que más simplifique.

Introducción a la electrónica digital

37

Electrónica Digital I

Cronogramas

Electrónica Digital I

38

Cronogramas

Forma de onda de una señal: muestra su evolución a lo largo del tiempo. • Las formas de onda digitales se suelen representar en forma ideal, con transiciones instantáneas. • Pulso: transiciones H→L y L→H (o viceversa) consecutivas de una anchura determinada. Pulso negativo

Flanco de bajada

Introducción a la electrónica digital

Pulso real: • Tiempo de subida (tr): tiempo requerido en la transición del nivel BAJO al ALTO • Tiempo de bajada (tf): tiempo requerido en la transición del nivel ALTO al BAJO • Anchura de pulso (tw):

Pulso positivo

Flanco de subida

Introducción a la electrónica digital

tw

tr

tf

Flanco de bajada

39

Electrónica Digital I

Cronogramas

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

40

Cronogramas En un reloj, el nivel alto y el bajo no tienen por qué durar lo mismo.

Reloj (CLK): señal que varía periódicamente de forma infinita. •Los sistemas digitales suelen contar con una señal de reloj (o varias) que sincroniza(n) a todas las demás. Flanco de bajada

Pulso de nivel alto

 Simetría del reloj: porcentaje de tiempo de un periodo en el que el reloj está a nivel alto o bajo.

Pulso de nivel bajo

Ejemplos de señales de reloj periódicas (simétricas y asimétricas): Clk

Nivel alto

Clk Clk

Nivel bajo Flanco de subida

T

Ciclo de reloj (medido entre dos flancos de subida)

• Periodo (T) • Frecuencia (f) Introducción a la electrónica digital

T Ciclo de reloj (medido entre dos flancos de bajada)

Clk

tw

T

• Ciclo de trabajo (δ) : razón entre el ancho de pulso (tw) y el periodo (T). t δ = w ⋅100 T

f = 1/ T Electrónica Digital I

41

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

42

7

Cronogramas

Lógica combinacional y secuencial

Cronograma o diagrama de tiempo: conjunto de formas de onda de varias señales de un sistema que normalmente están interrelacionadas. Reloj

En los circuitos combinacionales la salida Z en un determinado instante de tiempo ti sólo depende de X en ese mismo instante de tiempo ti , es decir que no tienen capacidad de memoria y que se puede obviar la variable de tiempo t.

A

Z(t) = F(X(t))

1

2

3

4

5

6

7

Z = F(X)

B

X

Evolución de las señales:

F

Z

•En el periodo de reloj 1 A = “0” y B = “1”. •En el periodo 2 A = “1” y B = “0”.

Unidad Básica: la PUERTA LÓGICA

•Etc. La flechas indican que el pulso de la señal A es una consecuencia del pulso de la señal B. Introducción a la electrónica digital

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Electrónica Digital I

Lógica combinacional y secuencial

G : función de salida ⎧Z(t) = G(X(t),S(t)) ⎨ ⎩S(t + 1) = H(X(t),S(t)) H : función de transición

Z(t)

G,H

S(t)

Realimentación memoria S(t+1)

X(t): entrada actual Z(t): salida actual S(t): estado actual S(t+1): estado próximo

Electrónica Digital I

Un sistema secuencial dispone de elementos de memoria cuyo contenido puede cambiar a lo largo del tiempo. El estado de un sistema secuencial viene dado por el contenido de sus elementos de memoria. Es frecuente que en los sistemas secuenciales exista una señal que inicia los elementos de memoria con un valor determinado: señal de inicio (reset). ÂLa señal de inicio determina el estado del sistema en el momento del arranque (normalmente pone toda la memoria a cero). La salida en un instante concreto viene dada por la entrada y por el estado anterior del sistema. El estado actual del sistema, junto con la entrada, determinará el estado en el instante siguiente ⇒ realimentación.

Como un sistema secuencial es finito, tiene una capacidad de memoria finita y un conjunto finito de estados posibles ⇒ máquina finita de estados (FSM: finite state machine). Introducción a la electrónica digital

44

Electrónica Digital I

Lógica combinacional y secuencial

En los circuitos secuenciales la salida Z en un determinado instante de tiempo ti depende de X en ese mismo instante de tiempo ti y en todos los instantes temporales anteriores. Para ello es necesario que el sistema disponga de elementos de memoria que le permitan recordar la situación en que se encuentra (⇒ estado).

X(t)

Introducción a la electrónica digital

45

Introducción a la electrónica digital

46

Electrónica Digital I

Tipos de sincronismos

Tipos de sincronismos

Existen dos tipos de sistemas secuenciales: asíncronos y síncronos.

Los sistemas síncronos están regulados por una o varias señales de reloj.

Los asíncronos son sistemas secuenciales que pueden cambiar de estado en cualquier instante de tiempo en función de cambios en las señales de entrada.

Flanco de bajada

 Existen métodos específicos para diseñar sistemas asíncronos (no los vamos a estudiar). Los síncronos son sistemas secuenciales que sólo pueden cambiar de estado en determinados instantes de tiempo, es decir, están “sincronizados” con una señal que marca dichos instantes y que se conoce como señal de reloj (Clk). El sistema sólo hace caso de las entradas en los instantes de sincronismo.  Son más fáciles de diseñar.

Clk Nivel bajo Flanco de subida

Tipos de sincronismo:

Ciclo de reloj (medido entre dos flancos de subida)

Ciclo de reloj (medido entre dos flancos de bajada)

Sincronismo por nivel (alto o bajo): el sistema hace caso de las entradas mientras el reloj esté en el nivel activo (alto o bajo). Sincronismo por flanco (de subida o de bajada): el sistema hace caso de las entradas y evoluciona justo cuando se produce el flanco activo (de subida o de bajada).

Estudiaremos los sistemas síncronos, y veremos cómo “sincronizar” los sistemas asíncronos. Electrónica Digital I

Pulso de nivel bajo

Nivel alto

 Son más frecuentes en la vida real.

Introducción a la electrónica digital

Pulso de nivel alto

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Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

48

8

Sistemas digitales

Descripció Descripción de los sistemas digitales

El estudio de los sistemas digitales requiere métodos para su especificación, diseño, materialización y análisis.

Un sistema digital puede describirse desde diferentes dominios conceptuales:

 Especificación de un sistema: descripción formal y no ambigua de su función y de otros detalles que serán relevantes en el diseño (tecnología, tamaño, consumo, etc).

 Comportamental: cómo se comporta.  Estructural: qué bloques lo componen y cómo se interconectan.

 Diseño o síntesis de un sistema: permite generar una materialización a partir de una especificación dada.  Análisis de un sistema: permite describir el comportamiento de un sistema generando una especificación del mismo a partir de su materialización.

 Físico: cómo está construido realmente.

 Materialización de un sistema: indica cómo se ha construido el sistema a partir de componentes más sencillos (primitivas). Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

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Descripció Descripción de los sistemas digitales

Introducción a la electrónica digital

Transiciones:

 Circuito: electrónica.

 Síntesis - análisis: dominios conductual ⇔ estructural.

 Lógico: valores lógicos (0,1).

 Generación - extracción: dominios físico ⇔ estructural.

 RT (transferencias entre registros): palabras, señales de control, temporizaciones.

 Optimización: mejora dentro del mismo nivel de abstracción.

 Algorítmico: estructuras abstractas, dependencias.

 Refinamiento - abstracción: cambiar el nivel de abstracción en el mismo dominio.

 Sistema: protocolos de sincronización entre subsistemas.

Electrónica Digital I

51

Descripció Descripción de los sistemas digitales

Introducción a la electrónica digital

!

52

Una especificación de alto nivel de un sistema digital se compone de un conjunto (I,O,F) formado por: •Entradas (I) •Salidas (O)

 ABEL

•Función realizada por el sistema (F)

 Verilog

La especificación de un sistema puede realizarse mediante:

VHDL permite describir sistemas según diferentes modelos de comportamiento (funcional, algorítmico y estructural).

• Tablas

 El modelo funcional está próximo a la especificación del sistema.

• Expresiones matemáticas

 El modelo algorítmico es más elaborado, y describe el comportamiento del sistema.

• Descripciones textuales

 El modelo estructural describe el sistema indicando los bloques que lo componen y sus interconexiones. Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

Especificació Especificación de los sistemas digitales

Existen lenguajes de descripción de sistemas digitales muy extendidos que permiten incluso realizar la síntesis de los mismos. Entre ellos señalaremos los siguientes: Â VHDL

50

Descripció Descripción de los sistemas digitales

Niveles de abstracción:

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

Electrónica Digital I

• Expresiones condicionales • Expresiones lógicas (de conmutación) …

53

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

54

9

Un poco de historia… historia…. • Evolución de las máquinas digitales. 1834

Engranajes Ö relés Ö válvulas de vacío Ö transistores Ý

• “Máquina analítica” de Babbage. - Manejaba números de 31 dígitos. Se accedía mediante el concepto de “tablero perforado”.

circuitos integrados Ö ultra-altas escalas de integración ULSI...

- Tiempo de multiplicación = 1 MINUTO 1642-45

• Calculadora de Pascal.

- Terminada de construir en 1910 por su hijo (esto es un “time-to-market” no muy bueno).

Desde antaño se tuvo claro que el sistema binario era más apropiado para manejarlo con máquinas y engranajes.

Esta calculadora esencialmente sumaba. La resta la hacía mediante el complementado. La multiplicación y división las hacía mediante combinaciones de las anteriores.

Introducción a la electrónica digital

1878

Charles Babbage

55

Electrónica Digital I

Introducción a la electrónica digital

• Calculadora Odhner (Rusia) 1919

- Pervivió hasta los años 30 (...rastro madrileño)

Electrónica Digital I

56

• Encuentro “electrónica – computación” Invención del circuito flip-flop (W.H. Eccles y F.W. Jordan *, 1919), primera célula elemental de memoria electrónica.

- Apartados a impartir

1938

• Claude Shannon fue el primero en aplicar los principios del Álgebra de Boole al análisis y diseño de circuitos, presentando en el MIT su tesis titulada “Análisis simbólico de los circuitos de conmutación y los relés” .

Mientras tanto... 1844

• Encuentro “comunicaciones – transmisión eléctrica digital”

1854

• George Boole publicó su obra titulada “Investigación de las leyes del pensamiento sobre las que se basan las teorías matemáticas de la lógica y la probabilidad”, donde formula la idea de un “álgebra de las operaciones lógicas”.

- Código Morse

*

Introducción a la electrónica digital

57

Electrónica Digital I

• Tecnología de relés - Una pequeña corriente (mA) puede cerrar una llave por donde circulen altas intensidades (centenares de amperios). - Puede incluir varios contactos.

Leonardo Torres Quevedo presenta su (electromecánico). El primero de que se tiene noticia

1878

- Thomas Alva Edison inventa la lámpara de incandescencia.

1897

- Braun fabrica el primer tubo de rayos catódicos.

1904 1907

- Problema: los antiguos eran sensibles a “bugs”...de seis u ocho patas. ;-)

•

Electrónica Digital I

autómata

- John Ambrose Fleming inventa el diodo de vacío. - Lee de Forest inventa el triodo o audión: modular corrientes mediante una señal pequeña.

ajedrecista Patente del diodo de vacío

Introducción a la electrónica digital

58

• Tecnología de válvulas de vacío.

- Interruptor controlado por tensión.

1911

Radio Review, 1, 143 (1919)

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

59

Introducción a la electrónica digital

grandes

• Los dos últimos dispositivos dieron lugar a la RADIODIFUSIÓN. Pero también eran interruptores controlados por tensión...

Electrónica Digital I

60

10

1943 1919

• Poco después, en Harvard se llevan la fama construyendo el Mark1:

• Aplicaciones con válvulas

- 35 toneladas.

H. Abrahm y E. Bloch proponen el multivibrador *.

- Operaciones aritméticas. Números de 24 dígitos decimales - Incorporaba una pequeña memoria.

W.H. Eccles y F.W. Jordan proponen el multivibrador biestable 1943-45

1942

• Atanasoff-Berry fabrican en la Universidad del Estado de Iowa el primer ordenador electrónico digital (no estaban en programas militares). Þ

• Se construye en la Universidad de Pennsylvannia el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator ), 1er ordenador electrónico (más válvulas de vacío que relés). - 30 toneladas. 200 kw de consumo - 19000 tubos de vacío y 1500 relés - Era básicamente una ALU - Dedicado a aplicaciones militares: cálculos de trayectorias balísticas, sistemas atómicos...

*

Introducción a la electrónica digital

1945-48

1960

62

The IBM 1401 was called the Model T of the computer business, because it was the first mass-produced digital, alltransistorized.

- It came with 4,096 characters of memory. - The memory was 6-bit (plus 1 parity bit) CORE memory, made out of little metal donuts strung on a wire mesh by workers (mostly women) at IBM factories. - The 1401 in this picture has a Storage Expansion Unit (the box on the right) which expanded the core storage to an amazing 16K!! - The cost of these machines ran to six-figures.

• 1er paso hacia la miniaturización

Se comercializan en 1961

Introducción a la electrónica digital

1962

http://ei.cs.vt.edu/~history/ENIAC.Richey.HTML

Electrónica Digital I

1er circuito integrado en Texas Instruments (5 transistores) U.S. patent # 3,138,743

Jack Kilby (Texas Instruments) y R. Noyce (Fairchild) anuncian por separado la construcción de un circuito integrado y de la tecnología planar. 1961

Annales de Physique 12, 252 (1919).

Introducción a la electrónica digital

• J. Bardeen, W.H. Brattain trabajando en el grupo de W. B. Shockley “descubren” el transistor bipolar intentando hacer el de efecto de campo.

U.S. Patents #2502488, #2524035

1957-59

61

Electrónica Digital I

63

Electrónica Digital I http://www.icknowledge.com/history/history.html

• Mayo 1962:

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I 64 http:// www.geocities.com/ /SiliconValley/ html http://www.geocities.com SiliconValley/Lakes/5705/1401. Lakes/5705/1401.html

1965-90

Se instala la primera unidad del IBM 1401 en España, en la empresa Sevillana de Electricidad. Era el tercer ordenador llegado a la península y el primero adquirido por una sociedad privada. 1964

¿se podría meter esto en un chip?

• El número de ordenadores por cada millón de españoles activos es de 11. Tres años más tarde pasa a 37 y se alcanzan los 82 en 1970. * En 1964 había en Europa 4000 ordenadores. En 1970 se llegó a 20000.

• Los profesores John Kemeny y Thomas Kurtz, del Darmouth College, diseñan el lenguaje BASIC (Beginners All purpose Symbolic Instruction Code), que incorpora características del FORTRAN y ALGOL, pero mucho más fácil de aprender y poco costoso de implantar y utilizar. 1965

• Gordon Moore enuncia su famosa ley, según la cual el nº de transistores integrados por chip se duplicaría cada dos años. 40 años después esta ley conserva una sorprendente vigencia.

1969

• Nace el sistema operativo UNIX, reescrito en 1973 a lenguaje C

Introducción a la electrónica digital Electrónica Digital I * http://www.lmdata.es/f_ehhit.htm

http://www.thocp.net/timeline/1969.htm

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d • DEC presenta la familia de minicomputadoras PDP-8 (1965-1990). A finales de 1973, la familia PDP-8 era la más vendida en el mundo. Fue el primer ordenador vendido en masa a bajo precio (¡unos 18000$!), costeable por una sola compañía sin necesidad de compartirlo.

- The PDP-8 is a 12 bit single accumulator machine which can address up to 32K 12 bit words. - It has 8 basic instructions and the PDP-8/E executes them in 1.2 microsecond for simple instructions to 4 microsecond for complex memory reference instructions. This gives the machine about a .5 MIPS rating. digital Introducción a la electrónica Electrónica Digital I

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11

...-70

• Crisis de la estandarización de componentes digitales. A principios de los 70 en CIs impera la tecnología bipolar, trabajándose a escalas SSI, MSI y LSI (memorias).

1968

• La solución... Tecnología MOS con puerta de óxido de silicio

1971

Nace el microprocesador (µP).

- Primeros componentes comerciales en1968 (Fairchild).

• (5-10-1971) Intel anuncia un nuevo circuito capaz de integrar las partes esenciales de un ordenador (una CPU, una memoria y los controladores de entrada y salida) en un chip de (1/8 x 1/6) ’. Se le dio el nombre de i4004. Al año siguiente se le llamaría MICROPROCESADOR.

Problemas: - Confidencialidad => fáciles de copiar (“ingeniería inversa”). - Excesivo tamaño - Alto consumo

El circuito contenía 2300 transistores MOS, que daban lugar a un sumador rápido de números de 4 bits, 16 registros de 4 bits, un registro acumulador y un pequeño stack.

- Insuficiente velocidad Conclusión

El desarrollo de este nuevo componente fue realizado en 9 meses por Federico Faggin y Stan Mazor, bajo la dirección de Ted Hoff.

La estandarización va bien si los circuitos no son demasiado complejos. ¿Cómo hacer un circuito de tamaño óptimo, que sirva para construir sistemas lo suficientemente complejos, pero que a la vez sea lo suficientemente estándar?

U.S. Patent #3,821,715 Introducción a la electrónica digital

1978

Electrónica Digital I

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En 1976 ya había 50 tipos de µPs

Introducción a la electrónica digital Electrónica Digital I diferentes en el mercado.

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Mientras tanto...

• Tecnología VLSI (“muy alta escala de integración”) basada en combinaciones de transistores PMOS y NMOS (principalmente tecnología CMOS).

1975

• Da comienzo la historia de los ordenadores personales. Cuatro jóvenes norteamericanos deciden construir un ordenador. Jim Katzman, el de menos edad, diseña en varios días en la esquina de una mesa las conexiones de la máquina a la que bautizan con el nombre de Tandom. En 1977, su empresa comienza a cotizar en bolsa, y cada dólar invertido al inicio se ha multiplicado por 180.

- La tecnología CMOS permite desarrollar la escala de integración VLSI (de 10 a 100k transistores por chip), y propicia el nacimiento de los ASICs (“Application Specific Integrated Circuit”). • Características de los ASICs - Inmejorable figura de área-consumo-fiabilidad. - Permiten integrar circuitos analógico-digitales. - Alta complejidad: incrementa la velocidad y el nº de transistores..., pero también el nº de personas y gremios implicados.

La revista Popular Electronics (EE.UU.) publica un anuncio de la empresa MITS (Micro Instruments & Telemetry Systems Inc) con la oferta de un pequeño ordenador, el ALTAIR 8800, con sus periféricos correspondientes, en dos modalidades: kit (desmontado) o ensamblado.

- DESVENTAJAS: Alto coste => requiere altos stocks

Aparece en EE.UU. el primer ordenador personal con pantalla incorporada, el SPHERE.

Exige herramientas de diseño complejas. Vulnerabilidad a errores.

Introducción a la electrónica digital

Electrónica Digital I

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1975

• William H. Gates, un joven de 19 años que no había terminado sus estudios en la Universidad de Harvard, funda la empresa Microsoft, líder indiscutible del software para micros. Bill Gates se convirtirá en el multimillonario más joven del mundo.

1977

• Se lanza al mercado el APPLE I, con BASIC de números enteros (Integer BASIC) y señal de color. El primer prototipo había sido fabricado en un garaje por dos jóvenes norteamericanos Steve Jobs y Steve Wozniak.

80´s

• A partir de esta fecha, y sobre todo en la década de los 80, aparece una enorme gama de fabricantes de ordenadores personales: IBM, Hewlett Packard, Texas Instruments, Genie, Epson, Victor, Oric, Digital, Toshiba, Dragon, Atari, Osborne, New Brain, NEC, Olivetti, Casio y tantos otros.

Introducción a la electrónica digital

-90s

Electrónica Digital I

70

• Siguiente crisis de la estandarización (µPs y ASICs incluidos) - Los µP permiten realizar sistemas complejos y toleran ciertos errores pero no alcanzan las velocidades que un ASIC puede permitir y son relativamente copiables. - Los ASICs son rápidos, permiten realizar sistemas complejos y no son fácilmente copiables... Pero no toleran errores y resultan muy caros: Circuitos con máscara