tema_01 - copia

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Tema	
  1.	
  Introducción	
  
Sistemas	
  Digitales	
  
Pablo	
  Abad	
  
Pablo	
  Prieto	
  Torralbo	
  
Departamento	
  de	
  Ingeniería	
  
Informá2ca	
  y	
  Electrónica	
  
Este	
  tema	
  se	
  publica	
  bajo	
  Licencia:	
  
Crea2ve	
  Commons	
  BY-­‐NC-­‐SA	
  4.0	
  
http://creativecommons.org/licenses/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.	
  
2	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
Definición	
  
3	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
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).	
  
4	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
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.	
  
5	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
Definición	
  
•   Codificación:	
  Conversión	
  de	
  la	
  información	
  a	
  un	
  
sistema	
  de	
  representación	
  dis2nto.	
  
6	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
Definición	
  
•   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.	
  
–   Ejemplo:	
  
7	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
Hacen	
  falta,	
  	
  
al	
  menos:	
  
2	
  bits	
  ≥	
  (log2	
  3)	
  
Tres	
  personas	
  (M=3):	
  
•  Juan	
  
•  Luisa	
  
•  Andrés	
  
Posible	
  	
  
tabla	
  de	
  codificación:	
  	
  
Andrés	
  
x	
   y	
   w	
  
0	
  
0	
  
1	
  
1	
  
0	
  
1	
  
0	
  
1	
  
-­‐	
  
Luisa	
  
Juan	
  
•   Codificación:	
  Conversión	
  de	
  la	
  información	
  a	
  un	
  
sistema	
  de	
  representación	
  dis2nto.	
  
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.	
  
8	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
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.	
  
–   Señal	
  eléctrica:	
  magnitud	
  ^sica	
  =	
  Voltaje	
  (intensidad).	
  
–   Señal	
  eléctrica	
  analógica:	
  el	
  voltaje	
  puede	
  tomar	
  infinitos	
  
valores	
  dentro	
  de	
  un	
  rango.	
  
9	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
Pr
es
ió
n	
  
(P
a)
	
  
@empo	
  
Vo
lt
aj
e(
V
)	
  
@empo	
  
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.	
  
10	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
@empo	
  
0	
  
Vo
l@
os
	
  
6	
  
4	
  
2	
  
Señal	
  Digital	
  Asíncrona:	
  el	
  voltaje	
  
puede	
  cambiar	
  de	
  valor	
  en	
  
cualquier	
  instante	
  de	
  2empo.	
  
Señal	
  Digital	
  Síncrona:	
  el	
  voltaje	
  solo	
  
varía	
  en	
  ciertos	
  instantes	
  de	
  2empo	
  
(cuando	
  marca	
  la	
  señal	
  de	
  reloj).	
  
0	
  
Vo
l@
os
	
  
@empo	
  
6	
  
4	
  
2	
  
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.	
  
11	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
•   Señal	
  Binaria:	
  
–   	
  Necesitamos	
  conver2r	
  la	
  señal	
  eléctrica	
  digital	
  a	
  algo	
  que	
  
el	
  computador	
  en2enda	
  (código	
  binario).	
  
Analógico	
  Vs.	
  Digital	
  
•   Codificación	
  Binaria	
  de	
  señal	
  eléctrica:	
  
–   	
  Señal	
  eléctrica	
  digital	
  síncrona	
  =	
  secuencia	
  de	
  números.	
  
12	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
t	
  
0	
  
Vo
l@
os
	
  
6	
  
4	
  
2	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
  
0	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
  
0	
   0	
   2	
   6	
   1	
   3	
   4	
   4	
   4	
  
t	
  
Codificamos	
   los	
   valores	
   decimales	
   en	
  
sistema	
  binario	
  (facilita	
   la	
  realización	
  de	
  
operaciones	
  aritmé2cas.	
  
¿¿Cuántos	
  bits	
  necesitamos??	
  
X	
   X0	
   X1	
   X2	
  
0	
   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	
  
Posible	
  tabla	
  
de	
  codificación	
  
Analógico	
  Vs.	
  Digital	
  
•   Codificación	
  Binaria	
  de	
  señal	
  eléctrica:	
  
–   	
  Señal	
  eléctrica	
  digital	
  síncrona	
  =	
  secuencia	
  de	
  números.	
  
13	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
t	
  
0	
  
Vo
l@
os
	
  
6	
  
4	
  
2	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
  
0	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
  
0	
   0	
   2	
   6	
   1	
   3	
   4	
   4	
   4	
  
t	
  
X	
   X0	
   X1	
   X2	
  
0	
   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	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
   t	
  
00
0	
  
00
0	
  
00
0	
  
01
0	
  
11
0	
  
00
1	
  
01
1	
  
10
0	
  
10
0	
  
10
0	
  
3	
  cables	
  (3	
  Señales	
  binarias)	
   Bus	
  
3	
  
x2(t)	
  
x1(t)	
  
x0(t)	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
   t	
  
0	
  
1	
  
X0(t)	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
   t	
  
0	
  
1	
  
X1(t)	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
   t	
  
0	
  
1	
  
X2(t)	
  
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).	
  
14	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
Ampli.	
  
Analog.	
  
A	
  /	
  D	
  
Procesador	
  
Digital	
  
D	
  /	
  A	
  
Ampli.	
  
Analog.	
  
Clock	
  
Analógico	
  Vs.	
  Digital	
  
15	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
Ampli.	
  
Analog.	
  
A	
  /	
  D	
  
Procesador	
  
Digital	
  
D	
  /	
  A	
  
Ampli.	
  
Analog.	
  
Clock	
  
t	
  
0	
  
Vo
l@
os
	
   6	
  
4	
  
2	
  
20	
   2224	
   26	
   28	
  
0	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
  
0	
   0	
   2	
   6	
   1	
   3	
   4	
   4	
   4	
  
t	
  
0	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
  
0	
   1	
   1	
   4	
   1	
   2	
   3	
   4	
   4	
  
t	
  
t	
  
0	
  
Vo
l@
os
	
   6	
  
4	
  
2	
  
20	
   22	
   24	
   26	
   28	
  
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.	
  
16	
  Tema	
  1:	
  Introducción	
  
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…	
  
Tema	
  1:	
  Introducción	
   17	
  
Entrada	
  
y	
  
Salida	
  
Procesador	
  
(CPU)	
  
Memoria	
  
(Programa	
  
y	
  
Datos)	
  
Bus 
Comunicar	
   Procesar/Controlar	
   Almacenar	
  
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.	
  
Tema	
  1:	
  Introducción	
   19	
  
Gate	
  
Source	
  
Drain	
  
ch
an
ne
l	
  
Source	
  
Drain	
  
Gate	
  
Disposi@vo	
  
Físico	
  
Circuito	
   Puerta	
  Lógica	
   Módulo	
  
Funcional	
  
Sistema