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Capítulo 6: Principios de
diseño lógico secuencial.

       Ing. S. Ríos
      FIEC - ESPOL
Fundamentos de las máquinas secuenciales

                                         Sistemas Digitales


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      Máquinas secuenciales
Pueden ser sincrónicas o asincrónicas. Veamos el diag...
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Propiedades secuenciales:
- El sistema debe...
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           La Celda Binaria o Registro Básico




La celda binaria es en si una m...
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           Redibujamos la Celda

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            Tabla Característica (de Verdad)

SET   RESET      Qn    Qn+1.H = (...
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   Debido al retardo de propagación luego de una vuelta se estabiliza.
   Nunc...
Las máquinas secuenciales asincrónicas son básicamente
circuitos de lógica combinatorial con retroalimentación directa y
s...
FLIP - FLOP
            El flip flop es una máquina secuencial sincrónica.
            Existen varios tipos de flip flop: ...
El Flip Flop SR
    S.H          S   Q       Q.H

    R.H          R
    CLK.H            Q       Q.L


      Tabla caract...
Tabla característica Restringida:   Tabla de Excitación
   S    R      Qn+1                 Qn Qn+1         S     R
   0  ...
Tabla Completa de Diseño
CLK.H    S   R   Qn   Qn+1   SET   RESET
  0      0   0   0     0      0     Φ
  0      0   0   1...
Mapas
                            CLK                                               CLK

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Implementación


   S.H   SET.L

                             Q   Q.H
                   CELDA
 CLK.H   RESET.L   BINARIA
...
El Flip Flop JK
                             Q.H
    J.H          J   Q
                                           La dife...
Tabla característica Restringida:   Tabla de Excitación
   J     K      Qn+1                Qn Qn+1           J   K
   0  ...
Tabla Completa de Diseño
CLK   J    K    Qn   Qn+1   SET      RESET
 0    0     0   0     0      0        Φ
 0    0     0 ...
Mapas
                            CLK                                               CLK

     00   04       1    12    08 ...
Implementación
Entre los códigos que se encuentran en el manual tenemos:
                74109 2FF con flanco positivo
   ...
El Flip Flop D
D.H         D    Q       Q.H
                               Es conocido como retenedor de información.
CLK....
Tabla Completa de Diseño
CLK    D   Qn    Qn+1    SET    RESET
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SET.L                               Comercialmente:
D.H
                                                       7474:   2FF...
El Flip Flop T
T.H         T    Q       Q.H


CLK.H            Q       Q.L



Tabla   característica         Tabla de Exci...
Tabla Completa de Diseño

   CLK     T    Qn     Qn+1         SET   RESET
     0     0    0        0           0     Φ
   ...
Conversión de FF
Convertir un FF SR en un FF JK
Código VHDL para el FF “D”




Ej: Sin flanco de reloj   Ej: Con flanco positivo
Código VHDL para el FF “D”
Código VHDL para el FF “D”
Registro o Banco de FF
Un registro es un grupo de FF D que trabajan en conjunto.
Diagrama de bloque:
        DA. H        ...
Registro de Desplazamiento
       Universal
               A     B     C     D
                                           ...
Ej: Diseñe un contador usando un registro de desplazamiento
universal, que siga la siguiente secuencia: QA QB QC QD
      ...
Implementación:




                  A     B     C     D


       CLR.L
                                    S1
       CLK...
Implementación:




                  A        B      C     D



       CLR.L
                                        S1
 ...
Código VHDL de un registro con Clear
Código VHDL de un registro con desplazamiento
Código VHDL de un registro con desplazamiento
Código VHDL de un contador.
Código VHDL de un contador ascendente y
descendente.
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  1. 1. Capítulo 6: Principios de diseño lógico secuencial. Ing. S. Ríos FIEC - ESPOL
  2. 2. Fundamentos de las máquinas secuenciales Sistemas Digitales Máquinas Máquinas Combinatoriales Secuenciales Lógica Arreglos Lógica Asincrónicas Sincrónicas aleatoria lógicos Programable Discreta SSI MSI LSI PLA ROM uP PLC Pulso Nivel Tradicional Contemporáneas No requieren memoria Requieren Memoria En este curso estudiaremos máquinas secuenciales sincrónicas tradicionales
  3. 3. Fundamentos de las máquinas secuenciales Máquinas secuenciales Pueden ser sincrónicas o asincrónicas. Veamos el diagrama de bloques con la arquitectura básica. Reloj Entradas Decodifi- Memoria Decodifi- Salidas cador Maquina cador de de proximos Variables secuenial salida estados de sincronica proximo estado Variables de estado *Para que sea máquina sincronica debe tener reloj presente
  4. 4. Fundamentos de las máquinas secuenciales Máquinas secuenciales Propiedades secuenciales: - El sistema debe tener capacidad de memorizar o elementos de memoria. - El sistema debe tener por lo menos un camino de retroalimentación. Propiedades combinatoriales: - Las salidas son funciones de las entradas solamente. - No existe camino de retroalimentación. En la arquitectura anterior el reloj es una onda cuadrada a frecuencia fija. Los decodificadores de Próximos Estado y las salida son combinatoriales mientras que la memoria es una máquina secuencial sincrónica.
  5. 5. Fundamentos de las máquinas secuenciales Variables de Estado Presente. Variables de Proximo Estado. Memoria (Los valores que toman estas (Los valores que toman estas (Banco de variables forman códigos para variables forman códigos) Flip-Flop) los estados presentes) El banco de Flip-Flop está formado por 2 o más FF. # de variable de estado =# de variable próximo estado =# de FF para cada variable de estado se usa un FF
  6. 6. Fundamentos de las máquinas secuenciales La Celda Binaria o Registro Básico La celda binaria es en si una máquina secuencial asincrónica. En este caso está formada por puertas nand. También se la puede dibujar con puertas nor. En este caso la única diferencia es que las salidas Q y Q tienen posiciones invertidas.
  7. 7. Fundamentos de las máquinas secuenciales Redibujamos la Celda Expresiones lógicas para los SET. L H 0 próximos estados. L 0 Q.H Qn+1 .H = SET + RESET . Qn Qn+1 .L = RESET . Qn RESET. L H 0 H 0 Q.L Qn+1 = Próximo Estado L 0 Qn = Estado Presente
  8. 8. Fundamentos de las máquinas secuenciales Tabla Característica (de Verdad) SET RESET Qn Qn+1.H = (SET + RESET . Qn) . H Qn+1.L = (RESET . Qn) . L 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 -> 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0
  9. 9. Fundamentos de las máquinas secuenciales. Debido al retardo de propagación luego de una vuelta se estabiliza. Nunca pueden ser SET y RESET iguales a 1 a la vez. Existen dos tablas que definen la operación de un máquina secuencial: Tabla característica Restringida: Tabla de Excitación SET RESET Qn+1 Qn Qn+1 SET RESET 0 0 Qn Hold 0 0 0 Φ 0 1 0 Reset 0 1 1 0 1 0 1 Set 1 0 0 1 1 1 Φ Condición 1 1 Φ 0 Prohibida
  10. 10. Las máquinas secuenciales asincrónicas son básicamente circuitos de lógica combinatorial con retroalimentación directa y son cicleados por transiciones de cada una de las entradas. Usan los retardos de propagación del bloque decodificador de próximos estados para memoria. Las máquinas secuenciales sincrónicas usan integrados llamados flip flop como memoria y son cicleados por una señal especial de entrada que sincroniza todo el sistema llamada reloj del sistema CLK. CLK.H t t HIGH t LOW T T = t HIGH + t LOW Flanco de subida Flanco de bajada o o positivo negativo T=1/f
  11. 11. FLIP - FLOP El flip flop es una máquina secuencial sincrónica. Existen varios tipos de flip flop: SR, JK, D, T. A continuación presento el diagrama de bloques del FF. Qn SET.L CLK.H Q.H Decodificador Q CELDA Salidas SET/RESET Entradas RESET.L BINARIA : Q.L Q
  12. 12. El Flip Flop SR S.H S Q Q.H R.H R CLK.H Q Q.L Tabla característica S R Qn Qn+1 La tabla característica 0 0 0 0 Se mantiene nos indica como opera 0 0 1 1 el Flip Flop. A partir de 0 1 0 0 Reset esta podemos obtener 0 1 1 0 la restringida y la de 1 0 0 1 Set excitación 1 0 1 1 1 1 0 Φ Condición Prohibida 1 1 1 Φ
  13. 13. Tabla característica Restringida: Tabla de Excitación S R Qn+1 Qn Qn+1 S R 0 0 Qn 0 0 0 Φ 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 Φ 1 1 Φ 0
  14. 14. Tabla Completa de Diseño CLK.H S R Qn Qn+1 SET RESET 0 0 0 0 0 0 Φ 0 0 0 1 1 Φ 0 SET y RESET se 0 0 1 0 0 0 Φ obtienen de la 0 0 1 1 1 Φ 0 tabla de excitación 0 1 0 0 0 0 Φ de la Celda Binaria 0 1 0 1 1 Φ 0 siempre, para 0 1 1 0 0 0 Φ cualquier diseño de 0 1 1 1 1 Φ 0 FF. 1 0 0 0 0 0 Φ 1 0 0 1 1 Φ 0 1 0 1 0 0 0 Φ 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 Φ 0 1 1 1 0 Φ Φ Φ 1 1 1 1 Φ Φ Φ
  15. 15. Mapas CLK CLK 00 04 1 12 08 Φ 0 Φ 4 0 12 Φ 8 Φ1 Φ5 Φ 13 Φ9 0 1 0 5 0 13 0 9 Qn Qn Φ3 Φ7 Φ 15 011 0 3 0 7 Φ 15 1 11 R R 02 06 Φ 14 010 Φ 2 Φ 6 Φ 14 Φ 10 S S SET = CLK . S RESET = CLK . R
  16. 16. Implementación S.H SET.L Q Q.H CELDA CLK.H RESET.L BINARIA Q Q.L R.H
  17. 17. El Flip Flop JK Q.H J.H J Q La diferencia entre el flip flop K.H K CLK.H Q Q.L SR y el JK es que cuando J=K=1 en el flip flop JK se Tabla característica obtiene como próximo estado el J K Qn Qn+1 0 0 0 0 inverso del estado presente. Se mantiene 0 0 1 1 Qn 0 1 0 0 Reset 0 1 1 0 1 0 0 1 Set 1 0 1 1 1 1 0 1 Se invierte Qn 1 1 1 0
  18. 18. Tabla característica Restringida: Tabla de Excitación J K Qn+1 Qn Qn+1 J K 0 0 Qn 0 0 0 Φ 0 1 0 0 1 1 Φ 1 0 1 1 0 Φ 1 1 1 Qn 1 1 Φ 0
  19. 19. Tabla Completa de Diseño CLK J K Qn Qn+1 SET RESET 0 0 0 0 0 0 Φ 0 0 0 1 1 Φ 0 0 0 1 0 0 0 Φ 0 0 1 1 1 Φ 0 0 1 0 0 0 0 Φ 0 1 0 1 1 Φ 0 0 1 1 0 0 0 Φ 0 1 1 1 1 Φ 0 1 0 0 0 0 0 Φ 1 0 0 1 1 Φ 0 1 0 1 0 0 0 Φ 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 Φ 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1
  20. 20. Mapas CLK CLK 00 04 1 12 08 Φ 0 Φ 4 0 12 Φ 8 Φ1 Φ5 Φ 13 Φ9 0 1 0 5 0 13 0 9 Qn Qn Φ3 Φ7 0 15 011 0 3 0 7 1 15 1 11 K K 02 06 1 14 010 Φ 2 Φ 6 0 14 Φ 10 J J SET = CLK . J . Qn RESET = CLK . K . Qn
  21. 21. Implementación Entre los códigos que se encuentran en el manual tenemos: 74109 2FF con flanco positivo 7473 2FF JK con flanco positivo SET.L J.H Q.H Q CELDA CLK.H RESET.L BINARIA K.H Q Q.L
  22. 22. El Flip Flop D D.H D Q Q.H Es conocido como retenedor de información. CLK.H Q Q.L Tabla característica Tabla de Excitación D Qn Qn+1 Qn Qn+1 D 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1
  23. 23. Tabla Completa de Diseño CLK D Qn Qn+1 SET RESET 0 0 0 0 0 Φ SET y RESET se 0 0 1 1 Φ 0 obtienen de la 0 1 0 0 0 Φ tabla de excitación 0 1 1 1 Φ 0 de la Celda Binaria 1 0 0 0 0 Φ siempre, para 1 0 1 0 0 1 cualquier diseño de 1 1 0 1 1 0 FF. 1 1 1 1 Φ 0 SET = CLK . D RESET = CLK . D
  24. 24. SET.L Comercialmente: D.H 7474: 2FFD CLK.H S.L 74174: 6FFD 74273: 8FFD R.L 74175: 4FFD RESET.L En los flip flop existen además dos entradas adicionales llamadas S.L (PRESET.L) y R.L (CLEAR.L) las cuales son entradas asincrónicas que no interfieren en la operación normal del FF. Son independientes de las entradas sincrónicas. Actúan igual que SET y RESET.
  25. 25. El Flip Flop T T.H T Q Q.H CLK.H Q Q.L Tabla característica Tabla de Excitación T Qn Qn+1 Qn Qn+1 T 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0
  26. 26. Tabla Completa de Diseño CLK T Qn Qn+1 SET RESET 0 0 0 0 0 Φ 0 0 1 1 Φ 0 0 1 0 0 0 Φ 0 1 1 1 Φ 0 1 0 0 0 0 Φ 1 0 1 1 Φ 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 De los mapas: SET = CLK . T . Qn RESET = CLK . T . Qn
  27. 27. Conversión de FF Convertir un FF SR en un FF JK
  28. 28. Código VHDL para el FF “D” Ej: Sin flanco de reloj Ej: Con flanco positivo
  29. 29. Código VHDL para el FF “D”
  30. 30. Código VHDL para el FF “D”
  31. 31. Registro o Banco de FF Un registro es un grupo de FF D que trabajan en conjunto. Diagrama de bloque: DA. H DB . H DC. H DD . H D Q D Q D Q D Q CLK.H Q Q Q Q QA.H QB.H QC.H QD.H DA DB DC DD CLK.H Registro QA QB QC QD
  32. 32. Registro de Desplazamiento Universal A B C D S1 S0 MODO CLR.L 0 0 HOLD S1 CLK.H Registro S0 0 1 SR Universal R L 1 0 SL 1 1 LOAD QA QB QC QD Un registro de desplazamiento universal tiene entradas de datos en paralelo: A, B, C, D Además tiene las entradas de control: S1 y S0 Dispone de dos entradas en serie: R y L Las salidas son QA, QB, QC, QD
  33. 33. Ej: Diseñe un contador usando un registro de desplazamiento universal, que siga la siguiente secuencia: QA QB QC QD 0 0 0 0 CLK.H Contador 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 QA QB QC QD 0 0 0 1 Estado Entradas S1 S0 R L Próximo Presente Estado 0000 - 0 1 1 Φ 1000 1000 - 0 1 0 Φ 0100 0100 - 0 1 0 Φ 0010 0010 - 0 1 0 Φ 0001 0001 - 0 1 0 Φ 0000 S1 = 0 S0 = 1 L=Φ=0 R = QA QB QC QD
  34. 34. Implementación: A B C D CLR.L S1 CLK.H Registro S0 Universal R L QA QB QC QD
  35. 35. Implementación: A B C D CLR.L S1 CLK.H Registro S0 +Vcc Universal R L QA QB QC QD
  36. 36. Código VHDL de un registro con Clear
  37. 37. Código VHDL de un registro con desplazamiento
  38. 38. Código VHDL de un registro con desplazamiento
  39. 39. Código VHDL de un contador.
  40. 40. Código VHDL de un contador ascendente y descendente.
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