Download Electrónica Digital y Microprocesadores

Este libro ha sido concebido como texto de ayuda para la asignatura de
Electrónica Digital, impartida en segundo curso del Grado en Ingeniería en
Tecnologías y Servicios de Telecomunicación de la Escuela Politécnica de Ingeniería
de Gijón. Se trata de un texto de formación básica, en el que se han intentado exponer
los diferentes conceptos de forma clara y sucinta, evitando desarrollos teóricos
complejos. El objetivo del texto es que el estudiante pueda alcanzar un primer nivel de
conocimiento en este campo que le permita avanzar en él en cursos superiores o
incluso mediante actividades autodidácticas. En el libro se tratan los principios
básicos de la electrónica digital, los circuitos combinacionales y su implementación,
los bloques combinacionales más importantes, los circuitos secuenciales y
biestables, las memorias de semiconductor y los sistemas microprocesador. El libro
tiene un carácter eminentemente práctico, con numerosos ejemplos de diseño,
simulaciones por computador e información práctica relativa a circuitos integrados
comerciales de uso común.
Electrónica Digital y Microprocesadores
Electrónica Digital y Microprocesadores
José Marcos Alonso Álvarez
Electrónica Digital
y Microprocesadores
9 788416 046867
ISBN 978-84-16046-86-7
José Marcos Alonso Álvarez es doctor ingeniero industrial y catedrático del Área
de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo, donde viene desarrollando su
labor docente e investigadora desde el año 1990. Email de contacto:
[email protected].
T e x t o s
universitarios
ELECTRÓNICA DIGITAL Y
MICROPROCESADORES
© 2015 Ediciones de la Universidad de Oviedo
© El autor
José Marcos Alonso Álvarez
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I.S.B.N.: 978-84-16046-86-7
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parte, una obra literaria, artística o científica, fijada en cualquier tipo y soporte, sin la preceptiva
autorización.
ÍNDICE
1. Sistema Binario ……………………………………………………………….
1.1
1.1. Sistemas analógicos y digitales …………………………………………
1.1
1.2. Sistema de numeración en base 2 ……………………………………..
1.3
1.3. Suma y resta binarias ……..…………………………………………….
1.6
1.4. Representación de números enteros …………………………………..
1.7
1.4.1. Convenio Complemento a 1 ……………………………………..
1.7
1.4.2. Convenio Complemento a 2 …………………………………….
1.8
1.4.3. Bit de signo ………………………………………………………..
1.9
1.5. Resta binaria empleando C1 y C2 ……………………………………
1.11
1.5.1. Resta binaria en C1 ………………………………………………
1.11
1.5.2. Resta binaria en C2 ………………………………………………
1.12
1.6. Representación en coma flotante……………………………………….
1.14
1.6.1. Coma flotante simple …………………………………………….
1.15
1.6.2. Coma flotante doble ……………………………………………...
1.15
1.7. Códigos binarios ………………………………………………………….
1.15
1.7.1. Código binario natural ……………………………………………
1.15
1.7.2. Códigos decimales codificados en binario ……………………..
1.17
1.7.3. Códigos progresivos ……………………………………………..
1.19
1.7.4. Códigos detectores de error …………………………………….
1.21
1.7.5. Códigos detectores y correctores de error……………………..
1.23
1.7.6. Códigos alfanuméricos …………………………………………..
1.26
2. Álgebra de Boole .....................................................................................
2.1
2.1. Introducción ……………………………………………………………….
2.1
2.2. Operaciones internas del Álgebra de Boole …………………………..
2.1
2.2.1. Producto lógico ……………………………………………………
2.2
2.2.2. Suma lógica ……………………………………………………….
2.2
2.2.3. Negación o complementación…………………………………...
2.3
2.3. Teoremas y leyes fundamentales ………………………………………
2.4
2.3.1. Propiedades de la suma lógica …………………………………
2.4
2.3.2. Propiedades del producto lógico ………………………………..
2.4
2.3.3. Otras propiedades ………………………………………………..
2.4
2.3.4. Ley de complementación ………………………………………..
2.5
2.3.5. Leyes de Morgan
……………………………………………..
2.5
2.3.6. Funciones en el Álgebra de Boole ……………………………...
2.5
2.3.7. Ley de Morgan generalizada
…………………………….....
2.5
2.4. Puertas lógicas ……………………………………………………………
2.6
2.4.1. Puertas lógicas elementales …………………………………….
2.6
2.4.2. Otras puertas lógicas de uso común……………………………
2.6
2.5. Implementación de funciones lógicas ………………………………….
2.9
2.5.1. Implementación de funciones con puertas NAND …………….
2.9
2.5.2. Implementación de funciones con puertas NOR ……………...
2.10
2.6. Simulación por computador de circuitos digitales …………………….
2.12
2.7. Representación de funciones lógicas ………………………………….
2.13
2.7.1. Formas canónicas de una función ……………………………...
2.14
2.8. Minimización de funciones lógicas ……………………………………..
2.17
2.8.1. Minimización de funciones: Mapa de Karnaugh ………………
2.18
2.8.2. Términos indiferentes ……………………………………………
2.22
2.8.3. Mapa de Karnaugh con la segunda forma canónica …………
2.23
2.9. Obtención de formas canónicas a partir de expresiones simplificadas
2.25
3. Familias Lógicas……………………………………………………………….
3.1
3.1. Introducción………………………………………………………………..
3.1
3.2. Familia lógica TTL ……………………………………………………….
3.1
3.2.1. Configuración básica de la familia TTL ………………………...
3.1
3.2.2. Análisis eléctrico básico de la tecnología TTL ………………...
3.5
3.2.3. Puerta NOR TTL …………………………………………………
3.9
3.2.4. Características eléctricas de la familia TTL ……………………
3.9
3.2.5. Etapas de salida TTL …………………………………………….
3.12
12
3.2.6. Tiempo de propagación ………………………………………….
3.15
4.7.3. Comparación aritmética ………………………………………….
4.36
3.2.7. Consumo de una puerta lógica …………………………………
3.16
4.7.4. Multiplicación binaria …………………………………………….
4.39
3.2.8. Subfamilias TTL …………………………………………………..
3.17
4.7.5. División binaria ……………………………………………………
4.41
4.7.6. Unidad lógico-aritmética …………………………………………
4.41
5. Circuitos Secuenciales Asíncronos ……………………………………….
5.1
5.1. Introducción ……………………………………………………………….
5.1
5.2. Síntesis de circuitos secuenciales asíncronos ………………………..
5.4
5.3. Biestable RS ………………………………………………………………
5.13
5.4. Biestable latch …………………………………………………………….
5.14
5.5. Ejemplos de síntesis de circuitos secuenciales asíncronos …………
5.16
5.5.1. Síntesis de un biestable latch …………………………………...
5.16
5.5.2. Circuito de gobierno para máquina móvil ……………………...
5.22
3.2.9. Fan-out y fan-in en tecnología TTL ……………………………..
3.18
3.3. Familia lógica CMOS …………………………………………………….
3.20
3.3.1. Configuración básica de la familia CMOS ……………………..
3.20
3.3.2. Análisis eléctrico básico de la tecnología CMOS ……………..
3.24
3.3.3. Puerta de transmisión ……………………………………………
3.27
3.3.4. Características eléctricas de la familia CMOS ………………...
3.31
3.3.5. Etapas de salida CMOS …………………………………………
3.34
3.4. Comparación TTL-CMOS ……………………………………………….
3.37
3.5. Circuitos de interconexión TTL-CMOS …………………………………
3.37
3.5.1. TTL con CMOS alimentado a 5 V……………………………….
3.37
3.5.2. TTL con CMOS no alimentado a 5 V……………………………
3.39
6. Circuitos Secuenciales Síncronos……………………………………………
6.1
3.6. Circuitos de interface …………………………………………………….
3.41
6.1. Introducción ……………………………………………………………….
6.1
3.7. Otras tecnologías …………………………………………………………
3.43
6.1.1. Autómata de Moore ………………………………………………
6.2
3.7.1. Tecnología NMOS ………………………………………………..
3.43
6.1.2. Autómata de Mealy ……………………………………………….
6.4
3.7.2. Tecnología PMOS ………………………………………………..
3.44
6.2. Construcción del reloj de un circuito síncrono ………………………...
6.5
3.7.3. Tecnología ECL (Emitter-Coupled Logic) ……………………...
3.44
6.3. Biestable RS síncrono …………………………………………………...
6.8
6.3.1. Biestable RS de tipo disparo por flanco …………………….....
6.9
4. Bloques Combinacionales MSI …………………………………………….
4.1
4.1. Introducción ……………………………………………………………..
4.1
4.2. Decodificadores …………………………………………………………..
4.2
4.3. Codificadores ……………………………………………………………..
4.12
4.4. Convertidores de código …………………………………………………
4.16
4.5. Multiplexores ……………………………………………………………...
4.20
4.6. Demultiplexores …………………………………………………………..
4.24
4.7. Circuitos aritméticos ……………………………………………………..
4.28
4.7.1. Suma aritmética …………………………………………………..
4.28
4.7.2. Resta aritmética …………………………………………………..
4.33
13
14
6.3.2. Biestable RS de tipo maestro-esclavo …………………………
6.12
6.4. Biestable JK ………………………………………………………………
6.13
6.5. Biestable D ………………………………………………………………..
6.15
6.6. Biestable T ………………………………………………………………...
6.17
6.7. Biestables CMOS ………………………………………………………...
6.18
6.8. Síntesis de circuitos secuenciales síncronos …………………………
6.20
6.8.1. Ejemplo de síntesis de un circuito secuencial síncrono ……..
6.22
7. Aplicaciones de los Circuitos Secuenciales ……………………………
7.1
7.1. Contadores ….……………………………………………………………
7.1
7.1.1. Introducción …………………………………………………………
7.1
7.1.2. Clasificación de los contadores …………………………………..
7.2
7.1.3. Contadores binarios asíncronos ………………………………….
7.2
7.1.4. Contadores binarios síncronos ……………………………………
7.4
7.2. Divisores de frecuencia ………………………………………………….
7.14
7.3. Temporizadores …………………………………………………………..
7.18
7.4. Registros de desplazamiento ……………………………………………
7.20
7.5. Conversores A/D ………………………………………………………….
7.24
8. Memorias y Dispositivos Lógicos Programables ………………………
8.1
8.1. Introducción ……………………………………………………………….
8.1
8.1.1. Estructura general de una memoria ……………………………...
8.2
8.2. Memorias de sólo lectura (ROM, Read Only Memory) ………………
8.3
8.3. Construcción de circuitos digitales con memorias ……………………
8.14
8.4. Memorias de acceso aleatorio (RAM) ………………………………….
8.20
8.5. Dispositivos lógicos programables (PLDs) …………………………….
8.31
9. Sistema Mínimo Microprocesador …………………………………………
9.1
9.1. Introducción ……………………………………………………………….
9.1
9.2. Generaciones de los ordenadores……………………………………...
9.4
9.3. Sistema mínimo microprocesador ………………………………………
9.5
9.4. Unidad de memoria ………………………………………………………
9.8
9.5. Unidad central de procesamiento ………………………………………
9.9
9.6. Proceso de ejecución de una instrucción………………………………
9.15
9.7. Juego de instrucciones del microprocesador ………………………….
9.17
9.8. Dispositivos de entrada/salida ………………………………………….
9.21
9.9. Conexión de memorias al sistema microprocesador …………………
9.24
9.10. Conexión de módulos de E/S digital al sistema microprocesador …
9.25
15
9.11. Paginado del mapa de memoria del sistema microprocesador ……
9.28
10. Microprocesador W65C02S ………………………………………………..
10.1
10.1. Introducción ……………………………………………………………..
10.1
10.2. Descripción de señales del microprocesador W65C02S …………...
10.3
10.3. Registros internos ………………………………………………………
10.9
10.4. Mapa de memoria ………………………………………………………
10.11
10.5. Modos de direccionamiento ……………………………………………
10.12
10.6. Juego de instrucciones del W65C02S ………………………………..
10.23
10.7. Ejemplos de programas ………………………………………………..
10.25
10.7.1. Ejemplo 1: suma de una tabla de datos ………………………..
10.25
10.7.2. Ejemplo 2: producto de dos número de 8 bits …………………
10.26
Bibliografía
16
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