Sistemas Digitales. Tema 1. Introducción · 2021. 7. 5. · Tema 1: Introducción% 10 empo % 0% s...
Transcript of Sistemas Digitales. Tema 1. Introducción · 2021. 7. 5. · Tema 1: Introducción% 10 empo % 0% s...
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
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
Presión (Pa)
@empo
Voltaje(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
Vol@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
Vol@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
Vol@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
Vol@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
000
000
000
010
110
001
011
100
100
100
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
Vol@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
0
20 22 24 26 28
0 1 1 4 1 2 3 4 4 t
t 0
Vol@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
channe
l
Source
Drain
Gate
Disposi@vo Físico
Circuito Puerta Lógica Módulo Funcional
Sistema