IntroducaoCircuitos Logicos

Prof. Odilson Tadeu Valle

Instituto Federal de Santa Catarina – IFSCCampus Sao Jose

odilson@ifsc.edu.br

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Sumario

1 Introducao

2 Analogico Versus Digital

3 Bits, Bytes e Palavras

4 Circuitos Digitais

5 Circuito Impresso e Integrado

6 Metodos de projeto de Sistemas DigitaisArduinoFPGAASICSoC

7 Conteudo programatico

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Introducao

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Circuitos Logicos/Digitais

Circuitos Digitais (ou Circuitos Logicos/Nao Logicos)

sao definidos como circuitos eletronicos que empregam a utilizacao de sinaiseletricos em apenas dois nıveis de corrente (ou tensao) para definir arepresentacao de valores binarios.

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Analogico Versus Digital

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Circuitos Eletronicos

Os circuitos eletronicos podem ser divididos em dois grandes grupos,denominados:

Circuitos analogicos

Tratam de sinais com valores contınuos: temperatura, intensidade do som,tempo etc.

Circuitos digitais

Tratam de sinais com valores discretos: resultado de um jogo, estados de uminterruptor (digital) etc.

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Sistemas DigitaisEm sistemas digitais normalmente a informacao real e convertida na formanumerica binaria, atraves de um circuito denominado conversoranalogico-digital (ADC) e seu contraparte, o conversor digital-analogico(DAC).

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Sistemas DigitaisExemplo, som: produzido analogico, ouvido analogico e armazenado digital.Por que?

Armazenamento digital e mais facil. Existe armazenamento analogico?

Tratamento digital tambem e mais facil.

Problema: erro de quantizacao. Quanto menor o numero de bits naamostragem maior o erro.

Taxa de amostragem

O teorema de Nyquist determina que esse numero tem de ser maior que odobro da maior frequencia do sinal.

Exemplos

Musica: amostragem padrao 44,1 kamostras/s ==> 20 a 20000 Hz.Telefonia: amostragem padrao 8 kamostras/s ==> 40 a 4000 Hz.

Quantos bytes para armazenar um minuto de um dialogo?

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Sistemas DigitaisExemplo, som: produzido analogico, ouvido analogico e armazenado digital.Por que?

Armazenamento digital e mais facil. Existe armazenamento analogico?

Tratamento digital tambem e mais facil.

Problema: erro de quantizacao. Quanto menor o numero de bits naamostragem maior o erro.

Taxa de amostragem

O teorema de Nyquist determina que esse numero tem de ser maior que odobro da maior frequencia do sinal.

Exemplos

Musica: amostragem padrao 44,1 kamostras/s ==> 20 a 20000 Hz.Telefonia: amostragem padrao 8 kamostras/s ==> 40 a 4000 Hz.

Quantos bytes para armazenar um minuto de um dialogo?

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Sistemas DigitaisExemplo, som: produzido analogico, ouvido analogico e armazenado digital.Por que?

Armazenamento digital e mais facil. Existe armazenamento analogico?

Tratamento digital tambem e mais facil.

Problema: erro de quantizacao. Quanto menor o numero de bits naamostragem maior o erro.

Taxa de amostragem

O teorema de Nyquist determina que esse numero tem de ser maior que odobro da maior frequencia do sinal.

Exemplos

Musica: amostragem padrao 44,1 kamostras/s ==> 20 a 20000 Hz.Telefonia: amostragem padrao 8 kamostras/s ==> 40 a 4000 Hz.

Quantos bytes para armazenar um minuto de um dialogo?

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Bits, Bytes e Palavras

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Logica Binaria

Binario: 2 nıveis = 2 bits: 0 e 1

4 bits = 1 nible

8 bits - 1 Byte

Palavra: conjunto com um numero fixo de bits inerente a umprocessador, 8, 16, 32 e 64 bits

Como representar grandezas diferentes de numeros?

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ASCII - American Standard Code for InformationInterchange

Qual e a sequencia de bits para a palavra Casa?

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Circuitos Digitais

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Circuitos DigitaisCada circuito digital pode ser representado por uma funcao binaria.Exemplo:

y = NOT a (y = a′ou y = a)

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Circuitos Digitais

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Circuitos Combinacionais versus sequenciais

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Circuito Impresso e Integrado

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Placas de Circuito Impresso

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Placa de Circuito Impresso

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Circuitos Integrados - CI

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Circuito Integrado

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Circuito Integrado

512k CMOS EPROM

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Circuitos Digitais

_Quartus

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Exemplo: Iphone

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Exemplo: Iphone

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Exemplo: Iphone

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Exemplo: Iphone

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Exemplo: Iphone

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Exemplo: Iphone

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Exemplo: Iphone

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Exemplo: Iphone

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Valores Logicos e FısicosEx:Nıvel logico 0 = faixa de 0 a 0,5 V Nıvel logico 1 = faixa de 4 a 5 V

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Metodos de projeto de Sistemas Digitais

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Arduino

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O que e o Arduino

E uma plataforma de computacao com hardware open source focado nodesenvolvimento e baseado em placa com entradas simples.

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Plataforma Arduino

Entradas e saıdas fısicas com circuitos integrados (IC - IntegratedCircuit)

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Onde e utilizado?

Projeto computacionais com interacao fısica.

Instalacao interativa, para desenvolvimento de novos projetos.

Prototipagem rapida.

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O que se pode fazer com ele?

Possıveis sensores que podemos acoplar:

Botoeiras e paineis de controle.

Resistores variaveis.

Foto resistores ou sensores de intesidade luminosa.

Termistores para monitoramento de temperatura.

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O que se pode fazer com ele?

Possıveis atuadores que podemos acoplar:

Lampadas e LEDs.

Motores via reles e chaves contactoras.

Auto falantes.

Displays de LCD.

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Por que Arduino?

E open source.

E muito barato quando comparado com dispositivos programaveis.

O hardware pode ser fabricado e otimizado para a aplicacao em questaoou comprado pronto no comercio.

Ele pode se comunicar com um PC atraves da USB.

Ele pode ser alimentado via USB ou uma fonte DC.

Ele pode rodar isoladamente de um computador (e programavel) epossui memoria interna (pouco).

Ele pode trabalhar com sinais eletronicos seja analogico seja digital ecom sensores e atuadores.

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Por que Arduino?E muito facil de reutilizar os codigos de outros projetos.Algumas bibliotecas podem ser escritas em C++.Pode-se fazer muitas coisas. Alguns fazem ate pequenos robos com ele:).

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Desvantagens

Nao tem seguranca.

Nao pode executar muitos processos simultaneamente.

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FPGA

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O que e FPGA

FPGA: Field Programmable Gate Array oumatriz de portas logicas programaveis.

http://www.fpga4fun.com/

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Aplicacoes

1 Aeroespacial e defesa

Comunicacao.Satelites.

2 Audio

Radio.DSP - Digital Signal Processor.

3 Centro de dados

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AplicacoesServidores.Roteadores.Gateways.

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Aplicacoes1 Industria

Processamento de imagens industriais.Redes industriais.Controle de motores.

2 MedicinaRaio X.Escaner de tomografia computadorizada.Ultra som.

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Por que FPGA?

Circuitos integrados (CIs) reprogramaveis.

FPGA e melhor que ASIC quando o volume de producao de circuitos forbaixo.

Tem grandes quantidades de gates logicos (FFs) (≈ 1.000.000) e blocosde RAM para implementar sistemas computacionais complexos.

O design de sistemas e muito rapido.

FPGA pode ser utilizado para implementar qualquer funcao logicaequivalente ao ASIC.

Pode-se “embarcar um processador” - SoC FPGA.

E possıvel atualizar as funcionalidades apos a venda.

Tem bom nıvel de seguranca.

Pode executar diversos processos simultaneamente.

E muito caro quando comparado com Arduino ou sistemas microcontrolados.

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ASIC

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O que e ASIC

ASIC: Application Specific Integrated Circuits

E um dispositivo semicondutor projetado especificamente para um usoparticular, diferentemente de produtos padroes, que sao projetados paraaplicacoes genericas.

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Aplicacoes

Uso militar.

Aplicacoes especıficas.

Smart fones.

Medicina.

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Por que ASIC?

Utilizado em aplicacoes especıficas.

Gasta muito pouco material.

Baixo custo por unidade.

E o menor de todos.

Menor consumo energetico.

Nao pode ser alterado e, portanto, e o mais seguro.

Normalmente deve-se fazer um prototipo em FPGA antes de torna-loum produto do tipo ASIC.

E viavel somente para larga escala. Demandam muito tempo dedesenvolvimento e muitos recursos.

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SoC

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O que e SoC

SoC: System-on-Chip

Um sistema em um chip e um chip de silıcio que contem um ou maisnucleos de processadores - microprocessadores (MPUs) e/oumicrocontroladores (MCUs) e/ou processadores digitais de sinais (DSPs)- bem como memoria, aceleradores de funcoes por hardware e perifericos.Se um ASIC possui um ou mais processadores, entao ele e um SoC.Exemplo: Arduino.

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Conteudo programatico

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Conteudo programatico

1 Sistemas de numeracao

2 Codigos e representacoes binarias

3 Aritmetica binaria

4 Portas logicas

5 Algebra Booleana

6 Famılias Logicas

7 Circuitos combinacionais logicos

8 Circuitos combinacionais aritmeticos

9 Registradores: Latch e Flip-Flop

10 Circuitos sequencias: registradores de deslocamento

11 Circuitos sequencias: contadores

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