Sistemas Digitales Tema 1. Introducción 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. Tema 1: Introducción 2 Definición Tema 1: Introducción 3 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). Tema 1: Introducción 4 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. Tema 1: Introducción 5 Definición • Codificación: Conversión de la información a un sistema de representación dis2nto. Tema 1: Introducción 6 Definición • Codificación: Conversión de la información a un sistema de representación dis2nto. • 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. Posible tabla de codificación: – Ejemplo: Tres personas (M=3): • Juan • Luisa • Andrés Tema 1: Introducción Hacen falta, al menos: 2 bits ≥ (log2 3) x 0 0 1 1 y w 0 -­‐ 1 Luisa 0 Andrés 1 Juan 7 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. Tema 1: Introducción 8 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. Voltaje(V) Presión (Pa) – Señal eléctrica: magnitud ^sica = Voltaje (intensidad). – Señal eléctrica analógica: el voltaje puede tomar infinitos valores dentro de un rango. @empo Tema 1: Introducción @empo 9 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. Vol@os 0 4 2 Tema 1: Introducción 4 2 6 0 6 Vol@os Señal Digital Asíncrona: el voltaje puede cambiar de valor en cualquier instante de 2empo. @empo @empo Señal Digital Síncrona: el voltaje solo varía en ciertos instantes de 2empo (cuando marca la señal de reloj). 10 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. • Señal Binaria: – Necesitamos conver2r la señal eléctrica digital a algo que el computador en2enda (código binario). Tema 1: Introducción 11 Analógico Vs. Digital • Codificación Binaria de señal eléctrica: – Señal eléctrica digital síncrona = secuencia de números. X X0 X1 X2 Vol@os 6 Posible tabla de codificación 4 2 0 20 22 24 26 28 t 22 24 Tema 1: Introducción 26 28 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 Codificamos los valores decimales en sistema binario (facilita la realización de operaciones aritmé2cas. 0 0 0 2 6 1 3 4 4 4 20 0 t ¿¿Cuántos bits necesitamos?? 12 Analógico Vs. Digital • Codificación Binaria de señal eléctrica: – Señal eléctrica digital síncrona = secuencia de números. 20 4 22 24 26 2 0 20 22 24 26 28 t 0 0 0 2 6 1 3 4 4 4 20 22 24 Tema 1: Introducción 26 28 t X 0 1 2 3 4 5 6 X0 0 0 0 0 1 1 1 3 cables X1 X2 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 28 1 0 1 0 1 0 Bus x0(t) x1(t) x2(t) 100 011 100 100 000 Vol@os 6 000 000 010 110 001 (3 Señales binarias) 3 t X0(t) 20 22 24 26 28 t 20 22 24 26 28 t 20 22 24 26 28 t X1(t) X2(t) 13 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). Ampli. Analog. A / D Procesador Digital D / A Ampli. Analog. Clock Tema 1: Introducción 14 Analógico Vs. Digital Ampli. Analog. A / D Procesador Digital Ampli. Analog. D / A 6 Vol@os Vol@os Clock 4 2 0 6 4 2 20 22 24 26 28 t 0 0 0 2 6 1 3 4 4 4 20 22 24 26 28 t Tema 1: Introducción 0 20 22 24 26 28 0 0 1 1 4 1 2 3 4 4 20 22 24 26 28 t 15 t 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. Tema 1: Introducción 16 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… Bus Entrada y Salida Comunicar Tema 1: Introducción Procesador (CPU) Procesar/Controlar Memoria (Programa y Datos) Almacenar 17 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. Gate Source Drain Gate channel Drain Source Disposi@vo Físico Circuito Puerta Lógica Tema 1: Introducción Módulo Funcional Sistema 19