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O autor
Durante décadas, Roger L. Tokheim publicou muitos livros-texto, manuais de laboratório e a série de livros Schaum nas áreas de eletrônica digital e microprocessadores. Seus livros foram traduzidos em nove
idiomas. O autor ensinou tópicos variados relacionados à eletrônica por mais de 35 anos em instituições
públicas.
T646f
Tokheim, Roger.
Fundamentos de eletrônica digital [recurso eletrônico] :
sistemas sequenciais / Roger Tokheim ; tradução: Fernando
Lessa Tofoli ; revisão técnica: Antonio Pertence Júnior. – 7.
ed. – Dados eletrônicos. – Porto Alegre : AMGH, 2013.
Editado também como livro impresso em 2013.
ISBN 978-85-8055-195-2
1. Engenharia – Eletrônica. 2. Sistemas sequenciais.
I. Tí­tulo.
CDU 621
Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB10/2052
Tradução:
Fernando Lessa Tofoli
Engenheiro Eletricista
Doutor em Engenharia Elétrica pela
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
Professor do Departamento de Engenharia Elétrica (DEPEL) da
Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ)
Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição:
Antonio Pertence Júnior, MSc
Mestre em Engenharia pela Universidade Federal de Minas Gerais
Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
Pós-graduado em Processamento de Sinais pela Ryerson University, Canadá
Professor da Universidade FUMEC
Membro da Sociedade Brasileira de Eletromagnetismo
Versão impressa
desta obra: 2013
2013
Obra originalmente publicada sob o título
Digital Electronics: Principles and Applications, 7th Edition
ISBN 0073222755 / 9780073222752
Original edition copyright © 2008, The McGraw-Hill Companies, Inc., New York, New York 10020. All rights
reserved.
Portuguese language translation copyright © 2013, AMGH Editora Ltda.
All rights reserved
Gerente editorial – CESA: Arysinha Jacques Affonso
Colaboraram nesta edição:
Editora: Verônica de Abreu Amaral
Capa e projeto gráfico: Paola Manica
Imagem da capa: Shutterstock/silver tiger
Leitura final: Bianca Basile Parracho
Editoração eletrônica: Techbooks
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
AMGH Editora Ltda, uma empresa do Grupo A Educação S. A.
A série Tekne engloba publicações voltadas à educação profissional, técnica e tecnológica.
Av. Jerônimo de Ornelas, 670 – Santana
90040-340 – Porto Alegre – RS
Fone: (51) 3027-7000 Fax: (51) 3027-7070
É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer
formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web
e outros), sem permissão expressa da Editora.
Unidade São Paulo
Av. Embaixador Macedo Soares, 10.735 – Pavilhão 5 – Cond. Espace Center
Vila Anastácio – 05095-035 – São Paulo – SP
Fone: (11) 3665-1100 Fax: (11) 3667-1333
SAC 0800 703-3444 – www.grupoa.com.br
IMPRESSO NO BRASIL
PRINTED IN BRAZIL
Agradecimentos
Agradeço os diversos instrutores, estudantes e representantes da indústria que contribuíram com
este livro. Agradecimentos especiais vão para Darrell Klotzbach, engenheiro de software da empresa Adobe Systems, Inc, por sua ajuda em diversas
seções cobrindo tópicos como DSP e aplicações
de câmeras digitais, JTAG e transmissão de dados. Agradeço também os membros da família
Marshall, Rachael, Dan e Carrie pelo auxílio neste
projeto.
O autor e a editora também gostariam de agradecer os revisores que ajudaram a avaliar este livro;
sua dedicação e experiência foram fundamentais
para a conclusão desta obra.
Jon Brutlag
Chippewa Valley Technical College (WI)
Ronald G. Dreucci
California University of Pennsylvania (PA)
Larry E. Dukes
Wichita Technical Institute (KS)
Robbie Edens
ECPI College of Technology (SC)
Harmit Kaur
Sinclair Community College (OH)
Randy Owens
Henderson Community College (KY)
Andrew F. Volper
San Diego JATC (CA)
Página propositalmente deixada em branco
Apresentação
A série Habilidades Básicas em Eletricidade, Eletrônica e Telecomunicações foi proposta no sentido de
promover competências básicas relacionadas a várias disciplinas da eletricidade e eletrônica. A série
consiste em materiais instrucionais coordenados
e especialmente preparados para estudantes que
planejam seguir tais carreiras. Um livro, um manual
de experimentos e um manual do instrutor fornecem o suporte necessário para cada grande área
abordada nesta série. Todas essas ferramentas são
focadas na teoria, prática, aplicações e experiências necessárias para preparar o ingresso dos estudantes na carreira técnica.
Há dois pontos fundamentais a serem considerados na elaboração de uma série como esta: as
necessidades do estudante e as necessidades do
empregador. Esta série vai ao encontro desses requisitos de forma eficiente. Os autores e os editores
utilizam sua ampla experiência de ensino aliada às
experiências técnicas para interpretar as necessidades e corresponder às expectativas do estudante
adequadamente. As necessidades do mercado e da
indústria foram identificadas por meio de entrevistas pessoais, publicações da indústria, divulgações
de tendências ocupacionais por parte do governo
e relatos de associações industriais.
Os processos de produção e refinamento desta série são contínuos. Os avanços tecnológicos são rápidos e o conteúdo foi revisado de modo a abordar
tendências atuais. Aspectos pedagógicos foram
reformulados e implementados com base em experiências de sala de aula e relatos de professores e
alunos que utilizaram esta série. Todos os esforços
foram realizados no sentido de criar o melhor material didático possível. Isso inclui apresentações
em PowerPoint, arquivos de circuitos para simulação, um gerador de testes com bancos de questões
relacionadas aos temas, endereços eletrônicos dedicados tanto aos instrutores quanto aos alunos e
diversos outros itens. Todo esse material foi preparado e organizado pelos autores.
A grande aceitação da série Habilidades Básicas em
Eletricidade, Eletrônica e Telecomunicações e as respostas positivas dos leitores confirmam a coerência
básica do conteúdo e projeto de todos os componentes, assim como sua eficiência enquanto ferramentas de ensino e aprendizagem. Os instrutores
encontrarão os textos e manuais acerca de cada
assunto estruturados de forma lógica e coerente,
segundo um ritmo adequado na apresentação de
conteúdos, por sua vez desenvolvidos sob a ótica
de objetivos modernos. Os estudantes encontrarão
um material de fácil leitura, adequadamente ilustrado de forma interessante. Também encontrarão
uma quantidade considerável de itens de estudo e
revisão, bem como exemplos que permitem uma
autoavaliação do aprendizado.
Charles A. Schuler, editor da série
Habilidades básicas em eletricidade, eletrônica e
telecomunicações
Apresentação
Livros da série:
Fundamentos de Eletrônica Digital: Sistemas Combinacionais. Vol. 1, 7.ed., Roger L. Tokheim
Fundamentos de Eletrônica Digital: Sistemas Sequenciais. Vol. 2, 7.ed., Roger L. Tokheim
Fundamentos de Eletricidade: Corrente Contínua e Magnetismo. Vol. 1, 7.ed., Richard Fowler
Fundamentos de Eletricidade: Corrente Alternada e Instrumentos de Medição. Vol. 2, 7.ed., Richard Fowler
Fundamentos de Eletrônica Básica: Eletrônica Básica. Vol. 1, 7.ed., Charles A. Schuler
Fundamentos de Eletrônica Básica: Eletrônica Avançada. Vol. 2, 7.ed., Charles A. Schuler
Fundamentos de Comunicação Eletrônica: Modulação, Demodulação e Recepção, 3.ed., Louis E. Frenzel Jr.
Fundamentos de Comunicação Eletrônica: Linhas, Micro-ondas e Antenas, 3.ed., Louis E. Frenzel Jr.
viii
Prefácio
O livro Eletrônica Digital: Princípios e Aplicações,
sétima edição, representa um texto introdutório
para estudantes novatos da eletrônica. O objetivo deste livro e dos materiais auxiliares é fornecer
conhecimentos fundamentais e desenvolver habilidades básicas necessárias em uma vasta gama de
profissões. Pré-requisitos para o estudo consistem
em conhecimentos gerais sobre matemática e eletricidade/eletrônica básica. A matemática binária,
a lógica booleana, conceitos simples sobre programação e códigos variados são progressivamente
introduzidos e explicados ao longo do livro. Os
conceitos são relacionados a aplicações práticas e
uma abordagem de sistemas é adotada, seguindo
tendências práticas da indústria. As edições anteriores do livro em inglês foram satisfatoriamente
empregadas em uma ampla série de cursos, a
exemplo de: Tecnologia Eletrônica, Treinamento
& Aprendizado de Eletricidade Geral, Manutenção
de Computadores, Eletrônica de Comunicações e
Ciência da Computação. Este livro-texto conciso e
prático pode ser utilizado em qualquer curso em
que se deseje realizar uma abordagem rápida e didática dos princípios digitais.
Destaques
Alguns destaques deste livro incluem:
• Introdução precoce e simplificada a instrumentos de laboratório e teste
• Abordagem atualizada sobre memórias e tecnologia de armazenamento
• Abordagem expandida sobre sistemas de
computadores/digitais
• Aplicações de DSPs em câmeras digitais
• Abordagem expandida sobre transmissão de
dados
• Programação expandida de microcontroladores (Módulos BASIC Stamp 2)
• Arquivos mais completos contendo circuitos
de simulação no MultiSIM
Características de
aprendizagem
Este livro inclui um sistema de aprendizado integrado que é utilizado nos demais títulos da série
Habilidades Básicas em Eletricidade, Eletrônica e
Telecomunicações. O objetivo consiste em apresentar informações básicas da forma mais compreensível possível por meio de exemplos, ilustrações
e testes, tornando o processo de aprendizagem
mais simples e permitindo a absorção da maior
quantidade de conceitos possível. Essas estratégias
compreendem:
•
•
•
•
•
•
Objetivos simples
Tópicos divididos em seções curtas
Testes para as seções dos capítulos
Questões de revisão dos capítulos
Questões de pensamento crítico
Respostas das questões de teste
Recursos para o
estudante
Prefácio
No ambiente virtual de aprendizagem estão disponíveis vários recursos para potencializar a absorção de conteúdos. Visite o site WWW.GRUPOA.COM.
BR/TEKNE para ter acesso a jogos, diversos arquivos
do MultiSIM relacionados aos circuitos descritos
na sétima edição; Tutorial do MultiSIM com explicações em inglês passo a passo, telas capturadas
do aplicativo e diversos exemplos da utilização de
eletrônica digital no MultiSIM; apresentações em
PowerPoint direcionadas ao estudante para revisão
e estudo em inglês; apresentações especiais sobre
matrizes de contatos, soldagem e interruptores de
circuito. O programa Solucionador de Circuitos; e
itens adicionais para estudo e revisão.
x
Recursos para o professor
Na Área do Professor (acessada pelo ambiente virtual de aprendizagem ou pelo portal do Grupo A)
é disponibilizado um conjunto de materiais para o
professor, como apresentações em PowerPoint com
aulas estruturadas e o Manual do Instrutor (em inglês). Visite o site WWW.GRUPOA.COM.BR, procure o livro
no nosso catálogo e acesse a exclusiva Área do Professor por meio de um cadastro.
Segurança
Circuitos elétricos e eletrônicos podem ser perigosos. Práticas de segurança são necessárias para
prevenir choque elétrico, incêndios, explosões, danos mecânicos e ferimentos que podem resultar a
partir da utilização inadequada de ferramentas.
Talvez a maior ameaça seja o choque elétrico. Uma
corrente superior a 10 mA circulando no corpo humano pode paralisar a vítima, sendo impossível de
ser interrompida em um condutor ou componente
“vivo”. Essa é uma parcela ínfima de corrente, que
corresponde a apenas dez milésimos de um ampère. Uma lanterna comum é capaz de fornecer uma
corrente superior a 100 vezes esse valor.
Lanternas, pilhas e baterias podem ser manuseadas com segurança porque a resistência da pele
humana é normalmente alta o suficiente para
manter a corrente em níveis muito pequenos. Por
exemplo, ao tocar uma pilha ou bateria de 1,5 V há
uma corrente da ordem de microampères, o que
corresponde a milionésimos de ampère. Assim, a
corrente é tão pequena que sequer é percebida.
Por outro lado, a alta-tensão pode gerar correntes
suficientemente grandes de modo a ocasionar um
choque. Se a corrente assume a ordem de 100 mA
ou mais, o choque pode ser fatal. Assim, o perigo
do choque aumenta com o nível de tensão. Profissionais que trabalham com altas-tensões devem
ser devidamente equipados e treinados.
Quando a pele humana está úmida ou possui cortes, sua resistência elétrica pode ser drasticamente
reduzida. Quando isso ocorre, mesmo tensões moderadas podem causar choques graves. Técnicos
experientes estão cientes desse fato e ainda têm
consciência de que equipamentos de baixa tensão
podem possuir uma ou mais partes do circuito que
trabalham com altas-tensões. Esses profissionais
seguem procedimentos de segurança o tempo
todo, considerando que os dispositivos de proteção podem não atuar adequadamente. Mesmo
que o circuito não esteja energizado, eles não consideram que a chave esteja na posição “desligado”,
pois este componente pode apresentar falhas.
Mesmo um sistema em baixa tensão e alta corrente como um sistema elétrico automotivo pode ser
perigoso. Curtos-circuitos causados por anéis ou
relógios de pulso durante eventuais manutenções
podem causar diversas queimaduras severas – especialmente quando esses dispositivos metálicos
conectam os pontos curto-circuitados diretamente.
À medida que você adquirir conhecimento e experiência, muitos procedimentos de segurança
para lidar com eletricidade e eletrônica serão
aprendidos. Entretanto, cuidados básicos devem
ser adotados:
1. Sempre seguir os procedimentos de segurança padrão.
2. Consultar os manuais de manutenção sempre
que possível. Esses materiais contêm informações específicas sobre segurança. Leia e siga
à risca as instruções sobre segurança contidas
nas folhas de dados.
3. Investigar circuito antes de executar ações.
4. Se estiver em dúvida, não execute qualquer
ação. Consulte seu instrutor ou supervisor.
Regras gerais de segurança
para eletricidade e eletrônica
Segurança
Práticas de segurança irão protegê-lo, assim como
seus colegas de trabalho. Estude as seguintes regras, discuta-as com outros profissionais e tire as
dúvidas com seu instrutor.
xii
1. Não trabalhe quando estiver cansado ou tomando remédios que causem sonolência.
2. Não trabalhe em ambientes mal iluminados.
3. Não trabalhe em áreas alagadas ou com sapatos e/ou roupas molhadas ou úmidas.
4. Use ferramentas, equipamentos e dispositivos
de proteção adequados.
5. Evite utilizar anéis, braceletes e outros itens
metálicos similares quando trabalhar em
áreas onde há circuitos elétricos expostos.
6. Nunca considere que um circuito esteja desligado. Verifique com um instrumento próprio
para identificar se o equipamento encontra-se
operacional.
7. Em alguns casos, deve-se contar com a ajuda
de colegas de modo a impedir que o circuito
não seja energizado enquanto o técnico estiver realizando a manutenção.
8. Nunca modifique ou tente impedir a ação de
dispositivos de segurança como intertravas
(chaves que automaticamente desconectam
a alimentação quando uma porta é aberta ou
um painel é removido).
9. Mantenha ferramentas e equipamentos de
testes limpos e em boas condições. Substitua
pontas de prova isoladas e terminais ao primeiro sinal de deterioração.
10. Alguns dispositivos como capacitores podem
armazenar carga elétrica por longos períodos
de tempo, o que pode ser letal. Deve-se ter
certeza de que esses componentes estejam
descarregados antes de manuseá-los.
11. Não remova conexões de aterramento e não
utilize fontes que danifiquem o terminal terra
do equipamento.
12. Utilize apenas extintores de incêndio devidamente inspecionados para apagar incêndios
13.
14.
15.
16.
17.
18.
em equipamentos elétricos e eletrônicos. A
água pode ser condutora de eletricidade e
causar sérios danos aos equipamentos. Extintores à base de CO2 (dióxido de carbono
ou gás carbônico) ou halogenados são normalmente recomendados. Extintores com
pó químico seco também são utilizados em
alguns casos. Extintores de incêndio comerciais são classificados de acordo com o tipo
de material incendiado a que se destinam.
Utilize apenas os tipos adequados para suas
condições de trabalho.
Siga estritamente as instruções quando lidar
com solventes e outros compostos químicos,
que podem ser tóxicos, inflamáveis ou causar
danos a certos materiais como plásticos. Sempre leia e siga rigorosamente as instruções de
segurança contidas nas folhas de dados.
Alguns materiais utilizados em equipamentos eletrônicos são tóxicos. Como exemplo,
pode-se citar os capacitores de tântalo e encapsulamentos de transistores formados por
óxido de berílio. Esses dispositivos não devem
ser amassados ou friccionados, devendo-se
lavar adequadamente as mãos após seu manuseio. Outros materiais (como tubos termoretráteis) podem produzir gases que causam
irritação quando são sobreaquecidos. Sempre
leia e siga rigorosamente as instruções de segurança contidas nas folhas de dados.
Determinados componentes do circuito afetam o desempenho de equipamentos e sistemas no que tange à segurança. Utilize apenas
peças de reposição idênticas ou perfeitamente compatíveis.
Utilize roupas de proteção e óculos de segurança quando lidar com dispositivos com tubos a vácuo como tubos de imagem e tubos
de raios catódicos.
Não efetue a manutenção em equipamentos
antes de conhecer os procedimentos de segurança adequados e potenciais riscos existentes no ambiente de trabalho.
Muitos acidentes são causados por pessoas
apressadas que “pegam atalhos”. Leve o tem-
Circuitos e equipamentos devem ser tratados com
respeito. Aprenda o funcionamento desses dispositivos e também os procedimentos de manutenção
adequados. Sempre pratique a segurança, pois sua
saúde e sua vida dependem disso.
Profissionais da eletrônica utilizam conhecimentos especializados de segurança.
Segurança
po necessário para proteger a si mesmo e
outras pessoas. Correrias e brincadeiras são
estritamente proibidas em ambientes profissionais e laboratórios.
19. Nunca olha diretamente para os feixes de diodos emissores de luz ou cabos de fibra ótica.
Algumas fontes luminosas, embora invisíveis,
podem causar dano ocular permanente.
xiii
Página propositalmente deixada em branco
Sumários resumidos
Fundamentos de Eletrônica Digital: Sistemas Sequenciais é o segundo livro de Tokheim. Além deste, está
disponível o título Fundamentos de Eletrônica Digital: Sistemas Combinacionais. Para conhecer os assuntos
abordados em cada um deles, apresentamos os sumários resumidos a seguir.
Sistemas Combinacionais
capítulo 1
ELETRÔNICA DIGITAL
capítulo 2
NÚMEROS UTILIZADOS EM ELETRÔNICA DIGITAL
capítulo 3
PORTAS LÓGICAS
capítulo 4
COMBINAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
capítulo 5
ESPECIFICAÇÕES DE CIs E INTERFACEAMENTO SIMPLES
capítulo 6
CODIFICADORES, DECODIFICADORES E DISPLAYS DE
SETE SEGMENTOS
capítulo 7
FLIPFLOPS
capítulo 8
CONTADORES
Sistemas Sequenciais
capítulo 9
REGISTRADORES DE DESLOCAMENTO
capítulo 10 CIRCUITOS ARITMÉTICOS
capítulo 11 MEMÓRIAS
capítulo 12 SISTEMAS DIGITAIS
capítulo 13 SISTEMAS DE COMPUTADORES
Sumários resumidos
capítulo 14 CONEXÃO COM DISPOSITIVOS ANALÓGICOS
xvi
Sumário
SISTEMAS SEQUENCIAIS
capítulo 9
REGISTRADORES DE DESLOCAMENTO
Registradores de deslocamento com
carga serial 271
Registradores de deslocamento com
carga paralela 273
Registrador de deslocamento
universal 275
Utilização do CI registrador de
deslocamento 74194 277
269
Registrador de deslocamento CMOS
de 8 bits 280
Utilização de registradores de
deslocamento – roleta digital 282
Encontrando problemas em um
registrador de deslocamento 286
capítulo 10 CIRCUITOS ARITMÉTICOS 293
Soma binária 294
Meios somadores 295
Somadores completos 296
Somadores de 3 bits 298
Subtração binária 299
Subtratores paralelos 301
CIs somadores 303
Multiplicação binária 304
Multiplicadores binários 308
Representação, soma e subtração na
forma complemento de 2 311
Somadores/subtratores de números
na forma de complemento de 2 317
Encontrando problemas em um
somador completo 317
capítulo 11 MEMÓRIAS 323
Visão geral sobre memórias 324
Memória de Acesso Randômico
(RAM) 328
CIs memórias RAM estáticas 329
Utilizando uma memória SRAM 333
Memória de somente leitura
(ROM) 334
Utilizando uma memória ROM 337
Memória de somente leitura
programável (PROM) 340
Memória de leitura/gravação não
volátil 344
Encapsulamentos de memória 347
Dispositivos de armazenamento de
dados em computadores 351
Potenciômetro digital – utilização de
memória NV 359
capítulo 12 SISTEMAS DIGITAIS 365
Elementos de um sistema 366
Sistema digital de um CI 366
Jogos digitais 367
Relógio digital 372
Relógio digital LSI 376
Sistema prático de um relógio digital
LSI 380
Contador de frequência 384
Exemplo de um contador de
frequência experimental 389
Temporizador LCD com alarme 391
Tecnologia JTAG/boundary scan 395
capítulo 13 SISTEMAS DE COMPUTADORES 405
O computador 406
O microcomputador 408
Operação de um
microcomputador 411
Decodificação de endereço em um
microcomputador 415
Transmissão de dados 418
Detecção de erros na transmissão de
dados 423
Transmissão de dados em um sistema
de computador 426
Controladores lógicos programáveis
(PLCs) 430
Microcontroladores 434
Módulos microcontroladores BASIC
Stamp 440
Processamento digital de sinais 446
Utilização de um DSP em uma câmera
digital 450
capítulo 14 CONEXÃO COM DISPOSITIVOS ANALÓGICOS 457
Conversão D/A 458
Amplificadores operacionais 460
Exemplo de um conversor D/A
básico 461
Conversor D/A do tipo escada 462
Exemplo de um conversor A/D 464
Comparadores de tensão 467
Voltímetro digital elementar 467
APÊNDICES
A1
GLOSSÁRIO
G1
CRÉDITOS
Sumário
ÍNDICE
xviii
I1
C1
Outros conversores A/D 470
Especificações de conversores
A/D 474
Exemplo de um CI conversor
A/D 475
Medidor de intensidade luminosa
digital 478
Digitalização da temperatura 479
capítulo 9
Registradores de
deslocamento
Um registrador é um conjunto de células de memória arranjadas como um único dispositivo.
Por exemplo, um registrador de 8 bits pode ser utilizado para armazenar informações que serão
posteriormente utilizadas, ou o registrador pode ser projetado para manipular os dados, como
no caso do registrador de deslocamento. Este último dispositivo pode modificar o conteúdo dos
dados, deslocando-os para a direita ou para a esquerda.
Objetivos deste capítulo
Desenhar o circuito de um registrador de deslocamento com carga serial utilizando
flip-flops D.
Definir termos como deslocamento à direita, deslocamento à esquerda, carga paralela e carga
série e descrever os procedimentos que permitem aos vários registradores de deslocamento
desempenhar tais funções.
Interpretar folhas de dados de diversos CIs registradores de deslocamento TTL e CMOS.
Prever a operação de CIs registradores de deslocamento TTL e CMOS com base em uma série
de entradas.
Analisar a operação de um jogo de roleta digital contendo um oscilador controlado por
tensão, um contador em anel, um circuito de energização e um amplificador de áudio.
Encontrar falhas em um registrador de deslocamento defeituoso.
Sistemas Sequenciais
270
O termo latch pode usado para descrever o registrador que armazena dados. Diversos latches transparentes foram empregados no volume 1, sendo
normalmente constituídos por flip-flops (como
o flip-flop D). Um registrador buffer consiste na
aplicação específica de um dispositivo de armazenamento que mantém dados que serão posteriormente transferidos. Por exemplo, um buffer é
utilizado para armazenar dados temporariamente,
os quais serão enviados em seguida para uma impressora.
dedica-se ao estudo de registradores de deslocamento e à explicação de seu respectivo princípio
de funcionamento.
Um exemplo típico de registrador de deslocamento é encontrado em uma calculadora. À medida
que cada dígito é inserido no teclado, os números
se deslocam para a esquerda do display. Em outras palavras, o seguinte procedimento deve ser
adotado para inserir o número 268. Primeiramente, a tecla 2 é pressionada e liberada, enquanto o
dígito 2 aparece na extrema direita do display. Em
seguida, a tecla 6 é pressionada e liberada, sendo
que o dígito 2 desloca-se uma casa para a esquerda e o número 6 aparece à direita do display; o
número 26 é então exibido. Finalmente, a tecla 8
é pressionada e liberada, o número completo 268
é exibido no display. Esse exemplo mostra duas
características importantes do registrador de
deslocamento: (1) trata-se de um dispositivo de
memória temporária e, desta forma, os números
são mantidos no display (mesmo que uma tecla
seja liberada) e (2) os números são deslocados
para esquerda sempre que um novo dígito é inserido no teclado. Estas CARACTERÍSTICAS DE MEMÓRIA
E DESLOCAMENTO tornam os registradores de deslocamento extremamente importantes na maioria
dos sistemas eletrônicos digitais. Este capítulo
Registradores em geral são frequentemente empregados no armazenamento de dados. A Figura
9-1 mostra um exemplo típico de como esses dispositivos são utilizados em um sistema digital, o
qual nesse caso pode ser uma calculadora. Note
que registradores são utilizados para manter os
dados provenientes do codificador, que serão enviados para a unidade de processamento. Um registrador também é empregado para armazenar os
dados entre a unidade de processamento e o decodificador. Registradores também são utilizados em
outros pontos de um sistema digital.
7
8
9
4
5
6
1
2
3
Codificador
Registrador
REGISTRADORES DE DESLOCAMENTO são implementados a partir da conexão de flip-flops entre si. Anteriormente, mencionou-se que um flip-flop possui
característica de memória, que por sua vez é utilizada nos registradores de deslocamento. Em dispositivos digitais de larga escala (como microcontroladores e microprocessadores), os registradores
são integrados no mesmo encapsulamento.
Outro método utilizado para descrever as características de um registrador de deslocamento
consiste em analisar como os dados são carregados e lidos a partir de uma unidade de armazenamento. Quatro categorias de registradores de
deslocamento são ilustradas na Figura 9-2, onde
cada dispositivo de armazenamento corresponde
a um registrador de 8 bits. Os registradores são
classificados desta forma:
1. ENTRADA SERIAL E SAÍDA SERIAL [Figura 9-2(a)]
2. ENTRADA SERIAL E SAÍDA PARALELA [Figura 9-2(b)]
Unidade de
processamento
0
Figura 9-1 Sistema digital utilizando registradores.
Registrador
Decodificador
3. ENTRADA PARALELA E SAÍDA SERIAL [Figura 9-2(c)]
4. ENTRADA PARALELA E SAÍDA PARALELA [Figura
9-2(d)]
Registradores de
deslocamento com carga
serial
Os diagramas da Figura 9-2 representam o conceito básico relacionado a cada tipo de registrador, e
essas classificações são normalmente adotadas por
fabricantes.
Um registrador de deslocamento básico é mostrado na Figura 9-3, construído a partir de quatro flip-flops. Esse dispositivo é denominado registrador
Entrada serial
Saída serial
01
1
0
0
1
0
01
1
1
0
(a)
Saída paralela
MSB
0
1
1
1
LSB
0
1
1
1
Entrada serial
10
0
1
1
1
0
1
1
1
(b)
Entrada paralela
MSB
1
1
0
0
LSB
1
0
1
0
Saída serial
1
0
1
0
1
01
0
1
0
Entrada paralela
MSB
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
LSB
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
Registradores de deslocamento
(c)
(d )
Figura 9-2 Características de um registrador de deslocamento. (a) Entrada serial e saída serial. (b) Entrada
serial e saída paralela. (c) Entrada paralela e saída serial. (d) Entrada paralela e saída paralela.
capítulo 9
Saída paralela
271
SAÍDAS
A
Entrada de dados
D
Q
B
D
CLK
ENTRADAS
C
Q
D
CLK
FF A
CLR
Q
D
D
Q
CLK
FF B
CLR
CLK
FF C
CLR
FF D
CLR
Clock
Reinicializar
Figura 9-3 Registrador de deslocamento com carga serial de 4 bits utilizando flip-flops D.
de DESLOCAMENTO DE 4 BITS porque possui quatro valores posicionais para o armazenamento de dados:
A, B, C, D.
Com o auxílio da Tabela 9-1 e da Figura 9-3, esse
registrador de deslocamento pode ser operado.
Primeiramente, todas as saídas (A, B, C, D) são
reinicializadas (entrada CLR em 0) para 0000, o
que é mostrado na linha 1 da Tabela 9-1. As saí-
das permanecem em 0000 enquanto aguardam
a aplicação de um pulso de clock. Um pulso é
aplicado na entrada CLK e a saída se torna 1000
(linha 3 da Tabela 9-1), pois o nível 1 proveniente
da entrada D de FF A foi transferido para a saída
Q durante o pulso de clock. Agora, níveis 1 são inseridos na entrada de dados (pulsos de clock 2 e
3 na Tabela 9-1), os quais são deslocados para a
direita no display. Então, níveis 0 são inseridos na
Tabela 9-1 Operação de um registrador de deslocamento serial de 4 bits
Saída
Entradas
Sistemas Sequenciais
Prefixo
272
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Reinicializar
Dados
Número do pulso
de clock
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
FF A
FF B
FF C
FF D
A
B
C
D
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
entrada de dados (pulsos de clock 4 a 8 na Tabela
9-1), de modo que é possível constatar que esses
níveis são deslocados para a direita (linhas 6 a 10
da Tabela 9-1). Durante o pulso de clock 9 (Tabela
9-1), um nível 1 é inserido na entrada de dados.
No pulso 10, a entrada de dados possui nível 0
novamente. Os pulsos 9 e 10 mostram um único
dígito 1 no display sendo deslocado para a direita.
A linha 15 mostra que o valor 1 é deslocado para
a extrema direita do registrador de deslocamento
e é perdido.
Lembre-se que o flip-flop D também é denominado flip-flop com atraso, sendo capaz de transferir
os dados da entrada D para a saída Q após o atraso
correspondente a um pulso de clock.
O circuito representado na Figura 9-3 é denominado registrador de deslocamento com carga serial.
O termo “carga serial” refere-se ao fato de que um
www
único bit de dados pode ser inserido por vez no registrador. Por exemplo, para inserir 0111 no registrador, deve-se repetir a sequência representada
nas linhas 3 a 6 da Tabela 9-1. Assim, são necessários quatro passos para carregar 0111 em série
no dispositivo. Para inserir 0001, de acordo com a
Tabela 9-1, é necessário seguir as linhas 11 a 14.
Segundo as classificações da Figura 9-2, esse seria
um registrador com entrada serial e saída paralela.
Entretanto, se os dados forem retirados apenas de
FF D, o dispositivo se torna um registrador com entrada serial e saída serial.
O dispositivo da Figura 9-3 pode se tornar um
registrador de deslocamento de 5 bits adicionando-se um flip-flop D. Os registradores de deslocamento normalmente possuem 4, 5 e 8 bits, podendo ser implementados a partir da utilização de
outros tipos de flip-flops, como R-S e J-K.
Teste seus conhecimentos (Figura 9-4)
O diagrama do REGISTRADOR DE DESLOCAMENTO RECIR4 BITS é mostrado
na Figura 9-5(b). Note que há linhas de recirculação que conectam as saídas Q e Q do FF D às entradas J e K do FF A. Essas linhas de realimentação
A Tabela 9-2 auxilia a compreensão do funcionamento do registrador de deslocamento com carga
paralela. Quando o dispositivo é ligado, as saídas
podem assumir qualquer combinação. A linha 2
mostra que o registrador é reinicializado por meio
CULANTE COM CARGA PARALELA DE
capítulo 9
O registrador de deslocamento com carga serial estudado na última seção possui duas desvantagens:
apenas um único bit de informação pode ser inserido por vez e todos os dados são perdidos quando
há o deslocamento à direita. A Figura 9-5(a) mostra
um sistema que permite CARGA PARALELA de 4 bits
simultaneamente. Esse sistema também pode
incorporar uma CARACTERÍSTICA RECIRCULANTE, que
pode levar os dados da saída novamente à entrada
de modo que estes não sejam perdidos.
permitem aos dados que seriam normalmente
perdidos em FF D recircularem no registrador de
deslocamento. A entrada CLR reinicializa as saídas para 0000 quando é ativada com um nível 0.
As entradas de carga paralela de dados A, B, C e
D são conectadas às entradas de pré-ajuste (PS)
ativas-BAIXAS dos flip-flops para atribuir níveis 1 a
qualquer posição de saída (A, B, C e D). Se as chaves conectadas nas entradas de carga paralela de
dados forem temporariamente abertas assumindo
níveis 0, a saída será pré-ajustada em um nível lógico 1. O pulso de clock aplicado às entradas CLK dos
flip-flops J-K provocará o deslocamento dos dados
para a direita. Os dados existentes em FF D recircularão novamente para FF A.
Registradores de
deslocamento com carga
paralela
Registradores de deslocamento
Acesse o site www.grupoa.com.br/tekne para fazer os testes sempre que passar por este ícone.
273
SAÍDAS
A
A
Dados
ENTRADAS
B
C
D
C
D
QA
QB
Registrador de
deslocamento
recirculante
com carga
paralela de
4 bits
Clock
Reinicializar
B
QC
QD
(a)
D
Dados
Carga
paralela
SAÍDAS
C
B
A
A
ENTRADAS
J PS Q
FF A
CLK
Q
K
CLR
QA
J PS Q
FF B
CLK
K
QB
J PS Q
FF C
CLK
Q
K
Q
CLR
CLR
QC
J PS Q
FF D
CLK
K
B
C
D
QD
Q
CLR
Clock
Reinicializar
(b)
Sistemas Sequenciais
Figura 9-5 Registrador de deslocamento recirculante com carga paralela de 4 bits. (a) Diagrama de blocos. (b)
Diagrama esquemático.
274
da entrada CLR. A linha 3 mostra que o valor 0100
é carregado no registrador por meio de chaves de
carga paralela de dados. A carga paralela assíncrona ocorre quando uma entrada de carga paralela
se torna BAIXA. Note na linha 3 que a entrada B é
levada ao nível 0, de modo que a saída B correspondente é ajustada em 1.
As linhas 4 a 8 da Tabela 9-2 mostram cinco pulsos
de clock (t1t5) deslocando dados para a direita.
Analisando as saídas nas linhas 5 e 6, constata-se
que o nível 1 proveniente de FF D (à direita) na linha 5 é recirculado novamente para FF A à esquerda na linha 6.
A linha 9 mostra o registrador sendo novamente
reinicializado pela entrada CLR. Os novos dados
(0110) são carregados nas entradas de dados na
linha 10. As linhas 11 a 15 mostram que o registrador desloca os dados cinco vezes em virtude dos
pulsos de clock. Note que são necessários quatro
pulsos de clock para que os dados originais retornem ao registrador (compare as linhas 11 e 15 ou
as linhas 4 e 8 na Tabela 9-2). O dispositivo da Figura 9-5 pode ser classificado como registrador com
entrada paralela e saída paralela.
A característica recirculante do registrador de deslocamento da Figura 9-5(b) pode ser desativada ao
Tabela 9-2 Operação de um registrador de deslocamento recirculante com carga paralela
de 4 bits
Entradas
Modo de
operação
Energização
Reinicialização (assíncrona)
Carga paralela (assíncrona)
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Reinicialização (assíncrona)
Carga paralela (assíncrona)
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Deslocamento à direita
Número
da linha Reinicializar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
eliminar as duas conexões de recirculação. Como
foi mencionado, esse registrador possui entrada
paralela e saída paralela. Entretanto, se apenas a
Carga paralela
A
B
C
D
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Pulso
de clock
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
t9
t10
FF A FF B FF C FF D
A
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
B
C
Saídas aleatórias
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
D
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
saída de FF D é considerada, o dispositivo então se
torna um registrador com entrada paralela e saída
serial.
Registrador de
deslocamento universal
Ao analisar folhas de dados de fabricantes, verifica-se que há muitos registradores de deslocamento na forma de CIs. Nesta seção, o CI REGISTRADOR
DE DESLOCAMENTO BIDIRECIONAL UNIVERSAL DE 4 BITS
74194 será estudado.
O CI 74194 é um registrador de deslocamento versátil que possui praticamente todas as características apresentadas até o momento em um único
encapsulamento. Um CI registrador 74194 pode
deslocar dados para a direita ou esquerda, com carga de dados serial ou paralela. Diversos CIs 74194
de 4 bits podem ser conectados em cascata para
gerar um registrador de deslocamento com 8 ou
mais bits, de modo que a característica recirculante
pode ser agregada ao dispositivo.
Leia a descrição do registrador de deslocamento
74194 na Figura 9-7(a) para descobrir quais são características de um dispositivo desse tipo.
O diagrama lógico do registrador 74194 é mostrado na Figura 9-7(b). Como se trata de um registrador de 4 bits, há quatro flip-flops. Alguns circuitos
de disparo adicionais podem ser necessários para
que o registrador de deslocamento universal desempenhe outras funções. O diagrama de pinos
da Figura 9-7(c) apresenta a descrição das entra-
Registradores de deslocamento
Teste seus conhecimentos (Figura 9-6)
capítulo 9
www
Saída
275
O registrador de deslocamento bidirecional é projetado para incorporar virtualmente todas as características desejáveis em um dispositivo registrador.
O circuito utiliza 45 portas equivalentes e possui entradas paralelas, saídas paralelas, entradas seriais com deslocamento à direita, entradas para
controle do modo de operação e um terminal de reinicialização. O registrador possui diversos modos de operação:
Carga paralela;
Deslocamento à direita (De QA para QD);
Deslocamento à esquerda (De QD para QA);
Inibir clock (sem ação).
O carregamento paralelo síncrono ocorre ao se aplicar 4 bits de dados e manter ambas as entradas de controle de modo S0 e S1 em nível ALTO.
Os dados são carregados nos flip-flops associados e são transferidos à saída após a transição positiva da entrada de clock. Durante o carregamento
paralelo, o fluxo serial de dados é interrompido. O deslocamento à direita ocorre de forma síncrona com a borda positiva do pulso de clock quando
S0 é ALTA e S1 é BAIXA. Neste modo, os dados seriais são inseridos na entrada de dados com deslocamento à direita. Quando S0 é BAIXA e S1 é ALTA,
os dados são deslocados sincronamente à esquerda e novos dados são inseridos na entrada serial de deslocamento à esquerda. O pulso de clock do
flip-flop é desativado quando ambas as entradas de controle de modo são BAIXAS. O modo de operação do CI S54194/N74194 só deve ser modificado
quando a entrada de clock é ALTA.
(a) Descrição
Entrada serial de
deslocamento
à direita
S0
Controle
de modo
A
(2)
(9)
Entrada serial de
deslocamento
à esquerda
D (6)
(7)
Entradas paralelas
B
(3)
C (5)
(4)
(10)
S1
(11)
Clock
(1)
Reinicializar
R
CLR
R
S
CLR
R
CLK
CLK
S
QA
(15)
(14)
R
CLK
S
QC
QB
QA
CLR
QB
(13)
S
CLR
CLK
QD
QC
(12)
QD
Saídas paralelas
Reinicializar
Entrada serial
(deslocamento
à direita)
A
1
ENTRADAS
2
3
15 QA
13 QC
C
5
12 Q
D
D
6
11
Entrada serial
(deslocamento
à esquerda) GND
7
10 S1
B
8
MODO
9
Clock
S0
(c) Diagrama de pino
Entradas
paralelas
de dados
QA
QB
QC
X
L
L
L
L
X
X
QA0
QB0
QC0
QD0
c
d
a
b
c
d
X
X
X
H
QAn
QBn
QCn
X
X
X
L
QAn
QBn
QCn
X
X
X
QBn
QCn
QDn
H
X
X
X
X
QBn
QCn
QDn
L
X
X
X
X
QA0
QB0
QC0
QD0
B
C
D
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
a
b
H
X
H
X
H
X
L
X
L
H
X
X
H
L
L
X
L
L
X
X
CLOCK
L
X
X
X
X
H
X
X
L
H
H
H
H
L
H
L
H
H
H
H
X
(d) Tabela verdade
S0
S1
Reinicializar
Entradas
seriais de
dados
PARALELAS
A
S0
Clock
Entradas
de controle
de modo
SAÍDAS
SERIAIS
ESQUERDA DIREITA
S1
REINICIALIZAR
14 QB
4
Entradas paralelas
(b) Diagrama lógico
16 VCC
QD
H nível ALTO (regime permanente)
L nível BAIXO (regime permanente)
X condição irrelevante (qualquer entrada, incluindo transições)
transição de nível BAIXO para ALTO
a,b,c,d, nível da entrada de regime permanente em A, B, C
ou D, respectivamente
níveis de QAO, QBO, QCO, QDO, respectivamente, anteriores ao estabelecimento
das condições de regime permanente indicadas
níveis de QAO, QBO, QCO, QDO, respectivamente, anteriores à última
transição do pulso de clock.
R
L
A
B
H
L
C
D
H
L
Q
A
Sistemas Sequenciais
Q
276
Saidas
B
Q
C
Q
D
Reinicializar
carga
Deslocamento
à direita
Deslocamento
à esquerda
Inibição
Reinicializar
(e) Reinicialização típica, sequência de deslocamento e carga.
Figura 9-7 Registrador de deslocamento TTL universal de quatro bits (74194). (a) Descrição. (b) Diagrama
lógico. (c) Configuração dos pinos. (d) Tabela de funções (tabela verdade). (e) Formas de onda.
das e saídas. O uso deste diagrama é fundamental
para a utilização do CI 74194.
A tabela verdade e os diagramas de forma de onda
mostrados na Figura 9-7(d) e (e), respectivamente,
são muito úteis na análise do funcionamento do
CI registrador 74194, onde os modos de operação
Teste seus conhecimentos
Nesta seção, o registrador de deslocamento universal 74194 será utilizado de diversas formas. A Figura
9-8(a) e (b) mostra o CI 74194 utilizado como um registrador com carga serial. Um registrador de deslocamento com DESLOCAMENTO À DIREITA E CARGA SERIAL é
representado na Figura 9-8(a), o qual opera da mesma maneira que o dispositivo da Figura 9-3. A Tabela 9-1 também pode ser empregada para analisar
o funcionamento desse registrador. Note que as ENTRADAS DE CONTROLE DE MODO DE OPERAÇÃO (S0, S1) devem possuir os níveis lógicos mostrados no diagrama para que o registrador opere com deslocamento
à direita. O deslocamento à direita é definido pelo
Sobre a eletrônica
Orientando a construção de fibra óptica
Guias de luz utilizadas em telecomunicações (cabos
de fibra óptica) devem ser unidas cuidadosamente de
modo que a menor quantidade de luz possível escape
na junção. Na figura a seguir, tem-se uma guia de luz
pronta para ser unida a outra fibra. A fibra é mantida
fixa pelas ranhuras existentes em um par de pastilhas
de silício. Dessa forma, a junção das fibras ocorre com
alinhamento quase perfeito.
fabricante como o deslocamento de QA para QD. O
registrador da Figura 9-8(a) desloca os dados para
a direita, os quais são perdidos após deixarem QD.
Na Figura 9-9, o CI 74194 é utilizado como um registrador de deslocamento à direita/à esquerda
com carga paralela. Com um único pulso de clock,
os dados das entradas de carga paralela A, B, C e
D são exibidos no display. A carga ocorre apenas
quando ambas as entradas de controle de modo
de operação (S0, S1) possuem nível 1. Há três modos de operação possíveis: deslocamento à direita,
deslocamento à esquerda ou inibição. As entradas
seriais de deslocamento à direita e à esquerda devem possuir níveis 0 para que estes sejam inseridos
no registrador nos respectivos modos de funcionamento. Quando a entrada de controle do modo de
funcionamento encontra-se na posição de inibição
Registradores de deslocamento
Utilização do CI
registrador de deslocamento
74194
capítulo 9
www
de reinicialização, carga, deslocamento à direita,
deslocamento à esquerda e inibição são representados. Quando o registrador de deslocamento
universal 74194 for utilizado, deve-se analisar cuidadosamente a tabela verdade e os diagramas de
forma de onda respectivos.
277
Entrada serial
de deslocamento
à direita
Clock
QA
SAÍDAS
A
B
C
D
QB
Registrador de
deslocamento
à direita com Q
C
carga serial
ENTRADAS
Reinicializar
QD
CLR
(74194)
Controle
de modo
1
0
S0
S1
(Posição do deslocamento à direita)
(a)
Entrada serial
de deslocamento
à esquerda
Clock
ENTRADAS
Reinicializar
QA
SAÍDAS
A
B
C
D
QB
Registrador de
deslocamento
à esquerda com Q
C
carga serial
QD
CLR
(74194)
Controle
de modo
0
1
S0
S1
(Posição do deslocamento à esquerda)
(b)
Sistemas Sequenciais
Figura 9-8 (a) CI 74194 utilizado como um registrador de deslocamento à direita com carga serial. (b) CI
74194 utilizado como um registrador de deslocamento à esquerda com carga serial.
278
(S00, S10), os dados não são deslocados para
a esquerda ou direita, permanecendo estáticos no
registrador. Quando o CI 74194 é utilizado, deve-se
atentar às entradas de controle do modo de funcionamento, que por sua vez controlam a operação
do registrador. A entrada CLR reinicializa o registrador para 0000 quando é ativada por um nível 0. A
entrada assíncrona CLR sobrescreve os estados de
todas as demais entradas.
Dois CIs registradores de deslocamento 74194 são
conectados entre si na Figura 9-10 formando um
REGISTRADOR DE DESLOCAMENTO COM CARGA PARALELA
DE 8 BITS. A entrada CLR reinicializa as saídas para
0000 0000. As entradas de carga paralela A a H permitem a inserção de todos os 8 bits de dados em
um único pulso de clock (controle de modo: S01,
S11). No modo de deslocamento à direita (S01,
S10), o registrador provoca o deslocamento para
QA
A
B
C
D
Entradas
de carga
paralela
SAÍDAS
A
B
C
D
QB
Registrador de
deslocamento
com carga
QC
paralela
ENTRADAS
Entrada serial de deslocamento à direita 0
Entrada serial de deslocamento à esquerda 0
Clock
Reinicializar
CLK
CLR
QD
(74194)
Controle de modo
Carga paralela
Deslocamento à direita
Deslocamento à esquerda
Inibição
S0 1, S1 1
S0 1, S1 0
S0 0, S1 1
S0 0, S1 0
S0
S1
Figura 9-9 CI 74194 utilizado como um registrador de deslocamento à direita/à esquerda com carga paralela.
Entrada serial de
deslocamento à direita
QA
Clock
B
C
E
D
F
G
A
B
C
D
E
F
G
H
ENTRADAS
Entrada serial de
deslocamento à direita
QA
QB
Registrador de QC
deslocamento 2
(74194)
QD
CLK
CLR
S0
S1
Linha de
recirculação
S0
S1
Figura 9-10 Dois CIs 74194 utilizados como um registrador de deslocamento com carga paralela de 8 bits.
Registradores de deslocamento
QB
CLR
Registrador de
deslocamento 1
QC
(74194)
A
B
QD
C
D
S1
S0
capítulo 9
A
B
C
D
Controle
de modo
H
CLK
Limpar
Carga
paralela
SAÍDAS
A
279
a direita a cada pulso de clock. Note que a linha recirculante conecta a saída H (saída QD do registrador 2) à entrada serial de deslocamento à direita do
registrador 1. Os dados que normalmente seriam
perdidos na saída H recirculam novamente para a
posição A do registrador. Quando ambas as entradas S0 e S1 possuem nível 0, o deslocamento de
dados será desativado no registrador.
Como foi visto, o registrador de deslocamento
universal bidirecional de 4 bits é muito útil. Os
circuitos apresentados nesta seção mostram alguns exemplos de sua utilização. Lembre-se que
todos os registradores de deslocamento utilizam
www
Teste seus conhecimentos
Registrador de
deslocamento CMOS de 8 bits
Esta seção apresenta a operação de um dos vários
registradores de deslocamento CMOS existentes
comercialmente. As informações sobre o REGISTRADOR DE DESLOCAMENTO COM ENTRADA SERIAL E SAÍDA PARALELA DE 8 BITS 74HC164 são mostradas na Figura
9-11.
Sistemas Sequenciais
O CI CMOS 74HC164 é um registrador de 8 bits disparado pela borda. Há saídas paralelas disponíveis
a partir de cada flip-flop D. O diagrama lógico detalhado da Figura 9-11(a) mostra a utilização de oito
flip-flops D com as respectivas saídas paralelas de
dados (Q0 a Q7).
280
O CI 74HC164 da Figura 9-11 possui entrada serial,
de modo que os dados são inseridos em série por
meio de uma das duas entradas (Dsa e Dsb). Observe na Figura 9-11(a) que as entradas de dados (Dsa
e Dsb) são interligadas por meio de uma porta AND.
www
flip-flops que possuem característica de memória.
Esses dispositivos também podem ser empregados na conversão de dados seriais em paralelos e
vice-versa, sendo também adequados para promover atrasos na informação (linhas de atraso).
Registradores de deslocamento também são utilizados em alguns circuitos aritméticos. Sistemas
microprocessados e microcontrolados também
empregam registradores de deslocamento semelhantes àqueles que foram apresentados neste
capítulo. Há modelos semelhantes ao CI 74194,
como é o caso dos CIs 74S194, 74LS194A, 74F194
e 74HC194.
As entradas de dados podem ser conectadas entre
si como um único terminal, ou uma delas pode ser
mantida com nível ALTO enquanto os dados são inseridos na outra entrada.
A entrada de reinicialização mestre (MR) do CI
74HC164 é mostrada na parte superior à esquerda
da Figura 9-11(a) e é do tipo ativa-BAIXA. A tabela
verdade da Figura 9-11(b) mostra que a entrada
MR se sobrepõe aos estados das demais entradas
e reinicializa todos os flip-flops para 0 quando é
ativada.
O CI 74HC164 desloca os dados uma posição para
a direita a cada transição do pulso de clock do nível
BAIXO para ALTO aplicado na entrada CP. O pulso
de clock ainda insere os dados provenientes das
entradas de dados (Dsa e Dsb) na saída Q0 de FF 1, de
acordo com a Figura 9-11(a).
O diagrama de pinos do CI 74HC164 é reproduzido na Figura 9-11(c). A tabela útil da Figura 9-11(d)
descreve a função de cada pino desse CI CMOS.
Teste seus conhecimentos (Figura 9-12)
281
FF1
RD
CP
D
Q
Q0
FF2
RD
CP
D
H
H
H
H
Deslocamento à direita
X
CP
X
l
h
l
h
l
l
h
h
Dsb
X
Dsa
L
L
L
H
L
Q0
q0–q6
q0–q6
q0–q6
q0–q6
L–L
Q1–Q7
SAÍDAS
Q
Q1
4
5
6
7
Q2
Q3
GND
3
2
1
Q1
Q0
Dsb
Dsa
FF3
RD
CP
D
Q
Q2
(c)
164
(a)
FF4
RD
CP
D
Q
8 CP
9 MR
10 Q4
11 Q5
12 Q6
13 Q7
14 Vcc
Q3
Q
Q4
FF6
RD
CP
D
Q5
14
9
8
Vcc
MR
CP
GND
Q0 to Q7
3, 4, 5, 6,
10, 11, 12, 13
7
Dsa,Dsb
SÍMBOLO
Q
1,2
NÚMERO DO PINO
DESCRIÇÃO DOS PINOS
FF5
RD
CP
D
Q
Q6
FF8
RD
CP
D
Q
Q7
(d)
Tensão de alimentação positiva
Entradas mestre de reset
(ativas-BAIXAS)
Entradas de clock (disparadas pela borda,
mudança do nível BAIXO para ALTO)
Terra (0 V)
Saídas
Entradas de dados
NOMENCLATURA E FUNÇÃO
FF7
RD
CP
D
capítulo 9
Registradores de deslocamento
Figura 9-11 Registrador de deslocamento CMOS com entrada serial e saída paralela de 8 bits (74HC164). (a) Diagrama lógico detalhado. (b) Tabela verdade. (c) Diagrama de pinos. (d) Descrições dos pinos.
(b)
H nível de tensão ALTO
h tempo de ajuste do nível de tensão ALTO anterior à mudança
de estado do pulso de clock de BAIXO para ALTO
L nível de tensão BAIXO
l tempo de ajuste do nível de tensão BAIXO anterior à mudança
de estado do pulso de clock de BAIXO para ALTO
q letras minúsculas indicam o estado da anterior à mudança de
estado do pulso de clock de BAIXO para ALTO
transição do pulso de clock de nível BAIXO para ALTO
L
MR
Reinicializar (limpar)
Modos de operação
ENTRADAS
Tabela verdade – Registrador de Deslocamento 74HC164
MR
CP
Dsb
Dsa
Sobre a eletrônica
Dispositivos para os “cegos”
O sistema pessoal de visualização NOMAD™ consiste em um visor de alta resolução que pode ser utilizado de
forma fixa na cabeça. O dispositivo permite que uma pessoa em movimento visualize informações em uma tela
independentemente das condições de iluminação do ambiente. O sistema NOMAD impõe imagens de alto contraste no campo de visão do usuário. As informações podem consistir em diagramas, registros de manutenção
ou manuais de forma geral. Assim, equipes de manutenção podem acessar informações mesmo trabalhando
em andaimes ou posições críticas sem utilizar propriamente as mãos para a consulta de dados.
Sistemas Sequenciais
Utilização de
registradores de
deslocamento – roleta digital
282
O jogo da roleta costuma fascinar pessoas de todas
as idades, e formas variadas desse jogo são utilizadas em programas de televisão e cassinos. Esta
seção apresenta uma versão eletrônica do jogo da
roleta e é um dos projetos favoritos dos estudantes
de eletrônica digital.
O diagrama de BLOCOS DE UMA ROLETA DIGITAL é representado na Figura 9-13. Essa versão simples utiliza
a marcação de apenas oito números. Um único LED
(correspondendo a um número) deverá permanecer aceso por vez. Um CONTADOR EM ANEL é um circuito que permitirá acender um LED de cada vez de
forma sequencial. Esse dispositivo consiste em um
registrador de deslocamento associado a alguns
circuitos adicionais.
Ao energizar o circuito, o registrador de deslocamento da Figura 9-13 deve ser inicialmente reinicializado para zero. Note que a chave liga-desliga
não é representada no diagrama de blocos. Em
seguida, quando a chave que “gira a roleta” é acionada, um único nível ALTO deve ser carregado na
Amplificador
de áudio
0
7
Circuitos de
energização
5 V
2
6
5
Entrada
da roleta
Oscilador
controlado
por tensão
1
4
3
Contador
em anel
Registrador de
deslocamento
de oito bits
O oscilador controlado por tensão também envia pulsos de clock para o amplificador de áudio,
sendo que cada pulso é amplificado de modo a
soar como o movimento da roleta. A frequência
progressivamente é reduzida até que a sequência
seja interrompida, simulando a parada de um dispositivo mecânico em uma determinada posição
numérica.
O bloco contador em anel do jogo de roleta digital é representado detalhadamente na Figura
9-14(a). Note que o contador em anel utiliza um
CI registrador de deslocamento com entrada
serial e saída paralela de 8 bits 74HC164, o qual
foi anteriormente estudado. Quando o circuito é
energizado, o bloco de inicialização reinicializa
todas as saídas em zero (todos os LEDs estão apagados). Quando se pressiona o botão para “girar
a roleta”, o primeiro pulso carrega um único nível
ALTO no registrador de deslocamento, como mostra a Figura 9-14(a). Os pulsos de clock seguintes
movem a única luz existente ao longo do display,
de acordo com a Figura 9-14(b). Note que a cada
transição de nível BAIXO para ALTO do pulso de
clock um único nível ALTO no CI registrador de
deslocamento de 8 bits 74HC164 desloca uma posição para a direita. Quando o nível ALTO chega à
saída Q7 (após o oitavo pulso de clock na Figura
9-14(b)), a LINHA DE RECIRCULAÇÃO (REALIMENTAÇÃO)
transfere o nível ALTO para as entradas de dados
de modo a acender o LED à esquerda (saída Q0).
No exemplo da Figura 9-14(b), a chave é aberta
após o décimo segundo pulso, de modo que a luz
para em Q3 e este é o “número vencedor” do jogo
para esta rodada.
O CI REGISTRADOR DE DESLOCAMENTO DE 8 BITS
74HC164 é utilizado como um contador em anel
na Figura 9-14(a). Esse circuito possui duas características que o tornam um contador em anel. Primeiro, existe uma realimentação do último flip-flop
(Q7) para o primeiro (Q0). Segundo, o dispositivo é
carregado com um dado padrão de níveis 1 e 0
que recirculam à medida que pulsos de clock são
aplicados na entrada CP do registrador de deslocamento. Nesse caso, um único nível 1 é carregado
no registrador de deslocamento e é recirculado.
capítulo 9
posição 0 do display a LEDs 0. O OSCILADOR CONTROLADO POR TENSÃO emite uma sequência de pulsos de
clock que progressivamente reduzem a frequência até parar. Os pulsos de clock são aplicados no
contador em anel (registrador de deslocamento)
e no AMPLIFICADOR DE ÁUDIO da roleta. A sequência
de iluminação deve ser 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1, e
assim por diante, até que o oscilador interrompa o
fornecimento dos pulsos. Quando isso ocorre, um
único LED deve permanecer aceso na roleta em
uma posição aleatória.
Registradores de deslocamento
Figura 9-13 Diagrama de blocos simplificado de uma roleta eletrônica digital.
283
Botão para
girar a
roleta
5 V
VCC
CP
Clock
Contador
em anel
Energização do circuito
Dsb
Inicialização
da limpeza
MR
Q7
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Dsa
Carregar um
único nível ALTO
LEDs indicadores de saída
Q0
(74HC164)
GND
Q6
Q7
Linha de realimentação
(a)
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Após o primeiro
pulso (inicialização)
Após o segundo pulso
Após o terceiro pulso
Após o quarto pulso
Após o quinto pulso
Após o sexto pulso
Após o sétimo pulso
Após o oitavo pulso
Após o nono pulso
Após o décimo pulso
Após o décimo primeiro pulso
Após o décimo segundo pulso
"Vencedor"
PARADA
(b)
Sistemas Sequenciais
Figura 9-14 (a) Circuito contador de anel em uma roleta digital. (b) Saída do contador de anel para os primeiros 12 pulsos de clock.
284
Em resumo, o circuito da Figura 9-14(a) consiste
em um jogo de roleta eletrônica muito simples.
Quando se pressiona o botão para girar a roleta,
uma única luz circula pelos LEDs. Quando a chave é
aberta, a roleta para.
de modo que a roleta continue a girar mesmo depois que o botão é liberado. É possível incluir sons
para tornar a simulação mais realista. A Figura 9-15
mostra que ambas as características supracitadas
foram adicionadas ao circuito.
Para melhorar o jogo, o circuito da Figura 9-14
pode ser modificado incluindo-se um pulso clock
O versátil CI temporizador 555 é utilizado como um
oscilador controlado por tensão na Figura 9-15. Ao
285
100 47 F
10 F
47 k
B
100 k
2N3904
NPN
Q1
2
6
7
0,01 F
E
C
5 V
5
(555)
Oscilador
controlado
por tensão
4
3
Inicialização
da limpeza
1 k
capítulo 9
Registradores de deslocamento
B
MR
Dsb
Dsa
Contador
em anel
VCC
GND
(74HC164)
CP
Q2
5 V
E
C
5 V
2N3904
NPN
Linha de realimentação
Carregar um
único nível ALTO
Inicialização do circuito
1
8
Figura 9-15 Circuito oscilador controlado por tensão utilizado em uma roleta digital.
5 V
Entrada
da roleta
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
Q0
Q0
LEDs indicadores de saída
Q7
pressionar o botão para girar a roleta, o transistor
Q1 é ligado. O CI 555 opera como um MV astável, de
modo que a onda quadrada em sua saída aciona
tanto a entrada CP do contador em anel quanto o
amplificador de áudio. Os pulsos provenientes do
oscilador ligam e desligam o transistor Q2 de forma
alternada, acionando o alto-falante.
Quando a chave que gira a roleta é aberta, o capacitor de 47 μF mantém uma carga positiva durante
certo tempo, a qual é aplicada à base (B) do transistor Q1. Assim, o transistor permanece ligado por vários segundos antes de o capacitor se descarregar
totalmente. À medida que isso ocorre, a tensão na
base de Q1 torna-se menor e a resistência do transistor (entre emissor e coletor) aumenta. Por sua
vez, isso reduz a frequência do oscilador e reduz
a velocidade de deslocamento da luz na roleta. O
som proveniente do alto-falante também tem sua
respectiva frequência reduzida. Dessa forma, simula-se a redução da velocidade da esfera girante em
uma roleta real.
Revisando o procedimento, tem-se que o CIRCUITO
DE ENERGIZAÇÃO E INICIALIZAÇÃO da Figura 9-15 primeiramente reinicializa o registrador de deslocamento
e depois ajusta apenas a primeira saída com nível
ALTO. Esses dois circuitos foram adicionados à roleta digital na Figura 9-16.
Um CIRCUITO DE REINICIALIZAÇÃO AUTOMÁTICA foi incluído na Figura 9-16, consistindo em uma combinação entre resistor e capacitor (R7 e C4). Quando o
circuito é energizado, a tensão no terminal superior
Sistemas Sequenciais
www
286
do capacitor de 0,01 μF assume inicialmente nível
BAIXO, mas rapidamente atinge nível ALTO à medida que é carregado através de R7. A entrada de
reinicialização mestre (MR) do registrador 74HC164
é mantida em um nível BAIXO por um tempo suficiente para que a saída do registrador de deslocamento seja reinicializada para 00000000. Neste
ponto, todos os LEDs permanecem desligados.
O circuito que carrega um único nível 1 no contador em anel consiste em quatro portas NAND e
dois resistores (R5 e R6). As portas NAND são conectadas como um flip-flop R-S. Os dois resistores (R5
e R6) levam a saída da porta NAND (CIa) a assumir
nível ALTO quando o circuito é inicialmente energizado. Esse nível ALTO é aplicado às entradas de
dados (Dsa e Dsb) do CONTADOR EM ANEL. Na primeira
transição de nível BAIXO para ALTO do pulso de clock, o nível ALTO nas entradas de dados é transferido para a saída Q0 do CI 74HC164. Imediatamente,
esse nível ALTO é realimentado na entrada de CId
e reinicializa o latch, de modo que um nível BAIXO
passa a ser aplicado nas entradas de dados (Dsa e
Dsb). Um único nível ALTO foi carregado no contador em anel. Os pulsos de clock repetidos deslocam
o nível ALTO (luz) ao longo do display até que a
saída Q7 do contador em anel se torne ALTA, sendo que este nível é realimentado na entrada de CIc
inicializando o latch. Assim, um nível 1 surge nas
entradas de dados do contador em anel. Portanto,
verifica-se que um único nível ALTO recircula novamente para Q0.
Teste seus conhecimentos
Encontrando problemas
em um registrador de
deslocamento
Considere o registrador de deslocamento com
carga serial defeituoso da Figura 9-17. Quatro flip-
-flops D (dois CIs 7474) são conectados entre si formando um registrador de 4 bits.
Após a busca de problemas óbvios relacionados
às características mecânicas e térmicas, a seguinte
sequência de testes é realizada para identificar a
natureza do problema:
287
C1
R1
100 CId
CIc
10 k
C2 100 k
5 V
R5
47 F
10 F
R2 B
47 k
2N3904
NPN
Q1
2
6
7
CIb
CIa
0,01 F
R3
E
C
5 V
5
R6
C3
(555)
1
8
3
10 k
Oscilador
controlado
por tensão
4
C4
R7
Q2
5 V
E
C
MR
Dsb
GND
(74HC164)
VCC
CP
Contador
Dsa em anel
Linha de realimentação
0,01 F
100 k
5 V
R4 B
2N3904
NPN
1 k
5 V
capítulo 9
Registradores de deslocamento
Figura 9-16 Representação de uma roleta digital completa, onde circuitos de inicialização foram incluídos.
5 V
Entrada
da roleta
Q6
Q7
Q4
Q5
Q1
Q2
Q3
Q0
Q0
LEDs indicadores de saída
Q7
INDICADORES DE SAÍDA
Dados
2
3
ENTRADAS
Clock
10
D
Q
CLK
FF A
(7474)
CLR
1
5
12
11
D
14
PS V
cc
9
Q
CLK
FF B
(7474)
CLR
13
7
D
4
2
3
GND
4
PS
CC
B
5 V
10
PS
D
Q
CLK
FF C
(7474)
CLR
1
5
12
11
D
14
PS V
cc
9
Q
CLK
FF D
(7474)
CLR
13
GND
A
7
Reinicialização
Figura 9-17 Registrador de deslocamento à direita com carga serial defeituoso mencionado no exemplo.
1. Ação: Reinicializar a entrada para 0 e depois
novamente para 1.
Resultado: Indicadores de saída0000 (não
acendem).
Conclusão: Reinicialização funcionando corretamente.
2. Ação: Entrada de dados1.
Um único pulso é aplicado por um gerador de
pulsos na entrada CLK dos flip-flops.
Resultado: Indicadores de saída1000.
Conclusão: FF A carrega os níveis 1 adequadamente.
Sistemas Sequenciais
3. Ação: Entrada de dados1.
Um único pulso é aplicado por um gerador de
pulsos na entrada CLK dos flip-flops.
Resultado: Indicadores de saída1100.
Conclusão: FF A e FF B carregam os níveis 1
adequadamente.
288
Resultado: Indicadores de saída1110.
Conclusão: Suspeita-se da ocorrência de problemas nas proximidades de FF D ou neste
próprio componente, pois um nível ALTO
não foi carregado adequadamente.
6. Ação: Ponteira lógica utilizada na entrada D de
FF D para verificar se D1.
Resultado: D1 em FF D.
Conclusão: O nível ALTO é corretamente aplicado na entrada D de FF D.
7. Ação: Um pulso é aplicado por um gerador de
pulsos na entrada CLK (pino 11) do flip-flop D.
Resultado: Os indicador de saída permanece
em 1110.
Conclusão: Não há transferência de dados da
entrada D de FF D para a saída Q durante um
pulso de clock.
4. Ação: Entrada de dados1.
Um único pulso é aplicado por um gerador de
pulsos na entrada CLK dos flip-flops.
Resultado: Indicadores de saída1110.
Conclusão: FF A, FF B e FF C carregam os níveis
1 adequadamente.
8. Ação: Ponteira lógica utilizada na saída Q de FF
D (pino 9).
Resultado: Ambos os indicadores ALTO e BAIXO da ponteira lógica não acendem.
Conclusão: A saída Q de FF D (pino 9) flutua
entre os níveis ALTO e BAIXO. Provavelmente,
há um FF D defeituoso no segundo CI 7474.
5. Ação: Entrada de dados1.
Um único pulso é aplicado por um gerador de
pulsos na entrada CLK dos flip-flops.
9. Ação: Remove-se o segundo CI 7474 (FF C e FF
D), substituindo-o por um componente com
as mesmas características.
10. Ação: Testa-se o circuito novamente, iniciando
no passo 1.
Resultado: Todos os flip-flops carregam níveis 1
e 0.
Conclusão: O registrador de deslocamento
agora está funcionando corretamente.
De acordo com a sequência de testes, a saída Q
de FF D parece apresentar um nível BAIXO constante, quando na verdade esse nível flutuava entre BAIXO e ALTO. Esse fato invalida a conclusão
obtida no passo 1, pois a falha era ocasionada por
um circuito aberto no interior do próprio CI 7474.
Novamente, o conhecimento técnico sobre o fun-
Algumas vezes, dúvidas sobre o nível lógico apropriado podem persistir. Em um CIRCUITO COM REDUNDÂNCIA (onde a utilização de componentes é repetida continuamente), pode-se retornar para FF A e
FF B e comparar as leituras dos níveis lógicos com
aquelas obtidas para FF C e FF D. Sistemas digitais
muitas vezes apresentam circuitos redundantes e
essa técnica é útil na localização de falhas.
Registradores de deslocamento
Teste seus conhecimentos
capítulo 9
www
cionamento do circuito e a capacidade de observação ajudaram a localizar o problema. A ponteira
lógica e o gerador de pulsos digitais são ferramentas auxiliares que ajudam a obter conclusões significativas.
289
QUESTÕES DE REVISÃO DO CAPÍTULO
Resumo
1.
2.
3.
4.
5.
www
Registrador é o termo genérico utilizado para
descrever um grupo de células de memória
(como flip-flops) considerado como um único
dispositivo. Outros termos utilizados para
representar registradores são registrador
de buffer, registradores de deslocamento e
latches.
Flip-flops são conectados entre si para formar
registradores de deslocamento.
Um registrador de deslocamento possui as
características de memória e deslocamento de
dados.
Um registrador de deslocamento com carga
serial permite que apenas um único bit de
dados seja inserido a cada pulso de clock.
Um registrador de deslocamento com carga
paralela permite que apenas todos os bits
de dados sejam inseridos de uma única vez
(considerando um pulso de clock).
6.
7.
8.
9.
10.
Um registrador recirculante realimenta os
dados da saída na entrada.
Registradores de deslocamento podem ser
projetados para deslocar dados para a direita
ou para a esquerda.
Fabricantes disponibilizam muitos registradores de deslocamento universais versáteis
comercialmente.
Registradores de deslocamento são amplamente utilizados como dispositivos de
memória temporária e deslocamento de
dados, possuindo também outras aplicações
em sistemas eletrônicos digitais.
Um contador em anel é um registrador de deslocamento que (1) possui linha de recirculação
e (2) é carregado com um padrão de níveis 0 e
1, o qual se repete continuamente ao longo do
pulso de clock.
Questões de revisão do capítulo (Figura 9-19)
Questões de pensamento crítico
9-1
9-2
Sistemas Sequenciais
9-3
290
9-4
9-5
9-6
O registrador de deslocamento da Figura
9-5(b) requer a aplicação de pulsos de clock
para carregar dados através das entradas de
dados paralelas? Se sim, quantos pulsos de
clock são necessários?
O registrador de deslocamento da Figura
9-5(b) pode carregar quais níveis através das
entradas de dados paralelas?
Cite diversas aplicações de registradores de
deslocamento em sistemas digitais.
Determine o conteúdo do registrador da
Figura 9-18 após a aplicação de cada um dos
oito pulsos de clock (Abit à esquerda, Dbit
à direita).
Descreva de forma geral a natureza da saída do
oscilador controlado por tensão na Figura 9-13.
Observe a Figura 9-5. Descreva o procedimento que deve ser adotado ao se carregar os
dados 1101 no registrador de deslocamento
com carga paralela de 4 bits. Dica: lembre-se
de reinicializar o registrador antes de ativar as
entradas paralelas assíncronas.
9-7 Observe a Figura 9-9. Quando o CI registrador
de deslocamento 74194 é utilizado, a carga
paralela de dados é uma operação de que
tipo?
9-8 O que é um contador em anel?
9-9 Desenhe o diagrama de blocos de uma roleta
digital de 16 bits utilizando blocos representativos do oscilador controlado por tensão,
amplificador de áudio, circuito de inicialização
e energização e contador em anel. O circuito
deve ser semelhante à roleta eletrônica de 8
bits da Figura 9-13.
9-10 A critério do seu instrutor, utilize o aplicativo de
simulação de circuitos elétricos e eletrônicos
INDICADORES DE SAÍDA
Dados paralelos
1
1
0
0
A
A
B
C
D
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
(Deslocamento
à esquerda)
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
Clock
Reinicialização
0
1
1
1
1
1
1
1
Entradas seriais
D
QB
C
(Deslocamento
à direita)
C
QA
A
B
B
Registrador
D
QC
de
deslocamento
SR
QD
(74194)
SL
CLK
CLR
S0
S1
S0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
Controle de modo
S1
Figura 9-18 Registrador de deslocamento mencionado no enunciado da Questão de pensamento crítico 4.
Electronics Workbench® (EWB) ou MultiSIM®
para (1) desenhar o registrador de deslocamento com carga serial de 8 bits mostrado na Figura
9-20, (2) testar a operação do registrador de
5 V
A
B
deslocamento e (3) salvar o circuito e mostrar o
funcionamento para seu instrutor.
9-11 A critério do seu instrutor, utilize o aplicativo de simulação de circuitos elétricos e
C
D
E
A
B
QA
QB
QC
QD
GND
VCC
QH
QG
QF
QE
CLR
CLK
F
G
H
Reinicialização 0
Deslocamento 1
74HC164
Gerador de funções
Entrada de clock
1 Hz, 5 V
Figura 9-20 Circuito simulador no aplicativo EWB (utilizando a versão 5 do Electronics Workbench®).
capítulo 9
Registradores de deslocamento
Entrada de dados
291
eletrônicos Electronics Workbench® (EWB) ou
MultiSIM® para (1) adicionar uma linha de
recirculação ao registrador de deslocamento com carga serial de 8 bits projetado na
Questão 9-10 (Dica: Utilize uma porta OR para
Sistemas Sequenciais
www
292
Respostas dos testes
conectar a linha de recirculação e a entrada de
dados), (2) testar a operação do registrador de
deslocamento com a linha de recirculação e
(3) salvar o circuito e mostrar o funcionamento
para seu instrutor.
capítulo 10
Circuitos aritméticos
Os olhos humanos estão voltados para computadores e calculadoras modernos, provavelmente
porque esses dispositivos são capazes de desempenhar tarefas aritméticas com velocidade e
precisão incríveis. Naturalmente, a soma e a subtração ocorrem na forma binária. Portas lógicas
convencionais são conectadas entre si para formar somadores e subtratores, os quais são
circuitos lógicos combinacionais que muitas vezes são empregados em conjunto com latches e
registradores para armazenar dados.
Objetivos deste capítulo
Desenhar o circuito de um registrador de deslocamento com carga serial utilizando flip-flops D.
Memorizar e desenhar diagramas de blocos de meios somadores, somadores completos,
meios subtratores e subtratores completos.
Resolver problemas de soma e subtração binária manualmente e a partir de uma tabela
verdade.
Projetar e desenhar diagramas lógicos para diversos circuitos somadores e subtratores
paralelos utilizando meios somadores, somadores básicos e portas lógicas.
Utilizar o CI 7483 como um somador de 4 bits e conectar dois CIs 7483 em cascata para obter
um somador de 8 bits.
Resolver diversos problemas de multiplicação binária.
Converter números decimais na forma complemento de 2 e vice-versa.
Somar e subtrair números com sinal utilizando a soma e subtração na forma de complemento de 2.
Encontrar falhas em um circuito somador completo defeituoso.
Na UNIDADE DE PROCESSAMENTO CENTRAL (CPU) de um
computador, os cálculos são realizados em uma seção normalmente denominada UNIDADE LÓGICA ARITMÉTICA (ULA ou, em inglês, ALU – Arithmetic-Logic
Unit). A ação conjunta dessa unidade e da CPU permite realizar a soma, subtração, multiplicação, divisão, complementação comparação, deslocamento
e rotação, incremento e decremento, bem como
diversas operações lógicas como AND, OR e XOR.
Muitos microprocessadores mais antigos e diversos
MICROCONTROLADORES mais recentes (que podem ser
considerados microprocessadores miniaturizados
utilizados em aplicações de controle) não possuem
a multiplicação e a divisão contidas em seus conjuntos de instruções.
Esta seção apresenta o processo simples de soma
de números binários. Como apenas dois dígitos (0
e 1) estão envolvidos, as tabelas de soma binária
são simples, como mostra a Figura 10-1(a). Assim
como na soma de números decimais, as três somas
iniciais são triviais. A soma seguinte é 11, a qual
em números decimais seria igual a 2. Em números
binários, 210 é representado por 11. Portanto, em
números binários a soma 11 fornece um dígito
0 à esquerda, sendo que 1 é transportado para o
valor posicional mais significativo.
A Figura 10-1(b) mostra alguns exemplos da soma
de números binários. Para facilitar a compreensão
do processo, os números também são representados na forma decimal. O primeiro problema consiste na soma dos números binários 101 e 10, resultando em 111 (número decimal 7). Esse processo
torna-se simples quando as regras da soma mencionadas na Figura 10-1(a) são utilizadas. No segundo problema da Figura 10-1(b), deve-se somar
1010 e 11. Deve-se notar que 110 e um dígito
1 será transportado da casa 2s para a casa 4s de
acordo com o diagrama. A resposta do problema
é 1101 (número decimal 13). No terceiro problema,
deve-se somar 11010 e 1100. Na figura, note que
dois dígitos 1 são transportados, resultando em
100110 (número decimal 38).
Soma binária
Lembre-se que, em um número binário como
101011, o dígito mais à esquerda corresponde ao
MSB, enquanto o dígito mais à direita representa o
LSB. Além disso, os valores posicionais para o número binário são 1s, 2s, 4s, 8s, 16s e 32s.
Certamente você ainda se recorda do aprendizado das tabuadas da soma e subtração no ensino
fundamental. Essas operações são complexas no
sistema decimal porque há muitas combinações.
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0 vai 1
(a)
Sistemas Sequenciais
transporte
294
101
5
10 2
111
7
1
1 0 10
11
1 1 01
10
3
13
transporte
transporte
11
26
11010
1 1 0 0 1 2
38
100110
(b)
Figura 10-1 (a) Regras da soma binária. (b) Exemplos de somas binárias.
transporte
transporte
11
3
11
1 1 3
6
110
(a)
0
0
0
1
0
1
1
1
0 vai 1
1
1
1
1 vai 1
(b)
Figura 10-2 (a) Exemplo de uma soma binária. (b) Regras da soma binária.
Outro exemplo de soma binária é apresentado
na Figura 10-2(a). A solução parece simples até se
chegar à casa 2s, onde se encontra a soma binária
111, correspondendo ao número 3 no sistema
decimal ou 11 no sistema binário. Esta situação não
é representada na tabela de soma binária. Analisando a Figura 10-2 cuidadosamente, verifica-se que a
situação 111 pode surgir em qualquer coluna,
exceto na casa 1s. Assim, a tabela de soma binária
está completa apenas no que se refere à coluna
www
1s. A nova tabela da Figura 10-2(a) inclui a outra
combinação possível correspondente a 111. A
tabela da Figura 10-2(b) é válida para todos os valores posicionais (2s, 4s, 8s, 16s e assim por diante),
exceto para 1s.
Para ser um profissional eficiente em eletrônica
digital, deve-se dominar os conhecimentos da
soma binária. Alguns problemas são apresentados a seguir.
Teste seus conhecimentos
A tabela da soma na Figura 10-1(a) pode ser considerada uma tabela verdade. Os números somados
representam as entradas da tabela verdade, correspondendo às entradas A e B na Figura 10-3(a). A
tabela verdade possui duas colunas, uma utilizada
na soma e a outra para armazenar o dígito acumulado (transporte ou “vai 1”). A coluna da soma é representada pelo símbolo Σ, enquanto a coluna de
transporte é denominada CO. Um bloco representativo do circuito somador na Figura 10-3(b) realiza a
operação descrita na tabela verdade. Esse circuito
é denominado meio somador e possui duas entradas (A, B) e duas saídas (Σ, CO).
Analise cuidadosamente a tabela verdade do meio
somador na Figura 10-3(a). Qual é a expressão booleana que representa a saída CO? Verifica-se que é
necessária uma porta AND de duas entradas para
representá-la, de modo que A⋅BCO.
Agora, qual é a expressão booleana que corresponde à saída da soma (Σ) do meio somador na
Figura 10-3(a)? A expressão booleana é A B capítulo 10
Meios somadores
Circuitos aritméticos
Acesse o site www.grupoa.com.br/tekne para fazer os testes sempre que passar por este ícone.
295
ENTRADAS
SAÍDAS
B
A
CO
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
Soma
Saída de
transporte
A
XOR
AND
B
Dígitos binários
a serem somados
ENTRADAS
SAÍDAS
Meio
somador
(a)
(Soma)
CO (Saída de
transporte)
(b)
Meio somador
ENTRADAS
A
B
SAÍDAS
XOR
(Soma)
AND
CO (Saída de
transporte)
(c)
Figura 10-3 Meio somador. (a) Tabela verdade. (b) Bloco representativo. (c) Diagrama lógico.
A B = Σ, onde duas portas AND, dois inversores
e uma porta OR são necessárias para implementar o circuito. Analisando cuidadosamente essa
expressão, constata-se que esta representa uma
porta XOR. De forma simplificada, pode-se escrever A ⊕ B = Σ, de modo que é necessária uma
porta XOR com duas entradas para gerar essa
saída.
www
Teste seus conhecimentos (Figura 10-4)
Sistemas Sequenciais
Somadores completos
296
Utilizando uma porta AND de duas entradas e
uma porta XOR de duas entradas, tem-se o circuito meio somador da Figura 10-3(c), o qual é capaz
de somar apenas a coluna 1s (LSB) em um problema de soma binária. Um circuito denominado
somador completo deve ser empregado para somar os valores posicionais 2s, 4s, 8s e assim por
diante.
A Figura 10-2(b) representa a forma simplificada
da tabela de soma binária, onde o caso 111
é representado. A tabela verdade da Figura 105(a) mostra todas as situações possíveis para A, B
e Cin (entrada de transporte). Essa tabela verdade
representa um somador completo, que é um dis-
positivo utilizado na soma de todos os valores posicionais, com exceção de 1s. Um somador completo deve ser empregado quando é necessária
uma entrada de transporte adicional. Seu bloco
representativo é mostrado na Figura 10-5(b),
onde se constata a presença de três entradas A,
B e Cin que devem ser combinadas de modo a se
obter as saídas Σ e CO.
SAÍDAS
ENTRADAS
Cin
B
A
CO
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
Soma
Saída de
transporte
Cin
Transporte B A
ENTRADAS A
B
Somador
completo
SAÍDAS
CO
(b)
(a)
Somador completo
A
B
Meio
B somador CO
A
Cin
A
Meio
B somador CO
CO
(c)
Meios somadores e somadores completos são
utilizados em conjunto. Para resolver o problema
da Figura 10-2(a), são necessários um meio somador para a casa 1s e dois somadores para os
valores posicionais 2s e 4s. Esses circuitos são extremamente simples, embora seja necessário um
número maior de dispositivos quando se deseja
somar números com uma grande quantidade de
dígitos.
Muitos circuitos semelhantes a meios somadores e
somadores completos constituem a unidade lógica
aritmética (ALU) de um microprocessador, sendo
utilizados para somar números binários de 8, 16 e
32 bits em um microcomputador. Posteriormente
neste capítulo, serão utilizados somadores para
realizar a subtração binária.
capítulo 10
Uma das formas mais simples para se obter o circuito combinacional correspondente a um somador
completo é apresentada na Figura 10-5(c), onde
dois circuitos meios somadores e uma porta OR são
utilizados. Assim, a expressão resultante para esse
arranjo é A ⊕ B ⊕ C Σ. A saída de transporte é
representada por A B Cin (A ⊕ B) CO. O circuito lógico da Figura 10-6(a) representa um somador
completo, o qual é baseado no diagrama de blocos
que utiliza dois meios somadores na Figura 10-5(b).
Abaixo desse circuito, tem-se um arranjo mais simples. A Figura 10-6(b) possui duas portas XOR e duas
portas NAND, de modo que o circuito se torna menos complexo. Note que o circuito da Figura 10-6(b)
é estritamente o mesmo da Figura 10-6(a), embora
as portas NAND tenham sido substituídas por portas AND e OR.
Circuitos aritméticos
Figura 10-5 Somador completo. (a) Tabela verdade. (b) Símbolo representativo. (c) Implementação a partir de
meios somadores e uma porta OR.
297
Meio somador
A
Cin
B
Meio somador
A
B
A
B
CO
CO
CO
(a)
Cin
A
B
CO
(b)
Figura 10-6 Somador completo. (a) Diagrama lógico. (b) Diagrama lógico utilizando portas XOR e NAND.
www
Teste seus conhecimentos (Figura 10-7)
Sistemas Sequenciais
Somadores de 3 bits
298
Meios somadores e somadores completos são
utilizados para formar circuitos capazes de somar números com vários dígitos binários (bits). O
sistema da Figura 10-8 é capaz de somar dois números binários de 3 bits, sendo representados por
A2A1A0 e B2B1B0. Números correspondentes ao valor
posicional 1s são inseridos no meio somador 1s.
As entradas do somador 2s são a saída de transporte do meio somador e os novos bits A1 e B1 do
problema. O somador 4s adiciona os bits A2 e B2 à
saída de transporte do somador 2s. A soma binária
total é mostrada no canto inferior direito. A saída
ainda possui um valor posicional 8s para que seja
possível considerar a representação de números
superiores a 111. Note que a saída de transporte
do somador 4s (CO) corresponde ao indicador de
saída 8s.
O somador binário de 3 bits opera de forma semelhante ao processo de soma e transporte manual.
O somador eletrônico da Figura 10-8 é muito mais
rápido que a operação manual. Note que somadores com múltiplos bits empregam um meio somador apenas para a coluna 1s, sendo que somadores
completos são necessários para os demais valores
posicionais.
Problema
A2 A1 A0
B2
B1 B0
A0
B0
ENTRADAS
A
B
Meio
somador
1s
Cin
A1
B1
A
B
Somador
completo
2s
Cin
A2
B2
A
B
CO
CO
Somador
completo
4s
CO
8s
4s
2s
1s
RESULTADO DA
SOMA NA SAÍDA
Figura 10-8 Somador paralelo de 3 bits.
Em um somador paralelo, todos os bits são aplicados
nas entradas simultaneamente. O resultado da soma
é exibido na saída quase imediatamente. O somador
Subtração binária
Somadores e subtratores são muito semelhantes
entre si. Meios subtratores e subtratores completos são dispositivos análogos aos meios somadores e somadores completos, respectivamente. As
tabelas de subtração binária são representadas na
Figura 10-9(a) e essas regras são exibidas na forma
de tabela verdade na Figura 10-9(b). No lado da
entrada, B é subtraída de A resultando na saída Di
(resto ou diferença). Se B for maior que A como na
linha 2, é necessário o empréstimo, representado
pela coluna BO.
O diagrama de blocos de um meio subtrator é
mostrado na Figura 10-9(c). As entradas A e B estão
localizadas à esquerda e as saídas Di e BO encontram-se à direita. Observando a tabela verdade da
Figura 10-9(b), é possível determinar a expressão
booleana para o meio subtrator, que corresponde
a A ⊕ B = Di para a coluna Di e é idêntica para o
meio somador (de acordo com a Figura 10-3(a)). A
expressão booleana para a coluna BO é A B = BO. A
combinação de ambas as expressões resulta no circuito lógico Figura 10-9(d), que representa o meio
subtrator e é bastante semelhante ao circuito meio
somador da Figura 10-4.
Circuitos aritméticos
Teste seus conhecimentos
capítulo 10
www
paralelo da Figura 10-8 é um circuito lógico combinacional que requer o uso de vários registradores
para bloquear os dados nas entradas e nas saídas.
299
1
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
empresta 1
(a)
ENTRADAS
SAÍDAS
A
0
B
0
Di
0
BO
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
Diferença
0
Empréstimo
A B
(b)
ENTRADAS
A
B
SAÍDAS
Meio
subtrator
Di (Diferença)
10-10(b). Por exemplo, a linha 5 da tabela representa a situação da coluna 1s na Figura 10-10(a). As colunas 2s, 4s, 8s, 16s e 32s correspondem às linhas 3,
6, 3, 2 e 6 da tabela verdade, respectivamente.
O diagrama de blocos de um subtrator completo é
mostrado na Figura 10-11(a), onde as entradas A, B
e Bin são mostradas à direita e as saídas Di e BO são
mostradas à direita. Analogamente ao somador
completo, o subtrator completo pode ser implementado a partir de dois meios subtratores e uma
porta OR, o que é efetivamente mostrado na Figura
10-11(b). O diagrama lógico do subtrator completo
é apresentado na Figura 10-11(c), o qual possui a
tabela verdade da Figura 10-10(b). O circuito AND-OR da saída BO pode ser convertido a três portas
NAND caso seja necessário, sendo semelhante ao
arranjo da Figura 10-6(b).
BO (Empréstimo)
32s 16s
(c)
8s
4s
2s
1s
10
10
0
10
0/
0/
1/
0/
1
1
0
1
0
A
B
1
0
1
1
Di
1
A
Di (Diferença)
B
1/
1
BO (Empréstimo)
(a)
(d)
Sistemas Sequenciais
Figura 10-9 (a) Regras da subtração binária. (b)
Tabela verdade de um meio subtrator. (c) Diagrama
de blocos de um meio subtrator. (d) Diagrama lógico
de um meio subtrator.
300
Quando as diversas colunas de dígitos binários são
subtraídas, deve-se considerar o empréstimo. Considere a subtração dos números na Figura 10-10(a),
onde é possível verificar as diferenças e empréstimos. Observe o problema cuidadosamente e descubra se você é capaz de realizar a subtração binária
através desse método, aplicado às questões do Teste
a seguir.
A tabela verdade que considera todas as possibilidades da subtração binária é apresentada na Figura
SAÍDAS
ENTRADAS
A
B
Bin
Di
BO
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
Diferença
Empresta
1
A
B
Bin
(b)
Figura 10-10 (a) Exemplo de uma subtração binária.
(b) Tabela verdade de um subtrator completo.
ENTRADAS
Bin
A
B
Di
Subtrator
completo
SAÍDAS
BO
(A B Bin)
(a)
Subtrator completo
Bin
Di
A
A
B
B
Meio
subtrator
(A B)
B
Di
A
Meio
subtrator BO
(A B)
Di
BO
BO
(b)
Meio subtrator
B
Bin
Di
A
Di
Meio subtrator
A
B
BO
A
Di
B
BO
BO
www
Teste seus conhecimentos
Subtratores paralelos
Meios subtratores e subtratores completos são
conectados entre si para formar um SUBTRATOR PARALELO. Anteriormente, somadores foram conectados na forma de um somador paralelo, a exemplo
do dispositivo da Figura 10-8. Esse circuito é considerado um somador paralelo porque todos os
dígitos do problema podem ser inseridos simultaneamente nas entradas.
A Figura 10-12 mostra um único meio subtrator e
três subtratores completos. Esses dispositivos são
capítulo 10
Figura 10-11 (a) Subtrator completo. (a) Bloco representativo. (b) Implementação a partir de meios subtratores e uma porta OR. (c) Diagrama lógico.
Circuitos aritméticos
(c)
301
Sobre a eletrônica
Localizador remoto
Um dos aspectos mais perigosos relacionados à exploração de locais desertos e remotos sempre foi a dificuldade de procurar ajuda em caso de acidentes – pelo menos até
pouco tempo. Novos dispositivos portáteis, a exemplo do aparelho mostrado na figura
ao lado fabricado por Magellan, utilizam tecnologia de satélite para enviar mensagens
como pedidos de socorro e fornecer as coordenadas exatas de localização para as
equipes de resgate.
Problema
A3
A2
A1 A0
B3
B2
B1 B0
Di
A0
B0
A
B
Meio
subtratror
1s
Bin
A
A1
B1
B
BO
Di
Subtrator
completo
2s
BO
ENTRADAS
Bin
A2
B2
A
B
Di
Subtrator
completo
4s
Sistemas Sequenciais
Bin
302
A3
B3
A
B
BO
Di
Subtrator
completo
8s
8s
4s
2s
1s
RESULTADO DA
DIFERENÇA NA SAÍDA
Figura 10-12 Subtrator paralelo de 4 bits.
arranjados na forma de um subtrator paralelo de 4
bits, capaz de subtrair dois números B3B2B1B0 e A3A2A1A0. Note que o circuito na parte superior (meio
subtrator) subtrai os bits menos significativos (casa
1s). A saída BO do subtrator 1s é conectada à entrada
Bin do subtrator 2s. Cada saída BO de um dado subtrator é conectada à entrada de empréstimo que
corresponde ao bit mais significativo seguinte. Essas
linhas de empréstimo desempenham as funções
que foram abordadas anteriormente na tabela.
www
Sobre a eletrônica
Armazenamento compacto de dados
O armazenamento de informações torna-se mais
rápido e mais compacto a cada dia. Atualmente,
pesquisadores transpõem os limites do silício
para encontrar formas de transmitir, armazenar e
acessar dados por meio de moléculas. O primeiro
passo para a combinação de sistemas moleculares
e eletrônicos consiste na magnetização de moléculas únicas separadas.
Teste seus conhecimentos
CIs somadores
Fabricantes de CIs disponibilizam diversos somadores, a exemplo do CI SOMADOR BINÁRIO COMPLETO DE 4
BITS TTL 7483, cujo símbolo é representado na Figura 10-13. A adição de dois números binários de
4 bits (A3A2A1A0 e B3B2B1B0) é mostrada a partir das
oito entradas do CI 7483. Note a diferença entre numeração dos dígitos do problema e do CI, de modo
que os subíndices utilizados nos dois casos não são
os mesmos. Para somar apenas dois números de 4
bits, a entrada CO é mantida em zero, a qual também
pode ser designada como Cin por alguns fabricantes.
As saídas da soma são conectadas aos indicadores
Problema
A3
A2
A1 A0
B3
B2
B1 B0
5 V
ENTRADAS
A1
VCC
1
Somador de 4 bits alternativo=CI CMOS 4008
B1
A3
Somador
completo
de 4 bits
4
B3
A4
B4
Entrada de transporte
C0
3
C4
Saída de transporte
(7483)
GND
16s
8s
4s
SAÍDA
GND
GND
Figura 10-13 CI somador binário de 4 bits 7483.
2s
1s
capítulo 10
B2
Circuitos aritméticos
2
A2
303
de saída. A saída C4 é conectada ao indicador 16s,
sendo também representada como a saída CO por
alguns fabricantes. O somador binário pode indicar
um resultado de até 11110 (número decimal 30)
quando são somados os números 1111 e 1111.
B7B6B5B4B3B2B1B0, resultando em um número de
9 bits cujo valor máximo é 1111111102 (1FE16 ou
51010). Por exemplo, se as entradas são 000111002
e 111000112, então a saída será 111111112 (em hexadecimal, tem-se 1CE3FF).
A organização interna do CI somador 7483 é mostrada na Figura 10-14. Esse é um circuito lógico combinacional sem característica de memória. A numeração dos pinos utilizada no CI 7483 é mostrada entre
parênteses no diagrama lógico da Figura 10-14. Por
exemplo, a entrada de dados A1 corresponde ao pino
10 na versão DIP do CI somador 7483. Constata-se no
diagrama lógico da Figura 10-14 que o circuito é deveras complexo.
Outros modelos semelhantes de somadores são
os CIs 74LS83, 74C83 e 4008. Outros somadores de
4 bits que possuem as mesmas funções que o CI
7483 com uma configuração de pinos distinta são
os CIs 74283, 74LS283, 74S283, 74F283 e 74HC283.
O somador 7483 pode ser conectado em cascata
interligando-se a saída C4 (saída de empréstimo)
do CI1 à entrada CO (entrada de transporte) do CI
7483 seguinte (CI2). Essa conexão em cascata é
representada na Figura 10-15, onde se obtém um
SOMADOR BINÁRIO DE 8 BITS. Esse circuito é capaz de
somar dois números binários A7A6A5A4A3A2A1A0 e
www
Teste seus conhecimentos
Multiplicação binária
Sistemas Sequenciais
No ensino fundamental, você aprendeu o processo da multiplicação de forma semelhante ao
mostrado na Figura 10-16(a). O número de cima
é denominado MULTIPLICANDO, enquanto o número
de baixo representada o MULTIPLICADOR. A solução
do problema é denominada PRODUTO. No caso da
Figura 10-16(a), tem-se o produto 7×428.
304
Um circuito aritmético mais complexo é o CI
74LS181, o qual juntamente com o modelo
74LS381 é descrito como um gerador de funções/
unidade lógica aritmética. Esses CIs desempenham
o papel de ALUs em microprocessadores e microcontroladores simples. As funções incluem a soma,
subtração, deslocamento, comparação de magnitude, operações lógicas XOR, AND, NAND, OR, NOR
e várias outras. O CI 74LS181 possui dispositivos
CMOS semelhantes como 74HC181 e MC14581.
A Figura 10-16(b) mostra que efetivamente a multiplicação corresponde a um processo de somas
sucessivas ou repetidas. O processo é representado
pelo multiplicando (7) sendo somado quatro vezes porque o multiplicador é igual a 4. O produto
é igual a 28.
Quando se deseja multiplicar 54×14, o processo de
somas sucessivas torna-se complexo e persiste por
um tempo excessivamente longo. O multiplicando (54) deve ser somado 14 vezes para se obter o
produto igual a 576. A maioria das pessoas tentará
multiplicar 54 por 14 utilizando o procedimento
mostrado na Figura 10-17(a). Para resolver este
problema, inicialmente multiplica-se o multiplicando 54 por 4. Isso resulta no primeiro produto
parcial (216) mostrado na Figura 10-17(b). Em seguida, multiplica-se o multiplicando 54 por 1. Na
verdade, o multiplicando é multiplicado por um
fator de 10 segundo a Figura 10-17(c), resultando
em um segundo produto parcial de 540. Ambos os
produtos parciais (216 e 540) são somados, resultando no produto final de 756. É comum omitir o
número 0 na extrema direita do segundo produto
parcial, como mostra a Figura 10-17(a).
É importante entender o processo reproduzido
na Figura 10-17. O multiplicando é inicialmente
multiplicado pelo LSD do multiplicador, fornecendo o primeiro produto parcial. Então, o segundo
produto parcial é calculado multiplicando-se o
Saída de transporte
(14)
A4
B3
A3
B2
A2
B1
(1)
(15)
(4)
(3)
(2)
A1
C0
3
(7)
(8)
(6)
2
(11)
(9)
LSBs
4 MSB
(10)
1 LSB
(13)
Entrada de transporte
Figura 10-14 Diagrama lógico detalhado do CI somador binário de 4 bits 7483.
multiplicador pelo MSD do multiplicador. Ambos
os produtos parciais são somados resultando no
produto final. Esse mesmo processo é utilizado na
MULTIPLICAÇÃO BINÁRIA.
A multiplicação binária é muito mais simples que a
multiplicação decimal, pois o sistema binário possui
apenas dois dígitos (0 e 1). As regras da multiplicação binária são apresentadas na Figura 10-18(a).
Circuitos aritméticos
MSBs
(16)
capítulo 10
B4
C4
305
306
B6
A6
B5
B4
B3
B2
B1
A1
B0
A4
B3
A3
B2
A2
B1
A1
16
B
13 4
C
Entrada de 0
transporte
1
4
3
7
8
11
10
C4
4
3
2
1
14
2
1
6
9
GND
12
2
Somador 3
binário
15
completo 4
de 4 bits
14
C5
(7483)
CI2
5
VCC
5 V
2
6
9
15
Conexão de transporte
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
Soma de 9 bits
A0
5 V
5
10
VCC
A1
11
B1
CI1
8
A2
7
B2
Somador
3
A3
binário
4
completo
B3
de 4 bits
1
A4
(7483)
16
B4
13
C
Entrada de 0
GND
transporte
12
MSB
256s
Saída de
transporte
Saída de
transporte
128s
Figura 10-15 Conexão de dois somadores 7483 em cascata formando um circuito somador binário de 8 bits.
B7
A7
ENTRADAS
(dois número binários de 8 bits)
A5
A4
A3
A2
Sistemas Sequenciais
32s
16s
8s
4s
Resultado da soma binária na saída
64s
2s
1s
LSB
7
4
28
Multiplicando
Multiplicador
Produto
(a)
Multiplicando
Produto
7 7 7 7 28
Multiplicador 4
(b)
Figura 10-16 (a) Exemplo de multiplicação decimal. (b)
Multiplicação usando o método das somas sucessivas.
Esse processo é semelhante ao que ocorre com
números decimais. A Figura 10-18(b) mostra uma
exemplo onde 1112 é multiplicado por 1012. Inicialmente, o multiplicando (111) é multiplicado pelo bit
1s do multiplicador, resultando no primeiro PRODUTO
PARCIAL correspondente a 111, como mostra a Figura
10-18(b). Em seguida, o multiplicando é multiplicado
Multiplicando
Multiplicador
Produto
À medida que se resolve problemas de multiplicação binária a exemplo das questões do Teste,
adquire-se certa prática no processo.
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Primeiro produto parcial
Decimal
7
5
35
Primeiro produto parcial
Segundo produto parcial
(c)
Figura 10-17 (a) Exemplo de multiplicação decimal.
(b) Cálculo do primeiro produto parcial. (c) Cálculo do
segundo produto parcial.
Binária
1
1
1
00
111
10 0 0
11
01
11
0
Multiplicando
Multiplicador
Primeiro produto parcial
Segundo produto parcial
Circuitos aritméticos
(a)
(b)
54
1
216
54
Outro problema de multiplicação binária é apresentado na Figura 10-19. À esquerda, tem-se a representação na forma decimal, sendo que o problema
é repetido à direita na forma binária onde se multiplica 11011 por 1100. Assim como na multiplicação
decimal, os zeros no multiplicador podem ser representados no resultado na parte inferior para corresponder aos valores posicionais 1s e 2s do número
binário. O produto final é igual a 101000100, sendo
igual ao número decimal 324.
Regras da mulplicação binária
(a)
54
14
216
Note que o mesmo problema de multiplicação é
representado à esquerda da Figura 10-18(b) para
efeito de comparação. O produto binário 100011
equivale ao número decimal 35.
Terceiro produto parcial
11
Produto
(b)
Figura 10-18 CI CMOS (a) Regras da multiplicação
binária. (b) Exemplo de multiplicação binária.
capítulo 10
54
14
216
54
756
pelo bit 2s do multiplicador, resultando no segundo
produto parcial (0000). Note que o LSB do segundo
produto parcial é omitido na Figura 10-18(b). Então,
multiplica-se o multiplicando pelo bit 4s do multiplicador, resultando no terceiro produto parcial 11100,
que é escrito na forma 111. Finalmente, o primeiro, o
segundo e o terceiro produtos parciais são somados,
resultando no número binário 100011.
307
Decimal
2
1
5
27
32
Binária
11
1
1101
11011
4 101000
7
2
4
011
100
100
Multiplicando
Multiplicador
Terceiro produto parcial
Quarto produto parcial
100
Produto
Figura 10-19 Exemplo de multiplicação binária.
www
Teste seus conhecimentos
Multiplicadores binários
É possível multiplicar números pelo processo das
somas sucessivas, como mostra a Figura 10-16(b).
O multiplicando (7) pode ser somado quatro vezes
para se obter o produto (28). O diagrama de blocos
do circuito que desempenha essa função é mostrado na Figura 10-20. O multiplicando é mantido
no registrador da parte superior da figura. Nesse
exemplo, o multiplicando é o número decimal 7
ou binário 111. O multiplicador é mantido no contador decrescente mostrado à esquerda da Figura
10-20. O multiplicador corresponde ao número decimal 4 ou binário 100. O registrador do produto
armazena o valor correspondente a 28.
Registrador do
multiplicando
Sistemas Sequenciais
Contagem
decrescente do
multiplicador
308
Somador
Registrador do
produto
Figura 10-20 Diagrama de blocos de um sistema
multiplicador por somas sucessivas.
A técnica das somas sucessivas é representada na
Figura 10-21, onde o quadro mostra como o multiplicando (número binário 111) é multiplicado pelo
multiplicador (número binário 000). O registrador
do produto é reinicializado para 00000. Após uma
contagem decrescente, um produto parcial 00111
(número decimal 7) surge no registrador de produtos. Após a segunda contagem decrescente, um
produto parcial 01110 (número decimal 14) surge
no registrador de produtos. Após a terceira contagem decrescente, um produto parcial 10101 (número decimal 21) surge no registrador de produtos.
Após a quarta contagem decrescente, o produto
final 11100 (número decimal 28) surge no registrador de produtos. Assim, o problema da multiplicação (7×428) foi resolvido, de modo que o circuito
da Figura 10-20 foi capaz de somar o número 7 quatro vezes para fornecer o produto 28.
Esse tipo de circuito não é muito usado porque o
processo de somas sucessivas requer um tempo longo à medida que números maiores são multiplicados. Um método mais prático utilizado por circuitos
eletrônicos digitais consiste na soma e deslocamento (ou MÉTODO DE DESLOCAMENTO E SOMA). A Figura 1022 apresenta um problema de multiplicação binária.
Nesse caso, o número binário 111 é multiplicado
por 101 (7×5 em números decimais). Esse procedimento manual é padrão, exceto pelo produto
temporário na linha 5. A linha 5 foi acrescentada
para que seja possível compreender melhor como
o processo ocorre em circuitos digitais. A observa-
Carga com
número binário
Após uma
contagem
decrescente
Após duas
contagens
decrescentes
Após três
contagens
decrescentes
Após quatro
contagens
decrescentes
Registrador do
multiplicando
111
111
111
111
111
Contador do
multiplicador
100
011
010
001
000
00000
00111
01110
10101
11100
Registrador do
produto
Carga
Interrupção
Figura 10-21 Multiplicação dos números binários 111 e 100 utilizando o circuito de somas sucessivas.
1. Os produtos parciais são sempre iguais a 000
se o multiplicador é 0, sendo iguais ao multiplicando se o multiplicador é 1.
2. O registrador do produto requer um número
de bits duas vezes maior que o registrador do
multiplicando quando o multiplicador possui
o mesmo ou um número menor de bits.
3. O primeiro produto parcial é deslocado uma
casa para a direita (em relação ao segundo
produto parcial) quando a soma é realizada.
Pode-se constatar cada uma dessas características
no problema exemplo da Figura 10-22.
As características importantes da multiplicação foram fornecidas, de modo que um circuito pode ser
projetado. A Figura 10-23(a) mostra um circuito que
realiza a multiplicação binária. Note que o multipli-
Linha 2
Linha 3
Linha 4
Linha 5
Linha 6
Linha 7
1
1
1
00
01
111
1000
1
0
1
0
1
1
1
1
Utiliza-se o circuito da Figura 10-23(a) para demonstrar o procedimento detalhado da multiplicação. O
diagrama da Figura 10-23(b) mostra o processo de
multiplicação de 111 por 101 passo a passo utilizando método de soma e deslocamento. O número
111 é carregado no registrador do multiplicando. Os
registradores do acumulador e do multiplicador são
carregados no passo A representado na Figura 1023(b). O passo B mostra a soma dos números 0000
e 111 dos registradores do acumulador e do multiplicador quando o nível 1 é aplicado na conexão de
controle. Isso é semelhante à linha 3 do problema de
multiplicação da Figura 10-22. No passo C, ambos os
Multiplicando
Multiplicador
Primeiro produto parcial
Segundo produto parcial
1
Produto temporário (linha 3 + linha 4)
Terceiro produto parcial
11
Figura 10-22 Exemplo de multiplicação binária.
Produto
capítulo 10
Linha 1
cando (111) é carregado no registrador no canto superior esquerdo. Por sua vez, o multiplicador (101) é
carregado no registrador no canto superior direito.
Além disso, verifica-se que o acumulador e o multiplicador estão unidos, o que é representado pela região sombreada que conecta os dois registradores.
Circuitos aritméticos
ção da multiplicação binária chama a atenção para
três fatos importantes:
309
(a)
Registrador do
multiplicando
1
1
Conexão de controle
1
1=Somar
0=Não somar
1s
2s
4s
1s
2s
4s
8s
Somador
paralelo
Registrador do
acumulador
0
(b)
0
0
Registrador do
multiplicador
0
Registrador do
acumulador
Limpar+Carregar A
0
0
0
1
0
Registrador do
acumulador
0
1
1
0
0
1
0
1
1
Controle 1
Registrador do
multiplicador
1
Registrador do
acumulador
Deslocamento à direita C
1
Registrador do
multiplicador
Somador paralelo
Somar B
0
1
0
1
Registrador do
multiplicador
1
1
1
1
0
0
Registrador do
acumulador
Somar D
0
Deslocamento à direita
0
1
Registrador do
multiplicador
1
Registrador do
acumulador
E
0
0
0
1
1
0
Registrador do
multiplicador
1
1
1
0
1
1
Somar
Registrador do
acumulador
F
Sistemas Sequenciais
1
310
0
0
Registrador do
multiplicador
0
Registrador do
acumulador
Deslocamento à direita G
0
MSB
1
0
1
1
1
Registrador do
multiplicador
0
0
Registrador do produto final
1
1
1
LSB
Figura 10-23 (a) Diagrama de um circuito multiplicador do tipo soma e deslocamento. (b) Conteúdos dos
registradores do acumulador e do multiplicador no circuito multiplicador por soma e deslocamento.
registradores do acumulador e do multiplicador são
deslocados uma casa à direita. O dígito menos significativo do multiplicador (1) é deslocado para a extrema direita e então perdido. O passo D representa uma
nova soma, onde um nível 0 é aplicado à conexão de
controle de modo que nenhuma ação deve ser executada. Assim, o conteúdo do registrador permanece
o mesmo. O passo D é semelhante às linhas 4 e 5 na
Figura 10-22. O passo E mostra o deslocamento dos
registradores em uma casa para a direita. Dessa vez, o
bit 2s do multiplicador é perdido à medida que é deslocado para a extrema direita do registrador. O passo
F mostra que o bit 4s do multiplicador (1) inicia o processo de soma. Então, os conteúdos do acumulador
(0001) e do multiplicando (111) são somados, sendo
que o resultado é inserido no registrador acumulador
(1000). Esse passo é semelhante à seção esquerda
das linhas 5 a 7 na Figura 10-22. No passo final G,
ocorre MULTIPLICAÇÃO POR SOMA E DESLOCAMENTO, onde
um único deslocamento à direita ocorre em ambos os
registradores. O bit 4s do multiplicador é perdido na
extrema direita do registrador. O produto final aparece em ambos os registradores como sendo 100011.
Portanto, a multiplicação dos números binários 111
e 101 resulta em 100011 (isto é, 7×535 no sistema
decimal). O produto final calculado pelo circuito multiplicador é o mesmo obtido na linha 7 da Figura 1022, onde o método manual foi utilizado.
Em muitos computadores, procedimentos como o
método da soma e deslocamento podem ser programados. Em vez de utilizar um circuito permanente para essa finalidade, programa-se uma série
de instruções que representem o procedimento
da Figura 10-23(b). Assim, utiliza-se um aplicativo
computacional ou software para realizar a multiplicação. Essa prática reduz o número de circuitos
eletrônicos existentes na CPU de um computador.
MICROPROCESSADORES mais simples de 8 bits como
os modelos obsoletos Intel 8080/8085, Motorola
6800 e 6502/65C02 não empregam circuitos na
ALU para a realização da multiplicação. Para essa
finalidade, o programador deve escrever um programa (lista de instruções) que multiplique os números. Ambos os métodos das somas sucessivas
e da soma e deslocamento podem ser implementados nos microprocessadores. Dispositivos mais
avançados possuem instruções de multiplicação,
o que também pode ser encontrado em microcontroladores com custo mais elevado.
Representação, soma
e subtração na forma
complemento de 2
O método complemento de 2 é muito utilizado
na representação de números em microprocessadores. Por enquanto, vamos considerar apenas
números positivos, embora microprocessadores
sejam capazes de lidar tanto com números positivos quanto negativos. Utilizando COMPLEMENTO DE
2, é possível determinar o sinal e a magnitude de
um número.
Complemento de 2 de
números de 4 bits
Como forma de simplificação, considera-se que um
processador de quatro bits seja utilizado. Isso implica que todos os dados são transferidos em grupos
de quatro. O bit MSB representa o BIT DE SINAL do
número, como mostra a Figura 10-24(a). Um bit de
sinal igual a 0 representa um número positivo, ao
passo que um bit de sinal igual a 1 corresponde a
um número negativo.
A tabela da Figura 10-24(b) mostra a representação de todos os números positivos e negativos de
Circuitos aritméticos
Teste seus conhecimentos
capítulo 10
www
Dois tipos de circuitos multiplicadores foram apresentados. O primeiro utiliza o processo das somas
sucessivas para obter o produto, como é mostrado na Figura 10-20. O segundo arranjo emprega o
método da soma e deslocamento para a multiplicação, exibido na Figura 10-23.
311
4 bits na forma de complemento de 2 entre 7 e
8. Os dígitos MSB dos números positivos na forma
de complemento de 2 mostrados na Figura 10-24(b)
são todos iguais a 0. Todos os número negativos (de
1 a 8) começam com 1. Note que a representação dos números positivos é idêntica àquela utilizada no sistema binário. Portanto, tem-se que 7 (decimal)0111 (complemento de 2)0111 (binário).
A representação de um número negativo na forma
de complemento de 2 é obtida adotando-se o complemento de 1 de um determinado número, ao qual
então deve ser somado um dígito 1. Um exemplo
desse processo é mostrado na Figura 10-25(a). O número decimal 4 é convertido na forma de complemento de 2 adotando-se o seguinte procedimento:
2. Converte-se o número binário resultante na
forma de complemento de 1 trocando-se todos
os dígitos 1 por 0 e vice-versa. Neste exemplo,
01002 corresponde a 1011 (complemento de 1).
3. Soma-se 1 ao número na forma complemento de 1, resultando no número equivalente
na forma complemento de 2. Neste exemplo,
101111100, sendo que a resposta corresponde à representação na forma complemento
de 2. Logo, 4101100 (complemento de 2).
Essa resposta pode ser conferida na tabela da Figura 10-24(b).
Para converter da forma complemento de 2 para
binária, deve-se seguir o procedimento da Figura
10-25(b). Neste exemplo, o número complemento
de 2 (1100) é convertido no número binário equivalente, sendo que assim o número decimal correspondente pode ser facilmente encontrado.
0 ()
Bit de sinal
1 ()
MSB
1. Converte-se o número decimal na forma binária. Neste exemplo, 410 é igual a 01002.
LSB
Sistemas Sequenciais
(a)
312
Número
decimal
com sinal
Representação de
números de 4
bits na forma de
complemento de 2
4
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000
1111
1110
1101
1100
1011
1010
1001
1000
0100
(Decimal)
1º passo – Conversão do número
decimal em binário
Mesma
representação
utilizada no
sistema binário
(b)
Figura 10-24 (a) Bit mais significativo (MSB) de um
registrador de 4 bits representado por um bit de sinal.
(b) Representação de números positivos e negativos
na forma de complemento de 2.
(Binário)
2º passo – Complemento de 1
1011
(complemento de 1)
passo – Soma-se 1 ao número
3º (1011 1 1100)
410 1100
(complemento de 2)
(a)
1100
(complemento de 2)
1º passo – Complemento de 1
0011
(complemento de 1)
2º
410 0100
passo – Soma-se 1
(0011 1 0100)
(Binário)
(b)
Figura 10-25 (a) Conversão de números decimais com
sinais na forma de complemento de 2. (b) Conversão da
forma de complemento de 2 em números binários.
Como o dígito MSB do número na forma de complemento de 2 (1100) é 1, o número é negativo.
Portanto, o número 1100 na forma de complemento de 2 é igual a 410.
Soma de números na forma
de complemento de 2
A representação na forma de complemento de
2 é muito utilizada porque torna-se fácil somar e
subtrair números com sinais. Quatro exemplos
de soma são mostrados na Figura 10-26. Dois números positivos são somados na Figura 10-26(a),
onde se constata que o processo é semelhante ao
que ocorre com números binários. Dois números
negativos (110 e 210) são somados na Figura
10-26(b), sendo que esses números na forma de
complemento de 2 são representados por 1111 e
1110, respectivamente. O dígito MSB (decorrente
do estouro* do registrador de 4 bits) é descartado,
restando apenas o número 1101 ou 3 no sistema
decimal. Observe os exemplos (c) e (d) na Figura
10-26 para entender o processo de soma de números com sinal na forma de complemento de 2.
0100
0011
0111
(a)
( 1)
( 2)
310
1111
1110
11101
(Soma na forma de
complemento de 2)
(Soma na forma de
complemento de 2)
Descartar
(b)
( 1)
( 3)
210
0001
1101
1110
(c)
( 5)
( 4)
110
0101
1100
1 0001
(Soma na forma de
complemento de 2)
(Soma na forma de
complemento de 2)
Descartar
(d)
Figura 10-26 Quatro exemplos de soma de números com sinais utilizando 4 bits na forma complemento de 2.
A representação na forma de complemento de
2 também é útil na subtração de números com
sinais. Quatro exemplos de subtração são apre-
sentados na Figura 10-27. O primeiro problema
é (7)(3)410. O subtraendo (3 neste
caso) é convertido para a forma binária. Em seguida, obtém-se o complemento de 2 desse número
como sendo 1101. Soma-se 0111 a 1101, resultando em 1 0100. O dígito MSB (decorrente do estouro do registrador de 4 bits) é descartado, resultando no resto ou diferença de 0100 ou 410. Note
que um somador é utilizado na subtração, que é
realizada convertendo-se o subtraendo na forma
de complemento de 2, e esse número resultante
é então somado. Qualquer dígito de transporte
ou resultante do estouro existente na quinta casa
binária deve ser desprezado.
* O termo estouro ou overflow refere-se a um erro que ocorre
quando um número, geralmente resultado de uma operação aritmética, é grande demais e requer um número maior de bits que
aquele reservado para sua representação.
Observe os problemas de subtração de números
na forma de complemento de 2 utilizando um
somador na Figura 10-27(b), (c) e (d). Verifique se
você consegue reproduzir o procedimento nos demais problemas restantes.
Subtração de números na
forma de complemento de 2
Circuitos aritméticos
2. Soma-se 1 ao número na forma complemento
de 1 considerando as regras da soma binária.
Neste exemplo, 001110100. A resposta encontra-se na forma binária. Portanto, 00102410.
( 4)
( 3)
710
capítulo 10
1. Obtém-se o complemento de 1 do número trocando-se todos os dígitos 1 por 0 e vice-versa.
Neste exemplo, converte-se 1100 para 0011.
313
( 7)
( 3)
410
0011
0111
1101
1 0100
Representação na forma de
complemento de 2 e soma
(Diferença na forma de
complemento de 2)
Descartar
(a)
( 8)
( 3)
510
1101
1000
0011
1011
Representação na forma de
complemento de 2 e soma
(Diferença na forma de
complemento de 2)
(b)
( 3)
( 3)
610
1101
0011
0011
0110
Representação na forma de
complemento de 2 e soma
(Diferença na forma de
complemento de 2)
(c)
( 4)
( 2)
610
0010
1100
1110
1 1010
Representação na forma de
complemento de 2 e soma
(Diferença na forma de
complemento de 2)
Descartar
(d)
Figura 10-27 Quatro exemplos de subtração de números com sinais utilizando 4 bits na forma
complemento de 2.
Sistemas Sequenciais
Complemento de 2 de
números de 8 bits
314
Apenas a representação de números de 4 bits
na forma de complemento de 2 foi utilizada nos
exemplos anteriores. A maioria dos microprocessadores e dos microcontroladores utiliza números
de 8, 16 e 32 bits. Os procedimentos descritos para
os números de 4 bits na forma de complemento
de 2 também são válidos para números de 8, 16
e 32 bits.
Em um número de 8 bits na forma de complemento de 2, o dígito MSB representa o bit de sinal, como mostra a Figura 10-28(a). Assim, tanto
o sinal quanto a magnitude do número podem
ser representados. Exemplos da representação de
alguns números positivos e negativos de 8 bits na
forma de complemento de 2 são mostrados na Figura 10-28(b). Note que a faixa de números varia
entre 128 e 127. É possível verificar na parte
superior da tabela da Figura 10-28(b) que números decimais de 0 a 127 (números positivos) possuem representação na forma de complemento de
2 idêntica à binária. Por exemplo, 125 é igual a
0111 1101 tanto na representação de complemento de 2 quanto binária.
A conversão de um número decimal negativo (de
1 a 128) na forma de complemento de 2 de 8
bits ocorre da mesma forma que no processo demonstrado na Figura 10-25(a). Deve-se seguir os
três passos a seguir:
1. Converte-se o número decimal 126 no
número binário equivalente. Exemplo:
126100111 11102.
1. Converte-se o número na forma de complemento de 2 para a forma de complemento
de 1. Exemplo: 1001 1100 (complemento de
2)0110 0011 (complemento de 1).
2. Soma-se 1 ao número obtido para representá-lo na forma binária. Exemplo 0110 0011
(complemento de 1)10010 01002.
3. Converte-se o número binário na forma decimal. Exemplo: 0110 0100 2
(64324100)10010. Resultado: 1001
1100 (complemento de 2)10010.
Nos exemplos anteriores, um número decimal negativo foi convertido para a forma de complemento
de 2. Depois, o processo foi invertido e um número
na forma de complemento de 2 foi convertido em
um número decimal negativo. Como essas conversões demandam uma quantidade de tempo
considerável e estão sujeitas a erros, o Apêndice A
apresenta uma tabela para conversão de números
na forma de complemento de 2, compreendendo
valores decimais entre 1 e 128.
Diversos problemas de SOMA de números de 8 bits na
forma de COMPLEMENTO DE 2 são resolvidos na Figura
10-29(a). Lembre-se que quando ocorre o estouro
(número com mais de oito bits), os dígitos adicionais
são descartados. As somas encontram-se na forma
de complemento de 2, mas a representação é a mesma utilizada no sistema binário quando números positivos são considerados. Revise esses problemas de
soma para conferir se efetivamente você aprendeu o
procedimento, que será praticado mais adiante.
Diversos problemas de SUBTRAÇÃO de números de
8 bits na forma de COMPLEMENTO DE 2 são resolvi-
Representação do número
64s
32s
16s
8s
4s
2s
MSB
1s
LSB
(a)
Número decimal
com sinal
Representação de
números de oito bits
na forma de
complemento de 2
127
126
125
•
•
•
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
•
•
•
125
126
127
128
0111 1111
0111 1110
0111 1101
•
•
•
0000 0101
0000 0100
0000 0011
0000 0010
0000 0001
0000 0000
1111 1111
1111 1110
1111 1101
1111 1100
1111 1011
1111 1010
•
•
•
1000 0011
1000 0010
1000 0001
1000 0000
Mesma
representação
em números
binários
(b)
Figura 10-28 (a) Bit mais significativo de um registrador de 8 bits representado por um bit de sinal. (b)
Representação de números positivos e negativos na
forma de complemento de 2.
dos na Figura 10-29(b). Lembre-se que quando
ocorre o estouro (número com mais de oito bits),
os dígitos adicionais são descartados. Note que
são obtidos os complementos de 2 apenas para os
subtraendos, que posteriormente são somados aos
minuendos. As diferenças ou restos encontram-se
na forma de complemento de 2, mas a representação é a mesma utilizada no sistema binário quando
números positivos são considerados. Revise esses
problemas de subtração para conferir se efetivamente você aprendeu o procedimento, que será
praticado mais adiante.
Circuitos aritméticos
A seguir, converte-se um número na forma de
complemento de 2 para seu número decimal equivalente adotando-se o seguinte processo:
Bit de
sinal
capítulo 10
2. Converte-se o número binário na forma de complemento de 1. Exemplo: 0111
111021000 0001 (complemento de 1).
3. Soma-se 1 ao número formando o complemento de 2. Exemplo: 1000 0001 (complemento de
1)1000 0010 (complemento de 2). Resultado:
126101000 0010 (complemento de 2).
315
(60)
(20)
8010
0011 1100
0001 0100
0101 0000
(50)
(30)
8010
1100 1110
1110 0010
1 1011 0000
Descartar
(30)
(90)
6010
0001 1110
1010 0110
1100 0100
(90)
(80)
1010
0101 1010
1011 0000
1 0000 1010
Descartar
(Soma na forma de
complemento de 2)
(Soma na forma de
complemento de 2)
(Soma na forma de
complemento de 2)
(Soma na forma de
complemento de 2)
(a)
(65)
(35) 3010
0010 0011
0100 0001
1101 1101
1 0001 1110
Conversão na forma de
complemento de 2 e soma
Descartar
(78)
(35) 1101 1101
4310
Sistemas Sequenciais
(40)
(21) 1110 1011
6110
316
(45)
(22) 0001 0110
6710
1011 0010
0010 0011
1101 0101
Conversão na forma de
complemento de 2 e soma
0010 1000
0001 0101
0011 1101
Conversão na forma de
complemento de 2 e soma
1101 0011
1110 1010
1 1011 1101
Conversão na forma de
complemento de 2 e soma
Descartar
(Diferença na forma de
complemento de 2)
(Diferença na forma de
complemento de 2)
(Diferença na forma de
complemento de 2)
(Diferença na forma de
complemento de 2)
(b)
Figura 10-29 (a) Quatro exemplos de soma de números com sinais utilizando 8 bits na forma complemento
de 2. (b) Quatro exemplos de subtração de números com sinais utilizando 8 bits na forma complemento de 2.
Em resumo, a representação na forma de complemento de 2 é utilizada porque é capaz de representar tanto o sinal quanto a magnitude de um número. Lembre-se que nas formas de complemento de
2 e binária os números são idênticos quando posi-
Teste seus conhecimentos
Um
SISTEMA SOMADOR/SUBTRATOR DE NÚMEROS DE
4
BITS na forma de complemento de 2 é mostrado na
Figura 10-30. Note que quatro somadores completos são usados para lidar com dois números de 4
bits. Portas XOR foram incluídas nas entradas B de
cada somador para controlar o modo de operação
do dispositivo. Quando o controle de modo é 0, o
sistema soma os números na forma complemento
de 2 A3A2A1A0 e B3B2B1B0. A soma é representada
na forma de complemento de 2 nos indicadores
de saída localizados no canto inferior direito. O nível BAIXO nas entradas A das portas XOR permite
que os dados da entrada B sejam transferidos pela
porta sem que haja a inversão. Se um nível ALTO
é inserido na entrada B0 da porta XOR, então um
nível alto existe na saída Y da porta. A entrada Cin
no somador completo 1s é mantida em 0 durante
o intervalo de tempo no qual persiste o modo de
www
soma. Assim, o somador complemento de 2 opera
de forma semelhante ao somador binário, exceto
pelo fato de que a saída de transporte (CO) do somador completo 8s é descartada. Na Figura 10-30,
a saída CO do somador completo 8s permanece
desconectada.
A entrada de controle de modo é mantida em um
nível lógico 1 para que o dispositivo subtraia números na forma de complemento de 2. Assim, as
portas XOR invertem os dados nas entradas B. A
entrada Cin do somador completo 1s também possui nível ALTO. A combinação da inversão realizada
pela porta XOR e a soma de um valor 1 na entrada
Cin equivalem à complementação e soma de 1. Por
outro lado, isso é semelhante à obtenção do complemento de 2 do subtraendo (número B na Figura
10-30).
Lembre-se que o sistema da Figura 10-30 utiliza
apenas números na forma de complemento de 2.
O sistema somador/subtrator de 4 bits pode ser
adaptado para lidar com números maiores de 8, 16
ou 32 bits.
Teste seus conhecimentos
Encontrando problemas
em um somador completo
Um circuito somador defeituoso é mostrado na Figura 10-31(a). O estudante ou técnico que checa inicialmente o circuito não detecta problemas de forma visual ou mesmo relacionados ao superaquecimento.
Aparentemente, não há problemas.
O somador completo é um CIRCUITO LÓGICO COMBINACIONAL, cuja tabela verdade com as saídas normais
é mostrada na Figura 10-31(b). O estudante ou técnico manipula as entradas do somador completo
e verifica os estados das saídas (Σ e CO) com uma
ponteira lógica. Os resultados exibidos na saída da
ponteira lógica são mostrados nas colunas da direita da tabela verdade na Figura 10-31(b). As letras
H e L representam níveis lógicos ALTOS e BAIXOS,
Circuitos aritméticos
Somadores/subtratores
de números na forma de
complemento de 2
capítulo 10
www
tivos. Números na forma de complemento de 2 podem ser empregados com somadores para somar
ou subtrair números com sinais. A próxima seção
do livro apresentará um sistema somador/subtrator
que utiliza a representação de complemento de 2.
317
A3
B3
A2 A1 A0
B2 B1 B0
ENTRADAS na forma de complemento de 2
Cin
A0
A
B0
Y
A
Somador
completo
B
1s
A
Somador
completo
Cin
A1
A
B1
Y
B
2s
Cin
A2
A
B2
Y
A
Controle do modo
de operação
B3
Y
Subtrair=1
Somar=0
CO
A
Somador
completo
B
4s
A
Somador
completo
Cin
A3
CO
CO
B
8s
CO
Sinal
4s
2s
1s
Resultado da soma ou
subtração na forma de
complemento de 2 na saída
Sistemas Sequenciais
Figura 10-30 Comparador de magnitude mencionado no enunciado da questão 61 do Teste.
318
respectivamente. Aparentemente, há dois erros
na coluna CO referentes às linhas 6 e 7 da tabela
verdade, como é verificado na Figura 10-31(b). A
verificação da tabela verdade mostra que o somador completo defeituoso não apresenta problemas
relacionados à coluna Σ. O circuito que representa
Σ emprega duas portas XOR, denominadas 1 e 2 na
Figura 10-31(a). Aparentemente, a operação dessas portas está correta.
Espera-se que o problema esteja na porta OR ou nas
duas portas AND. A linha inferior da tabela demonstra que aparentemente as portas AND e OR operam
de forma correta. A porta AND superior (denominada 4) é suspeita. O técnico manipula as entradas
na linha 6 da tabela verdade (Cin1, B0, A2). Os
pinos 1 e 2 da porta AND 4 indicam um nível ALTO
quando a ponteira toca os pinos 1 e 2. A saída da
porta AND 4, que corresponde ao pino 3, é verificada
e permanece com nível BAIXO. Isso quer dizer que há
um nível BAIXO permanente na saída dessa porta.
O técnico verifica cuidadosamente o CI 7408 e os
circuitos adjacentes na busca de possíveis curtos-circuitos com o terminal terra GND, mas não é
verificada qualquer ocorrência desse fato. Simplesmente, considera-se que esse nível BAIXO permanente é decorrente de um defeito na porta AND 4
do CI 7408, o qual deve ser prontamente substituído por uma duplicata exata.
ENTRADAS
B
3
2
2
A
SAÍDAS
7486
1
Cin
7486
5
6
1
4
1
5
4
2
7408
7408
3
4
1
6
3
2
7432
5
3
CO
(a)
SAÍDAS
NORMAIS
ENTRADAS
SAÍDAS
VERDADEIRAS
Cin
B
A
CO
CO
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
L
H
H
L
H
L
L
H
L
L
L
H
L
L
L
H
?
(b)
A título de revisão, seis dicas podem ser seguidas
nas busca e localização de defeitos:
www
Teste seus conhecimentos
1. Conhecer a operação normal do circuito.
2. Tocar a parte superior do CI para identificar
um possível sobreaquecimento.
3. Observar a existência de possíveis conexões
rompidas ou sinais de aquecimento excessivo.
4. Utilizar o olfato para identificar eventuais sobreaquecimentos.
5. Verificar a fonte de alimentação e respectivas
conexões no CI.
6. Determinar o perfil de funcionamento do dispositivo lógico e isolar a seção defeituosa.
capítulo 10
Após a substituição do CI 7408, o técnico verifica
a operação do circuito somador completo, o qual
funciona de acordo com sua tabela verdade. Portanto, tabelas verdades são bastante úteis na localização de falhas em circuitos, definindo como um
circuito normal deve funcionar. A tabela verdade
deve fazer parte do conhecimento técnico sobre o
funcionamento do circuito. Esse fato é fundamental para a identificação adequada de falhas.
Circuitos aritméticos
Figura 10-31 (a) Circuito somador completo defeituoso. (b) Tabela verdade do somador completo com as saídas
normais e verdadeiras.
319
RESUMO E REVISÃO DO CAPÍTULO
Resumo
1.
2.
3.
4.
5.
www
Circuitos aritméticos como somadores e subtratores são arranjos lógicos combinacionais
implementados a partir de portas lógicas.
O circuito básico que realiza a soma é denominado meio somador. Dois meios somadores
e uma porta OR podem ser empregados para
formar um somador completo.
O circuito básico que realiza a subtração é denominado meio subtrator. Dois meios subtratores
e uma porta OR podem ser empregados para
formar um subtrator completo.
Somadores (ou subtratores) podem ser empregados para formar somadores paralelos.
Um somador paralelo de 4 bits permite a adição
de dois números binários de 4 bits de uma única vez. Esse somador contém um único meio
somador (casa 1s) e três somadores completos.
6.
7.
8.
9.
10.
Fabricantes disponibilizam diversos CIs aritméticos.
Arranjos somadores/subtratores normalmente
fazem parte da CPU de máquinas calculadoras.
A multiplicação binária realizada por circuitos
digitais pode utilizar o método das somas
sucessivas ou da soma e deslocamento.
Microprocessadores utilizam a representação
de complemento de 2 para trabalhar com
números com sinais. Somadores e subtratores
podem ser utilizados para realizar a soma e a
subtração de números na forma de complemento de 2.
Tabelas verdades consistem em ferramentas
auxiliares úteis para identificar falhas em
circuitos lógicos combinacionais, pois definem
a operação normal dos circuitos.
Questões de revisão do capítulo
Sistemas Sequenciais
Questões de pensamento crítico
320
10-1 Desenhe o diagrama lógico de um somador
paralelo de 2 bits utilizando portas XOR, AND
e OR.
10-2 Desenhe o diagrama lógico de um subtrator
completo utilizando portas XOR, AND e OR.
Utilize a Figura 10-11 como referência.
10-3 Desenhe o diagrama lógico de um somador
binário de 8 bits utilizando dois CIs somadores
de 4 bits 7483.
10-4 Converta o número com sinal 127 em um
número de 8 bits na forma de complemento
de 2. Lembre-se que o dígito na extrema
esquerda deve ser 0, ou seja, o número é
positivo.
10-5 Converta o número com sinal 25 em um
número de 8 bits na forma de complemento de
2. Lembre-se que o dígito na extrema esquerda
deve ser 1, ou seja, o número é positivo.
10-6 Números na forma de complemento de 2 são
amplamente utilizados em sistemas digitais
(como microprocessadores) porque podem ser
utilizados para representar quais números?
10-7 Descreva como é possível obter um número
binário na forma de complemento de 2.
10-8 A representação negativa de um número
binário corresponde ao seu a qual de seus
complementos?
10-9 Por que se diz que o número decimal 0 pode
ser representado como um número positivo
na forma de complemento de 2?
10-10 A critério do seu instrutor, utilize um aplicativo
de simulação de circuitos elétricos e eletrônicos para (1) implementar um somador binário
de 4 bits utilizando um CI somador (observe
a Figura 10-13), (2) testar o circuito somando
diversos números de 4 bits e (3) mostrar o
circuito e os resultados da simulação para seu
instrutor. Pode-se substituir o CI somador de 4
bits 4008 pelo CI TTL 7483.
10-11 A critério do seu instrutor, utilize um aplicativo
de simulação de circuitos elétricos e eletrônicos para (1) implementar um sistema soma-
Circuitos aritméticos
Respostas dos testes
capítulo 10
www
dor/subtrator utilizando números na forma de
complemento de 2 (observe a Figura 10-30),
(2) testar o circuito somando e subtraindo
diversos números na forma de complemento
de 2 e (3) mostrar o circuito e os resultados da
simulação para seu instrutor.
321
Página propositalmente deixada em branco
capítulo 11
Memórias
Anteriormente, mencionou-se que a vantagem mais importante de um sistema digital sobre
um sistema analógico é sua capacidade de armazenar dados por períodos curtos ou longos. A
disponibilidade e a utilização da memória impulsionaram o que diversos autores definem como
revolução da informação*. Todo o sistema internacional depende da transferência de dados de um
dispositivo de armazenamento de memória para outro. Naturalmente, sistemas de computadores
e telecomunicações dependem do armazenamento de grandes quantidades de dados.
* A revolução da informação também é denominada Terceira Revolução Industrial, ou Revolução Técnico-Científica-Informacional.
Objetivos deste capítulo
Citar e caracterizar dispositivos de memória e armazenamento existentes em um
microcomputador.
Definir a estrutura de um microcomputador, incluindo a CPU, barramentos de controle, de
endereço e de dados, memórias RAM, ROM e NVRAM internas e dispositivos de armazenamento
de memória.
Associar determinados tipos de células de memória semicondutora às respectivas
características e aplicações comuns.
Associar dispositivos de armazenamento específicos com o tipo de tecnologia, como
magnética, mecânica, óptica ou semicondutora.
Representar a memória em forma de tabela, desenhar seu respectivo símbolo lógico e explicar
seu processo de programação, dada a organização de uma pequena memória semicondutora.
Definir os processos de memória e gravação e descrever seu funcionamento em dispositivos
específicos.
Identificar diversas características associadas a memórias semicondutoras.
Identificar diversos tipos de encapsulamento de memória.
Citar e descrever métodos de armazenamento de dados.
Citar diversos tipos de tecnologias recentes e potenciais vantagens associadas ao
armazenamento de memória.
Sistemas Sequenciais
O CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory – Disco Compacto com Memória Somente de Leitura) é
um exemplo de dispositivo de armazenamento de
dados com grande capacidade e baixo custo. Um
único CD-ROM pode armazenar uma quantidade
de dados equivalente a 200.000 páginas de texto
digitado, o que supera a capacidade de armazenamento de mais de 400 disquetes. O CD-ROM possui
capacidade de armazenamento de 650 MB (megabytes) para cada disco cujo diâmetro é cerca de 12
cm (4,75”)*. Um disco compacto com maior capacidade que o CD-ROM é o DVD (Digital Versatile Disc
– Disco Digital Versátil).
324
O disquete, o qual foi anteriormente estudado,
consiste em uma “célula de memória” básica que
existe em determinados tipos de MEMÓRIA SEMICONDUTORA. Em capítulos anteriores, foi analisado
o funcionamento de latches, registradores de deslocamento e contadores que empregam flip-flops
como dispositivos temporários de memória. Diversos outros tipos de dispositivo de armazenamento
de dados serão estudados neste capítulo, os quais
são classificados como magnéticos, mecânicos, ópticos ou semicondutores.
Os barramentos de endereço e controle correspondem a conexões de comunicação de via única que
instruem os dispositivos de memória, armazenamento e periféricos adequadamente. O barramento de dados é um canal de conexão de via dupla
que envia e recebe informações de dispositivos de
memória, armazenamento e periféricos. O diagrama de blocos simplificado da Figura 11-1 mostra
alguns tipos internos de memória semicondutora
utilizados em microcomputadores, como RAM,
ROM e NVRAM. Note que os dados provenientes
do barramento de dados podem entrar (gravação
na memória) ou sair (leitura da memória) das memórias de acesso randômico ou aleatório (Random
Access Memory – RAM) e RAM não volátil (Nonvolatile Random Access Memory – NVRAM). A memória
de somente leitura (Read Only Memory – ROM) é
diferente, pois é permanentemente programada,
de modo que os dados saem do dispositivo, como
mostra a seta na Figura 11-1. Há outros tipos de
memória semicondutora de somente leitura como
PROM ou EPROM, que podem substituir perfeitamente a memória ROM no sistema de computador
supracitado.
Visão geral sobre
memórias
Outros tipos de componentes de memória existentes em microcomputadores modernos são citados
na Figura 11-1, classificados segundo o tipo de tecnologia de armazenamento de dados como magnética, óptica ou semicondutora.
A Figura 11-1 representa a visão geral de um microcomputador típico com diversos tipos de dispositivos de memória e armazenamento existentes.
A CPU representa a unidade de processamento
central, que contém as seções aritmética, lógica e
de controle do microcomputador. A CPU é o alvo
da maioria das transferências de dados. É possível
identificar na Figura 11-1 as conexões que representam os barramentos de endereço e de dados.
Um barramento é um grupo de condutores paralelos cuja função é transferir dados para outras
seções do computador ou do microprocessador.
* Atualmente, é possível encontrar também CDs capazes de armazenar 700 MB de dados.
Armazenamento magnético
Leitores de disquetes eram muito utilizados em
computadores até pouco tempo, sendo encontrados em modelos de microcomputadores mais
antigos. O disquete de 3,5” é o tipo mais comum,
capaz de armazenar dados em uma camada fina
de óxido metálico existente em um disco plástico
flexível. Valores digitais 0 e 1 são normalmente representados pelo alinhamento dos domínios magnéticos em uma determinada direção na superfície
do óxido metálico. Uma cabeça de gravação insere
valores 0 e 1 no material magnético, ao passo que
uma cabeça de leitura identifica a presença de tais
o
ent le
ramontro
r
a
B de c
nto o
medereç
a
r
r
o
Bade en
ent
ram dos
Barde da
NVAM
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M
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Ma Leit co rí ígido tica
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arm
• D Disc a mag
e
d
•
it
vos
• F
siti
po
Dis
Figura 11-1 Visão simplificada de um sistema de computador típico mostrando os diversos tipos de memória
ou dispositivos de armazenamento.
No disco rígido, um material magnético com grão
fino reveste discos metálicos que giram com velocidades superiores às dos leitores de disquete. Por
sua vez, os disquetes possuem a vantagem da portabilidade, pois podem ser removidos e transportados facilmente. Atualmente, discos rígidos compactos portáteis (normalmente discos rígidos USB)
são muito utilizados como dispositivos portáteis.
Em redes de computadores corporativas e governamentais de grande porte, fitas magnéticas podem
ser utilizadas com a finalidade de armazenar cópias
de segurança (backup) de arquivos importantes.
A maioria dos sistemas de computadores atuais
emprega leitores de CD capazes de acessar a informação existente em discos compactos (CDs). A indústria fonográfica passou a utilizar o CD no início
da década de 1980.
Exemplos comuns de mídia óptica incluem o
CD-ROM (CD read only memory – disco compacto com memória de somente leitura), CD-DA (CD
digital audio – CD de áudio digital), CD-R (CD recordable – CD gravável), CD-RW (CD rewritable –
CD regravável) e DVD (digital versatile disc – disco
digital versátil). Existem diversos tipos de DVD,
como DVD vídeo (disco de vídeo digital), DVD
áudio, DVD-ROM e DVD-RAM.
Discos do tipo CD-ROM e DVD são fabricados com
o uso de equipamentos industriais de injeção de
plástico que possuem custo elevado. Durante o
processo de fabricação, sulcos e cavidades são
inseridos na superfície brilhante do CD. Um feixe
laser é emitido pelo leitor de CD, que é capaz de
acessar as informações existentes no CD em mo-
Memórias
O disco rígido é um dispositivo magnético de armazenamento praticamente universal existente
em computadores pessoais. Possui o mesmo princípio de funcionamento do disquete, mas com capacidade de armazenamento muito maior. Discos
rígidos internos em microcomputadores possuem
capacidade de armazenamento entre 60 GB e 500
GB ou maior.
Armazenamento óptico
capítulo 11
valores à medida que o disco se movimenta. Um
disquete típico possui capacidade de armazenamento entre 1 e 2 MB.
325
vimento. A luz que é refletida a partir de sulcos e
cavidades é interpretada como níveis lógicos 0 e 1.
O DVD é uma versão do CD-ROM com elevada capacidade de armazenamento, normalmente associada à produção de vídeos ou filmes. O padrão
DVD vídeo normalmente é empregado quando o
disco armazena apenas informações de áudio/vídeo. O padrão DVD-ROM é utilizado quando o disco
armazena arquivos genéricos em um computador.
Os sulcos e cavidades em um DVD são menores que
aqueles existentes em CD-ROMs, agregando dessa
forma uma maior capacidade de armazenamento.
Um DVD simples com camada e lado únicos e diâmetro de aproximadamente 12 cm (4,75") é capaz
de armazenar 4,7 GB de informação.
Sistemas Sequenciais
Armazenamento
semicondutor
326
Dispositivos de armazenamento semicondutor
existentes em microcomputadores são citados na
Figura 11-1. Memórias flash existem na forma de
encapsulamentos de CIs ou cartões de memória.
Um cartão de memória se assemelha a um cartão
de crédito com espessura maior. São dispositivos
normalmente utilizados por câmeras digitais para
o armazenamento de dados. Há algum tempo,
existiam apenas memórias flash com capacidades
de armazenamento reduzidas, embora atualmente
haja dispositivos com elevadas capacidades. Mais
recentemente, memórias flash têm sido utilizadas
na forma de discos de estado sólido em alguns
computadores portáteis e dispositivos diversos
substituindo discos rígidos convencionais. Memórias flash normalmente empregam conexões USB
na forma de pen drives, que são utilizados como se
fossem disquetes.
Células de armazenamento
semicondutor
Dispositivos de armazenamento semicondutor são
classificados aproximadamente em seis categorias:
SRAM, DRAM, ROM, EPROM, EEPROM e memória
flash (EEPROM flash). Alguns tipos de tecnologia
são mais adequados que outros para determinados tipos de aplicações em sistemas digitais. Uma
breve descrição acerca desses dispositivos é apresentada a seguir.
• SRAM (Static Random Access Memory – Memória Estática de Acesso Randômico ou Aleatório): elevada velocidade de acesso, leitura ou
gravação, requer uma fonte de alimentação
permanente (volátil), baixa densidade, alto
custo, normalmente associada à memória
cache* de alta velocidade existente em microcomputadores.
• DSRAM (Dynamic Random Access Memory –
Memória Dinâmica de Acesso Randômico ou
Aleatório): boa velocidade de acesso, leitura
ou gravação, volátil, alta densidade, menor
custo, normalmente o tipo de memória RAM
utilizado na maioria dos PCs modernos.
• ROM (Read Only Memory – Memória de Somente Leitura): alta densidade, não volátil
(não pode ser alterada) e possui custo reduzido, especialmente quando há grandes volumes de armazenamento envolvidos.
• EPROM (Electrically Programmable Read Only
Memory – Memória de Somente Leitura Eletricamente Programável): alta densidade, não volátil (pode ser alterada, mas não de forma simples), devendo ser apagada por meio do uso de
luz ultravioleta antes da reprogramação.
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable
Read Only Memory – Memória de Somente
Leitura Eletricamente Programável e Apagável): memória não volátil que pode ser eletri* Em computadores, cache é um dispositivo de acesso rápido interno a um sistema, que serve de intermediário entre um
operador de um processo e o dispositivo de armazenamento ao
qual esse operador acede. A vantagem principal na sua utilização
consiste em evitar o acesso ao dispositivo de armazenamento, armazenando os dados em meios de acesso mais rápidos. O uso de
memórias cache visa obter uma velocidade de acesso à memória
próxima da velocidade de memórias mais rápidas, disponibilizando também no sistema uma memória de grande capacidade com
custo semelhante ao de memórias semicondutoras mais baratas.
te). A memória flash é um tipo de tecnologia em
pleno desenvolvimento, esperando-se que maiores densidades sejam atingidas à medida que os
custos são reduzidos em virtude de sua ampla
disseminação.
Considere as vantagens do uso de memórias flash
no sistema da Figura 11-1. Em um microcomputador comum, a unidade de controle é responsável
por transferir os dados de um arquivo existente
em um disquete para a memória RAM (que normalmente é do tipo DRAM em muitos sistemas),
sendo que esse processo demora certo tempo. Se
o leitor de disquetes é substituído por uma memória flash, esse tempo de busca (correspondente ao
carregamento dos dados do disquete na memória
DRAM) é eliminado, obtendo-se alta velocidade de
operação.
ALTA DENSIDADE
EPROM
ROM
O diagrama da Figura 11-2 indica três características importantes de uma memória semicondutora,
segundo a representação no interior dos círculos:
não volatilidade, alta densidade e capacidade de
atualização de forma elétrica. Note no diagrama
da Figura 11-2 que a memória flash agrega as melhores características combinadas em termos de
não volatilidade, alta densidade e capacidade de
leitura/armazenamento (atualizável eletricamen-
www
NÃO VOLÁTIL
DRAM
FLASH
MRAM
EEPROM SRAM
FRAM
ALIMENTADA
POR BATERIA
ATUALIZÁVEL
ELETRICAMENTE
Figura 11-2 Características importantes das memórias semicondutoras.
Teste seus conhecimentos
Memórias
camente apagável em grupos de bytes para
ser reprogramada, possuindo menor densidade e alto custo.
• Memória flash: densidade muito alta, baixo
consumo de energia, não volátil e regravável
(bit a bit) no sistema digital. É uma tecnologia relativamente recente e promissora no
que tange ao desenvolvimento dos discos
de estado sólido, podendo ser portátil (como
disquetes) na forma de cartões de memória
ou memória flash USB.
• FRAM (Ferroelectric RAM – Memória de Acesso
Randômico Ferroelétrica): memória RAM não
volátil, possui circuitos internos programáveis,
com boa velocidade de acesso (leitura e gravação), baixa densidade e alto custo. Emprega
células de memória FRAM baseadas em capacitores ferroelétricos e transistores MOS.
• MRAM (Magnetosresistive RAM – Memória de
Acesso Randômico Magnetoresistiva): memória RAM não volátil, possui circuitos internos
programáveis, com excelente velocidade de
acesso e alta densidade. Emprega nanotecnologia em sua fabricação. O custo ainda não foi
determinado de forma precisa por se tratar de
uma tecnologia relativamente recente.
capítulo 11
Acesse o site www.grupoa.com.br/tekne para fazer os testes sempre que passar por este ícone.
327
Memória de Acesso
Randômico (RAM)
Um tipo de dispositivo de memória semicondutora empregado em eletrônica digital é a MEMÓRIA
DE ACESSO RANDÔMICO ou aleatório. A memória RAM
funciona com base em um processo de “ensino-aprendizado” denominado gravação, após o qual
as informações armazenadas podem ser acessadas
ou “relembradas”. A memória RAM também é denominada MEMÓRIA DE ESCRITA/GRAVAÇÃO ou bloco de
rascunho.
Uma memória semicondutora com 64 células onde
valores 0 e 1 são inseridos é representada na Figura 11-3. Os 64 retângulos (que estão em branco na
grande maioria) representam 64 bits que são organizadas em 16 grupos denominados palavras. Cada
uma das palavras é composta por 4 bits de informação. Portanto, diz-se que essa é uma memória
do tipo 16×4, isto é, há 16 palavras de 4 bits cada.
Uma memória de 64 bits pode ser organizada na
forma 32×2 (32 palavras com 2 bits cada), 64×1 (64
palavras com 1 bit cada) ou 8×8 (8 palavras com
oito bits cada).
Endereço
Bit
D
Bit
C
Bit
B
Bit
A
0
1
1
0
Palavra 0
Palavra 1
Palavra 2
Palavra 3
Palavra 4
Palavra 5
Palavra 6
Palavra 7
Palavra 8
Sistemas Sequenciais
Palavra 9
328
Palavra 10
Palavra 11
Palavra 12
Palavra 13
Palavra 14
Palavra 15
Figura 11-3 Organização de uma memória de 64 bits.
A memória da Figura 11-3 assemelha-se a uma
tabela verdade desenhada em um bloco de rascunho. Na linha da tabela que corresponde à palavra
3, o conteúdo 0110 foi escrito. Diz-se então que
a palavra foi armazenada ou gravada na memória
por meio de um processo de escrita ou GRAVAÇÃO.
Para acessar o conteúdo existente na posição da
palavra 3, deve-se acessar a informação da tabela
por meio de um processo denominado LEITURA. A
operação de gravação consiste em inserir novas
informações na memória. A operação de leitura
equivale a copiar informações a partir da memória, correspondendo à detecção do conteúdo da
memória.
Pode-se escrever qualquer combinação de valores
0 e 1 na tabela da Figura 11-3 de forma semelhante
a um bloco de rascunho. Qualquer palavra ou informação pode ser lida a partir da memória, como
quando se consulta o bloco de rascunho. Naturalmente, a memória se comporta como se fosse um
bloco de rascunho de 64 bits, a partir do qual as informações podem ser inseridas ou retiradas.
A memória da Figura 11-3 é chamada de memória com acesso aleatório porque é possível acessar
diretamente a palavra 3 ou 15 e ler o respectivo
conteúdo. Em outros termos, qualquer bit (ou palavra) pode ser acessado a qualquer instante. Uma
localização de memória como a palavra 3 é chamada de local ou de ENDEREÇO de armazenamento.
No caso da Figura 11-3, o endereço da palavra 3 é
00112 (310). Entretanto, os dados armazenados correspondem a 0110.
A memória RAM não pode ser usada como dispositivo de armazenamento permanente porque os
dados são perdidos quando o PC é desligado. Este
é um tipo de MEMÓRIA VOLÁTIL porque há a perda dos
dados. Entretanto, algumas memórias possuem caráter permanente, de modo que os dados não são
perdidos ou “esquecidos” quando o computador é
desligado. Esses dispositivos são denominados NÃO
VOLÁTEIS.
Computadores pessoais modernos possuem memórias RAM de ambos os tipos SRAM (memória
RAM estática) ou DRAM (memória RAM dinâmica).
Sobre a eletrônica
Gravadores de CD-RW
Gravadores de CD-RW consistem em dispositivos de hardware versáteis que agregam
três funções distintas em um único equipamento: (1) Um CD-RW pode ser utilizado
como um disquete de 700 megabytes. (2)
Utilizando aplicativos especiais, um gravador de CD-RW pode gravar CDs de áudio.
(3) Por fim, um gravador de CD-RW pode se
comportar como um leitor de CD-ROM.
Teste seus conhecimentos
A MEMÓRIA RAM DE LEITURA/GRAVAÇÃO TTL 7489 é
um tipo de dispositivo de armazenamento de 64
bits na forma de CI. As células de memória são arranjadas na forma da tabela mostrada na Figura
11-3. A memória pode armazenar 16 palavras, cada
uma possui comprimento de 4 bits. A memória
RAM 7489 é organizada na forma 16×4 e seu respectivo diagrama de pinos é apresentado na Figura 11-4(b).
A tabela verdade simplificada da memória RAM 7489
é mostrada na Figura 11-4(c). A entrada de ativação
de memória ME (memory enable) é utilizada para ligar o dispositivo, permitindo a leitura e gravação de
dados. A primeira linha da tabela verdade mostra
que os estados de ambas as entradas ME e WE (write
enable – ativação de gravação) são BAIXAS. Os 4 bits
armazenados nas entradas de dados (D1 a D4) são
armazenados na localização de memória selecionada pelas entradas de endereço (A3 a A0). A memória
RAM encontra-se no modo de gravação.
Vamos gravar dados na memória do CI 7489. Suponha que se deseje gravar os dados 0110 na palavra
3 representada na Figura 11-3. O endereço da palavra 3 é A30, A20, A11 e A01. A palavra 3 é
localizada na memória inserindo-se um valor binário 0011 nas entradas de endereço do CI (de acordo
com a Figura 11-4(a)). Em seguida, os dados corretos são inseridos nas ENTRADAS DE DADOS, de modo
que o valor 0110 pode ser inserido aplicando-se
0 à entrada A, 1 à entrada B, 1 à entrada C e 0 à
entrada D. Em seguida, aplica-se um nível BAIXO
Memórias
CIs memórias RAM
estáticas
capítulo 11
www
329
SAÍDAS
+5 V
Saídas de dados
D
C
B
A
1k
Entradas
de dados
A
D1
Q4
B
D2
Q3
C
D3
Q2
D
D4
Q1
RAM
ENTRADAS
Ativar memória
ME
Ativar gravação
(Leitura 1)
(Gravação 0)
WE
(7489)
A3
A2
A1
A0
D
Entradas
de endereço
C
B
A
(a)
(VISTA SUPERIOR)
Tabela verdade–7489 RAM
A0
1
16
VCC
ME
2
15
A1
WE
3
14
A2
D1
4
13
A3
Q1
5
12
D4
D2
6
11
Q4
Q2
7
10
D3
GND
8
9
Q3
ENTRADAS
MODO DE
OPERAÇÃO
CONDIÇÃO
DAS SAÍDAS
ME
WE
Gravar
L
L
Complemento das entradas de dados
Ler
L
H
Complemento da palavra selecionada
Inibir armazenamento
H
L
Complemento das entradas de dados
Sem ação
H
H
Todas as saídas são ALTAS
L = nível lógico BAIXO
H = nível lógico ALTO
(c)
(b)
Sistemas Sequenciais
Figura 11-4 CI TTL 7489 do tipo memória RAM de 64 bits. (a) Diagrama lógico. (b) Diagrama de pinos.
(c) Tabela verdade.
330
à entrada de ativação de gravação (WE). Por fim, a
entrada de ativação de memória (ME é habilitada
com um nível BAIXO. Dessa forma, os dados 0110
são gravados na memória na posição designada
pela palavra 3.
Agora, vamos ler os dados existentes na memória.
Inicialmente, deve-se ajustar as entradas de ende-
reço no número binário 0011 (número decimal 3).
A entrada de ativação de gravação (WE) deve se
encontrar no modo de leitura possuindo, portanto, nível ALTO. A entrada de ativação de memória
(ME) deve possuir nível BAIXO. As saídas de dados
indicarão o valor 1001, que corresponde ao complemento do conteúdo efetivo da memória (0110).
A memória 7489 possui saídas em modo coletor
aberto, o que pode ser visto a partir da utilização
de resistores pull-up na Figura 11-4(a). Um modelo
semelhante ao CI 7489 É A MEMÓRIA RAM DE 64 BITS
74189, que por sua vez possui as saídas de três estados em vez de modo coletor aberto. Uma saída
em três estados pode assumir três níveis distintos:
ALTO, BAIXO e alta impedância.
Embora os fabricantes utilizem nomenclaturas
variadas para as entradas e saídas, todos os CIs do
tipo 7489 possuem as entradas e saídas mostradas
na Figura 11-4. Mesmo memória RAM de tamanho
como o CI 7489 são descritos em folhas de dados
relacionadas com memórias semicondutoras.
A memória RAM 7489 é um tipo CI obsoleto utilizada apenas para propósitos didáticos em laboratório, sendo possível compreender os processos de
endereçamento, leitura e gravação. Equipamentos
que possuem microprocessadores empregam muitas memórias RAM na forma de CIs.
CIs do tipo memórias RAM semicondutoras são
classificados como estáticos e dinâmicos pelos fabricantes. A memória RAM estática armazena dados em um elemento semelhante a um disquete,
possuindo esse nome porque são capazes de arwww
Teste seus conhecimentos
Um exemplo de memória RAM estática é o CI 2114,
capaz de armazenar 4096 bits na forma de 1024
palavras de 4 bits. O diagrama lógico da memória
RAM 2114 é representado na Figura 11-5(a), o qual
apresenta 10 linhas de endereço capazes de aces10
sar 1024 palavras (2 ). O dispositivo possui entradas de controle CS (chip select – seleção do chip) e
WE. A entrada CS é semelhante à entrada ME na
memória RAM 7489. Os quatro pinos de entrada/
saída (E/S1, E/S2, E/S3, E/S4) comportam-se como
entradas ou saídas quando o CI está em gravação
ou leitura, respectivamente. A memória RAM 2114
é alimentada com tensão de 5 V.
O diagrama de blocos da memória RAM 2114 é
ilustrado na Figura 11-5(b). O tempo de acesso corresponde ao intervalo de tempo necessário para
localizar e ler (ou gravar) uma pequena quantidade de dados, sendo igual a aproximadamente 33
ns no CI 7489. Para a memória MOS RAM 2114, o
tempo de acesso é da ordem de 100 a 250 ns, dependendo da versão do dispositivo. Assim, diz-se
que a memória 2114 é mais rápida em virtude de
possuir menor tempo de acesso.
Memórias
Nas últimas duas linhas da tabela verdade da Figura 11-4(c), os processos de leitura e gravação
são inibidos. Quando ambas as entradas WE e ME
são ALTAS, todas as saídas passam a assumir nível
ALTO. Quando a entrada ME é ALTA e a entrada WE
é BAIXA, as saídas correspondem aos complementos das entradas, mas não ocorre a gravação ou a
leitura.
mazenar valores 0 e 1 apenas enquanto o CI possui tensão de alimentação. O CI do tipo memória
RAM dinâmica armazena o estado lógico na forma
de carga elétrica armazenada em um dispositivo
MOS. Após um curto intervalo de tempo, essa
carga é dissipada e deve ser restaurada repetidas
vezes por segundo. Esse processo requer a utilização de circuitos de atualização de custo elevado.
A memória RAM dinâmica possui elementos de
memória mais simples que ocupam menor espaço no interior do CI. As memórias RAM dinâmicas
são comercializadas em tamanhos maiores que
aqueles das memórias RAM estáticas. Este último
tipo será utilizado neste capítulo porque são de
fácil utilização.
capítulo 11
Inversores podem ser conectados nas saídas do CI
7489 para tornar os dados da saída idênticos aos
existentes na memória. Assim, tem-se o modo de
leitura da memória RAM 7489.
331
+5 V
VCC
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
Entradas
de endereço
I/O4
I/O3
I/O2
I/O1
RAM
(1024 x 4)
(2114)
CS
Entradas
de controle
WE
GND
(a)
4
18
VCC
A3
3
9
A4
GND
2
A5
1
Seleção
da linha
Arranjo de memória
(64 linhas 64 colunas)
A6
17
A7
16
A8
14
E/S1
Circuitos da coluna de
entrada/saída de dados
13
E/S2
12
Controle dos
dados de
entrada
Seleção da coluna
E/S3
11
E/S4
A0
15
7
6
5
A1
A2
A9
Sistemas Sequenciais
8
332
CS
Números dos pinos
10
WE
(b)
Figura 11-5 Memória RAM estática MOS 2114. (a) Diagrama lógico. (b) Diagrama de blocos de um CI memória RAM.
Provavelmente, você não se lembra de como é feita a contagem de 0 a 15 em CÓDIGO GRAY. Assim, a
memória RAM fornecerá os valores no código Gray.
Esse dispositivo também será utilizado para converter números binários em código Gray.
A Tabela 11-1 mostra os números de 0 a 15 em
código Gray e os respectivos números binários
correspondentes também são representados.
Os 64 valores lógicos 0 e 1 existentes na coluna
correspondente ao código Gray serão gravados
na memória RAM de 64 bits. O CI 7489 é perfeito para essa função porque possui 16 palavras
de 4 bits cada. Este é o mesmo padrão utilizado
na representação do código Gray na tabela. Os
números decimais mostrados na tabela representarão o número da palavra (observe a Figura
11-3). O número binário corresponde ao número
aplicado na entrada de endereço da memória
RAM 7489 (observe a Figura 11-4). Quando as
entradas ME e WE são ativadas, o código Gray é
gravado na memória 7489, que mantém os valores armazenados enquanto o dispositivo permanecer ligado.
A memória RAM 7489 torna-se um dispositivo conversor de código depois que ocorre a programação
com o código Gray. A Figura 11-6(a) representa
esse sistema, onde um número binário é inserido
na entrada e fornece um valor correspondente em
código Gray. Dessa forma, tem-se um conversor de
código binário em código Gray.
Como é possível converter o número binário
0111 (número decimal 7) em código Gray? A Figura 11-6(b) mostra o número 0111 aplicado na
entrada de endereço da memória RAM 7489. A
entrada ME possui nível lógico 0, enquanto a en-
Número
decimal
Número
binário
Código
Gray
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000
trada WE encontra-se em modo de leitura (nível
1). Então, O CI 7489 lê a palavra armazenada 7 na
forma invertida, de modo que quatro inversores
complementam os estados das saídas. A saída
em código Gray correspondente ao número binário 0111 é 0100, como mostra a Figura 11-6(b).
Assim, é possível inserir qualquer número binário
entre 0000 e 1111 e obter a representação correta em código Gray.
O CONVERSOR DE CÓDIGO BINÁRIO EM CÓDIGO GRAY
mostrado na Figura 11-6 funciona perfeitamente,
mostrando como é possível programar e utilizar
a memória RAM 7489. Não se trata de um circuito
prático, pois essa é uma memória RAM volátil. Se o
dispositivo for desligado ainda que por um instante,
todos os dados serão perdidos e “esquecidos” pela
memória, que então foi apagada. Novamente, deve-se programar o código Gray na memória.
Sempre que seu computador é inicializado, códigos
e/ou programas são carregados em sua respectiva
memória RAM. Esse processo é semelhante à programação do código Gray na memória RAM 7489.
Memórias
É necessário possuir alguma prática na utilização
da memória RAM de leitura/gravação 7489. Dessa
forma, vamos programá-la com alguma informação útil, isto é, gravar a informação desejada em
uma célula de memória.
Tabela 11-1 Código Gray
capítulo 11
Utilizando uma memória
SRAM
333
ENTRADA
Conversor de números
binários em código
Gray (utilizando
memória RAM)
Número
em código
binário
Número
em código
Gray
SAÍDA
(a)
SAÍDA EM
CÓDIGO
GRAY
+5 V
RAM (código Gray
armazenado na memória)
Habilitar memória 0
ME
Q4
Habilitar gravação 1
(leitura = 1)
WE
Q3
1k
0
1
0
0
Q2
ENTRADA
BINÁRIA
0
1
1
(7489)
1
A3
A2
A1
Q1
A0
Entradas
de endereço
(b)
Figura 11-6 Conversor de números binários em código Gray. (a) Representação do sistema. (b) Diagrama
esquemático utilizando memória RAM.
www
Teste seus conhecimentos
Sistemas Sequenciais
Memória de somente
leitura (ROM)
334
Muitos dispositivos digitais a exemplo de microcomputadores devem armazenar informações de
caráter permanente. Isso pode ser feito com o uso
de memórias de somente leitura ou ROM, as quais
são programadas pelos fabricantes de acordo com
as necessidades do usuário. Memórias ROM com
tamanhos reduzidos podem ser empregadas na
solução de problemas lógicos combinacionais
como a decodificação.
Memórias ROM são classificadas como NÃO VOLÁTEIS porque os dados não são perdidos quando o
dispositivo é desligado, sendo também chamadas
de memórias de somente LEITURA PROGRAMADAS POR
MÁSCARA. Esse tipo de memória só é utilizado em
aplicações de grande porte devido ao elevado custo inicial de implementação. Memórias de somente leitura programáveis (PROMs) são utilizadas em
aplicações de menor porte quando há a necessidade de uma memória permanente.
O circuito primitivo a diodos que representa uma
memória ROM na Figura 11-7 desempenha o papel
As memórias 3D RAM baseadas em proteínas são
futurísticas? Um pequeno cubo composto por
proteína opticamente sensível (como a rodopsina)
suspensa em um plástico transparente pode ser a
base para a concepção de uma memória RAM de
20 gigabits. Dois feixes laser podem se interceptar
em um determinado ponto do cubo de proteínas
para permitir uma mudança de estado lógico
nesta “célula de memória orgânica”.
da conversão de números binários em código Gray.
A correspondência entre esses códigos é apresentada na Tabela 11-1.
Se a chave rotativa da Figura 11-7(a) estiver na posição decimal 6, o que será exibido na saída da memória ROM? As saídas (D, C, B, A) indicará LHLH ou
0101. As saídas D e B são conectadas diretamente
ao terminal de terra por meio de resistores e possuem nível BAIXO. Por outro lado, as saídas C e A
são conectadas a 5 V por meio de dois diodos
polarizados de modo que a tensão de saída encontra-se entre 2 e 3 V, representando um nível lógico ALTO. Note que o padrão da matriz de diodos
na Figura 11-7(a) é semelhante ao de valores 1 na
coluna do código Gray na Tabela 11-1. Cada nova
posição da chave rotativa fornece o código Gray
correto.
Em dispositivo como memória ROM da Figura 117, cada posição da chave rotativa é tida como um
ENDEREÇO.
Uma melhoria da memória ROM a diodos é mostrada na Figura 11-7(b). O circuito em questão
utiliza um DECODIFICADOR 1 DE 10 (CI TTL 7442) e
inversores para a seleção da linha. Esse exemplo
mostra uma entrada binária 0101 (número decimal 5), de modo que a saída 5 do CI 7442 é ativada com um nível BAIXO. Por sua vez, isso aciona
o inversor, que fornece um nível ALTO capaz de
polarizar os três diodos conectados à linha 5. As
As MEMÓRIAS ROM A DIODOS possuem muitas DESVANTAGENS, pois seus respectivos níveis lógicos
variam ao longo de uma ampla faixa. Além disso,
esses dispositivos não contêm buffers na entrada e
na saída capazes de acionar sistemas que possuem
barramentos de dados e de endereços.
Memórias ROM práticas são disponibilizadas por
diversos fabricantes, variando desde pequenas
unidades bipolares TTL até dispositivos com grande capacidade como ROMs CMOS ou NMOS. Memórias ROM comerciais podem se adquiridas na
forma de encapsulamentos DIP, a exemplo da memória TTL 74S370 de 512 palavras com 4 bits cada.
Um dispositivo de grande capacidade consiste
na memória ROM CMOS TMS47C512, que possui
524.288 bits organizados na forma de 65.536 palavras de 8 bits cada. O dispositivo de 65.536×8 possui tempo de acesso de 250 a 350 ns, dependendo
da versão adquirida. Na prática, computadores
pessoais possuem memórias ROM com grandes
capacidades de armazenamento.
Como exemplo de um produto comercial, considera-se a memória ROM TMS4764, que possui 8192
PALAVRAS DE 8 BITS. Sua organização de memória é
adequada para sistemas onde há a necessidade de
armazenamento de dados em grupos de 8 bits ou
um byte.
O diagrama de pinos da memória ROM TMS4764 é
ilustrado na Figura 11-8(a) e esse dispositivo pode
ser acomodado em um soquete DIP de 24 pinos.
A nomenclatura e as funções dos pinos são dadas
na Figura 11-8(b). Note que são necessárias 13 linhas de endereço para endereçar (A0 a A12) para as
8192 posições de memória (213), de modo que A0
e A12 correspondem ao LSB e MSB do endereço da
palavra, respectivamente. O tempo de acesso da
memória ROM TMS4764 varia entre 150 e 250 ns,
dependendo do tipo de CI. O acesso aos dados permanentemente armazenados ocorre através dos
pinos denominados Q1 a Q8.
Memórias
Memória baseada em proteínas
saídas devem ser LHHH ou 0111, sendo este o código Gray para o número binário 0101 de acordo
com a Tabela 11-1.
capítulo 11
Sobre a eletrônica
335
0
+5 V
1
2
ENTRADA
DECIMAL
3
4
5
6
9
7
8
Saída
Saída
Saída
Saída
C
B
A
1,5 k
D
INDICADORES DE SAÍDA
(CÓDIGO GRAY)
(a)
+5 V
ENTRADA
1
0
0
8s
4s
2s
VCC
1
0
1
1s
A
2
B
3
C
Decodificador
D 1 de 10 4
(7442)
5
6
7
8
GND
9
Sistemas Sequenciais
7404s
336
Saída
Saída
Saída
Saída
D
C
B
A
1,5 k
(b)
INDICADORES DE SAÍDA
(CÓDIGO GRAY)
Figura 11-7 Memórias ROM a diodos. (a) Memória ROM primitiva a diodos programada com o código Gray. (b)
Memória ROM a diodos com decodificação na entrada (programada com o código Gray).
(VISTA SUPERIOR)
A7
1
24
VCC
A6
2
23
A8
A5
3
22
A9
A4
4
21
A12
A3
5
20
E/E/S/S
A2
6
19
A10
A1
7
18
A11
A0
8
17
Q8
Q1
9
16
Q7
Q2
10
15
Q6
Q3
11
14
Q5
VSS
12
13
Q4
(a)
NOMENCLATURA DOS PINOS
A0–A12
E/E/S/S
Q1–Q8
VCC
VSS
Entradas de endereço
Habilitar chip/desligar ou
selecionar chip
Saída de dados
Alimentação de +5 V
Terra
Por sua vez, as saídas Q1 a Q8 representam o LSB e o
MSB, respectivamente. Os pinos de saída (Q1 a Q8)
são habilitados através do pino 20, que pode ser
programado pelo fabricante para representar uma
entrada CS ou CE ativa-BAIXA ou ativa-ALTA. Quando as saídas de três estados estão desativadas, elas
assumem um estado de alta impedância, ou seja,
podem ser conectadas diretamente ao barramento
de dados de um microcomputador.
Memórias de somente leitura podem ser empregadas no armazenamento permanente de dados
e programas. Programas de computadores, tabelas
de consulta, decodificadores e geradores de caracteres são apenas algumas aplicações das memórias
ROM. De forma geral, os computadores alocam a
maior parte da memória interna à RAM. Um levantamento recente indica que há aproximadamente
500 tipos de memória ROM disponíveis.
Um programa de computador é normalmente
chamado de SOFTWARE. Entretanto, quando um
programa é armazenado em uma memória ROM,
utiliza-se o termo FIRMWARE em virtude da dificuldade da realização de mudanças.
Em resumo, observe novamente a Figura 11-2. Note
que a memória ROM possui alta densidade e é não
volátil, sendo um dispositivo de armazenamento
permanente que não pode ser reprogramado.
(b)
Figura 11-8 CI memória ROM TMS4764. (a) Diagrama de pinos. (b) Nomenclatura dos pinos.
Utilizando uma memória
ROM
mente reiniciada em 1. Esses números serão exibidos em displays de sete segmentos na ordem
supracitada.
Suponha que se deseje projetar um dispositivo
que realizará a contagem decimal mostrada na
Tabela 11-2: 1, 117, 22, 6, 114, 44, 140, 17, 0, 14,
162, 146, 134, 64, 160, 177, sendo então nova-
Sabendo-se que circuitos digitais serão utilizados, converter-se os números decimais na forma
BCD, como mostra a Tabela 11-2. Então, descobre-se que há 16 colunas e sete linhas como valo-
Memórias
Teste seus conhecimentos
capítulo 11
www
337
Tabela 11-2 Sequência de contagem
mencionada no enunciado das questões do Teste
Leitura decimal
na saída
100s
10s
1
1
2
1
1
4
1
4
1
1
1
1
1
1
1
1
6
4
3
6
6
7
7
Número decimal
codificado em binário
1s
100s
10s
1s
1
7
2
6
4
4
0
1
0
0
1
0
000
001
010
000
001
100
001
111
010
110
100
100
0
7
0
4
2
6
4
4
0
7
7
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
100
001
000
001
110
100
011
110
110
111
111
000
111
000
100
010
110
100
100
000
111
111
res lógicos 0 e 1, constituindo assim uma tabela
verdade. Observando-se essa tabela, o problema
é aparentemente muito complexo para ser resolvido apenas com portas lógicas ou seletores
de dados. Decide-se então utilizar uma memória
ROM, considerando que a tabela será armazenada
no interior do dispositivo. A seleção de números
BCD existente na Tabela 11-2 remete ao uso de
uma unidade de armazenamento organizada na
forma 16×7, a qual por sua vez possui 16 palavras
para as 16 colunas da tabela. Cada palavra conterá
7 bits para cada uma das sete colunas existentes
na tabela verdade. Portanto, é necessária uma
memória ROM de 112 bits.
Uma memória ROM de 112 bits é ilustrada na Figura 11-9, onde é possível verificar que há quatro
entradas de endereço para selecionar uma das
16 palavras possíveis armazenadas na memória
ROM.
Os 16 endereços diferentes são mostrados nas colunas à esquerda da Tabela 11-3. Considere que as
entradas de endereço contenham o valor binário
0000. Assim, a primeira linha dessa tabela mostra
Leitura digital
100s
Sistemas Sequenciais
ROM
16 x 7
338
A
B
C
a
Decodificador
b
c
d
Decodificador
e
f
g
Decodificador
10s
1s
D
Entrada de
endereço
Figura 11-9 Diagrama esquemático para a sequência de contagem mencionada no enunciado das questões
do Teste utilizando memória ROM.
Tabela 11-3 Sequência de contagem mencionada no enunciado das questões do Teste
Saídas da memória ROM
D
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
C
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
A
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
10s
1s
1s
4s
2s
1s
4s
2s
1s
a
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
b
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
1
c
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
d
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
e
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
f
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
g
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
que a palavra armazenada é 0 000 001 (de a a g).
Após a decodificação na Figura 11-9, a palavra armazenada exibida no display digital corresponde
ao número decimal 1 (100s0, 10s0, 1s1).
Vamos considerar outro exemplo, onde o número
binário 0001 é aplicado nas entradas de endereço
da memória ROM na Figura 11-9. A segunda linha
da Tabela 11-3 mostra que a palavra armazenada
é 1 001 111 (de a a g). Após a decodificação, o número decimal 117 será exibido (100s1, 10s1,
1s7). Lembre-se que os valores lógicos 0 e 1
existentes na parte central da Tabela 11-3 estão
permanentemente armazenados na memória
ROM. Quando o endereço à esquerda é inserido
na entrada de endereço da memória RAM, uma
linha com valores 0 e 1 (palavra de 7 bits) surge
nas saídas.
Assim, o problema de contagem sequencial complexo foi resolvido. A Figura 11-9 mostra o esquema básico que deve ser utilizado. A informação da
Leitura decimal
na saída
100s
10s
1
1
2
1
1
4
4
1
1
1
1
1
1
1
1
6
4
3
6
6
7
1s
1
7
2
6
4
4
0
7
0
4
2
6
4
4
0
7
Tabela 11-3 mostra o endereçamento e a programação da memória ROM de 112 bits, bem como o
número BCD decodificado na forma decimal. Na
prática, deve-se fornecer as informações contidas
na Tabela 11-3 para um fabricante, que por sua
vez fabricará memórias ROM personalizadas para
atender a essa necessidade particular.
O custo para a fabricação de um número reduzido
de memórias ROM para aplicações específicas é
relativamente alto. Provavelmente, você não encomendará memórias personalizadas para um fabricante, a menos que um grande número de unidades seja necessário e o custo seja drasticamente
reduzido. Lembre-se que esse problema também
poderia ser resolvido utilizando um circuito lógico
combinacional com portas lógicas.
Existem memórias em tamanhos correspondentes
n
a 2 , ou 64, 256, 1024, 4096, 8192 bits e capacidades maiores. Uma memória de 112 bits consiste em
um tamanho incomum, sendo que esse tipo foi
Memórias
100s
Localização do
endereço ou palavra
capítulo 11
Entradas
339
utilizado no exemplo porque sua tabela verdade é
exatamente aquela do CI 7447. Anteriormente, o CI
7447 foi utilizado com um decodificador BCD para
sete segmentos, o qual poderá ser empregado
como memória ROM no laboratório.
www
Teste seus conhecimentos
Memória de somente
leitura programável (PROM)
Memórias ROM PROGRAMÁVEIS POR MÁSCARA são programadas por fabricantes, que utilizam máscaras
fotográficas para expor a marcação do silício. Assim, esse tipo de memória, em geral chamado simplesmente de memória ROM, requer um tempo de
fabricação longo com elevados custos iniciais.
Sistemas Sequenciais
Há também MEMÓRIAS ROM PROGRAMÁVEIS EM CAMPO (PROMS), que possuem tempo de fabricação
e custo agregados reduzidos. Além disso, é muito
mais fácil corrigir erros de programação quando as
memórias PROM são gravadas (programadas) pelo
projetista. A memória PROM convencional pode
ser programada uma única vez, mas sua principal
vantagem reside no fato de poder ser produzida
em pequenas quantidades e programada pelo
usuário de acordo com suas necessidades. Esse
tipo de memória também é chamado de PROM
com elos fusíveis.
340
Memórias de somente leitura são utilizadas como
codificadores, conversores de códigos, tabelas de
consulta, geradores de caracteres, geradores de
função e firmware em sistemas de computadores
e microcontroladores.
A MEMÓRIA EPROM (ERASABLE PROGRAMMABLE READ-ONLY MEMORY – MEMÓRIA DE SOMENTE LEITURA PROGRAMÁVEL APAGÁVEL) é uma variação da memória PROM,
sendo programada ou gravada de acordo com as
necessidades do usuário utilizando um dispositivo gravador. Se ume memória EPROM precisa ser
reprogramada, utiliza-se uma janela existente na
parte superior do CI e um feixe de luz ultravioleta (UV) para apagá-la. A luz UV apaga a memória
atribuindo apenas valores lógicos 1 às células de
memória de modo a reprogramá-la. Um CI EPROM
DIP de 24 pinos é mostrado na Figura 11-10, onde
se constata a existência de um chip visível através
da janela na parte superior do CI. Esses dispositivos
são por vezes denominados memórias PROM apagáveis por luz UV ou EPROM UV.
A EEPROM é um terceiro tipo de memória de somente leitura programável, sendo chamada de
2
MEMÓRIA PROM ELETRICAMENTE APAGÁVEL ou E PROM.
Como o próprio nome sugere, podem ser apagadas
eletricamente, de modo que é possível reprogramá-las sem que sejam removidas da placa do circuito. A memória EEPROM pode ser reprogramada
um byte por vez.
A memória flash EEPROM é o quarto tipo de memória de somente leitura programável. É semelhante à
memória EPROM no que tange à possibilidade de
ser apagada e reprogramada sem a necessidade de
remoção do dispositivo da placa do circuito. Memórias flash EEPROM têm se tornado muito populares
porque permitem a utilização de um maior número
de células de memória em um único chip, de modo
que possuem elevada densidade. Enquanto parte
do código pode ser apagada e reprogramada em
Figura 11-10 Memória EPROM. Observe o orifício na
parte superior utilizado para apagar a memória EPROM
com luz ultravioleta.
A memória PROM na Figura 11-11(b) foi programada com sete valores 0. Para programar ou GRAVAR A
MEMÓRIA PROM, os elos fusíveis devem ser rompidos, de acordo com a Figura 11-11(b). Dessa forma,
um fusível rompido desconecta o diodo, ou seja,
um nível lógico 0 é permanentemente armazenado na célula. Devido ao caráter permanente da
gravação, uma memória PROM não pode ser reprogramada, isto é, o dispositivo mostrado na Figura
11-11 pode ser programado uma única vez.
A SÉRIE 27XXX É UMA FAMÍLIA popular de memórias
EPROM, disponibilizada por diversos fabricantes.
Um breve resumo de alguns modelos da série
27XXX é apresentado na Tabela 11-4. Note que esses dispositivos são organizados de acordo com o
tamanho da palavra (8 bits), o que as torna compatíveis com diversos sistemas digitais. Muitas
versões desses dispositivos básicos com mesma
organização de memória existem na forma de CIs
CMOS com baixo consumo de energia, memórias
EPROM com tempos de acesso variados ou mesmo
memórias PROM, EEPROM e ROM com diagramas
de pinos compatíveis.
Um exemplo de CI da série 27XXX de memórias
EPROM é mostrado na Figura 11-12. O diagrama
de pinos da Figura 11-12(a) representa a MEMÓRIA
PROM APAGÁVEL COM LUZ ULTRAVIOLETA 32 K (4K×8)
2732A. Este CI possui 12 pinos de endereço (A0 a
12
A11), sendo capaz de acessar 4096 (2 ) palavras
de um byte na memória. A memória EPROM 2732
utiliza uma tensão de alimentação de 5 V e pode
ser APAGADA COM LUZ ULTRAVIOLETA. A entrada CE é se-
27XXX
Memórias EPROM
da Série 27XXX
Organização
Número
de bits
2708
1024 8
8192
2716
2048 8
16384
2732
4096 8
32768
2764
8192 8
65536
27128
16384 8
131072
27256
32768 8
262144
27512
65536 8
524288
melhante às entradas CS existentes em outros dispositivos de memória, sendo ativada por um nível
BAIXO. O pino OE / VPP possui dupla função, sendo
utilizado para duas finalidades distintas durante
os processos de leitura e gravação. Em condições
de uso normais, a memória EPROM é lida. Um nível
BAIXO existente no pino de ativação da saída (OE)
durante a leitura da memória ativa as saídas, que
acionam o barramento de dados do computador.
Os oito pinos de saída são designados por O0 a O7
na memória EPROM 2732. Um diagrama de blocos
é representado na Figura 11-12(b) para mostrar a
organização desse dispositivo de memória.
Quando a memória EPROM 2732 é apagada, todas
as células de memória passam a possuir nível lógico
1. Os dados são introduzidos mudando os níveis das
células de memória selecionadas para 0. O dispositivo encontra-se em modo de programação (gravação) quando o pino OE / VPP possui uma tensão de
21 V. Assim, durante a programação (gravação), os
dados de entrada são transferidos para os pinos de
saída de dados (O0 a O7). A palavra que será programada na memória EPROM é endereçada por meio
de 12 linhas de endereço. Um pulso com nível BAIXO TTL de curta duração (inferior a 55 ms) é então
aplicado à entrada CE para completar o processo de
gravação.
A programação da memória EPROM é realizada
por um dispositivo denominado gravador de
EPROM. Após o apagamento e a reprogramação,
Memórias
O conceito básico de uma memória PROM é ilustrado na Figura 11-11. A memória PROM de 16 bits
(4x4) simplificada é semelhante à memória ROM a
diodos estudada na seção anterior. Na Figura 1111(a), cada célula de memória contém um diodo e
um fusível intacto, indicando que todas as células
de memória possuem níveis lógicos 1. É dessa forma que uma memória PROM se encontra antes da
programação.
Tabela 11-4 Memórias EPROM da Série
capítulo 11
uma memória EEPROM, toda a memória flash EEPROM deve ser apagada e reprogramada.
341
Um fusível intacto representa
um nível lógico 1 armazenado
ENTRADA
BINÁRIA
0
1s
2s
1
Decodificador
de coluna
2
1 de 4
3
D
C
SAÍDAS
B
A
(a)
Um fusível rompido representa
um nível lógico 0 armazenado
ENTRADA
BINÁRIA
0
1s
2s
1
Decodificador
de coluna
2
1 de 4
Sistemas Sequenciais
3
342
D
C
SAÍDAS
B
A
(b)
Figura 11-11 Representação simplificada da memória PROM. (a) Memória PROM antes da programação.
Todos os fusíveis estão intactos (níveis 1 armazenados). (b) Memória PROM após a programação. Sete fusíveis
estão rompidos (níveis 0 são programados).
A7
1
24
VCC
A6
2
23
A8
A5
3
22
A9
A4
4
21
A11
A3
5
20
OE/VPP
A2
6
19
A10
A1
7
18
CE
A0
8
17
O7
O0
9
16
O6
O1
10
15
O5
O2
11
14
O4
GND
12
13
O3
2732A
NOMENCLATURA DOS PINOS
A0–A11
Endereços
CE
Habilitar chip
OE/VPP
Habilitar saída OE/VPP
O0–O7
Saídas
(a)
CE
Programação
da lógica
OE e CE
Buffers de saída
Decodificador Y
Portas Y
Decodificador X
Matriz com
32.768 bits
Entrada de
endereço
A0–A11
(b)
Figura 11-12 CI EPROM 2732. (a) Diagrama de pinos. (b) Nomenclatura dos pinos. (c) Diagrama de blocos.
capítulo 11
OE/VPP
Memórias
Saídas de dados
O0–O7
343
é comum proteger a janela da memória EPROM
(observe a Figura 11-10) com uma etiqueta opaca,
de modo a evitar a incidência de luz fluorescente
e UV proveniente do sol no CI. A EPROM pode ser
www
Teste seus conhecimentos
Memória de leitura/
gravação não volátil
Ambas as memórias RAM estáticas e dinâmicas
possuem a desvantagem da volatilidade. Quando
o dispositivo é desligado, os dados são perdidos e,
para resolver esse problema, memórias de leitura/
gravação não voláteis foram desenvolvidas. Esses
dispositivos podem ser implementados utilizando (1) uma bateria de suporte em uma memória
SRAM CMOS, (2) uma memória RAM estática não
volátil, (3) uma memória EEPROM flash ou memória flash (4) ou uma memória FRAM (ferroelectric
random-access memory – memória de acesso randômico ferroelétrica).
O novo tipo de memória denominado MRAM possui alta velocidade, alta densidade, não volatilidade, baixo consumo de energia e vida útil longa
(permitindo vários ciclos de leitura e gravação).
Sistemas Sequenciais
Memória SRAM com suporte
de bateria
344
apagada em virtude da incidência direta da luz
solar em cerca de uma semana, ou pela luz fluorescente do ambiente artificialmente iluminado
em cerca de três anos.
O suporte de baterias é um método comum para
resolver o problema da volatilidade de uma memória SRAM. Baterias são normalmente utilizadas
com memórias RAM CMOS porque esses dispositivos apresentam consumo de energia reduzido.
Em geral, baterias de lítio-íon são empregadas em
virtude de sua elevada vida útil, que pode chegar a
10 anos. Além disso, as baterias podem ser incluídas juntamente com a memória em um mesmo
encapsulamento. Quando a tensão de alimentação
torna-se menor que um nível pré-determinado,
circuitos que medem essa tensão ativam o modo
de suporte de bateria para manter o conteúdo
armazenado na memória RAM até que o nível de
tensão convencional seja restaurado. Esse tipo de
memória é normalmente empregado em microcomputadores.
NVSRAM
Memórias RAM não voláteis podem resolver o
problema da volatilidade, sendo denominadas
NVRAM ou NOVRAM (nonvolatile RAM – memória
de acesso randômico não volátil), ou NVSRAM
(nonvolatile static RAM – memória de acesso randômico estática não volátil). A memória NVRAM
combina as características de leitura/gravação da
memória SRAM com a não volatilidade de uma
memória EEPROM. Um diagrama de blocos que
representa esse dispositivo é mostrado na Figura
11-13, onde se verifica a existência de dois arranjos
de memória paralelos. O arranjo frontal é do tipo
SRAM, enquanto o arranjo traseiro consiste em
uma memória EEPROM. Durante a operação normal, a memória SRAM de leitura/gravação é utilizada. Quando a tensão de alimentação é reduzida,
todos os dados armazenados na memória SRAM
são duplicados no arranjo EEPROM não volátil. A
operação de armazenamento é representada na
Figura 11-13 pela seta que aponta em direção ao
arranjo EEPROM. Quando a tensão é restaurada,
a memória NVSRAM automaticamente executa a
operação de chamada, que copia todos os dados
da memória EEPROM para o arranjo SRAM. Essa
operação é representada pela seta que aponta em
direção ao arranjo SRAM frontal.
Aparentemente, memórias NVSRAM apresentam uma pequena vantagem sobre suas contrapartes SRAM com suporte de bateria, pois
Arranjo de
memória EEPROM
DIAGRAMA DE
BLOCOS FUNCIONAL
Decodificação da linha
CHAMADA (durante
inicialização do circuito)
A4–A8
Lógica de
controle
NV
CS
WE
OE
ARMAZENAMENTO (durante
desligamento do circuito)
Arranjo de memória
RAM estática
Decodificação
da coluna
E/S
D0–D7
A0–A3
NOMES DOS PINOS
A0–A8
Entradas de endereço
WE
Habilitar Gravação
D0–D7
E/S de Dados
OE
Habilitar Saída
CS
Selecionar chip
VCC
5 volts 10%
NV
Habilitar modo não volátil
Memórias flash
Memórias FLASH EEPROM tornaram-se uma alternativa às memórias SRAM com suporte de bateria
e NVSRAM que possui menor custo. Memórias flash
são amplamente empregadas em computadores
do tipo laptop.
A memória flash comercial fabricada pela Intel
é mostrada na Figura 11-14. A memória flash
CMOS 28F512 512K (64K×8) armazena 524.288
(219) bits organizados em 65.536 (216) palavras de
8 bits cada. O diagrama de blocos e a descrição
dos pinos dados na Figura 11-14 fornecem uma
visão geral de uma memória flash. A memória
28F512 age como um dispositivo somente de
leitura quando a tensão no pino de alimentação
é BAIXA. Quando a tensão no pino VPP é BAIXA
(aproximadamente 12 V), a memória pode ser
rapidamente apagada ou programada com base
nos comandos enviados para o registrador de comandos existente no microprocessador ou microcontrolador. A memória flash 28F512 utiliza uma
fonte de alimentação de 5 V, mas uma tensão
de 12 V é necessária no pino VPP durante o processo de apagamento e programação.
capítulo 11
possuem maior velocidade de acesso e vida útil
mais longa. Além disso, os encapsulamentos dos
CIs NVSRAM são menores, implicando redução
de espaço. Atualmente, memórias NVSRAM são
mais caras e são fabricadas apenas em tamanhos
limitados.
Memórias
Figura 11-13 Diagrama de blocos e nomenclatura dos pinos de uma memória NVSRAM típica.
345
DIAGRAMA DE BLOCOS
VCC
VSS
VPP
WE
DQ0–DQ7
Chave de
apagamento
Controle
de estado
Registrador
de comandos
Temporizador
de interrupção
integrado
Buffers de
entrada/saída
Conexão com a
fonte do arranjo
Chave de
tensão PGM
Habilitar chip
Lógica de
habilitação
da saída
STB
A0–A15
Bloqueio de endereços
CE
OE
STB
Bloqueio
de dados
Decodificador Y
Portas Y
Decodificador X
Matriz com
524.288 bits
FUNÇÕES DOS PINOS
Sistemas Sequenciais
Símbolo
346
Tipo
Nome e Função
A0–A15
ENTRADA
ENTRADAS DE ENDEREÇO para endereços de memória. Os endereços são bloqueados internamente
durante um ciclo de gravação.
DQ0–DQ7
ENTRADA/SAÍDA
ENTRADA/SAÍDA DE DADOS: Dados são disponibilizados na entrada durante os ciclos de gravação da
memória; dados são disponibilizados na saída durante os ciclos de leitura da memória. Os pinos de
entrada possuem estados ativos-ALTOS e flutuam em um terceiro estado DESLIGADO quando o chip
não está selecionado ou as saídas estão desabilitadas. Os dados são bloqueados internamente durante
um ciclo de gravação da memória.
CE
ENTRADA
HABILITAR CHIP: Ativa a lógica de controle do dispositivo, buffers de entrada, decodificadores e
amplificadores sensores. CE é ativa-BAIXA; no estado ALTO, CE desativa o dispositivo de memória e
reduz o consumo de energia a níveis de standby (espera).
OE
ENTRADA
HABILITAR SAÍDA: Aciona a saída do dispositivo por meio dos buffers de entrada durante um ciclo
de leitura. CE é ativa-BAIXA.
WE
ENTRADA
HABILITAR GRAVAÇÃO: Controla a gravação no registro de comando e no arranjo. WE é ativa-BAIXA.
Os endereços são bloqueados na borda negativa e os dados são bloqueados na borda positiva do
pulso WE. Nota: Para VPP 6,5 V, o conteúdo da memória não pode ser alterado.
VPP
APAGAR/PROGRAMAR: Utilizada para gravar o registro de comando, apagar o arranjo completo ou
programar bytes no arranjo.
VCC
FONTE DE ALIMENTAÇÃO DO DISPOSITIVO (5 V ± 10%).
VSS
TERRA
NC
SEM CONEXÃO INTERNA com o dispositivo. O pino pode permanecer flutuante.
Figura 11-14 Diagrama de blocos e descrição dos pinos de uma memória flash CMOS 28F512 de 512K (Cortesia
de Intel Corporation).
Em resumo, memórias flash EEPROM ou flash representam uma tecnologia emergente que tem se
tornado cada vez mais popular. Possuem diversas
características desejáveis que incluem a não volatilidade, capacidade de regravação (leitura/gravação), elevada confiabilidade e baixo consumo de
energia. Memórias flash agregam altas densidades,
pois as células de armazenamento que consistem
em um único transistor são muito pequenas. Avanços recentes reportados pelo fabricante Intel indicam que é possível obter densidades ainda maiores. A memória Strata-Flash™ desenvolvida por
esse fabricante é capaz de armazenar múltiplos bits
de informação em uma única célula. Atualmente, a
Intel encontra-se em processo de produção de memórias Strata-Flash™ de 128 bits.
Memória RAM ferroelétrica
A memória RAM ferroelétrica (FeRAM ou FRAM) é
um tipo de memória com alta velocidade semelhante à SRAM ou DRAM, mas é não volátil. A memória
FRAM é mais rápida que a memória EEPROM, não
sendo necessária a utilização de uma bateria de suporte como no caso da SRAM. O baixo consumo de
energia torna esse dispositivo uma escolha excelente para aplicações em dispositivos digitais portáteis.
Uma memória do tipo FRAM pode ser integrada em
microcontroladores e outros dispositivos de forma
simples, e consiste em um capacitor ferroelétrico
associado a um transistor MOS. Os capacitores ferroelétricos (células de memória) não precisam ser
frequentemente atualizados como é o caso das me-
Atualmente, memórias FRAM possuem baixas densidades e elevados custos. Entretanto, essa tecnologia é relativamente recente e espera-se que essas
desvantagens sejam progressivamente superadas.
Um fabricante de destaque desse tipo de dispositivo é a empresa Ramtron International.
Memória RAM
magnetorresistiva
A memória RAM magnetorresistiva (MRAM) consiste em uma tecnologia de semicondutores emergente. Possui as características promissoras da elevada
velocidade de acesso das memórias SRAM aliadas
à não volatilidade das memórias EEPROM. A célula
de memória de tamanho reduzido utilizada nesse
dispositivo consiste em um único transistor em com
junção de túnel magnético (magnetic tunnel junction – MTJ). A célula tem sua resistência modificada
para representar estados lógicos distintos (0 ou 1). A
memória MRAM possui altas velocidades de leitura
e gravação, e esses ciclos podem ser repetidos de
forma praticamente ilimitada com baixo consumo
de energia. As memórias MRAM são compatíveis
com processos CMOS, de modo que processadores
(como um microcontrolador) podem ser incorporados em um mesmo CI. Algumas fontes bibliográficas sugerem que a memória MRAM possui o
potencial para se tornar a “memória semicondutora
universal”, sendo por vezes denominada memória
de acesso randômico magnética.
Encapsulamentos de
memória
A evolução dos encapsulamentos de memórias é
mostrada na Figura 11-15. O encapsulamento em
linha dupla (DIP) é representado na Figura 1115(a), que é um dos tipos mais tradicionais, mas
ocupa uma área considerável na placa de circuito
impresso. O encapsulamento DIP da Figura 1115(a) pode ser do tipo para montagem em superfície ou encaixe. Encapsulamentos SOIC (small
outline IC) são menores e ocupam menor espaço
que suas contrapartes DIP. Em sistemas de menor
complexidade (como placas de circuito de sistemas
Memórias
Teste seus conhecimentos
capítulo 11
www
mórias DRAM. A atualização só é necessária após a
leitura de uma dada célula.
347
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 11-15 Evolução dos encapsulamentos das memórias. (a) Encapsulamento DIP. (b) Encapsulamento SIP.
(c) Encapsulamento ZIP. (d) Encapsulamento SIMM.
Sistemas Sequenciais
como microprocessadores), encapsulamentos DIP
e SOIC são inseridos diretamente na placa principal. Por outro lado, isso não ocorre em sistemas
mais complexos (como microcomputadores). Módulos de memória (placas contendo muitos CIs
SOIC e DIP) são inseridos nos soquetes existentes
na placa-mãe do computador.
348
Dois tipos de módulos de memória utilizados em
computadores antigos são representados na Figura 11-15(b) e (c), correspondendo aos encapsulamentos SIP (single in-line package – encapsulamento em linha simples) e ZIP (zig-zag in-line package
– encapsulamento em linha zigue-zague). Esses
arranjos podem ser encontrados em computadores muito antigos, mas não em equipamentos mais
recentes.
Alguns microcomputadores antigos contêm módulos de memória SIMM (single in-line memory
module – módulo de memória em linha simples),
sendo que um módulo SIMM de 72 pinos é mostrado na Figura 11-15(d). Note os 72 pontos de contato na parte inferior do módulo, os quais existem
em uma única face. Uma versão mais antiga desse
arranjo consistia no módulo SIMM de 30 pinos. Observe a existência de um chanfro no lado esquerdo,
o qual facilita o processo de instalação do módulo
no soquete.
Computadores mais recentes utilizam módulos
de memória DIMM (dual in-line memory module –
módulo de memória em linha dupla) semelhantes
ao mostrado na Figura 11-16(a). Esse é um módulo
DIMM de 168 pinos e possui 84 contatos em cada
(a)
M
DIM
e
uet
Soq
(b)
(c)
encaixado de um único lado, permitindo sua instalação correta.
A memória DIMM da Figura 11-16(c) é do tipo DDR
SDRAM (double data rate synchronous DRAM – memória SDRAM síncrona com dupla taxa de transferência de dados). Atualmente, a memória DDR
SDRAM é o tipo de módulo mais popular utilizado
em computadores. A memória RDRAM (Rambus
DRAM) de 184 pinos também é amplamente em-
capítulo 11
lado localizados na parte inferior. O processo de
instalação desse módulo é mostrado na Figura 1116(b). Note que há orifícios laterais que permitem
a fixação do módulo por meio da utilização de travas de segurança, de modo que também é possível
ejetá-lo caso seja necessário retirá-lo do soquete.
Note também a existência de um chanfro na parte
inferior, que auxilia o encaixe do módulo na parte
central do soquete. Assim, o módulo só pode ser
Memórias
Figura 11-16 Módulos de memória DIMM. (a) Memória DIMM de 168 pinos com SDRAM. (b) Instalação da
memória DIMM no soquete. (c) Memória DIMM de 184 pinos com DDR SDRAM.
349
pregada em computadores modernos, sendo também chamada de memória RIMM pelo fabricante
Rambus, Inc. Seu aspecto físico é bastante diferente
da memória DDR SDRAM, e seus chanfros inferiores
também possuem localização distinta. Os dois tipos
de memória RDRAM e DDR SDRAM de 184 pinos não
podem ser substituídos uns pelos outros porque as
placas-mãe dos computadores são projetadas apenas para um tipo específico de módulo. Microcomputadores de última geração empregam memórias
DDR2 SDRAM e DDR3 SDRAM de 240 pinos.
Computadores portáteis utilizam módulos de
memória menores que aqueles mostrados na
Figura 11-16, sendo que seu aspecto físico também é diferente. A troca de módulos defeituosos
ou o aumento da capacidade de memória deve
considerar o modelo específico do seu computador portátil.
chamado de cartão de memória flash. Por meio da
utilização desse dispositivo, é possível aumentar a
capacidade de memória de um laptop ou mesmo
uma máquina copiadora. Cartões de memória flash
podem ser utilizados como leitores de estado sólido. O cartão de memória PCMCIA padrão possui
em sua extremidade um conector de 68 pinos que
agregam diversas funções (conexões de endereçamento e dados, alimentação, terminal de terra, e
assim por diante). O cartão de memória PCMCIA de
68 pinos possui 26 pinos para conexões de dados,
o que permite o endereçamento de uma grande
26
quantidade de memória (2 64 MB). Deve-se
tomar cuidado ao encaixar um cartão PCMCIA,
porque há outros padrões disponíveis, como a interface PCMCIA de 88 pinos, a interface Panasonic
de 34 pinos, a interface Maxwell de 36 ou 38 pinos,
a interface Epson de 40 ou 50 pinos, entre outras.
Outro encapsulamento de memória consiste no
cartão de memória. A associação PCMCIA (Personal
Computer Memory Card International Association)
define padrões físicos e características elétricas
dos cartões do tipo PCMCIA. A espessura desses
dispositivos é maior que a de um cartão de crédito,
variando entre 3 e 19 mm. O cartão de memória
pode agregar arranjos de chips de memória e outros dispositivos eletrônicos na forma de praticamente qualquer tipo de memória (PROM, DRAM,
SRAM com suporte de bateria, flash EEPROM, entre
outras). O cartão de memória flash é muito popular devido à elevada densidade, baixo consumo de
energia, capacidade de leitura/gravação, não volatilidade e custo razoável. Um dispositivo PCMCIA
que contém uma memória flash é normalmente
O leitor de discos (rígidos ou disquetes) é um dispositivo eletromagnético que consome grande quantidade de energia e pode apresentar danos mecânicos.
Esses dispositivos são especialmente sensíveis a choques, vibrações, poeira e sujeira. O disco de estado
sólido que utiliza cartões de memória flash ou dispositivos semelhantes que existem em computadores
portáteis devem possuir tamanho reduzido. Além
disso, consomem baixa quantidade de energia e suportam choques e vibrações. Em um computador de
estado sólido, a memória DRAM tradicional e o leitor
magnético (de disquetes ou disco rígido) podem ser
substituídos por memórias SRAM e flash de alta velocidade. Essa combinação é muito eficiente em termos de uma transferência de dados rápida do disco
de estado sólido para a memória RAM.
Sistemas Sequenciais
www
350
Teste seus conhecimentos
Dispositivos de
armazenamento de dados
em computadores
Geralmente, memórias semicondutoras são utilizadas para armazenamento interno de dados na
maioria dos computadores modernos. Esse processo é denominado ARMAZENAMENTO PRIMÁRIO e não é
possível armazenar todos os dados no interior do
próprio computador. Por exemplo, não é interessante ou viável armazenar todos os dados referentes à
folha de pagamentos do mês anterior se todos os
valores já foram devidamente repassados e o processo já foi encerrado. Assim, muitos dados podem
ser armazenados de forma externa ao computador,
o que é conhecido por ARMAZENAMENTO SECUNDÁRIO.
Há diversas formas para armazenar informações
que podem ser acessadas imediata ou futuramente
em um computador. Dispositivos de armazenamento externos podem ser classificados como mecânicos, magnéticos, ópticos ou semicondutores.
Dispositivos mecânicos
Dispositivos de armazenamento mecânico incluem
o cartão ou a fita de papel perfurado. O papel perfurado foi criado antes de 1900 por Herman Hollerith, que o adaptou para a utilização no senso de
1890 realizado nos Estados Unidos. Esses cartões
normalmente possuem orifícios que representam
dados alfanuméricos. Esse dispositivo é denominado código de cartão Hollerith. Um cartão Hollerith
perfurado é constituído de papel pesado e mede
cerca de 8,25×19 cm (3,25×7,5”). Um cartão perfurado pode armazenar 80 caracteres, embora este
dispositivo seja obsoleto.
A fita de papel perfurado é outro tipo de armazenamento mecânico de dados. Consiste em uma fita
estreita de papel com furos posicionados ao longo
de sua extensão representando um código. A fita
de papel pode ser armazenada em bobinas, embora esse método também seja obsoleto.
A portabilidade alcançou níveis
até então impensáveis com a
utilização de diversos
dispositivos móveis. A busca
da redução de peso e volume
é uma constante na indústria
de computadores. Com a
crescente popularidade dos
computadores do tipo
palm-top, as funções de
telefonia, organização de
arquivos, envio e recebimento
de e-mails e mensagens
instantâneas e acesso à Internet por meio de
conexão sem fio foram agregadas em um único
dispositivo. O modelo Handspring™ Treo mostrado
à direita pesa aproximadamente 148 gramas e
possui dimensões 10,92×6,86×0,18 cm, sendo
alimentado por baterias recarregáveis de lítio íon.
DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO MAGNÉTICO comum
consistem na fita magnética, disco magnético e
tambor magnético. Cada um desses dispositivos
opera de forma semelhante a um gravador de fitas
cassete, de modo que as informações são gravadas (armazenadas) no material magnético, a partir do qual os dados também podem ser lidos. As
fitas magnéticas foram amplamente utilizadas por
muitos anos como dispositivos de armazenamento
secundário, sendo ainda muito populares em virtude do baixo custo. Sua principal desvantagem
reside no acesso sequencial dos dados. Isto é, para
acessar uma determinada informação é necessário
percorrer a fita sequencialmente até localizá-la, o
que torna o tempo de acesso longo.
DISCOS MAGNÉTICOS tornaram-se bastante populares nos últimos anos. São dispositivos de acesso
aleatório onde os dados podem ser facilmente
acessados em um curto intervalo de tempo. Discos magnéticos são fabricados na FORMA RÍGIDA E
FLEXÍVEL (DISQUETE). O disquete é uma forma po-
capítulo 11
Sobre a eletrônica
Memórias
Dispositivos magnéticos
351
pular de armazenamento secundário utilizada
em muitos computadores.
Discos rígidos
Sistemas Sequenciais
Os discos rígidos* ou duros são atualmente o tipo
de armazenamento de dados mais importante em
sistemas de computadores modernos. Um dos primeiros discos rígidos completamente lacrados e
livres de poeira foi desenvolvido pela IBM e chamado de disco Winchester (em alusão ao famoso rifle
Winchester 30-30 – 30 MB com um tempo de acesso de 30 ms). O disco rígido provou ser uma forma
confiável e rápida de armazenamento de dados e
atualmente essa tecnologia evoluiu para grandes
capacidades. A foto de um disco rígido moderno
fabricado por Seagate Technology é apresentada
na Figura 11-17. A tampa que cobre o disco foi removida para mostrar quatro discos rígidos de 3,5”
empilhados (denominados pratos), que são constituídos de alumínio, vidro ou cerâmica. Os pratos
são revestidos com filme fino, que consiste em
uma camada metálica microscópica envolvendo
o disco. O disco rígido da Figura 11-17 possui oito
cabeças de leitura/gravação (embora apenas uma
esteja visível), uma em cada lado dos quatro pra-
352
Figura 11-17 Disco rígido Cheetah fabricado por
Seagate.
* Os discos rígidos também são conhecidos pela sigla HD (hard
drive – disco rígido).
tos. Quando os pratos giram, as cabeças de leitura/
gravação flutuam acima da superfície do disco.
Assim, o dispositivo se desloca para uma trilha
circular específica na superfície dos pratos. A velocidade de rotação em muitos discos rígidos é
de 3600 rpm ou maior. Os discos rígidos Seagate
Cheetah semelhantes ao mostrado na Figura 1117 possuem velocidades de rotação da ordem de
10.000 ou 15.000 rpm. Quanto maior for essa velocidade, mais rapidamente a informação pode ser
localizada pela cabeça de leitura/gravação.
A folha de especificações de um disco rígido fornece informações como capacidade de armazenamento total, número de cabeças de leitura/
gravação, número e tamanho dos pratos, tempo
de busca médio (leitura/gravação), latência média,
velocidade de rotação, dimensões físicas, consumo
de energia e temperatura de operação. A organização dos dados nos discos pode ser dada na forma de número de setores (um setor normalmente
acomoda 512 bytes de dados associados a outra
informação como um endereço), número de trilhas
(círculos de dados concêntricos) ou número de cilindros (semelhante ao número de trilhas, sendo
tridimensional porque inclui ambos os lados de
todos os pratos).
O disco rígido da Figura 11-17 é projetado para
operar como um dispositivo de armazenamento
de dados interno em um computador. Atualmente,
a capacidade de discos rígidos internos varia entre
50 e 500 GB. Um disco rígido portátil semelhante
ao dispositivo de bolso mostrado na Figura 11-18
é uma alternativa popular ao armazenamento de
dados em disquetes. O disco rígido de bolso possui
capacidades de armazenamento entre 2,5 e 5 GB**.
O dispositivo possui peso e dimensões reduzidas,
com um conector retrátil que pode ser conectado
à porta USB de qualquer computador para transferir dados a uma taxa de 480 Mbps. O disco rígido
de bolso (Figura 11-18) é alimentado pela própria
** Este tipo de tecnologia encontra-se em constante evolução e,
atualmente, há discos rígidos portáteis com capacidades muito
superiores.
Figura 11-18 Disco rígido de bolso.
porta USB. Há outros dispositivos portáteis com
maiores capacidades de armazenamento, mas com
maiores dimensões e eventual necessidade de fontes de alimentação auxiliares.
Disquetes
O disco flexível de 3,5” já foi um meio de armazenamento a longo prazo e transporte de dados muito
popular. Discos flexíveis ou disquetes existem em
tamanhos de 5,25” ou 3,5”, embora este último tenha se tornado padrão. O diagrama que representa
um disquete de 3,5” é mostrado na Figura 11-19(a),
onde é apresentada a visão da parte inferior do
dispositivo. O encapsulamento de plástico rígido
e a cobertura metálica deslizante são claramente
identificados, os quais são responsáveis por proteger o disco. Na figura, o disco também é exibido e
a cobertura retorna à posição de proteção do disco
quando é liberada. As cabeças de leitura/gravação
do leitor podem armazenar ou ler os dados em
ambas as faces do disco. O centro possui um círculo metálico preso na parte inferior do disco que
permite movimentá-lo. A abertura retangular existente nesse círculo é um orifício de índice utilizado
por alguns leitores para temporização. A trava de
proteção contra gravação encontra-se fechada (de
acordo com o desenho), de modo que é possível
realizar tanto a leitura quanto a gravação no disco.
Quando o orifício é aberto (trava na posição inferior), é possível apenas ler o disco, que está protegido contra gravação.
Os dados em um disquete são organizados durante
o processo de formatação. Essa organização pode
ser observada no disco de 3,5” da Figura 11-19(b).
Note que o disco é organizado por trilhas e setores.
O disco de 3,5” é organizado em 80 círculos concêntricos ou trilhas, cada uma delas divida em 18
setores. Lembre-se que ambos os lados do disco
são organizados dessa forma. Cada setor pode armazenar 512 bytes de dados juntamente com outra
informação como um endereço, conforme ilustra a
Figura 11-9(b). Um disco DD de 3,5” mais antigo é
formatado com 80 trilhas em ambos os lados, mas
com apenas nove setores por trilha. Esse tipo de organização também é empregado por discos rígidos.
Em resumo, o disquete de 3,5” pode ser o dispositivo de armazenamento de dados mais conhecido
do mundo. Consiste em um dispositivo de leitura/
gravação de dados de baixo custo que pode ser
facilmente transportado e utilizado em qualquer
tipo de computador compatível. Sua capacidade
de armazenamento é aproximadamente 1,4 MB.
Muitos laptops e computadores de pequeno porte não possuem leitores de disquete, dependendo
do uso de portas USB e FireWire (IEEE 1394) para
a conexão de dispositivos de armazenamento de
dados com mídia removível. Dentre esses tipos, é
possível citar os leitores de disquete, discos rígidos
portáteis ou dispositivos de memória flash.
Memórias
Conector
USB 2.0
capítulo 11
Disco rígido de bolso
de 3600 rpm e
1 polegada
O disquete de 3.5” de alta densidade (HD – high
density) mais comum pode armazenar até 2 MB de
dados. O formato convencional permite o armazenamento de 1,44 MB de dados em um disco de 3.5”
com alta densidade e dupla face (HD DS – high density double-sided). Disquetes de 3,5” são capazes
de armazenar uma menor quantidade de dados.
O leitor de discos é capaz de reconhecer qual é o
tipo de disquete por meio da presença ou ausência
de um orifício existente no lado esquerdo do disco,
como mostra a Figura 11-19(a). Muitos disquetes
de 3,5” mais antigos são chamados de discos com
dupla densidade (DD – double density). Na prática,
haverá problemas na tentativa de utilizar um disquete HD em leitores mais antigos projetados para
ler apenas disquetes DD de 3,5”.
353
Disquete
Cobertura metálica
deslizante
Encapsulamento
de plástico rígido
Círculo metálico
(preso ao disco)
Lado duplo com
alta densidade
Com orifício disco
com capacidade de
armazenamento de
1,4 MB
Orifício de índice
Lado inferior do disco de 3,5”
Sem orifício disco com
capacidade de armazenamento
de 800 kB ou menos
(mais antigo)
Trava de proteção contra gravação
(orifício fechado leitura ou gravação,
orifício aberto leitura apenas)
(a)
Disquete de 3,5”
Trilha 00
(1 de 80)
Trilha 79
(1 de 80)
Setor
(1 de 18)
Centro
Sistemas Sequenciais
Setor 1
354
Trilha 2, Setor 1
Trilha 0, Setor 1
512 bytes de dados e
informações adicionais
(b)
Figura 11-19 Disquete de 3,5 polegadas. (a) Características físicas. (b) Formatação típica em 80 trilhas e 18
setores.
O CD foi inicialmente desenvolvido para gravação
de áudio e posteriormente adaptado para a utilização em computadores na forma de CD-ROM na
metade da década de 1980. O CD-ROM é fabricado a partir de um molde de vidro cuidadosamente preparado. Por sua vez, este é preenchido com
plástico policarbonato, formando o CD-ROM.
O dispositivo resultante contém pequenos sulcos
e cavidades (ausência de sulcos). A representação
de um CD-ROM é mostrada na Figura 11-20(a).
Quando é inserido no leitor do computador, um
feixe laser localizado na parte inferior é apontado
para o disco. A reflexão da luz nos sulcos e cavidades é interpretada por um dispositivo fotodetector e circuitos digitais como uma série de valores
lógicos 0 e 1.
A taxa de transferência de dados de um CD-ROM é
indicada pelo fabricante como 1x, 2x, 16x ou 32x.
O DVD-RM é uma versão mais moderna do CDROM. CDs e DVDs possuem o mesmo aspecto
físico, sendo discos de plástico com diâmetro de
120 mm e espessura de 12 mm. Ambos são fabricados com a mesma tecnologia e os dados são
lidos a partir de sulcos e cavidades existentes na
superfície do disco. Entretanto, DVDs possuem
capacidade de armazenamento muito maior,
sendo que uma unidade com camada simples é
capaz de armazenar uma quantidade de dados
cerca de sete vezes maiores que um CD-ROM. Os
sulcos e cavidades no DVD-ROM encontram-se
mais próximos uns dos outros em maior quantidade, como sugere a Figura 11-20(b), que por
sua vez compara um CD-ROM e um DVD-ROM.
Além disso, os tamanhos dos sulcos e cavidades
são muito menores no DVD-ROM. Atualmente,
muitos leitores possuem feixes laser capazes de
acessar dados armazenados tanto em CD-ROMs
quanto em DVD-ROMs. Esses dispositivos normalmente possuem o logotipo do DVD estampado na parte frontal.
DVDs podem armazenar 4,7 GB (disco com lado
único e camada simples) ou 9,4 GB (disco com lado
duplo e camada única), 8,5 GB (disco com lado duplo e camada simples) ou 17 GB (disco com lado
duplo e camada dupla). Essas quantidades de dados são muito superiores aos 0,65 GB armazenados
em um CD-ROM. Além disco, leitores de DVD-ROM
possuem velocidade de transferência de dados
1,385 MB por segundo. Isso significa que um leitor
de DVD-ROM com velocidade 1x possui a mesma
taxa de transferência de dados de um leitor de CDROM com velocidade 9x.
Memórias
O DISCO ÓPTICO tornou-se um dos dispositivos de armazenamento de dados mais populares utilizados
em computadores pessoais modernos. Essa tecnologia tornou-se bastante difundida em virtude
da (1) confiabilidade, (2) alta capacidade de armazenamento, (3) portabilidade e (4) custo reduzido. Há discos ópticos de vários tipos, incluindo o
popular CD-ROM (compact disc read-only memory
– disco compacto com memória somente de leitura), CD-R (compact disc recordable – disco compacto gravável) e CD-RW (compact disc rewritable
– disco compacto regravável). Discos ópticos com
maior capacidade de armazenamento incluem o
DVD-ROM (digital versatile disc read-only memory
– disco digital versátil com memória somente de
leitura), DVD-R (digital versatile disc recordable –
disco digital versátil gravável), DVD-RW (digital
versatile disc rewritable – disco digital versátil regravável) e DVDRW (outra versão do disco digital versátil regravável). Discos ópticos possuem
diâmetros de aproximadamente 120 mm (4,72”)
ou 80 mm (3,15”). Além de armazenar dados, são
normalmente empregados no armazenamento de
áudio e vídeo.
Um leitor com a indicação 1x possui uma taxa de
transferência de dados máxima de 150 kB (quilobytes) por segundo. Portanto, um leitor 16x possui
máxima taxa de transferência de dados de 2400 kB
por segundo (150 kB×162400 kB/seg ou 2,4 MB/
seg.) Essas são as taxas máximas de transferência
de dados, mas as taxas reais são normalmente menores. Atualmente, os computadores são equipados com leitores de CD com velocidade iguais ou
superiores a 48x.
capítulo 11
Discos ópticos
355
OM
CD-R
Rótulo serigrafado
Camada selada para evitar oxidação
Camada reflexiva
Policarbonato (limpo) com sulcos
(a)
Tamanho mínimo do
sulco 0,83 micron
Espessura da
faixa 1,6 micron
CD
Tamanho mínimo do
sulco 0,4 micron
Espessura da
faixa 0,74 micron
Sistemas Sequenciais
DVD
356
(b)
Figura 11-20 (a) Construção de um CD-ROM. (b) Comparação da espessura da faixa (largura) e tamanho do
sulco cm CDs e DVDs.
Discos do tipo CD-R (CDs graváveis) tornaram-se
bastante populares no armazenamento permanente (arquivamento) de dados. CDs são dispositivos
de leitura WORM (write-once read many – gravação
única e leitura múltipla) onde os dados podem ser
armazenados através da utilização de um dispositivo gravador de CDs. Antes de gravar o disco CD-R,
a superfície se assemelha a uma cavidade contínua
(sem a existência de sulcos). Durante o processo de
gravação, um feixe laser aquece uma camada reflexiva de ouro e uma camada colorida que pode ser
dourada, verde ou azul dependendo do fabricante.
Quando inserido no leitor de CD-R, as áreas escuras
gravadas no disco (semelhantes aos sulcos existentes no CD-ROM) refletem menor quantidade de
luz. As áreas brilhantes (cavidades) e opacas (gravadas) são interpretadas como níveis lógicos 0 e 1
pelo leitor de CD-R e circuitos digitais associados. O
disco CD-R pode ser gravado uma única vez, sendo
formatadas com capacidade de armazenamento
de aproximadamente 650 MB.
DVD. O DVD-RAM possui aspecto semelhante
a um disquete grande. Discos DVD-RW (inicialmente designados como DVD-R/W) e DVDRW
utilizam a tecnologia de mudança que permite
assumir o estado cristalino (reflexivo) ou amorfo (escuro, não reflexivo). A diferença resultante
entre as áreas reflexivas e escuras no disco pode
ser identificada por um fotodetector e interpretada como níveis lógicos 0 e 1. Discos DVDRW
são mais compatíveis com produtos eletrônicos e
computadores pessoais, o que é importante em
aplicações multimídia.
Discos CD-RW (CDs regraváveis) são uma alternativa
aos disquetes porque possuem alta capacidade de
armazenamento e capacidade de leitura/gravação.
Discos CD-RW são muitas vezes chamados de CDs
apagáveis (erasable) ou CD-E. O CD-RW pode ser regravado 1000 vezes ou mais. Quando um CD-R é gravado, a camada colorida fotosensível é modificada
permanentemente. Quando um CD-RW é gravado, a
camada de gravação (que consiste em uma liga de
prata, índio, antimônio e telúrio) pode ser gravada
e regravada. Essa liga metálica consiste em uma superfície que é muito reflexiva no estado cristalino ou
opaca no estado amorfo (de forma semelhante aos
sulcos e cavidades do CD-ROM). O leitor de CD-R/
CD-RW utiliza um feixe laser para identificar as áreas
reflexivas e opacas no CD-RW como níveis lógicos 0 e
1. Muitos leitores mais modernos são capazes de ler
ambos os tipos de disco CD-R e CD-RW.
Vários dispositivos de armazenamento de dados
são comparados em termos do tempo de acesso/
capacidade de armazenamento na Figura 11-21.
No gráfico, o tempo de acesso é medido em segundos e a capacidade de armazenamento é medida
em megabytes. O tempo de acesso corresponde
ao intervalo de tempo necessário para acessar
uma pequena quantidade de dados existente na
memória. O melhor desempenho (em termos do
menor tempo de acesso) é apresentado pelo cartão de memória flash, cuja principal desvantagem
reside no alto custo. Os métodos mecânicos de
armazenamento de dados (fita de papel e papel
perfurado) possuem o pior desempenho, sendo
praticamente descartados na maioria das aplicações. A fita magnética e a fita cassete digital (DAT
– digital audio tape) possuem tempo de acesso elevado, mas elevada capacidade de armazenamento
a baixo custo. Discos rígidos são extremamente po* O disco Blu-ray também é um tipo de dispositivo óptico cuja capacidade de armazenamento pode variar entre 25 GB e 100 GB. É
muito utilizado no armazenamento de arquivos de vídeo (filmes)
em HD (high definition – alta definição).
Memórias
Tempo de acesso
capítulo 11
Há três tipos de DVD com alta capacidade e características semelhantes ao CD-RW, isto é, DVD-RW,
DVDRW e DVD-RAM. Os discos DVD-RAM foram
desenvolvidos inicialmente, mas não são muito
compatíveis com outros produtos do tipo CD-RW/
Espera-se que vários tipos e formatos de discos ópticos sejam utilizados em armazenamento de dados, áudio e vídeo em computadores e dispositivos
multimídia ao longo das décadas seguintes em virtude da alta confiabilidade e capacidade de armazenamento de dados, baixo custo e portabilidade*.
357
108
107
Cartão de memória flash
Tempo de acesso (segundos)
106
10
Tecnologia dos
semicondutores
5
104
103
102
Disco rígido
Tecnologia
dos discos
101
Disquete
Disco óptico
100
Fita de papel
Cartões de perfuração
Fita
10
0,1
1
10
100
Capacidade de armazenamento (megabytes)
Tecnologia
das fitas
DAT
1000
10.000
Figura 11-21 Comparação entre diversos dispositivos de armazenamento de dados.
Sistemas Sequenciais
pulares devido à simplicidade de utilização, altas
capacidades de armazenamento, ótimos tempos
de acesso, custo razoável e utilização universal. Disquetes continuam sendo populares porque são de
fácil utilização, possuem baixo custo agregado, são
portáteis, com tempos de acesso médios e aplicação universal*. Discos ópticos como CD-ROMs, CD-Rs e CD-RW tornaram-se dispositivos padrão em
termos de armazenamento de dados em computadores pessoais. Versões de elevada capacidade
como DVD-ROMs são igualmente populares. O armazenamento óptico é intensamente utilizado em
virtude da elevada capacidade de armazenamento
de dados, baixo custo, portabilidade e confiabilida-
358
www
Teste seus conhecimentos
* A maioria dos microcomputadores do tipo desktop e laptop fabricados atualmente não possui leitores de disquete, principalmente em virtude da popularização e drástica redução de custos
dos discos ópticos e memórias flash.
de. Memórias flash consistem em uma tecnologia
emergente, com excelentes tempos de acesso e
ótima capacidade de armazenamento, embora o
custo seja ligeiramente maior.
Discos ópticos de leitura/gravação possuem elevadas capacidades de armazenamento. O leitor de
DISCOS DE LEITURA/GRAVAÇÃO MAGNETO-ÓPTICOS utiliza
um feixe laser e uma mola metálica para gravar, ler
e apagar o disco óptico revestido de metal. Esses
dispositivos regraváveis são muito semelhantes aos
disquetes de 3,5”, embora possuam maior espessura
e contenham um disco ópticos no interior do encapsulamento plástico.
terminal inferior varia gradualmente. Se a resistência do elemento fixo é 1 kΩ, a resistência medida
entre os pontos A e B pode assumir um dado valor
entre 0 e 1 kΩ.
Potenciômetro digital –
utilização de memória NV
Muitos produtos e dispositivos eletrônicos possuem memórias semicondutoras internas. Um
exemplo consiste no potenciômetro digital ou POTENCIÔMETRO DE ESTADO SÓLIDO.
O conceito de um potenciômetro digital é ilustrado
na Figura 11-22(b), onde o elemento de resistência
fixa corresponde a 10 resistores de 100 Ω associados em série, correspondendo a um valor total de
1 kΩ. Nesse caso, o contato deslizante é apenas
capaz de se conectar aos terminais dos resistores.
À medida que o contato é movido para cima ou
para baixo, a resistência medida varia em passos
Lembre-se que o potenciômetro convencional representado na Figura 11-22(a) é analógico. Se o
contato se move ao longo do elemento resistivo, a
resistência medida entra a posição do contato e o
Contato
deslizante
Potenciômetro
de 1k
A
Ohms
B
(a)
100 R10
R4-R9
O contato se move apenas
em passos discretos
100 R2
100 R1
Ohms
Memórias
R3
(b)
Figura 11-22 (a) Saída analógica de um potenciômetro. (b) Saída digital de um potenciômetro de estado
sólido (10 passos, sendo que cada um deles corresponde a 100 Ω).
capítulo 11
100 359
discretos (iguais a 100 Ω nesse caso). Ou seja, um
ohmímetro é capaz de apresentar leituras de valores discretos como 0, 100, 200, 300, 400, 500, 600,
700, 800, 900 ou 1000 ohms.
de um potenciômetro convencional. Na saída do
diagrama de blocos da Figura 11-23(a), note que
o CI DS1804 contém resistências séries designadas
por R1 a R99. O contato deslizante W do potenciômetro pode ser conectado a um dos 100 pontos
distintos existentes na escada de resistências conectadas em série, sendo que cada ponto é representado pelas posições de 0 a 99 no diagrama de
blocos. Se esse componente representa um potenciômetro de 100 kΩ, cada resistência série corres-
O diagrama de blocos de um potenciômetro digital
é representado na Figura 11-23(a). O diagrama de
pinos do CI DIP é mostrado na Figura 11-23(b), que
pertence ao CI potenciômetro trimmer DS1804 NV
fabricado por Dallas Semiconductor. Note que as
três saídas H, L e W são semelhantes aos terminais
Vcc
SAÍDAS
H terminal ALTO
Posição 99
ENTRADAS
R99
Multiplexador 100 para 1
CS
INC
U/D
Lógica de
controle
Posição 98
R2-R98
Posição 1
R1
EEPROM
Posição 0
L terminal BAIXO
GND
W cursor
(a)
INC
1
U/D
H
2
3
GND
4
DS1804
8
Vcc
7
6
CS
L
5
W
Sistemas Sequenciais
DESCRIÇÃO DOS PINOS
360
H
L
W
VCC
CS
U/D
INC
GND
- terminal SUPERIOR do potenciômetro
- terminal INFERIOR do potenciômetro
- cursor do potenciômetro
- tensão de alimentação de 3V ou 5V
- Seleção do chip
- Controle de movimentação para cima/para baixo
- Incrementar/decrementar o controle do cursor
- Terra
(b)
Figura 11-23 (a) Diagrama de blocos do potenciômetro digital DS1804. (b) Diagrama de pinos e descrição dos
pinos do potenciômetro digital DS1804 (CI DIP). (Cortesia de Dallas Semiconductor.)
ponde a 1 kΩ. Se o contato se encontra na posição
1, a resistência entre os terminais L e W é de 1 kΩ.
Por outro lado, se o contato estiver na posição 98, a
resistência entre os terminais L e W será de 98 kΩ.
Quando o CI DS1804 é inicialmente energizado,
a posição inicial do contato armazenada em uma
memória EEPROM não volátil é carregada na seção
lógica de controle do dispositivo. Essa posição é
repassada ao multiplexador, que efetivamente a
localizará. A posição do contato pode ser alterada
aplicando-se sinais às entradas CS, INC e U/D.
Tente modificar a posição do contato do CI
DS1804-100 (potenciômetro digital de 100 kΩ) utilizando o diagrama lógico da Figura 11-24. O primeiro exemplo (Figura 11-24(a)) mostra um nível
BAIXO aplicado na entrada de seleção do chip (CS)
e um nível ALTO inserido na entrada de controle de
movimentação para cima/para baixo (U/D). Dessa
forma, o contato se move uma posição para cima a
cada pulso negativo aplicado na entrada de incremento (INC). Nesse exemplo, três pulsos negativos
são aplicados na entrada INC, de forma que o contato se desloca três posições para cima a partir de
sua posição inicial. Logo, com a aplicação de três
pulsos nesse caso, tem-se uma resistência de 3 kΩ
entre os terminais L e W porque cada posição corresponde a 1 kΩ.
Quando a entrada de seleção do chip é desativada
(CS ALTO), todas as entradas do CI DS1804 são desativadas, permitindo que o dispositivo seja programado uma única vez. Quando a entrada CS é ALTA, a
memória EEPROM não pode ser programada durante
o desligamento. Assim, a memória EEPROM é capaz
de armazenar a última posição do contato, que é
resgatada a partir da memória não volátil durante a
energização do CI.
Um segundo exemplo é mostrado na Figura 1124(b), onde é possível verificar que a entrada de
5 V
ENTRADAS
SAÍDA
ALTO
U/D
VCC
H
DS1804
INC
W
CS
L
Ohms
BAIXO
GND
100 k
(a)
5 V
U/D
H
DS1804
INC
W
CS
L
Ohms
BAIXO
GND
100 k
(b)
Figura 11-24 (a) Mudança na posição do cursor do potenciômetro digital DS1804-100.
Memórias
BAIXO
SAÍDA
VCC
capítulo 11
ENTRADAS
361
seleção do chip (CS) é ativada com um nível BAIXO e a entrada de controle de movimentação para
cima/para baixo (U/D) possui nível BAIXO. Assim, o
contato pode ser deslocado para baixo. Dois pulsos
negativos são inseridos na entrada INC do CI. Desse
modo, o contato se move duas posições para baixo,
reduzindo a resistência entre W e L em 2 kΩ.
A última posição do contato é armazenada na memória EEPROM utilizando-se as entradas INC e CS.
Sistemas Sequenciais
www
362
Isso ocorre quando a entrada CS sofre uma transição
de nível BAIXO para ALTO, enquanto a entrada INC
permanece com nível ALTO. O CI DS1804 permite
pelo menos 50.000 operações de gravação na memória antes que ocorra o desgaste da mesma. Após
o desgaste, o CI DS1804 ainda funcionará e a posição do contato pode ser alterada naturalmente. Entretanto, a posição do contato não será armazenada
e será aleatória após cada energização do CI.
Teste seus conhecimentos (Figura 11-25)
RESUMO E REVISÃO DO CAPÍTULO
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
A disponibilidade de memória e capacidade
de armazenamento de dados são as razões
pelas quais dispositivos eletrônicos são
projetados com circuitos digitais em vez de
analógicos.
Os dispositivos internos de memória existentes em um computador existem na forma de
memórias RAM, ROM e NVRAM. A CPU contém
outros dispositivos de memória menores,
como registradores, contadores e latches.
Dispositivos externos de armazenamento de
memória são normalmente classificados de
acordo com o tipo de tecnologia empregada: magnéticos, mecânicos, ópticos e
semicondutores.
Disquetes, discos rígidos, fitas magnéticas, CD-ROMs, DVDs e memórias flash são exemplos de
dispositivos de armazenamento de memória.
Células de memória semicondutora são
classificadas como SRAM, DRAM, SDRAM,
ROM, EPROM, EEPROM, flash EEPROM, MRAM
e FRAM. Algumas características importantes
dos dispositivos de memória semicondutora são a densidade, confiabilidade, custo,
consumo de energia, capacidade de leitura ou
leitura/gravação, volatilidade/não volatilidade
e atualização de forma elétrica.
Uma memória RAM é um dispositivo de
memória com acesso aleatório de leitura/gravação. Existe na formas SRAM (RAM estática)
e DRAM (RAM dinâmica). As memórias DRAM
mais rápidas e SRAM mais lentas são classificadas como dispositivos voláteis.
Uma memória ROM é considerada um dispositivo de armazenamento permanente de dados
que possui apenas característica de leitura.
Uma memória ROM é semelhante à ROM,
mas pode ser gravada uma única vez. Existem
diversos tipos de memórias PROM, como
EPROM, EEPROM e NVSRAM. As memórias
PROM cujas siglas se iniciam com a letra “E”
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
podem ser apagadas eletricamente ou por
luz ultravioleta através de uma janela especial
transparente existente na parte superior do CI.
O processo de gravação armazena as informações na memória. O processo de leitura
detecta o conteúdo existente na célula de
memória.
A memória NVRAM (RAM não volátil) é
implementada em microcomputadores
utilizando-se memórias SRAM com suporte de
baterias, FRAM (RAM ferroelétrica) ou MRAM
(RAM magnetoresistiva).
Uma memória flash é um novo tipo de memória EEPROM de baixo custo que pode ser
rapidamente apagada e reprogramada sem a
necessidade de sua remoção do circuito. CIs de
memória flash são encapsulados na forma de
cartões ou módulos de memória.
Métodos de armazenamento externo de dados em computadores incluem fitas magnéticas, disquetes, discos rígidos, discos ópticos e
módulos ou cartões de memória flash.
Microcomputadores utilizam diversos tipos de
dispositivos RAM, ROM e NVRAM como memória interna. Disquetes, discos rígidos, CDs/
DVDs e módulos ou cartões de memória flash
são dispositivos de armazenamento comuns
empregados em computadores de pequeno
porte.
Um byte equivale a uma palavra de 8 bits.
Um gigabyte (GB) de memória representa um
bilhão de bytes (na realidade, 230 bytes). Um
megabyte de memória equivale a um milhão
de bytes (na realidade, 220 bytes). Um quilobyte
(kB) é igual a mil (na realidade, 210 ou 1024)
bytes de memória.
DIP, ZIP, SIP, SIMM, DIMM e RIMM são encapsulamentos de memória comuns. Cartões de
memória são normalmente encapsulados de
acordo com o padrão PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association).
capítulo 11
1.
Memórias
Resumo
363
16.
www
Um potenciômetro digital, que emprega uma
memória EEPROM, permite a mudança da
posição do cursor deslizante de forma digital,
sendo esta armazenada no interior da memória NV quando o dispositivo é desligado.
Questões de revisão do capítulo
Questões de pensamento crítico
11-1 Desenhe o diagrama de uma memória 32×8
na forma de uma tabela semelhante àquela da
Figura 11-4.
11-2 Cite pelo menos três tipos de memória de
somente leitura.
11-3 Por que muitos sistemas de computadores
possuem discos rígidos e leitores de disquetes?
11-4 Cite diversos cuidados que devem ser tomados com o manuseio de disquetes.
11-5 Se um computador possui 4 MB de memória
RAM, quantos bytes de leitura/gravação
existem?
Sistemas Sequenciais
www
364
Respostas dos testes
11-6 Explique a diferença entre software e firmware.
11-7 Explique a diferença entre uma memória ROM
programável por máscara e uma memória
PROM com elos fusíveis.
11-8 Explique a diferença entre memória UV EPROM
e EEPROM.
11-9 Por que os discos rígidos se tornaram o método de armazenamento de dados padrão na
maioria dos microcomputadores?
11-10 Cite diversos tipos de memória de leitura/gravação não voláteis.
capítulo 12
Sistemas digitais
Muitos dispositivos utilizados no cotidiano, como calculadoras, despertadores, relógios de pulso
digitais, telefones celulares, MP3 players e computadores são considerados sistemas digitais.
Calculadoras, relógios digitais e computadores são conjuntos de subsistemas, que incluem
contadores, memórias RAM e ROM, codificadores, decodificadores, clocks e decodificadores/
drivers com displays. A maioria desses dispositivos foi estudada em capítulos anteriores.
Este capítulo dedica-se à discussão de diversos sistemas digitais incluindo aspectos como
transferência de dados e princípios de operação. Sistemas digitais são constituídos de conjuntos
de subsistemas digitais.
Objetivos deste capítulo
Identificar seis elementos presentes na maioria dos sistemas digitais.
Descrever cada um dos elementos supracitados.
Descrever cada uma das escalas de integração de CIs digitais.
Analisar a operação dos circuitos de um jogo de dados digital.
Descrever a organização de um sistema de relógio digital.
Analisar a operação de um relógio digital incluindo circuitos divisores de frequência e displays
multiplexados.
Analisar a operação de um sistema contador de frequência digital.
Analisar a operação de um sistema temporizador LCD.
Responder questões relacionadas a termos utilizados na tecnologia boundary scan (JTAG).
Elementos de um sistema
A maioria dos sistemas mecânicos, químicos, fluidos e elétricos possui algumas características em
comum. Esses sistemas possuem uma ENTRADA e
uma SAÍDA, que por sua vez fornecem um produto, energia ou INFORMAÇÃO. O sistema completo é
organizado e sua operação é coordenada por uma
função de CONTROLE. A função de TRANSMISSÃO envia
produtos, energia ou informação. Sistemas mais
complexos também possuem uma função de ARMAZENAMENTO. A Figura 12-1 representa a organização geral de um sistema. Analise cuidadosamente
o diagrama, o qual pode representar sistemas de
qualquer natureza, seja em nível de transporte,
www
fluidos, escolas ou eletrônica. A transmissão de informações entre os dispositivos é representada por
linhas e setas coloridas. Note que essas transferências de dados sempre ocorrem em um sentido. É
comum utilizar setas duplas nas linhas de controle
para mostrar que a unidade de controle coordena
a operação do sistema, bem como é realimentada
por suas ações.
Sistemas digitais trabalham com a transmissão de
dados digitais como números e códigos. O sistema
genérico da Figura 12-1 auxiliará a explicação do
funcionamento de diversos sistemas digitais que
serão discutidos neste capítulo e no Capítulo 13 –
Sistemas de Computadores.
Teste seus conhecimentos
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Sistema digital de um CI
Anteriormente, aprendemos que todos os sistemas
digitais podem ser representados a partir de portas
AND, OR e inversores. Além disso, foi mostrado que
fabricantes disponibilizam subsistemas na forma
de um único CI (como contadores, registradores
e assim por diante). Entretanto, há alguns CIs que
também contêm sistemas digitais completos.
Os circuitos integrados digitais menos complexos
são classificados como INTEGRAÇÃO EM PEQUENA ESCALA (small-scale integration – SSI). A complexidade de
um circuito do tipo SSI compreende menos de 12
portas lógicas ou dispositivos semelhantes. A integração em pequena escala utiliza as portas lógicas
e CIs contendo flip-flops que foram anteriormente
estudados.
A INTEGRAÇÃO EM MÉDIA ESCALA (medium-scale integration – SSI) possui complexidade relacionada à
utilização de 12 a 99 portas lógicas. CIs classificados como MSI pertencem ao grupo de pequenos
subsistemas. Exemplos típicos incluem somadores,
registradores, comparadores, conversores de códigos, contadores, seletores de dados/multiplexadores e pequenas memórias RAM. A maioria dos CIs
que foi estudada até agora é do tipo SSI ou MSI.
Sistemas Sequenciais
Controle
366
Entrada
Armazenamento
Transmissão
Figura 12-1 Elementos de um sistema.
Processamento
Armazenamento
Saída
A INTEGRAÇÃO EM GRANDE ESCALA (large-scale integration – LSI) possui complexidade relacionada à utilização de 100 a 9999 portas lógicas. Nesse caso, um
subsistema de maior porte ou um sistema digital
mais simples pode ser implementado em um único
CI. Exemplos típicos consistem em relógios digitais,
calculadoras, microcontroladores e memórias do
tipo ROM, RAM, PROM, EPROM e flash.
A INTEGRAÇÃO EM ESCALA MUITO GRANDE (very large-scale
integration – VLSI) possui complexidade relacionada
à utilização de 10.000 a 99.999 portas lógicas em
um único CI. CIs VLSI normalmente consistem em
sistemas digitais encapsulados em um único chip. O
termo “chip” refere-se a um pequeno pedaço de silício (provavelmente correspondente a um quadrado
cujos lados são de ¼ de polegada) contendo todos
os circuitos eletrônicos em um CI. Chips com elevada
capacidade de memória e microprocessadores avançados são exemplos de CIs VLSI.
A INTEGRAÇÃO EM ESCALA ULTRAGRANDE (very ultra-large-scale integration – VLSI) possui complexidade relacionada à utilização de mais de 100.000 portas lógicas em um único CI. Vários fabricantes definem os
termos SSI, MSI, LSI, VLSI e ULSI de formas distintas.
Teste seus conhecimentos
A eletrônica tem sido um hobby popular por mais
de meio século. Um das atividades favoritas dos
entusiastas do ramo é o desenvolvimento de jogos
eletrônicos. Jogos e brinquedos eletrônicos têm
sido objeto de interesse de muitos estudantes de
eletrônica em universidades e escolas técnicas.
Jogos eletrônicos podem ser classificados em jogos simples independentes ou jogos de computador, arcade (fliperama) e consoles (TV). Esses jogos
independentes são desenvolvidos por estudantes
e hobbystas. Diversos jogos digitais eletrônicos
simples utilizando CIs digitais SSI e MSI serão abordados nesta seção.
Jogo de dados simples
O diagrama de blocos de um JOGO DE DADOS DIGITAL
é representado na Figura 12-2. Quando o botão é
pressionado, um sinal de clock é enviado para o
contador, que é projetado para uma sequência de
contagem 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 2, 3 e assim por diante. A
saída binária do contador é traduzida em código de
sete segmentos pelo bloco decodificador, que também contém o driver do display de sete segmentos.
Quando a chave que representa o botão é aberta, o
contador interrompe a contagem em um número
aleatório entre 1 e 6, simulando o arremesso de um
dado. O numero binário armazenado no contador
é decodificado e exibido no display como um valor
decimal. Esse circuito também podem ser projeta-
Sistemas digitais
Jogos digitais
capítulo 12
www
Na década de 1960, famílias de CIs digitais foram
desenvolvidas com as tecnologias SSI e MSI. No final dessa década, a tecnologia LSI foi empregada
no desenvolvimento de vários CIs especializados.
A elevada produção de CIs LSI incluiu relógios,
calculadores e memórias em um único chip. Após
o desenvolvimento de CHIPS PARA CALCULADORAS, a
arquitetura de um computador foi projetada em
um único chip denominado MICROPROCESSADOR,
que constitui a CPU de um computador. As melhorias no projeto de microprocessadores e na
fabricação de CIs possibilitaram a criação da última geração de microprocessadores que contêm
o equivalente a dezenas de milhões de transistores. Na década de 1980, fabricantes combinaram
diversas partes de um sistema de computador
(como CPU, RAM, ROM e entrada/saída) em um
único CI de baixo custo. Esses “pequenos computadores” encapsulados em um único CI foram utilizados para aplicações de controle, mas não em
computadores de uso geral. Esses dispositivos
são denominados MICROCONTROLADORES, o quais
juntamente com os computadores serão analisados no Capítulo 13.
367
ENTRADA
Clock
SAÍDA
Aperte para
“lançar” os dados
Contador
(1-6)
Decodificador/
driver
Figura 12-2 Diagrama de blocos simples de um jogo de dados digital.
do de modo a simular o arremesso de dois dados
simultaneamente.
O circuito que representa o jogo de dados digital
é mostrado na Figura 12-3. Ao pressionar a chave
de entrada, inicia-se uma sequência de contagem
binária 001, 010, 011, 100, 101, 110, 001, 010, 011 e
assim por diante. Quando a chave é aberta, a última
contagem binária é armazenada nos flip-flops do
contador 74192. O valor é então decodificado pelo
CI 7447, de modo que o display de sete segmentos
a LEDs é aceso.
O CI temporizador 555 é utilizado como multivibrador astável na Figura 12-3, gerando uma forma
de onda retangular de 600 Hz.
Sistemas Sequenciais
O CI 74192 é utilizado como contador mod-6 crescente (de 1 a 6). A porta NAND de três entradas é
ativada quando a contagem chega ao número
binário 111. Assim, o sinal BAIXO proveniente da
porta NAND carrega o próximo número na sequência de contagem, que corresponde ao valor binário 001. Deve-se observar que todas as três saídas
do contador (QA, QB, QC) tornam-se ALTAS apenas
durante um intervalo de tempo muito curto (inferior a um microssegundo), enquanto o contador é
carregado com o valor 0001. Portanto, a contagem
binária temporária 111 nunca chega a ser exibida
como 7 no display a LEDs.
368
O decodificador BCD para sete segmentos 7447
converte as entradas binárias (A, B, C) em código
de sete segmentos. O CI 7447 aciona os segmentos
com saídas ativas-BAIXAS (a até g). Os sete resistores de 150 Ω limitam a corrente nos LEDs em valores seguros. Note que o display de sete segmentos
a LEDs utilizado na Figura 12-3 possui configuração
anodo comum.
Outro jogo de dados
O jogo de dados digital da Figura 12-3 utiliza CIs
TTL com um display de sete segmentos que não
representa um jogo real de forma adequada. Outro
jogo mais realista pode ser implementado com o
circuito mostrado nas figuras 12-4 e 12-5.
O diagrama de blocos do segundo jogo de dados
digital é ilustrado na Figura 12-4(a), o qual emprega LEDs individuais na saída.
Ao liberar o botão na Figura 12-4(a), o circuito de
clock gera um sinal com forma de onda quadrada,
que por sua vez aciona a contagem decrescente
6, 5, 4, 3, 2, 1, 6, 5, 4 e assim por diante. O bloco
digital acende os LEDs adequados para representar valores decimais variados. O padrão de acionamento dos LEDs para cada valor é representado
na Figura 12-4(b).
O diagrama esquemático do segundo jogo de dados
digital é apresentado em detalhes na Figura 12-5. O
circuito emprega um CI CMOS da série 4000 e uma
fonte de alimentação de 12 V. A chave à esquerda
corresponde ao dispositivo de entrada, enquanto os
LEDs (D1 a D7) à direita constituem a saída. Fisicamente, os LEDs são arranjados da forma representada no canto inferior direito da Figura 12-5.
Quando a chave que permite “lançar os dados” é
acionada, as duas portas NAND do tipo Schmitt
trigger à esquerda da Figura 12-5 produzem um
forma de onda quadrada de 100 Hz. As duas portas
369
2
6
7
1
Clock
(555)
4
8
3
600 Hz
ENTRADA
5 V
D
C
B
A
CLR
(74192)
QC
QB
QA
GND
Contador
(1–6)
Contagem
crescente
Carga
VCC
5 V
7410
capítulo 12
Sistemas digitais
Figura 12-3 Diagrama esquemático de um jogo de dados digital prático utilizando CIs TTL.
0,033 ␮F
10 k
33 k
5 V
4s
2s
1s
C
B
A
a
Entrada D GND
(7447)
g
g
e
d
c
b
a
f
150 f
e
Decodificador/ b
driver de BCD c
para sete
d
segmentos
VCC
5 V
Display a LEDs
SAÍDA
Anodo
5 V
SAÍDA
12 V
ENTRADA
Contador
(6–1)
Clock
Bloco
lógico
LEDs
Aperte para
“lançar” os dados
(a)
1
2
4
3
5
6
(b)
Figura 12-4 Jogo eletrônico de simulação de dados. (a) Diagrama de blocos simples. (b) Padrões dos LEDs
utilizados na representação dos números 1 a 6 no dado.
Sistemas Sequenciais
NAND associadas com resistores e capacitores formam um MV astável. O sinal de 100 HZ é aplicado
na entrada de clock do CONTADOR BINÁRIO/DE DÉCADA
CRESCENTE/DECRESCENTE PRÉ-AJUSTÁVEL. Nesse circuito,
o CI 4029 é empregado com um contador decrescente cujas saídas produzem a contagem binária
110, 101, 100, 011, 010, 001, 110, 101, 100 e assim
por diante.
370
Considere o caso onde o contador decrescente
da Figura 12-5 atinge a contagem binária 001. Na
próxima transição do pulso de clock do nível BAIXO para ALTO, a saída de transporte (pino 7) do CI
4029 assumirá nível BAIXO. Esse sinal é realimentado e aciona o transistor Q1. Isso torna a entrada de
ativação de pré-ajuste ALTA. Dessa forma, os dados
nas entradas J4, J3, J2 e J1 são assincronamente
carregados nos flip-flops dos contadores. Nesse
exemplo, o valor binário 0110 é carregado no pulso
de pré-ajuste. Quando os flip-flops são carregados,
a saída de transporte assume nível ALTO novamente e o transistor Q1 é desligado.
As seções finais do jogo de dados eletrônico à direita da Figura 12-5 possuem muitos componentes. A tabela da Figura 12-6 indica os níveis lógicos
existentes na saída do contador 4029. A linha superior da tabela mostra o valor binário 110 (HHL)
armazenado nas posições 4s, 2s e 1s do flip-flop.
A coluna do meio na tabela menciona apenas os
componentes que são ativados para acender os
LEDs adequados.
Observe a primeira linha da tabela da Figura 12-6.
A saída da porta NAND torna-se BAIXA, o que aciona o transistor PNP Q2. Assim, todos os seis LEDs
(D2 a D7) à direita da Figura 12-5 acendem, simulando o número 6 exibido na face de um dado.
Considere a segunda linha da tabela da Figura 126. Os dados binários correspondem a 101 (HLH). O
nível ALTO na linha 1s (pino 6) aciona o transistor
Q5, acendendo o LED D1. A saída da porta NAND
torna-se ALTA, de modo que ambas as chaves bilaterais são fechadas (baixa impedância entre in/out
e out/in). As chaves bilaterais transferem os níveis
lógicos das linhas 2s e 4s para as bases dos transistores Q4 e Q3. O transistor Q3 é ativado pelo nível
ALTO e passa a conduzir. Os diodos emissores de
luz D2, D3, D4 e D5 acendem. O número decimal
5 é representado quando os cinco LEDs acendem
(D1 a D5).
371
Aperte para
“lançar” os
dados
ENTRADA
100 k
2,2 k
10 ␮F
2
1
4093
3 1N914
5
6
0,047 ␮F
4093
330 k
68 k
4
100 Hz
b
100 k
2N3906
PNP
Q1
15
Clock
J4
3
J2
12
(4029)
Contador
decrescente
(6-1)
VDD
16
12 V
J3
Q3
Q2
Q1
4
5
9
Pulso de pré-ajuste
8
10
6
14
11
Saída de 7
transporte
13
Binário/ Crescente/
Entrada de
J1 transporte VSS década decrescente
c 1 Habilitar
pré-ajuste
e
12 V
capítulo 12
Sistemas digitais
Figura 12-5 Diagrama esquemático de um jogo eletrônico de simulação de dados (Cortesia de Graymark, Inc.).
12 V
4
1
47 k
9
3
4,7 k
47 k
D4
D3
D6
b
2N3904
NPN
D7
SAÍDA
D1
b
2N3904
NPN
L aberto
H fechado
47 k
Q5
D5
10
3
2
e
c
D2
4093
5
Controle
out/in
CHB
4016
in/out
8
out/in
Controle
in/out
CHA
4016
b
2N3904
NPN
820 Q3
390 Q4
D7
D6
D5
D4
D3
c
e
12 V
D2
150 b
2N3906
PNP
e
c
e
c
680 D1
Q2
SAÍDA
ENTRADAS
4s
(Pino 14)
2s
(Pino 11)
1s
(Pino 6)
H
H
L
H
L
H
H
L
L
L
H
H
L
H
L
L
L
H
COMPONENTES ATIVOS
LEDS ACESOS
DECIMAL
Porta NAND com saída BAIXA
Transistor Q2 ligado
D2, D3, D4, D5, D6, D7
Transistor Q5 ligado
D1
Chave bilateral CHB fechada
Transistor Q3 ligado
D2, D3, D4, D5
5
Chave bilateral CHB fechada
Transistor Q3 ligado
D2, D3, D4, D5
4
Transistor Q5 ligado
D1
Chave bilateral CHB fechada
Transistor Q4 ligado
D2, D3
3
Chave bilateral CHB fechada
Transistor Q4 ligado
D2, D3
2
Transistor Q5 ligado
D1
1
6
Figura 12-6 Explicação das seções lógica e de saída de um jogo eletrônico de simulação de dados.
Pode-se analisar as demais linhas da tabela da Figura 12-6 para compreender a operação lógica
desse jogo de dados digital CMOS.
O CI 4016 empregado na Figura 12-5 é considerado
pelo fabricante como uma CHAVE BILATERAL QUÁDRUPLA, que consiste em uma chave de polo simples e
contato simples. Um nível ALTO existente na entrada de controle da chave bilateral 4016 causa seu
fechamento ou ativação. Na posição “fechada”, a
www
Teste seus conhecimentos
Sistemas Sequenciais
Relógio digital
372
resistência interna entre os terminais in/out e out/
in é muito pequena (sendo 400 Ω um valor típico).
Um nível BAIXO aplicado na entrada de controle do
dispositivo é capaz de desativá-lo e a chave passa
a estar aberta. Diferentemente de uma porta lógica, uma chave bilateral é capaz de transferir dados
em ambas as direções, permitindo a transmissão
de sinais CA ou CC. Uma chave bilateral também é
chamada de PORTA LÓGICA DE TRANSMISSÃO.
Anteriormente, mostramos um relógio eletrônico
digital, o qual é constituído de diversos contadores. A Figura 12-7(a) representa o diagrama de bloco simples de um relógio digital. Alguns relógios
utilizam a frequência da rede CA de 60 Hz como
entrada ou padrão de frequência. Esse valor de frequência é dividido em segundos, minutos e horas
pelo circuito DIVISOR DE FREQUÊNCIA do relógio. Os
valores armazenados nos acumuladores de contagem (segundo, minutos e horas) são então decodificados e o horário correto é exibido nos displays de
saída. O relógio digital possui todos os elementos
existentes em um sistema típico. A entrada corresponde a um sinal CA de 60 Hz. O processamento
ocorre no divisor de frequência, ACUMULADORES DE
CONTAGEM e decodificadores. O armazenamento é
SAÍDAS
ENTRADA
60 Hz
Divisor de
frequência
Acumuladores
de contagem
Decodificador/
drivers
Displays digitais
de tempo
Ajuste
de tempo
(a)
Horas
SAÍDAS
Minutos
Segundos
Decodificador/
drivers
Decodificador/
drivers
Decodificador/
drivers
Acumulador
de contagem
0–23
ENTRADA
Acumulador
de contagem
0–59
1 pulso/
hora
1 pulso/
minuto
Divisão
por 60
Divisão
por 60
Acumulador
de contagem
0–59
1 pulso/
segundo
Divisor de frequência
60 Hz
Divisão
por 60
Segundos
Minutos
Horas
Ajuste de
tempo
Fechado ajuste de adiantamento
(b)
Anteriormente, mencionamos que todos os sistemas digitais são constituídos de portas lógicas, flip-flops e subsistemas. O diagrama da Figura 12-7(b)
mostra como os subsistemas são organizados para
exibir o horário na forma de horas, minutos e segundos, sendo que esse diagrama mais detalhado
também representa um relógio digital. A entrada
ainda corresponde a um sinal de 60 Hz, que pode
ser obtido a partir da baixa tensão existente no
enrolamento secundário de um transformador. A
frequência de 60 Hz é dividida por 60 pelo primeiro
circuito divisor e sua saída corresponde a um pulso
por segundo. Esse pulso é então aplicado no contador crescente, realizando uma contagem de 00 a
59 reinicializada em 00. Os contadores de segundo
são então decodificados e os valores são exibidos
nos dois displays de sete segmentos mostrados no
canto superior direito da Figura 12-7(b).
capítulo 12
realizado pelos acumuladores de contagem. A seção de controle corresponde ao controle de ajuste
de tempo, como mostra a Figura 12-7(a). A seção
de saída corresponde ao display digital.
Sistemas digitais
Figura 12-7 (a) Diagrama de blocos simplificado de um relógio digital. (b) Diagrama de blocos detalhado de
um relógio digital.
373
Considere o CIRCUITO DIVISOR DE FREQUÊNCIA existente
no meio da Figura 12-7(b). A entrada desse circuito
divisor por 60 é 1 pulso por segundo e a saída corresponde a um pulso por minuto. Essa saída é então
transferida para o contador de 0 a 59 minutos. O
contador crescente em questão é responsável por
realizar a contagem de minutos de 0 a 59 e depois
reinicializá-la. A saída do acumulador de contagem
de minutos é decodificada e o resultado é exibido
nos dois displays de sete segmentos mostrados na
parte superior central da Figura 12-7(b).
da Figura 12-7(b). Certamente, você notou que esse
é um relógio digital que exibe o horário no formato
de 24 horas. O circuito pode ser facilmente convertido em um relógio que exibe o horário no formato
de 12 horas trocando-se o acumulador de contagem de 0 a 23 por outro dispositivo semelhante que
realize a contagem de 1 a 12.
Para ajustar o horário, o controle de ajuste de
tempo foi incluído no relógio digital da Figura
12-7(b). Quando a chave está fechada (uma porta
lógica pode também ser empregada), o display
apresenta contagem crescente com uma taxa
mais rápida. Assim, o horário pode ser ajustado
rapidamente. A chave em paralelo (bypass) contorna o primeiro circuito divisor de frequência
por 60 de forma que o horário do relógio é adiantado cerca de 60 vezes mais rápido que o normal.
Um circuito de ajuste ainda mais rápido pode ser
obtido com chaves colocadas em paralelo com o
primeiro e o segundo divisor de frequência. Essa
Agora, vamos analisar o circuito divisor por 60 à direita da Figura 12-7(b). A entrada desse divisor de
frequência corresponde a um pulso por minuto,
sendo que sua saída é representada por 1 pulso por
hora. Essa saída é transferida para o contador de horas à esquerda, que por sua vez realiza a contagem
de horas de 0 a 23. A saída desse contador é decodificada e transferida para os dois displays de sete
segmentos mostrados na parte superior esquerda
60 Hz
10 Hz
6
1 Hz
10
Contador
módulo 6
Contador
de década
(a)
Contador divisor por 6
Contador divisor por 10
1
5 V
5
3
CLR
J
Sistemas Sequenciais
60 Hz
374
VCC
Q
FF1
CLK
1
CLR
J
6
FF2
CLK
GND
13
CLR
J
11
K
Q
QD
Contador
5
15
FF3
CLK
1
(7476)
(7476)
(7476)
K
Q
5 V
16
5 V
5
3
8
15
3
7400
2
K
GND
13
10 Hz
5 V
1 Hz
Contagem
crescente
(74192)
Carga
11
7
GND
8
Limpar
14
(b)
Figura 12-8 Contador divisor por 60. (a) Diagrama de blocos. (b) Diagrama esquemático utilizando CIs TTL.
última técnica é normalmente empregada em
relógios digitais.
o acumulador da contagem de horas corresponde a
um contador de década conectado em cascata com
um contador de 0 a 2. O contador de década aciona
a casa 1s do display de horas, enquanto o contador
mod-3 é responsável por ativar a casa 10s.
O que há no interior dos circuitos divisores de frequência por 60 da Figura 12-7(b)? No Capítulo 8 do
volume 1, foi mencionado que um contador pode
ser utilizado como divisor de frequência. A Figura
12-8(a) representa um diagrama de blocos que
mostra como esse circuito é organizado. Note que
um contador divisor por 6 alimenta um contador
divisor por 10, de modo que o arranjo completo divide a frequência por 60. Nesse exemplo, um sinal
de 60 Hz aplicado na entrada passa a ser exibido
como uma forma de onda de 1 Hz na saída.
Em muitos relógios digitais práticos, a saída é apresentada apenas no formato de horas e minutos, e
esses dispositivos são implementados com base
em CIs de baixo custo. Chips de relógios digitais do
tipo LSI possuem divisores de frequência, acumuladores de contagem e decodificadores existentes
em um único encapsulamento. Por um preço um
pouco maior, é possível adquirir chips que possuem muitas outras características, como exibição
do horário nos formatos 12 h e 24 h, calendário,
funções de alarme e rádio.
O diagrama esquemático detalhado do circuito
divisor de frequência por 60 é mostrado na Figura
12-8(b). Os três flip-flops J-K e a porta NAND formam um contador divisor por 6, enquanto o CI
contador de década 74192 atua como um divisor
por 10. Se um sinal de 60 Hz é aplicado à esquerda,
a frequência na saída QD do contador 74192 será
reduzida a 1 Hz.
Uma característica que pode ser incluída em um relógio digital é mostrada na Figura 12-9(a). Um circuito gerador de formas de onda é inserido no diagrama de blocos do relógio digital. Os contadores
do CI que representam os divisores de frequência
não funcionam adequadamente com uma entrada
senoidal. A forma de onda senoidal (mostrada à
esquerda da Figura 12-9(a)) possui um tempo de
subida pequeno que é incapaz de disparar o contador adequadamente. Assim, o sinal senoidal deve
ser convertido em uma forma de onda quadrada,
sendo utilizado um circuito gerador de forma de
Divisores de
frequência
Acumuladores
de contagem
Decodificadores/
drivers
Displays
(a)
SAÍDA
Conexão com
os divisores
de frequência
ENTRADAS
Controle
0 Parar contagem
1 Iniciar contagem
NOTA: As entradas CA correspondem
a tensões baixas
(b)
Figura 12-9 Gerador de formas de onda. (a) Inclusão de um circuito gerador de formas de onda na entrada de
um relógio digital. (b) Inversor Schmitt trigger utilizado como gerador de formas de onda.
Sistemas digitais
60 Hz
Circuito
gerador
de forma
de onda
capítulo 12
Os acumuladores de contagem de segundos e minutos na Figura 12-7(b) também são contadores. O
contador de 0 a 59 corresponde a um contador de
década conectado em cascata com um contador de
0 a 5. O contador de década aciona a casa 1s dos displays, enquanto o contador mod-6 é responsável por
ativar as respectivas casa 10s. De forma semelhante,
375
onda para tal finalidade. A partir de sua utilização,
a forma de onda passa a disparar o circuito divisor
de frequência adequadamente.
Chips LSI comerciais usados em relógios digitais
possuem circuitos geradores de formas de onda
internos. Em laboratório, pode-se utilizar um CI
inversor Schmitt trigger para converter o sinal senoidal em uma forma de onda quadrada, de forma semelhante ao que foi feito no Capítulo 7 do
volume 1. Um circuito gerador de formas de onda
simples é representado na Figura 12-9(b), o qual
emprega o CI INVERSOR SCHMITT TRIGGER TTL 7414 e
também possui um terminal de controle de início/
www
parada. Quando essa entrada de controle possui
nível ALTO, a onda quadrada proveniente do inversor Schmitt trigger é aplicada na porta AND.
Quando há um nível BAIXO aplicado nessa entrada, a forma de onda quadrada não é aplicada na
porta AND e o contador é interrompido.
É interessante adquirir conhecimento prático sobre a utilização de contadores em divisores de
frequência. Lembre-se que o subsistema contador
possui duas funções no dispositivo digital: DIVISÃO
DE FREQUÊNCIA e contagem crescente com ACUMULAÇÃO ou armazenamento do número de pulsos aplicados em sua entrada.
Teste seus conhecimentos
Relógio digital LSI
O chip LSI em relógios digitais consiste no coração
desses dispositivos digitais modernos. Esses chips
são fabricados na formas CIs MOS monolíticos.
Muitas vezes, o chip é montado como um CI DIP de
18, 24, 28 ou 40 pinos. Em outros casos, o chip LSI
MOS é montado diretamente na placa de circuito
impresso de um módulo de relógio. A pequena
pastilha de silício é selada com um revestimento
22
Display de
quatro dígitos
7
Placa de
circuito
impresso
Sistemas Sequenciais
1
376
1
Conectores
na borda
12
(a)
Pastilha de
silício selada
com epoxy
(b)
6
Figura 12-10 (a) Relógio LSI em encapsulamento DIP de 24 pinos. (b) Módulo relógio típico contendo uma
pastilha MOS/LSI.
Entrada de 50 ou 60 Hz
(pino 16)
Um sinal CA puro convencional ou retificado é
aplicado nessa entrada. O circuito gerador de formas de onda gera um sinal quadrado, acionando
uma série de contadores responsáveis pela temporização.
Entrada de seleção de 50 ou
60 Hz (pino 11)
Essa entrada programa a escala de divisão do contador em 50 ou 60 Hz para se obter 1 Hz na saída
ou 1 pulso por segundo. O contador é programado
para operação em 60 Hz quando essa entrada é
conectada em VDD (GND). Se o pino de seleção de
50 ou 60 Hz permanece desconectado, o relógio é
programado em 50 Hz.
Nesse CI, há entradas de ajuste lento e rápido, bem
como uma entrada de bloqueio. Essas entradas são
ativadas quando conectadas a VDD (GND). Em geral,
uma chave normalmente aberta do tipo botão de
pressão interliga esses pinos a VDD. As três portas
na cadeia de contadores são utilizadas no ajuste de
tempo. Para um ajuste lento, o contador de escala
é contornado. Para o ajuste rápido, os contadores
de escala e segundos são ambos contornados. A
entrada de bloqueio impede que qualquer sinal
seja transferido da porta A para o contador de escala. Dessa forma, os contadores são parados e o
tempo não avança no display de saída.
Entrada de seleção de modo
12 h ou 24 h (pino 10)
Essa entrada é utilizada para que o contador de
horas efetue a divisão por 12 ou 24. O formato
12 h é selecionado conectando-se essa entrada a
VDD (GND). Se o pino encontra-se desconectado, o
modo 24 h é exibido.
Operação do multiplexador
de saída (pinos 3 a 9 e 17 a 22)
Os contadores de segundos, minutos e horas
representam o tempo que transcorre continuamente. As saídas de cada contador são multiplexadas para fornecer acesso sequencial aos dados
de tempo bit a bit. Em outras palavras, apenas um
único display correspondendo a um dígito é ligado
por um curto período de tempo, seguido pelo segundo display, terceiro display e assim por diante.
Ao se multiplexar os displays em vez de utilizar 48
terminais para os seis dispositivos existentes (8 pinos×6 displays48), apenas 13 pinos de saída são
necessários. Essas 13 saídas correspondem às saídas de sete segmentos multiplexadas (pinos 3 a 9)
e às saídas de ativação dos dígitos (pinos 17 a 22).
Sistemas digitais
O diagrama de blocos do CI relógio LSI MOS
MM5314 fabricado por National Semiconductor
é mostrado na Figura 12-11(a). O respectivo diagrama de pinos é apresentado na Figura 12-11(b).
Observe a Figura 12-11(a) e (b) para verificar a descrição funcional dos pinos do CI, de acordo com a
explicação dada a seguir.
Entradas de ajuste de
tempo (pinos 13, 14 e 15)
capítulo 12
de epoxy. Exemplos dos dois encapsulamentos são
mostrados na Figura 12-10. Um CI relógio digital
LSI MOS com encapsulamento DIP de 24 pinos é
mostrado na Figura 12-10(a). O pino 1 do CI DIP
é identificado da forma convencional, localizado
considerando o sentido anti-horário a partir do
chanfro. Um módulo de relógio é ilustrado na Figura 12-10(b), onde a parte traseira representa uma
placa de circuito impresso com 22 conectores na
borda com a devida numeração. Um display a LEDs
de quatro dígitos é previamente soldado na placa.
Alguns módulos de relógio possuem componentes
discretos e um CI DIP montados sobre a superfície
da placa. O módulo de relógio da Figura 12-10(b)
possui uma pastilha ou chip pequeno montado
sobre a placa que é selada com um revestimento
protetor de epoxy.
377
Seleção de
50/60 Hz
Contador de escala
Manter
Entrada de
50/60 Hz
Circuito
gerador
de formas
de onda
Porta
A
5 ou 6
10
1 pulso por
segundo
Ajuste de
atraso
Ajuste de
adiantamento
Reinicialização
Porta
B
1 pulso
por
Contador de minuto
segundos
( 60)
Contador de
minutos
( 60)
Porta
C
1 pulso
por
hora
Seleção de modo
12/24 horas
Contador
de horas
( 12 ou 24)
Supressão
de zero
(+12 V) VSS
Multiplexador de segundos, minutos e horas
(GND) VDD
Habilitar
saída
Decodificador
Seleção de
dígito 4/6
Entrada de
temporização
multiplexada
Oscilador
multiplicador
Memória ROM
programável
Divisor/
decodificador
multiplexado
Saídas de 7
segmentos
multiplexadas
Saídas de
habilitação
de dígitos
(a)
Habilitar saída
1
24 Seleção de dígito 4/6
Alimentação () VDD
2
23 Temporização MUX
a
3
22 M1
b
4
21 M10
c
5
20 H1
d
6
19 H10
e
7
18 S1
f
8
17 S10
g
9
16 Entrada de 50/60 Hz
Sistemas Sequenciais
Saídas de
7 segmentos
multiplexadas
378
Seleção de modo 12/24 horas 10
Saídas de
habilitação
de dígitos
15 Ajuste de adiantamento
Seleção de 50/60 Hz 11
14 Ajuste de atraso
Alimentação () VSS 12
13 Manter
(b)
Figura 12-11 (a) Diagrama de blocos funcional de um relógio MOS/LSI MM5314. (b) Diagrama de pinos do CI
relógio digital MM5314.
12
VSS
C
Clock
23
Temporização
MUX
(MM5314)
R
VDD
2
Figura 12-12 Inserção de um resistor e um capacitor externos para ajustar a frequência do oscilador
multiplexador do CI relógio MM5314.
Entrada de ativação da
saída (pino 1)
Acrescentando-se um resistor e um capacitor ao
CI MM5314, obtém-se um OSCILADOR DE RELAXAÇÃO,
como mostra a Figura 12-12. Valores típicos desses
componentes são da ordem de 470 kΩ e 0,01 μF.
Quando esse pino não está conectado, as saídas
de sete segmentos estão ativadas. Ao aplicar VDD
(GND) a essas entradas, as saídas são desabilitadas.
Entrada de seleção de
quatro/seis dígitos (pino 24)
Entradas de alimentação
(pinos 2 e 12)
Essa entrada controla o MUX. Quando não está conectada, apenas quatro dígitos são exibidos. Por
outro lado, quando essa entrada é conectada a VDD
(GND), obtém-se um display com seis dígitos.
Uma fonte de alimentação não regulada entre 11 e
19 V aciona o CI relógio. O terminal positivo da fonte corresponde a VSS (pino 12), enquanto o terminal
negativo é representado por VDD (pino 2).
www
Teste seus conhecimentos
Sistemas digitais
Entrada de temporização do
multiplexador (pino 23)
12 V
capítulo 12
O multiplexador (MUX) é endereçado por um DIVISOR/DECODIFICADOR MULTIPLEXADO, acionado por um
oscilador. Esse dispositivo emprega elementos externos (um capacitor e um resistor) para ajustar a
frequência da função de multiplexação. A entrada
de seleção de quatro/seis dígitos controla o MUX
caso todos os seis ou apenas quatro displays sejam
acionados em sequência. O circuito de supressão
de zeros evita a exibição do algarismo 0 que normalmente apareceria no display que representa
as dezenas de horas. Os endereços do MUX também se tornam as saídas de ativação dos dígitos
do display (pinos 17 a 22). As saídas do MUX são
aplicadas a um decodificador responsável por endereçar uma memória PROM, que por sua vez gera
o código de saída na forma de sete segmentos. Os
displays são ativados em sequência a partir da unidade de segundos através do display que representa as dezenas de horas.
379
Sistema prático de um
relógio digital LSI
o anodo comum do display S10 é ativado, isto é, conectado a VSS. Um número decimal 5 é exibido no
display S10, como mostra a Figura 12-14(b).
Um RELÓGIO DE SEIS DÍGITOS usando o CI MM5314 é representado na Figura 12-13(a). O dispositivo emprega seis displays de sete segmentos a LEDs na configuração anodo comum. Note também a existência
de diversos componentes adicionais no circuito. O
diagrama de blocos desse sistema é representado
na Figura 12-13(b), sendo que o CI MM5314 fabricado por National Semiconductor é utilizado. A frequência de 60 Hz é dividida em segundos, minutos
e horas pelos contadores mostrados na parte superior da Figura 12-13(b), os quais alimentam o MUX.
O OSCILADOR localizado no canto superior esquerdo
produz uma frequência de aproximadamente 1 kHz.
Os displays são ativados um de cada vez pelo decodificador multiplexado e o driver dos dígitos.
Simultaneamente, o arranjo conjunto MUX-decodificador-PROM ativa os segmentos adequados de
acordo com o conteúdo dos contadores. Observe a
Figura 12-14, onde é representado um ciclo completo para os seis displays. A sequência completa
(de a até f) ocorre mais de 100 vezes por segundo.
A multiplicação ou varredura ocorre rapidamente,
de modo que o olho humano não é capaz de notar
os displays piscando.
Sistemas Sequenciais
Externamente ao chip de relógio MM5314, há seis
displays de sete segmentos a LEDs na configuração anodo comum. Em virtude das correntes mais
altas que circulam pelos displays a LEDs, DRIVERS DE
SEGMENTOS são utilizados para drenar a corrente dos
catodos dos displays. Os drivers dos dígitos fornecem a corrente adequada para os anodos do dígito
selecionado.
380
Para explicar o funcionamento do MUX, suponha
que o horário seja 12:34:56 e essa informação é
armazenada pelos contadores existentes no CI. I O
decodificador multiplexado seleciona inicialmente
o display S1. Os dados são retirados do contador S1
pelo MUX e inseridos no decodificador e na memória PROM. Os segmentos c, d, e, f e g são ativados
em todos os displays. O decodificador multiplexado
ativa apenas a conexão S1 do driver dos dígitos. O
numero 6 é exibido por um instante, como mostra
a Figura 12-14(a). Os segmentos c, d, e, f e g foram
ativados em todos os displays, mas apenas o display
S1 foi efetivamente acionado, cujo anodo comum
foi conectado a VSS. Assim, apenas o display S1
acende.
Em seguida, o decodificador multiplexado do CI
seleciona o display S10. Assim, o MUX encontra o
dígito 5 armazenado no contador S10. O driver dos
segmentos aciona os segmentos a, c, d, f e g. Então,
O diagrama esquemático do relógio digital utilizando o CI MM5314 é apresentado na Figura 12-15.
Um transformador abaixador de 12 V (T1) associado a uma ponte retificadora (D1-D4) e o um capacitor de filtro (C1) constituem a fonte de alimentação
CC do relógio. Uma tensão alternada proveniente
do transformador é aplicada na entrada de 50/60
Hz (pino 16) do CI através do resistor R3. O capacitor C3 e o resistor R4 determinam a frequência do
oscilador do multiplexador. A escolha de um valor
de capacitância muito grande para C3 (entre 1 e 5
μF) reduz a velocidade do processo de multiplexação a um ponto que é possível visualizar o acendimento de cada display em sequência.
As chaves normalmente abertas do tipo botão de
pressão para ajuste rápido, ajuste lento e bloqueio
(S2, S3 e S4) estão localizadas no canto superior esquerdo da Figura 12-15. A ação (ajuste rápido, ajuste lento e bloqueio) é ativada quando esses pinos
são conectados a VDD pela chave.
Os drivers dos segmentos correspondem a sete transistores NPN (Q7 a Q13) localizados à direita do CI na
Figura 12-15. Esses transistores absorvem corrente
dos displays quando são ativados. Os DRIVERS DOS
DÍGITOS são representados por seis transistores PNP
(Q1 a Q6) localizados no canto superior esquerdo da
Figura 12-15. Esses transistores conectam o anodo de
apenas um display de cada vez a VSS. Os drivers dos
dígitos acionam os displays com uma frequência que
(a)
Relógio MM5314
Segundos
Minutos
Horas
ENTRADA
60
S1
10
S10
6
M1
10
M10
6
H1
10
H10
3
Horas
Multiplexador
Decodificador
PROM
Drivers dos
segmentos
H10
12 V
Ligar
GND
Minutos
Segundos
a
b
c
d
e
f
g
H1
M10
M1
S10
S1
VSS
Oscilador
Decodificador
multiplexado
Drivers dos
dígitos
VDD
(b)
Sistemas digitais
60 Hz
capítulo 12
Figura 12-13 (a) Esquema do projeto prático de um relógio com seis dígitos. (b) Diagrama de blocos do projeto prático de um relógio com seis dígitos utilizando o CI MM5314.
381
Horas
Minutos
Segundos
c
Acionamento d
e
dos segmentos
f
g
c
d
e
f
g
Ativar S1
(a)
a
a
c
Acionamento d
dos segmentos
f
g
c
d
f
g
Ativar S10
(b)
Acionamento
dos segmentos
b
c
b
c
f
g
f
g
Ativar M1
(c)
Acionamento
dos segmentos
a
b
c
d
a
b
c
d
g
g
Ativar M10
(d)
a
b
a
b
Acionamento d
dos segmentos e
d
e
g
g
Ativar H1
Sistemas Sequenciais
(e)
382
bb
c c
Acionamento
dos segmentos
Ativar H10
(f)
Figura 12-14 Exemplo da multiplexação de um display de seis dígitos onde a hora marcada é 12:34:56. A
sequência completa de (a) até (f) ocorre em aproximadamente 0,01 s.
383
P1
S1
T1
C2
D5
R3
C1 +
D7
R4
C3
VSS
17
18
S10
1
…
VDD
S4 13
Manter
S3 14
20
Q5
10
e
d
c
b
R11
8 R10
7 R9
6 R8
5 R7
4 R6
3 R5
Drivers
dos dígitos
H10
R13
Q13
Q12
R18
Q11
R17
R16
Q10
R15
Q9
R14
Q8
Q7
R12
Drivers dos segmentos
9
19
Q6
H10
a
H1
Seleção
de modo
12/24
f
horas
g
H1
M10
Ajuste de
atraso Manter
…
Ajuste
de atraso
S2 15
VDD Ajuste de
adiantamento
Seleção de 50/60 Hz
21
Q4
M10
M1
MM5314
clock
22
Q3
M1
Seleção de dígito 4/6
Temporização MUX
VSS
S10
S1
50/60 Hz
N/C
…
Ajuste de
adiantamento
2
11
24
23
12
16
Q2
Q1
S1
g
f
e
d
c
b
a
ab c de f g
ab c de f g
Anodo
H1
ab c de f g
Anodo
M10
ab c de f g
Anodo
M1
capítulo 12
Sistemas digitais
Figura 12-15 Diagrama esquemático de um relógio de seis dígitos utilizando o CI MM5314. (Cortesia de Electronic Kourseware Interactive.)
D1-4
R2
R1
D6
H10
Anodo
ab c de f g
Anodo
S10
ab c de f g
Anodo
S1
varia entre 500 e 1500 Hz, de modo que cada display
é aceso entre 100 e 200 vezes por segundo.
que podem provocar o adiantamento do horário
ou danificar o CI.
Dois LEDs (D6 e D7 na Figura 12-15) são ativados
entre 100 e 200 vezes por segundo e aparentemente estão acesos continuamente. Esses LEDs
formam os dois pontos (:) que separam horas e
minutos no display, o que pode ser visto na Figura
12-13(a). O resistor R3, o capacitor C2 e o diodo D5
formam um filtro RC, utilizado para remover possíveis transitórios existentes na tensão de linha CA
A entrada de seleção de modo 12 h/24 h (pino 10)
do CI MM5314 na Figura 12-15 é conectada a VDD
e o modo 12 h é selecionado. A entrada de seleção de 50/60 Hz (pino 11) também é conectada
a VDD e o CI opera em 60 Hz. A entrada de seleção
de quatro/seis dígitos é conectada a VDD e o decodificador multiplexado aciona um display de seis
dígitos.
www
Teste seus conhecimentos
Contador de frequência
O CONTADOR DE FREQUÊNCIA é um instrumento utilizado por técnicos e engenheiros. Um contador de frequência digital é capaz de apresentar a frequência de
um circuito na forma de números decimais, sendo capazes de medir valores que variam de alguns poucos
ciclos (medidos em hertz ou Hz) a altas frequências
da ordem de megahertz (MHz). De forma semelhante ao relógio digital, esse dispositivo emprega contadores de década.
Sistemas Sequenciais
Para fins de revisão, apresenta-se o diagrama de
blocos de um relógio digital na Figura 12-16(a),
onde a frequência conhecida é dividida pelos contadores existentes. As saídas dos contadores são
decodificadas e mostradas no display. A Figura
12-16(b) mostra o diagrama de blocos de um contador de frequência, onde é possível verificar que
um valor desconhecido de frequência é inserido
na entrada, de forma distinta do relógio digital. O
circuito contador existente na Figura 12-16(b) também emprega um CONTROLE DE INÍCIO/PARADA.
384
O contador de frequência é reapresentado na
Figura 12-17(a), onde uma porta AND foi adicionada ao circuito para controlar a entrada dos
contadores de década. Quando o controle de início/parada possui nível lógico 1, os pulsos com
frequência desconhecida passam pela porta AND
para os contadores de década. Por sua vez, esses
dispositivos desenvolvem uma contagem cres-
cente até que o nível lógico se torne 0, desligando
a porta de controle e impedindo que os pulsos
cheguem aos contadores.
A Figura 12-17(b) mostra o que ocorre no contador
de frequência de forma mais detalhada. A linha A
Horário
Frequência
conhecida
Circuitos
contadores
Decodificadores/
drivers
(a)
Frequência (Hz)
Frequência
desconhecida
Circuitos
contadores
Decodificadores/
drivers
Controle de
início/parada
(b)
Figura 12-16 (a) Diagrama de blocos simplificado
de um relógio digital. (b) Diagrama de blocos simplificado de um contador de frequência digital.
Frequência (Hz)
D
100s
10s
1s
Decodificadores/drivers
Frequência
desconhecida
100s
C
10s
1s
Contadores de década
B
Porta de
controle
Controle de
início/parada
1 = Iniciar contagem A
0 = Parar contagem
(a)
Controle de A
início/parada
Parar
contagem
Iniciar
contagem
1 segundo
1
0
Entrada da
B
frequência
desconhecida
1
0
Entradas dos
contadores
C
1
0
Display
digital
D
00
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
11
11
11
(b)
1 segundo
1
0
Entrada da
B
frequência
desconhecida
1
0
Entradas dos
contadores
C
1
0
Display
digital
D 00 00 00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 19 19 19 19
(c)
Figura 12-17 (a) Diagrama de blocos de um contador de frequência digital com controle de início/parada. (b)
Diagrama de formas de onda para uma frequência desconhecida de 11 Hz. (c) Diagrama de formas de onda
para uma frequência desconhecida de 19 Hz.
Sistemas digitais
Parar
contagem
Iniciar
contagem
capítulo 12
Controle de A
início/parada
385
mostra o controle de início/parada em um nível
lógico 0 à esquerda, o qual depois assume nível 1
durante exatamente 1 segundo. Na linha B, tem-se
uma sequência de pulsos contínuos provenientes
da entrada com frequência desconhecida.
disparam os contadores de década durante o período de contagem de 1 s. A sequência de contagem crescente chega até 19, de acordo com a
linha D. Nesse caso, a frequência desconhecida
na Figura 12-17(c) é de 19 Hz.
Os sinais com frequência desconhecida e o controle de início/parada são aplicados na entrada de
uma porta AND, como é possível verificar na Figura
12-17(a). A linha C na Figura 12-17(b) mostra apenas os pulsos que passam através da porta AND,
responsáveis por disparar os contadores crescentes. A linha D mostra a contagem exibida nos displays, que são inicializados com a contagem em 00.
A contagem crescente chega a 11 durante o pulso
de 1 segundo. A frequência desconhecida na linha
B da Figura 12-17(b) é mostrada como 11 Hz (11
pulsos por segundo).
Se a frequência desconhecida fosse 870 Hz, o
contador realizaria a contagem de 000 a 870 durante o período de 1 s. O valor 870 seria exibido
durante algum tempo e então os contadores seriam reinicializados para 000, de modo que a frequência seria contada novamente. Essa sequência
de reinicialização-contagem-exibição é repetida
continuamente.
Uma frequência maior é inserida no contador
de frequência da Figura 12-17(c). Novamente, a
linha A mostra o controle de início/parada iniciando com um nível lógico 0, tornando-se igual
a 1 durante exatamente 1 segundo e, finalmente, assumindo o valor 0 novamente. A linha B da
Figura 12-17(c) mostra uma sequência de pulsos
contínuos de alta frequência, sendo esta a frequência desconhecida medida pelo contador de
frequência digital. A linha C mostra os pulsos que
Note que o pulso de controle de início/parada (pulso de contagem) deve ser muito preciso. A Figura
12-18 mostra como um pulso de contagem pode
ser gerado utilizando-se uma frequência conhecida precisa, como a frequência de 60 Hz da tensão
CA da rede elétrica. O sinal senoidal de 60 Hz é
convertido em uma forma de onda quadrada pelo
circuito gerador de forma de onda. Essa onda quadrada de 60 Hz dispara um contador que divide a
frequência por 60. A saída corresponde a um pulso
com 1 s de duração, ligando o circuito de controle
quando assume o nível ALTO. Dessa forma, a frequência desconhecida aplicada durante 1 s dispara
os contadores.
Frequência (Hz)
Decodificadores/drivers
Gerador
de formas
de onda
Sistemas Sequenciais
Frequência
desconhecida
386
Pulso de contagem com
1 segundo de duração
60 Hz
Gerador
de formas
de onda
60 Hz
Divisão
por 60
1 Hz
Divisão
por 10
Circuitos
de controle
Forma de onda para
contagem/visualização
1 pulso a cada
10 segundos
Figura 12-18 Diagrama de blocos detalhado de um contador de frequência digital.
Contadores de década
Circuito de
reinicialização
da contagem
O contador de frequência da Figura 12-18 mede
valores entre 1 e 999 Hz. Note que há a intensa
utilização de contadores nos circuitos divisores
por 60, divisores por 10 e nos três contadores de
década. Por isso, o dispositivo recebe o nome de
contador de frequência, o qual conta o número de
pulsos existentes em um determinado intervalo de
tempo.
Uma limitação do contador da Figura 12-18 consiste no valor máximo da frequência que pode
ser medida, que neste caso corresponde a 999 Hz.
Existem duas formas para aumentar este valor. O
primeiro método consiste em incluir um ou mais
conjuntos de contadores-decodificadores-displays.
O segundo método consiste em realizar a contagem em grupos de 10 em vez de 1. Esse conceito é
ilustrado na Figura 12-19. Um contador divisor por
6 substitui o dispositivo divisor por 60 no circuito
original. Dessa forma, o pulso de contagem passa a possuir duração de 0,1 s. Esse pulso permite
que apenas um décimo da quantidade de pulsos
original seja aplicado, o que equivale a realizar a
contagem em grupos de 10. Apenas três displays
a LEDs são utilizados. O display 1s na Figura 12-19
é utilizado apenas para mostrar que o valor 0 deve
ser acrescentado à direita dos três displays a LEDs.
Esse contador de frequência mede valores entre 10
e 9990 Hz.
No circuito da Figura 12-19, os contadores de década realizam uma contagem crescente por durante
0,1 s. O valor é mantido no display durante 0,9 s, de
modo que então os contadores são reinicializados
para 000. O processo de reinicialização-contagem-exibição então se repete. O circuito da Figura
12-19 possui uma nova característica: durante o
tempo de contagem, os displays permanecem
apagados, sendo novamente ligados quando uma
frequência desconhecida aparece no display. A sequência desse contador de frequência consiste na
reinicialização, contagem (com os displays apagados) e finalmente, período de exibição maior. Essa
sequência é repetida a cada segundo enquanto o
instrumento estiver sendo utilizado.
O contador de frequência da Figura 12-19 é semelhante a um dispositivo que pode ser montado em
laboratório com portas lógicas, flip-flops e subsistemas. É recomendável que você tente montar esse
circuito digital complexo porque com a experiência prática é possível aprender mais sobre o sistema contador de frequência.
Teste seus conhecimentos
capítulo 12
www
Quando um único arranjo deste tipo é incluído, a
frequência máxima chega a 9999 Hz.
Sistemas digitais
Lembre-se que o contador de frequência passa
por uma sequência de reinicialização-contagem-exibição. Até este momento, apenas o processo
de contagem dessa sequência foi apresentada. O
circuito de reinicialização do contador consiste
em um grupo de portas que reinicializam os contadores de década para 000 no momento correto, imediatamente antes do início da contagem.
Em seguida, o pulso de contagem de 1 s permite que ocorra a contagem crescente. O pulso de
contagem termina e a frequência desconhecida
é exibida nos displays de sete segmentos. Nesse
circuito, a frequência é mostrada em hertz, e é
interessante manter o valor exibido nos displays
durante algum tempo. Para isso, o contador divisor por 10 envia um pulso para o circuito de controle, que por sua vez desabilita a sequência de
contagem durante 9 s. As ações então ocorrem
da seguinte forma: os contadores são reinicializados para 000, a contagem crescente ocorre durante 1 s e o valor da frequência desconhecida é
exibido durante 9 s sem que haja a contagem. O
processo de reinicialização-contagem-exibição
se repete a cada 10 s.
387
388
Gerador de
formas de onda
60 Hz
Gerador de
formas de onda
Divisão
por 6
10 Hz
Pulso de
contagem 1/10
Divisão
por 10
1 Hz
Forma de onda
para contagem/
visualização
Circuitos de
controle
Contador de
década
1000s
Decodificador/
driver
1000s
Reinicializar
Reinicialização da
contagem
Contador de
década
100s
Mostrar dígito
apagado
Decodificador/
driver
100s
10s
Contador de
década
1s
Decodificador/
driver
Frequência (Hz)
Figura 12-19 Diagrama de blocos detalhado de um contador de frequência digital cuja faixa de frequência varia entre 10 e 9990 Hz.
60 Hz
Frequência
desconhecida
ENTRADA
Sistemas Sequenciais
Contagem
crescente
1s
A escolha do contador de frequência justifica-se
por dois motivos:
1. Mostrar como CIs SSI e MSI podem ser utilizados na construção de subsistemas e sistemas.
2. Demonstrar os conceitos envolvidos no projeto e operação do contador de frequência.
A Figura 12-19 representa um diagrama de blocos
do contador de frequência, de modo que a maioria
dos componentes está na mesma posição encontrada no diagrama esquemático.
Sobre a eletrônica
Visão eletrônica
• Você não é capaz de enxergar seus filhos
através das paredes ou objetos metálicos –
mas um novo modem sem fio é. O dispositivo
em miniatura, utilizado tanto pelos pais
quanto pelos filhos, simultaneamente, é
capaz de localizar a criança que se afastou a
uma distância superior a 4,5 metros.
• Dois especialistas em robótica viajaram ao
longo de aproximadamente 4.500 km em um
carro conduzido por meio de um notebook
conectado no acendedor de cigarros. O computador observava a estrada através de uma
câmera de vídeo. Os viajantes acionavam
apenas o freio e o acelerador.
À direita do inversor 7414 localizado na parte inferior do diagrama, encontra-se um contador divisor
por 10. Três flip-flops (FF1, FF2 e FF3) e uma porta
NAND são associados na forma de um contador
mod-6. A frequência de entrada no CONTADOR DIVISOR POR 6 é 60 Hz. Por outro lado, a frequência na
saída do contador (saída Q de FF3) corresponde a
10 Hz, e esse sinal é aplicado no CI 7493 utilizado na
forma de um contador de década ou DIVISOR POR 10.
A Figura 12-20 mostra que as quatro saídas do contador 7493 são interconectadas por meio de uma
porta NOR (porta OR associada com um inversor).
A porta NOR de quatro entradas gera um sinal de
1 Hz, denominado forma de onda de contagem/
exibição. Esse sinal é realimentado na porta de
controle 7400. Quando essa forma de onda apresenta nível ALTO durante 0,1 s, a frequência desconhecida passa pela porta NAND para a entrada de
clock do contador 10s. Quando a forma de onda de
contagem/exibição possui nível BAIXO por 0,9 s, a
frequência desconhecida é bloqueada e não passa
pela porta NAND. Durante esse intervalo, é possível ler o valor de frequência exibido nos displays de
sete segmentos.
O contador de frequência passa por uma SEQUÊNCIA DE REINICIALIZAÇÃO-CONTAGEM-EXIBIÇÃO. O pulso de
reinicialização é gerado pela porta AND de cinco
entradas no canto inferior direito da Figura 12-20.
Os contadores 10s, 100s e 1000s são reinicializados
para zero. O pulso de reinicialização (ou limpeza
dos contadores) é positivo e possui curta duração e
é aplicado um instante imediatamente anterior ao
início da contagem.
Sistemas digitais
Esta seção baseia-se no contador de frequência
que pode ser implementado em laboratório. A
Figura 12-20 mostra o diagrama esquemático
detalhado desse instrumento, que foi especialmente projetado utilizando os componentes que
foram anteriormente estudados neste livro. Esse
contador de frequência experimental não é tão
preciso ou estável quanto dispositivos comercialmente disponíveis. A frequência máxima é limitada em 9990 Hz e suas entradas são um tanto
quanto primitivas.
No canto superior esquerdo da Figura 12-20, um
sinal senoidal de 60 Hz é convertido em uma ONDA
QUADRADA, e é obtido a partir do lado secundário
em baixa tensão de um transformador. Um inversor Schmitt trigger 7414 é responsável pela geração de formas de onda. Esse é o mesmo dispositivo
que foi utilizado no Capítulo 7 do volume 1 e no
relógio digital para a obtenção de uma forma de
onda quadrada. Lembre-se que o contador divisor
por 6 requer uma onda quadrada para operar adequadamente.
capítulo 12
Exemplo de um contador
de frequência experimental
389
390
7414
7414
Contador divisor por 6
J CLR Q
FF1
CLK
(7476)
K
J CLR Q
FF2
CLK
(7476)
K
Carga
Contador
100s
(74192)
CLR
1
Contagem
crescente
Vai 1
QD
QC
QB
QA
Da b c d e f g
C Decodificador
BI /RBO
B
A
(7447)
1000s
5 V
J CLR Q
FF3
CLK
(7476)
K
7400
10 Hz
Ro (1) Contador QD
QC
Ro (2) divisor
QB
A
por 10
QA
B
(7493)
10s
150
1s
7408
(Quatro portas)
7404 (Quatro portas)
7432
(Três portas)
a b c d e f g
Vai 1
D Decodificador
Contador QD
QC
C
10s
BI /RBO
QB
B
(74192)
QA
A
(7447)
CLR
Limpar contadores
5 V
Frequência (Hz)
a b c d e f g
D Decodificador
C
BI /RBO
B
A
(7447)
100s
Carga
Forma de onda de 1 Hz para contagem/visualização
1 contagem crescente (1/10s)
0 visualização (9/10s)
7400
Porta de
controle
1
Contagem
crescente
Carga Contador QD
QC
1000s
QB
Contagem
(74192)
QA
crescente
CLR
1
5 V
Figura 12-20 Diagrama esquemático de um contador de frequência digital prático.
60 Hz
2-4 V ac (rms)
ENTRADAS
2-4 V ac (rms)
Frequência
desconhecida
Sistemas Sequenciais
Mostrar
dígito apagado
O próximo evento que ocorre na sequência de reinicialização-contagem-exibição é o tempo de contagem ou amostragem. Quando a forma de onda
de contagem/exibição assume nível ALTO, a porta
de controle é ativada e a frequência desconhecida
passa pela porta NAND até a entrada de clock do
contador 10s. Quando o contador 10s conta de 9
para 10 um dígito 1 é transportado para o contador
100s. Após 0,1 s, a forma de onda de contagem/
exibição passa a assumir nível BAIXO, sendo este o
término do tempo de amostragem. Verifica-se que
a frequência desconhecida amostrada ocasiona
um aumento de 10s na frequência.
A última ação no processo de reinicialização-contagem-exibição corresponde ao tempo de
exibição. Quando a forma de onda de contagem/
exibição assume nível BAIXO, a porta de controle
é desabilitada, intervalo durante o qual um valor
de frequência estável pode ser lido no display. Note
que um display 1s adicional foi incluído na Figura
12-20 para representar um dígito 0 à direita dos
três displays ativos para a leitura em hertz.
Para melhorar a aparência dos displays, o APAGAMENTO ocorre durante o tempo de contagem na
sequência de reinicialização-contagem-exibição. O
display acende normalmente com um valor estável
durante o tempo de visualização. A forma de onda
de apagamento do display corresponde a um pulso
negativo de 0,1 s gerado pelo inversor 7404. Assim,
os três displays permanecem apagados por 0,1 s
durante o tempo de contagem. Nesse processo, os
A maioria dos contadores de frequência comerciais opera de forma semelhante ao dispositivo
da Figura 12-20. Dispositivos comerciais normalmente empregam um número maior de displays
e são capazes de medir frequências da ordem de
quilohertz e megahertz. O contador de frequência experimental requer um sinal de 3 a 8 V para
operar adequadamente. Equipamentos comerciais
normalmente possuem um circuito amplificador
inserido antes do primeiro circuito gerador de
formas de onda que permite amplificar pequenos
sinais. A proteção contra sobretensões também é
obtida com o uso de um diodo zener. Para eliminar o efeito indesejável do apagamento do display,
contadores comerciais empregam um método
ligeiramente diferente para armazenar e exibir o
conteúdo armazenado nos contadores. Nesse caso,
utilizamos a frequência da rede CA de alimentação
como o valor de referência conhecido. Dispositivos
comerciais empregam cristais osciladores de alta
frequência de alta precisão para gerar a frequência
conhecida.
Algumas das especificações mais importantes dos
contadores de frequência são a determinação da
faixa de frequência, sensibilidade de entrada, impedância de entrada, proteção da entrada, precisão, intervalos de atuação das portas lógicas e
tempo de exibição.
Temporizador LCD com
alarme
Muitos fornos de micro-ondas e fornos elétricos
possuem um dispositivo temporizador com alarme
sonoro. Aplicações mais antigas utilizavam temporizadores mecânicos, mas os dispositivos supracitados empregam temporizadores eletrônicos à base
de circuitos digitais. O conceito de um sistema tem-
porizador é apresentado na Figura 12-21(a). Nesse
sistema, um teclado corresponde à entrada, enquanto a saída é representada pelo display digital e
pelo sinal de alarme. O processamento e armazenamento de dados ocorre no interior dos blocos que
representam os circuitos digitais na Figura 12-21(a).
Um diagrama de bloco mais detalhado que representa um temporizador digital é mostrado
na Figura 12-21(b). O bloco que corresponde aos
Sistemas digitais
Teste seus conhecimentos
capítulo 12
www
displays chegam a piscar, e esse problema pode ser
resolvido com o uso de latches para bloquear os dados nas entradas dos decodificadores.
391
Display
ENTRADA – Teclado
7
8
9
4
5
6
Ajuste de
tempo
Início
1
2
Circuitos digitais
Alarme
3
0
(a)
Display
Clock
(base de tempo)
Contador
decrescente
com parada
automática
Latch/
decodificador/
driver
SAÍDAS
Controles de
entrada
Comparador de
magnitude
Alarme
(b)
Sistemas Sequenciais
Figura 12-21 Sistema temporizador digital. (a) Conceito de um temporizador com alarme. (b) Diagrama de
blocos simples de um temporizador com alarme.
392
circuitos digitais é dividido em quatro partes, que
são o RELÓGIO BASE DE TEMPO, o contador decrescente com parada automática, o latch/decodificador/
driver e o comparador de magnitude. O bloco de
controle de entrada pré-ajusta o tempo armazenado no contador decrescente. A base de tempo
corresponde a um multivibrador astável que gera
a frequência conhecida. Nesse caso, o sinal corresponde a uma onda quadrada de 1 Hz. A precisão
do temporizador depende da precisão do relógio
base de tempo. Quando a entrada de controle de
início é ativada, o contador decrescente decrementa a contagem. Cada número é então bloqueado e decodificado pelo latch/decodificador/
driver, sendo que esse bloco também aciona o
display.
A Figura 12-21 consiste em um esboço do conceito de um sistema temporizador. O projetista deve
decidir os tipos de entrada, saída e tecnologias de
processamento que serão empregados no sistema
que será implementado.
O diagrama de blocos de um sistema temporizador eletrônico digital mais detalhado é representado na Figura 12-22. Nesse caso, um display LCD
com dois dígitos é utilizado com CIs CMOS que
apresentam baixo consumo de energia. O sistema
foi projetado de modo a utilizar chaves lógicas na
393
256 Hz
(74HC393)
Contador
divisor
por 256
1 Hz
BCD
(74HC192)
BCD
parar
Contador
decrescente
10s
emprestar
(74HC192)
Contador
decrescente
1s
(Dois CIs 74HC85)
Comparador
de magnitude
Parar
capítulo 12
Sistemas digitais
Figura 12-22 Diagrama de blocos detalhado de um temporizador com display LCD e alarme.
4 chaves
Dados 10s (BCD)
4 chaves
Dados 1s (BCD)
Carregar 0
Iniciar 1
Chave
Carregar/Iniciar
(555)
Clock
(base de
tempo)
ENTRADAS
Alarme
SAÍDA
(555)
Clock de
exibição
(74HC4543)
Latch/
decodificador/
driver
Campainha
(74HC4543)
Latch/
decodificador/
driver
100 Hz
LCD
10s
1s
SAÍDA
(segundos)
entrada e simplificar o arranjo. Além disso, a medição do tempo é realizada em segundos. Note que
cada bloco corresponde a um CI digital MSI ou um
dispositivo de entrada/saída. Um diagrama esquemático pode ser implementado a partir da representação dada na Figura 12-22.
O diagrama de blocos da Figura 12-22 representa
um temporizador LCD experimental com alarme
que pode ser construído no laboratório. O dispositivo opera da seguinte forma:
1. O controle de carga/início é inicializado em 0
(modo de carga).
2. O contador 1s é carregado ajustando-se um
valor BCD por meio das quatro chaves de entrada localizadas na parte superior.
3. O contador 10s é carregado ajustando-se um
valor BCD por meio das quatro chaves de entrada localizadas na parte inferior.
4. Um número de dois dígitos será exibido no
display LCD.
5. O controle de carga-início é ajustado em 1
(início do modo de contagem decrescente).
O temporizador iniciará a contagem decrescente
em segundos e o display mostra o tempo restante
para o alarme soar. Quando ambos os contadores
chegam a zero, o valor 00 é exibido e o alarme soa.
Ao final, a alimentação do circuito é desconectada
para desligar o alarme.
O diagrama esquemático do circuito TEMPORIZADOR
COM DISPLAY LCD EXPERIMENTAL é apresentado na
Figura 12-23. Note que cada CI encontra-se praticamente na mesma posição relativa ocupada no
diagrama de blocos da Figura 12-22.
Sistemas Sequenciais
A operação detalhada do dispositivo mostrado nas
figuras 12-22 e 12-23 é descrita a seguir.
394
Base de tempo
O clock BASE DE TEMPO corresponde a um CI 555 utilizado como MV astável, projetado para gerar uma
forma de onda quadrada de 256 Hz. O circuito base
de tempo utilizado nesse temporizador experimental não é muito preciso ou estável, podendo ser calibrado pelo ajuste do valor do resistor R1, cujo valor
nominal deve ser aproximadamente 20 kΩ.
A segunda parte da base de tempo corresponde ao
BLOCO CONTADOR DIVISOR POR 256, que gera um sinal
de 1 Hz na saída. Na verdade, esse bloco corresponde à associação de dois contadores de 4 bits.
A Figura 12-24 mostra esses dispositivos utilizados
na forma de contadores divisores por 16. Note que
as entradas CP correspondem às entradas de clock
e apenas as entradas QD são utilizadas. O primeiro
contador divisor por 16 divide a frequência de 256
por 16 Hz (256/1616 Hz).O segundo contador divide a frequência novamente para se obter o valor
de 1 Hz desejado.
Contadores decrescentes
com parada automática
Os dois contadores de década 74HC192 correspondem ao dispositivo da série 74HCXXX análogo ao CI 74192 TTL apresentado no Capítulo 8
do volume 1. Quando as entradas de carga dos
contadores do CI 74HC192 são ativadas por um
nível BAIXO, os dados existentes nas entradas de
dados (A, B, C, D) são transferidos imediatamente para os flip-flops do contador, posteriormente
exibidos nas saídas do contador (QA, QB, QC, QD).
Os dados devem se encontrar na forma BCD (decimal codificado em binário). Quando o controle de carga/início assume nível ALTO, o sinal de
1 Hz ativa a entrada de contagem decrescente
do contador 1s. A contagem é então decrementada em 1 a cada transição do pulso de clock de
BAIXO para ALTO. A saída de transporte do contador decrescente 1s passa do nível BAIXO para
ALTO quando o contador 1s conta de 0 para 9,
decrementando o contador 10s. Na verdade, os
contadores decrescentes são utilizados como um
dispositivo com parada automática porque a linha de interrupção de contagem é conectada à
entrada CLR de ambos os contadores 74HC192.
Quando essa linha assume nível ALTO, ambos os
contadores param em 0000.
Comparador de magnitude
de 8 bits
Os comparadores de magnitude de 4 bits 74HC85
são conectados em cascata na Figura 12-23 para
formar um comparador de magnitude de 8 bits.
A finalidade desse circuito é detectar quando as
entradas dos contadores atingem o valor 0000
0000BCD. Quando ambos os contadores assumem
o valor zero, a saída do comparador de magnitude de 8 bits (ABout) torna-se ALTA, o que provoca
duas ações. Primeiro, isso interrompe a contagem
de ambos os contadores em 0000. Segundo, o
nível ALTO na saída do comparador ativa o transistor Q1, de modo que a corrente circula pelo
dispositivo acionando a campainha. O diodo em
anti-paralelo com a campainha elimina sobretensões que eventualmente podem ser criadas por
esse dispositivo.
Os dois CIs 74HC4543 utilizados no circuito temporizador possuem três funções, as quais são descritas na Figura 12-25. A entrada de desativação de
bloqueio (LD – latch disable) é mantida em nível
ALTO permanente no circuito temporizador (Figura
12-23), desabilitando os latches. Os dados BCD circulam do latch para o decodificador BCD para sete
segmentos, o qual por sua vez converte a entrada
BCD na forma de código de sete segmentos. Finalmente, o driver existente no CI 74HC4543 aciona os
segmentos corretos do display LCD.
O clock de exibição mostrado no canto inferior direito na Figura 12-23 gera uma onda quadrada de
100 Hz, enviado ao terminal de conexão comum
(painel traseiro) do display LCD e às entradas Ph
dos CIs 74HC4543. O driver existente nesse CI envia
sinais invertidos ou defasados em 180° os segmentos do display LCD que serão acionados. Os segmentos que não serão ativados recebem um sinal
de onda quadrada em fase proveniente do driver
existente no CI 74HC4543.
Teste seus conhecimentos
A possibilidade de teste de sistemas digitais e
subsistemas durante a fabricação e utilização
desses dispositivos em campo é uma característica importante. A complexidade dos circuitos
digitais existentes no interior dos CIs aumenta
continuamente à medida que novos dispositivos
são criados pelos fabricantes de semicondutores,
de modo que é comum encontrar sistemas digitais completos contidos em uma única pastilha.
Outras tecnologias como a montagem sobre superfície e placas de circuito impresso com múltiplas camadas permitem o aumento do número de
componentes e redução da área ocupada pelas
placas. Entretanto, esse processo de miniaturização implicou a redução do número de pontos
de acesso para o teste da operação de sistemas e
subsistemas.
Na metade da década de 1980, a associação Joint
Test Action Group (Grupo de Ação de Teste Conjunto) desenvolveu uma solução para a ausência de
pontos de teste em PCIs, consistindo em uma nova
arquitetura que permitia testar pontos de acesso
específicos em circuitos integrados. O Instituto de
Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE) posteriormente padronizou essa solução na forma
da norma 1149.1 (IEEE Standard Test Access Port
and Boundary-Scan Architecture). Essa arquitetura
Sistemas digitais
Tecnologia JTAG/
boundary scan
capítulo 12
www
Decodificador/driver
395
Conexão de parada do contador
5 V
5 V
100 k
8
4
7
1
3
256 Hz
Clock
(base de tempo)
R1*
6
2
5 V
14
VDD
(555)
13
2QD
1QD 6
CLR
0,033 ␮F
1
8
Contador
divisor
por 256
(74HC393)
GND CLR
2
7 12
*aproximadamente 20 k (ajuste de precisão)
1 Hz
5
16
Contagem VDD
14 crescente
QA 3
CLR
Contagem
4
2
QB
decrescente
11
6
Carregar
QC
9
7
Contador
A
Q
decrescente D
10
B
1s
1
C (74HC192)
15
D
Saída de 13
transporte
GND
8
emprestar
Carregar/Iniciar/Controlar
11
Chave
Chave
Chave
4s
8s
Entradas
Chave
Sistemas Sequenciais
Chave
396
A Bout
14
2s
Carregar contador 10s
1s
Chave
Chave
B1
2s
4s
8s
5
6
A Bout
B2
1 B
A Bout 7
3
A Bin GND A B
4
8
2
Carregar 0
Contagem decrescente 1
Carregar contador 1s
1s
Chave
Chave
5 V
3
16
A Bin
VDD
10
A0
12
A1 Comparador de
13
magnitude
A2
de 4 bits
15
A3
(74HC85)
9
B0
5 V
5
16
Contagem VDD
crescente
4
Contagem
decrescente
14 CLR
11
Carregar
9
A Contador QA
decrescente
10
B
QB
10s
1
C (74HC192) QC
15
QD
D
GND
8
3
2
6
7
Figura 12-23 Diagrama esquemático de um circuito temporizador experimental com display LCD e alarme.
5 V
1
5
3
16
VDD
a
LD
A
b
Latch/
decodificador/
c
C driver de BCD
para sete d
4
D segmentos
e
(74HC4543)
f
g
14
Ph
6
B
2
1s
A0
12
A1 Comparador de
13
magnitude
A2
de 4 bits
15
A3
(74HC85)
3
2
9
11
14
13
15
SAÍDA DO
TEMPORIZADOR
GND
7
8
(segundos)
LCD
A Bin
SAÍDA
A Bin
Alarme
1N4001
e d c b a
Comum
Campainha
piezoelétrica
5 V
B0
2N3904
NPN
C
B1
A Bout
B3
g f
5 V
A = Bin
B2
1
12
B
6
1
16
VDD
a
LD
Q1
2,2 k
a b c d e f
Latch/
decodificador/ b
driver de BCD
c
para sete
segmentos d
E
GND
8
5
3
A
(74HC4543)
C
4
BI
5 V
e
13
15
14
Ph
6
8
3
Clock do
display
6
2
12
4
7
10 k
11
GND
7
8
1 k
10
f
10s
D
9
g
B
2
g
(555)
1 F
1
100 Hz
Sistemas digitais
4
BI
11
capítulo 12
10
5 V
16
VDD
9
10
397
5 V
74HC393
14
256 Hz
VDD
1
1A
Contador
divisor
por 16
2
Limpar
QD
6
16 Hz
13
2A
Contador
divisor
por 16
12
Limpar
GND
QD
8
1 Hz
7
Figura 12-24 Montagem de um bloco divisor por 256 utilizando dois contadores divisores por 16.
74HC4543 ou 4543
BCD
Entrada
Latch de
4 bits
SAÍDA
LCD
BCD
Código de
sete
Decodificador
segmentos
de BCD
para sete
segmentos
Driver
LCD
Código
de sete
segmentos
100 Hz
Figura 12-25 Organização interna do CI 74HC4543 incluindo os blocos latch, decodificador e driver.
Sistemas Sequenciais
é normalmente denominada boundary scan* ou
JTAG como uma referência à associação supracitada (Joint Test Action Group) que desenvolveu o sistema. Atualmente, alguns CIs e PCIs possuem esse
subsistema de teste adicional incluso.
398
Um CI simplificado compatível com JTAG é representado na Figura 12-26. Os elementos JTAG principais são mostrados nas cores amarela, rosa e vermelha. As linhas pretas representam as conexões
convencionais de entrada e saída do CI. As linhas
vermelhas na parte inferior da Figura 12-26 correspondem às portas de acesso de teste (test access
ports – TAP). As quatro linhas vermelhas contínuas
correspondem a TDI (test data input – entrada de
dados de teste), TDO (test data output – saída de
* Este termo em inglês significa “varredura de fronteira”. Sua
tradução para o português não é usualmente empregada na
literatura técnica.
dados de teste), TMS (test mode select – seleção do
modo de teste) e TCK (test clock – clock de teste).
Essas conexões representam uma interface serial
padrão a quatro fios para acesso de teste do CI.
A linha vermelha pontilhada representa a entrada TRST (test reset – reinicialização do teste), que
consiste em um quinto terminal adicional opcional
para reinicializar a porta de acesso de teste. Os outros elementos necessários são um registrador de
instruções, o registrador de contorno (bypass), o
controlador TAP e pelo menos um registrador de
dados de teste. CIs compatíveis com TAG possuem
mais de um registrador de dados de teste e pelo
menos um desses dispositivos deve ser o registrador boundary-scan, que é constituído de uma
série de células boundary-scan (boundary-scan
cell – BSC). Os dez quadrados amarelos contidos
na Figura 12-26 representam as células BSC que
constituem o registrador boundary-scan neste CI. O
Entrada de
varredura
serial
Lógica
interna
do CI
Observação
Controle
Entrada
normal
D
TDI
D
Saída
normal
TDO
Registrador de contorno (bypass)
Registrador de instrução
TMS
TCK
TRST
Controlador
TAP
Saída de
varredura
serial
Figura 12-26 Quatro exemplos de soma de números com sinais utilizando 4 bits na forma complemento de 2.
CIs compatíveis com JTAG também são capazes de
implementar duas outras instruções necessárias. A
instrução extest (teste externo) permite o teste de
vários componentes e interconexões externos ao
CI sem que haja o risco de danificação dos circuitos internos. Quando esta instrução é executada,
as células boundary-scan existentes nos pinos de
entrada amostram os dados, enquanto as células
existentes nos pinos de saída transferem-os devidamente para a saída. Durante a execução da instrução extest, o controlador TAP pode evitar que os
Sistemas digitais
O controlador TAP e o registrador de instrução
mostrado à esquerda da Figura 12-26 constituem
a seção de controle da arquitetura boundary-scan. Os dados seriais no pino de entrada TMS,
lidos durante a borda positiva do pulso de clock
aplicado no pino TCK, ajustam o controlador TAP
em um dos muitos estados possíveis. O estado
do controlador TAP determina (1) se o sistema de
teste boundary-scan é reinicializado; (2) se o teste
especificado pela instrução contida no registrador
é executado; (3) se os dados seriais no pino de entrada TDI são deslocados no registrador de instrução, sendo que a instrução anterior do registrador
é deslocada para o pino de saída TDO; ou (4) se os
dados seriais no pino de entrada TDI são deslocados através de um dos registradores de dados de
teste e os dados anteriores no registrador são des-
locados para o pino de saída TDO. Se o registrador
de instrução é carregado com a instrução de contorno e o controlador TAP encontra-se em estado
de execução de teste, então os dados no pino de
entrada TPI passam pelo registrador de contorno
de 1 bit. Este último dispositivo encurta o caminho de deslocamento dos dados provenientes de
outros CIs quando o chip não é parte do teste executado na PCI que contém muitos CIs JTAG. Isso
pode aumentar significativamente a velocidade
do teste de sistemas e subsistemas em PCIs.
capítulo 12
lado direito da Figura 12-26 mostra a visão expandida de uma BSC. Note que esse elemento consiste
simplesmente em dois multiplexadores e dois flip-flops. O controlador TAP do CI controla os multiplexadores e os flip-flops existentes nas células.
399
dados nos pinos de entrada alcancem os circuitos
lógicos internos, evitando danos ao CI. A outra instrução necessária, isto é, amostra/pré-carga, possui duas finalidades. A primeira consiste em obter
uma duplicata ou amostra dos dados que entram
ou saem dos circuitos internos sem interromper a
operação normal do CI. A segunda função consiste
em pré-carregar dados de teste conhecidos nas células boundary-scan do CI antes da execução de outros testes. Fabricantes de semicondutores podem
também incluir outros tipos de teste que podem
ser decodificados pelo registrador de instrução
existente nos CIs compatíveis com JTAG. Os testes
adicionais especificados pelo fabricante podem
compreender o sistema completo ou subsistemas
específicos no CI.
CI 1
A Figura 12-27 mostra uma placa de circuito impresso simplificada que utiliza a arquitetura boundary-scan. O conector TAP na parte inferior da PCI
da Figura 12-27 é normalmente conectado a um
computador. Dados de teste são carregados de
forma paralela, possivelmente por meio de uma
UART, sendo posteriormente transferidos para o
TAP serialmente. Os dados seriais que saem do
pino TDO são novamente convertidos em dados
paralelos e lidos pelo computador. Todos os subsistemas digitais contidos nessa PCI podem ser
testados por meio de procedimentos automatizados executados por um computador. Esses testes
são mais rápidos, mais precisos e possuem menor
custo que os métodos de teste convencionais empregados em PCIs.
CI 2
CI 3
Conector da placa
400
Conector TAP
Sistemas Sequenciais
CI 4
CI 5
CI 6
TDI
TDO
TMS
TCK
Figura 12-27 Placa de circuito impresso simplificada com seis CIs. Cinco destes CIs são compatíveis com JTAG
e utilizam arquitetura de varredura de borda.
Os quadrados amarelos nos CI1, CI3, CI4, CI5 e CI6
da Figura 12-27 representam células boundary-scan existentes no interior do chip, de forma semelhante à representação empregada no CI único
da Figura 12-26. As células boundary-scan podem
ser utilizadas para observar ou controlar os valores
existentes nas entradas e saídas do CI. Dados de
teste seriais são deslocados através da entrada de
dados de teste (TDI) durante a borda do pulso de
clock existente na entrada TCK. Dados seriais são
exibidos na saída de dados de teste (TDO) durante
a borda negativa do pulso de clock.
Note que essa placa de circuito possui cinco CIs
JTAG e um CI não compatível com JTAG. A inserção dos CIs JTAG CI1 e CI3 ao lado do CI2 (não
compatível com JTAG) permite que este último
dispositivo seja testado propriamente. Para testar
a operação do sistema do CI2, uma série de valores correspondendo a dados de teste de entrada
conhecidos como vetores de teste é carregada nas
células boundary-scan na saída do CI1. O CI1 e o CI3
são então comandados para executar a instrução
Em resumo, os testes são importantes em qualquer
sistema complexo. A ausência de pontos de teste
em PCIs transformou a tecnologia boundary-scan
em um subsistema importante para muitos sistemas digitais. Essa arquitetura realiza testes e correção de problemas em sistemas digitais de forma
rápida e simples. À medida que os sistemas digitais
se tornam mais complexos, espera-se que a tecnologia boundary-scan seja muito empregada, principalmente em virtude da dificuldade da realização
de testes nos circuitos miniaturizados.
Sistemas digitais
Teste seus conhecimentos
capítulo 12
www
extest, sendo que a saída do CI2 é observada nas
BSCs do CI3. A comparação entre os valores na entrada do CI3 e as saídas esperadas no CI2 confirma
a operação adequada do CI2. Outros tipos de teste
que podem ser executados nessa placa de circuito
incluem (1) verificação da operação adequada de
cada CI compatível com JTAG na placa (CI1, CI3–
CI6); (2) verificação das conexões (redes) entre
o CI4 e o CI5, bem como entre o CI5 e o CI6; e (3)
observação da reação do sistema completo diante
das entradas provenientes do conector da placa.
401
RESUMO E REVISÃO DO CAPÍTULO
Resumo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
www
Um conjunto de subsistemas digitais propriamente arranjados consiste em um sistema
digital.
Sistemas digitais possuem seis elementos em
comum: entrada, transmissão, armazenamento, processamento, controle e saída.
Fabricantes de CIs produzem dispositivos
que podem ser classificados de acordo com a
integração em pequena, média, grande, muito
grande e ultragrande escala.
Jogos eletrônicos consistem em projetos didáticos populares. Muitos dispositivos simulam
o comportamento de jogos antigos como o
arremesso de dados.
Um relógio digital e um contador de frequência digital são sistemas digitais muito
semelhantes que empregam contadores
intensamente.
Há muitos chips LSI contendo relógios digitais,
sendo que a maioria dos CIs requer componentes adicionais para gerar um relógio digital
funcional.
A multiplexação é um método comum
utilizado no acionamento de displays de sete
segmentos a LEDs.
8.
9.
10.
11.
Todos os sistemas digitais são basicamente
construídos a partir de portas AND, OR e
inversores.
Um contador de frequência consiste em um
instrumento que conta de forma precisa o
número de pulsos de entrada em um determinado intervalo, exibindo-o na forma digital.
O dispositivo passa por uma sequência de
reinicialização-contagem-exibição.
Diagramas de blocos representam a organização de um sistema digital. Diagramas de
blocos mais detalhados fornecem informações
sobre o sistema em nível de funcionamento de
CIs.
A norma IEEE 1149.1 Test Access Port and
Boundary-Scan Architecture (arquitetura normalmente conhecida por JTAG ou boundary
scan) especifica padrões de inserção de testes
e pontos de acesso em CIs e PCIs que possuem
alta complexidade, tamanho reduzido e alta
densidade. O procedimento de teste pode
ser automatizado para a realização de testes
de alta confiabilidade e busca de falhas em
campo.
Questões de revisão do capítulo
Sistemas Sequenciais
Questões de pensamento crítico
402
12-1 Cite pelo menos cinco tipos de dispositivos
comuns que podem ser considerados sistemas
digitais.
12-2 Cite pelo menos quatro tipos de dispositivos
que foram anteriormente utilizados e estudados
e podem ser considerados sistemas digitais.
12-3 Como os drivers dos segmentos representados
na forma de blocos na Figura 12-13 podem ser
implementados em um relógio digital (observe a Figura 12-15)?
12-4 O oscilador mostrado no canto inferior esquerdo da Figura 12-13 é associado a qual função
do relógio digital?
12-5 Por que o contador de frequência experimental mostrado na Figura 12-20 foi estudado se
esse não é um dispositivo prático?
12-6 Quais são as diferenças entre a versão conceitual do temporizador digital da Figura 12-21
e o temporizador experimental mostrado na
Figura 12-23?
12-7 Por que o jogo de dados mostrado na Figura
12-5 consiste em uma versão melhor do dispositivo da Figura 12-3?
Sistemas digitais
Respostas dos testes
capítulo 12
www
12-8 Observe a Figura 12-5. Quando as saídas do
contador correspondem a 100 (HLL), o que
acontece com os LEDs? Por que as chaves
bilaterais estão fechadas?
403
Página propositalmente deixada em branco
capítulo 13
Sistemas de
computadores
Um computador pessoal do tipo desktop ou laptop provavelmente é o primeiro dispositivo no
qual você pensa quando se fala em um sistema de computador. Entretanto, esses sistemas
são encontrados em muitos outros tipos de dispositivos utilizados diariamente. Automóveis
empregam chips de computador embarcados que permitem uma operação mais confiável e
ajudam a diagnosticar muitos problemas mecânicos. Câmeras digitais, câmeras de vídeo de
MP3 players possuem processadores de computador que permitem compactar e descompactar
sinais de áudio de vídeo. Até mesmo os telefones celulares possuem chips de computadores
que permitem enviar e receber chamadas, tirar fotos, tocar músicas e funcionarem como
modems para computadores pessoais. Este capítulo dedica-se à análise de diversos sistemas
de computadores, alguns tipos de subsistemas digitais e transmissão de dados.
Objetivos deste capítulo
Esboçar a organização geral de um computador e um microcomputador e descrever
detalhadamente a execução de um programa.
Analisar a operação de um sistema de decodificação de endereço simples em um
microcomputador.
Discutir diversos aspectos relacionados à transmissão serial e paralela.
Responder questões específicas sobre verificação de erros e técnicas de correção.
Descrever detalhadamente a transmissão de dados em um microcomputador.
Citar algumas aplicações de um microcontrolador.
Comparar as características de vários módulos BASIC Stamp e descrever a programação
desses dispositivos.
Analisar um programa PBASIC utilizado no acionamento de um módulo BASIC Stamp.
Desenhar o digrama de blocos básico que representa as seções de um sistema DSP
(processamento digital de sinais) incluindo um conversor A/D, a memória, o DSP (processador digital
de sinais) e um conversor D/A, descrevendo ação de cada bloco propriamente.
Classificar sistemas que empregam microprocessadores, microcontroladores e processadores
digitais de sinais.
dade aritmética é também conhecida como ALU
(arithmetic logic unit – unidade lógica aritmética).
O computador
A maioria dos sistemas digitais complexos utiliza
computadores. A maioria dos computadores digitais pode ser divida em cinco seções funcionais
de acordo com a Figura 13-1. O dispositivo de entrada pode ser um teclado, mouse, joystick, mesa
digitalizadora, scanner, leitor de cartões, unidade
de fita magnética, conexão de rede ou linha telefônica. Esse tipo de dispositivo fornece informação
do homem para a máquina (ou de máquina para
máquina). O dispositivo de entrada deve codificar
a linguagem humana em um código binário compreensível pela máquina.
A seção de controle representa o sistema nervoso
do computador, coordenando a operação de todas
as demais seções e instruindo a inserção de dados a
partir da entrada na memória. Além disso, direciona
as informações da memória para a seção aritmética,
que deve realizar a soma. A resposta é então redirecionada para a memória e para o dispositivo de
saída. Outra função possível consiste em coordenar
a operação do dispositivo de saída, embora essas e
outras ações sejam apenas uma parte das funções
desempenhadas pela seção de controle.
A unidade aritmética pode ser considerada com
um organismo pensante no interior do computador. A unidade aritmética soma, subtrai, multiplica, divide, compara e desempenha outras funções
lógicas.
A seção de saída corresponde à conexão entre a
máquina e o operador (ou dispositivo ou rede). A
comunicação com o usuário pode ocorrer por meio
de uma impressora. A informação de saída pode
ser exibida em um monitor CRT ou LCD. Além disso,
a informação pode ser armazenada em dispositivos como fitas, discos rígidos ou discos ópticos. A
seção de saída normalmente decodifica a linguagem do computador em um código compreensível
pelo ser humano.
Note que há um caminho de via dupla entre as seções de memória e aritmética. Em outras palavras,
os dados podem ser enviados da seção aritmética
para a memória, de modo que os resultados são reenviados para armazenamento na memória. A uni-
Os três blocos na parte central da Figura 13-1 são
normalmente denominados CPU. As seções aritmética e de memória juntamente com a seção de
controle em geral são encontradas em uma única
placa de circuito. Os componentes localizados ex-
A seção de memória corresponde ao local de armazenamento de dados e programas, que pode ser
complementado através do uso de dispositivos de
armazenamento externos.
Controle
Sistemas Sequenciais
Entrada
406
Memória
Aritmética
Unidade de processamento central
Figura 13-1 Blocos de um computador digital.
Saída
Controle
Programa
Memória central
Entrada
Saída
Dados
Memória
auxiliar
ALU
Figura 13-2 Fluxo de dados e de informações contidas em um programa em um sistema de computador.
www
Em resumo, o computador é organizado basicamente em cinco seções: entrada, memória, controle, ALU e saída. A informação inserida na CPU corresponde a instruções de programas ou dados que
permitirão uma determinada ação. O programa
armazenado e o tamanho tornam um computador
diferente de uma calculadora.
Os computadores, que são um dos sistemas digitais
mais complexos, não são abordados nesta seção.
Há vários livros dedicados a explicar a organização e a arquitetura de computadores. Entretanto,
lembre-se que todos os circuitos contidos em um
computador digital são implementados a partir de
portas lógicas, flip-flops, células de memória e subsistemas semelhantes aos que foram anteriormente
estudados.
Teste seus conhecimentos
Acesse o site www.grupoa.com.br/tekne para fazer os testes sempre que passar por este ícone.
Sistemas de computadores
O diagrama de blocos da Figura 13-1 poderia representar perfeitamente uma calculadora. Até
agora, foi mostrado que os sistemas básicos operam da mesma forma. As diferenças básicas entre
uma calculadora e um computador residem no tamanho e utilização de um programa armazenado
em um computador, que é um tipo de dispositivo
mais rápido que possui múltiplas funções. A Figura 13-2 mostra que dois tipos de informações
são inseridos em um computador. O programa ou
conjunto de instruções indica como a unidade de
controle deve agir na solução de um determinado
problema. Esse programa, que deve ser cuidadosamente elaborado por um programador, é armazenado na memória central enquanto o problema
é resolvido. O segundo tipo de informação inserido no computador são os dados, que por sua vez
direcionam sua ação. Os dados podem ser incluídos na forma de fatos ou figuras necessários para
a solução do problema. Note que a informação do
programa é armazenada na memória e utilizada
apenas pela unidade de controle. Por outro lado,
a informação dos dados é direcionada para vários
outros pontos do computador e é processada
pela ALU, de modo que os dados nunca precisam
passar pela unidade de controle. A memória auxiliar corresponde à memória adicional necessária
para armazenar os resultados parciais em alguns
problemas complexos. Esse elemento pode não
se encontrar na CPU, de modo que os dados podem ser armazenados em dispositivos periféricos
como o disco rígido.
capítulo 13
ternamente à CPU são denominados DISPOSITIVOS
PERIFÉRICOS.
407
O microcomputador
Os computadores são utilizados de forma geral
desde a década de 1950. Inicialmente, computadores digitais possuíam grandes dimensões e elevado
custo, utilizados por associações governamentais
ou grandes corporações. O tamanho e o formato
do computador digital mudaram drasticamente
nas últimas décadas em virtude da utilização de
um dispositivo denominado microprocessador. O
microprocessador ou MPU (microprocessing unit –
unidade de microprocessamento) é um CI que contém muitas das características de processamentos
exibidas por um computador de grande porte. O
MPU é um dispositivo VLSI pequeno, mas extremamente complexo e programável. O CI MPU constitui o coração de um microcomputador, o qual por
sua vez consiste em um computador digital com
programas armazenados.
Sistemas Sequenciais
A organização de um sistema microcomputador de
pequeno porte é apresentada na Figura 13-3. Esse
microcomputador possui todas as cinco seções
básicas existentes em um computador: a unidade
de entrada, as unidades de controle e aritméticas
existentes no MPU, as unidades de memória e a
unidade de saída.
408
O MPU controla todas as unidades principais do
sistema utilizando as conexões de controle representadas à esquerda na Figura 13-3. Além dessas
conexões, o barramento de endereço (16 condutores em paralelo) seleciona uma determinada
posição de memória, porta de entrada ou porta de
saída. O barramento de dados (oito condutores em
paralelo) à direita na Figura 13-3 representa um caminho de via dupla para a transferência de dados
que entram e saem do MPU. É importante observar
que o MPU pode enviar dados para a memória ou
porta de saída, ou ainda receber dados provenientes da memória ou de uma porta de entrada.
A memória ROM de um microcomputador normalmente contém um programa, o que corresponde a
uma lista de instruções codificadas que direcionam
as ações do MPU. A memória ROM na Figura 13-3
é o local onde o programa está nesse exemplo. Na
Sobre a eletrônica
Dennis C. Hayes
Em 1978, o
jovem Dennis
C. Hayes de 28
anos fundou a
empresa que
se tornaria
Hayes Microcomputer
Products, Inc.
No início das
atividades
profissionais,
Hayes pessoalmente montava e soldava componentes em
cima de uma mesa de jantar emprestada na sua
própria casa. Em 1981, o modem modelo Hayes™
Smartmodem™, o qual podia ser facilmente integrado aos computadores, iniciou uma revolução
no ramo das comunicações.
prática, essa memória contém um programa de inicialização e possivelmente outros programas. Outros programas à parte podem ser carregados na
memória RAM a partir da memória auxiliar. Esses
são os programas do usuário.
A área correspondente à memória RAM na Figura
13-3 é identificada nesse exemplo como a memória de dados. Os dados utilizados no programa
encontram-se nesse local.
As seções da CPU e memória do microcomputador por si sós não são muito úteis. O CPU deve
possuir uma interface com os dispositivos periféricos para a entrada, saída e armazenamento. Os
elementos típicos que desempenham essas funções são mencionados na Figura 13-4. O teclado,
o mouse e o joystick provavelmente são os dispositivos de entrada mais comuns encontrados na
maioria dos microcomputadores. Diversos outros
dispositivos de entrada são listados à esquerda na
Figura 13-4.
Dados obtidos de dispositivo(s) periférico(s)
Portas
ENTRADA(S)
Barramento
de controle
Barramento
de endereço
(16 linhas)
Microprocessador
MPU
Controle e aritmética
Barramento de
dados (8 linhas)
Memória de programa
ROM
Memória de dados
RAM
SAÍDA(S)
Portas
Saída para dispositivo(s) periférico(s)
Figura 13-3 Diagrama de blocos de um microcomputador.
ENTRADA/SAÍDA
SAÍDA
ENTRADA
CPU e memória
principal
Monitor LCD ou com
tubo de raios catódicos
Televisão
Impressora
Alto-falante
Plotter
Impressora laser
ARMAZENAMENTO
Leitor de disquetes
Disco rígido
Leitor de fita
Leitor de disco óptico
Dispositivo de memória flash
Figura 13-4 Dispositivos periféricos normalmente conectados à CPU de um microcomputador.
capítulo 13
Teclado
Mouse
Joystick
Alavancas
Mesas digitalizadoras
Microfone
Caneta óptica
Scanner
Leitor de código de barras
Leitor de tarja magnética
Câmera digital
Sistemas de computadores
Internet e conexão de rede sem fio ou usando modem
409
O leitor de discos ópticos é um dispositivo de armazenamento secundário popular existente na
maioria dos microcomputadores. Outros dispositivos dessa natureza são os leitores de disquete e
os discos rígidos, além dos leitores de fitas magnéticas que não são tão populares. O monitor CRT
ou LCD, a impressora e os sistemas de som são os
dispositivos de saída mais comuns utilizados nos
microcomputadores típicos. Outros exemplos de
dispositivos de saída são os monitores de TV, plotters e impressoras.
As conexões de computadores às redes como a
Internet são praticamente universais. Usuários de
computadores individuais normalmente realizam
tais conexões através de um MODEM (modulador/
demodulador), que se comunica com um provedor
de serviços de Internet através de linhas telefônicas residenciais ou conexões de TV a cabo.
O modem é classificado como um dispositivo periférico de entrada/saída na Figura 13-4. O modem fornece uma comunicação em via dupla com
a rede pública denominada Internet. O modem
funciona como dispositivo de entrada e saída de
dados quando recebe e transmite dados, respectivamente. A Internet é uma rede gigantesca que
conecta milhões de computadores em todo o
mundo. Os usuários da Internet podem encontrar
e trocar informações, comprar e vender produtos
ou mesmo acessar jogos.
Outra forma de acessar a Internet consiste em utilizar uma conexão DSL (digital subscriber line – linha digital do assinante). Uma conexão DSL pode
ser de 10 a 100 vezes mais rápida que um modem,
e é normalmente empregada por usuários individuais, dispositivos de telecomunicação e pequenas empresas. Companhias de TV a cabo também
oferecem o serviço de Internet de alta velocidade
em diversas áreas.
Empresas de grande porte normalmente utilizam
LANS (local access networks – redes de acesso local)
para comunicações de via dupla em um prédio ou
campus. Redes LAN utilizam linhas privadas que
permitem a comunicação nos dois sentidos entre
computadores de mesa e um servidor (computador com maior capacidade de processamento e
memória). Uma rede LAN é mostrada na Figura 135, onde os computadores são conectados ao servidor por meio do protocolo Ethernet.
Um servidor pode ser acessado para realizar o
processamento ou acessar/atualizar um arquivo
ou aplicativo. Organizações de grande porte que
possuem sedes remotas podem utilizar uma rede
WAN (wide area network – rede de área alargada
ou rede de longa distância) para a comunicação
LAN
LAN
WAN
Sistemas Sequenciais
Ethernet
410
Roteador
Rede de longa
distância
Roteador
Ethernet
disponibilizada
pela companhia
telefônica
Servidor
Escritório em Nova York
Figura 13-5 Uso de redes LAN e WAN em comunicações de negócios.
Escritório em Chicago
entre computadores localizados em outras cidades. O diagrama da Figura 13-5 mostra a rede WAN
fornecida por uma companhia telefônica pública
utilizada na comunicação bidirecional. O roteador
(originalmente denominado gateway) mostrado
Teste seus conhecimentos
Para entender a operação de um microcomputador, considere a Figura 13-6. Nesse exemplo, as
seguintes ações ocorrem:
1. A tecla “A” é pressionada no teclado.
2. A letra “A” é armazenada na memória.
3. A letra “A” é exibida na tela do monitor CRT.
O procedimento de entrada-armazenamento-saída destacado na Figura 13-6 representa a operação típica de um microcomputador. O hardware
eletrônico empregado em um sistema semelhante
ao da Figura 13-6 é complexo. Entretanto, a transferência de dados no sistema ajuda a explicar o uso
de diversos dispositivos existentes em um microcomputador.
O diagrama mais detalhado representado na Figura 13-7 permite a melhor compreensão do procedimento entrada-armazenamento-saída. Inicialmente, analise cuidadosamente o conteúdo da
memória de programa na Figura 13-7. Note que
as instruções foram carregadas nas seis primeiras posições de memória. A partir da Figura 13-7,
determina-se que as instruções atualmente listadas
na memória de programa são:
1. Entrada de dados a partir da porta 1.
2. Armazenamento dos dados da porta 1 na posição de memória 200.
3. Saída de dados para a porta de saída 10.
Note que há apenas três instruções no programa
supracitado. Entretanto, aparentemente há seis
instruções na MEMÓRIA DE PROGRAMA segundo a Figura 13-7.
Esse fato ocorre porque algumas vezes a informação é dividida em partes. A primeira parte da instrução corresponde à entrada de dados. A segunda
parte indica a origem dos dados (porta 1). A primeira parte que corresponde à ação é denominada
OPERAÇÃO, enquanto a segunda parte é chamada de
OPERANDO. A operação e o operando são localizados
em posições de memória distintas na memória de
programa da Figura 13-7. Para a primeira instrução,
a posição 100 armazena a operação de entrada,
enquanto a posição 101 armazena o operando
(porta 1), destacando o ponto a partir do qual a
informação será inserida.
1
Aperte “A”
A
Microcomputador
ENTRADA
CPU
ARMAZENA “A” 2
Memória
SAÍDA
A
3 IMPRIME
“A”
Figura 13-6 Exemplo de uma operação comum de
entrada, armazenamento e saída de dados em um
microcomputador.
Sistemas de computadores
Operação de um
microcomputador
capítulo 13
www
na Figura 13-5 é um dispositivo que determina o
melhor caminho que o tráfego de dados deve seguir até chegar ao seu destino. O roteador também
é capaz de converter um protocolo de transmissão
em outro.
411
Sobre a eletrônica
Microcontroladores são pequenos “computadores contidos
em um único chip” de baixo custo que possuem CPU, RAM,
ROM e entrada/saídas. A maioria das pessoas interage com
microcontroladores todos os dias em aplicações diversas
como computadores, telefones, sistemas de segurança,
televisores, termostatos, rádios, automóveis,
“cartões inteligentes” e vários
outros produtos.
Duas novas seções podem ser identificadas no interior do MPU na Figura 13-7 denominadas registradores. Esses dispositivos especiais consistem no
ACUMULADOR e no REGISTRADOR DE INSTRUÇÕES.
Sistemas Sequenciais
A sequência de eventos que ocorre no interior de
um microcomputador no processo de entrada-armazenamento-saída da letra “A” é destacada na
Figura 13-7. O fluxo de instruções e dados pode ser
acompanhado seguindo-se os números circulados
no diagrama. Lembre-se que o MPU é o centro de
todas as transferências de dados e operações. Observe a Figura 13-7 e acompanhe os passos descritos a seguir.
412
1. O MPU envia o endereço 100 para o barramento de endereço. Uma conexão de controle
ativa a entrada de leitura no CI memória de
programa. Este passo é representado pelo número 1 circulado.
2. A memória de programa envia a primeira instrução (dados de entrada) para o barramento
de dados e o MPU recebe essa mensagem codificada. A instrução é então transferida para
uma posição de memória especial no interior
do MPU denominada registrador de instrução.
O MPU decodifica ou interpreta a instrução
“dados de entrada”, a qual por sua vez requer
o operando.
3. O MPU envia o endereço 101 para o barramento de endereço. A conexão de controle
ativa a entrada de leitura no CI memória de
programa.
4. A memória de programa insere o operando
(“inseridos na porta 1”) no barramento de
dados. O operando encontrava-se no endereço 101 na memória de programa. Essa
mensagem codificada (o endereço para a
porta 1) é recebida no barramento de dados
e transferida para o registrador de instrução.
Agora, o MPU é capaz de decodificar a instrução completa (“dados de entrada inseridos na porta 1”).
5. O MPU utiliza o barramento de endereço e as
conexões de controle com a unidade de entrada para abrir a porta 1. Essa forma codificada
do caractere “A” é transferida e armazenada no
acumulador do MPU.
É importante notar que o MPU sempre segue uma
SEQUÊNCIA BUSCA-DECODIFICA-EXECUTA. Inicialmente, a
Caractere “A” digitado no teclado
5
Porta 1
ENTRADA
5
Acumulador
MPU
16
Endereço
Conteúdos
100
Dados de ENTRADA
101
Inseridos na porta 1
6
102
ARMAZENAR os dados
7
8
103
Na posição de memória 200
9
104
Dados de SAÍDA
105
Disponibilizados na porta 10
1
3
12
14
2
4
13
Barramento de dados
Barramento de endereço e controle
Registrador de instruções
15
106
Memória de programa
RAM
10
Endereço
Conteúdos
200
“A”
11
203
Memória de dados
16
SAÍDA
Porta 10
16
Saída do caractere “A”
para o monitor
Figura 13-7 Sequência de ações realizadas na operação de entrada, armazenamento e saída de dados em um
microcomputador.
capítulo 13
202
Sistemas de computadores
201
413
instrução é buscada na memória de programa. Então, o MPU decodifica a instrução. Por fim, essa instrução é executada. Tente identificar essa sequência
nas duas instruções seguintes, continuando a seguir o programa listado na memória de programa
na Figura 13-7.
13. O código da instrução “dados de saída” é enviado para o MPU no barramento de dados.
O MPU recebe essa instrução, transferindo-a
para o registrador de instrução. O MPU decodifica a instrução e determina que o operando
é necessário.
6. O MPU endereça a posição 102 no barramento de endereço. As conexões de controle são
empregadas para ativar a entrada de leitura
na memória de programa.
7. O código para a instrução “armazenar os dados” é enviado para o barramento de dados e
recebido pelo MPU, sendo então transferido
para o registrador de instrução.
8. O MPU decodifica a instrução “armazenar os
dados” e indica que há a necessidade do operando. O MPU endereça a próxima posição de
memória (103) e ativa a entrada de dados na
memória de programa.
14. O MPU insere o endereço 105 no barramento
de endereço e ativa a entrada de leitura no registrador de instrução.
9. O código correspondente a “na posição de
memória 200” é inserido no barramento de
dados pela memória de programa. O MPU
aceita esse operando, armazenando-o no
registrador de instrução. Assim, a instrução
completa “armazenar os dados na posição
de memória 200” é buscada na memória e
decodificada.
Sistemas Sequenciais
10. Agora, o processo de execução é iniciado. O
MPU envia o endereço 200 para o barramento
de endereço e ativa a entrada de gravação da
memória de dados.
414
11. O MPU envia a informação armazenada no
acumulador para o barramento de dados para
a memória de dados, O caractere “A” recebido
no barramento de dados é gravado na posição
200 na memória de programa. Assim, a segunda instrução foi executada. Esse processo de
armazenamento não elimina o conteúdo do
acumulador, que ainda contém a forma codificada de “A”.
12. O MPU deve buscar a próxima instrução. A posição de memória 104 é endereçada, ativando
a entrada de leitura da memória de programa.
15. A memória de controle envia o código do operando (“disponibilizados na porta 10”) ao MPU
através do barramento de dados. Esse código
é recebido no registrador de instrução.
16. O MPU decodifica a instrução completa “dados de saída disponibilizados na porta 10”. O
MPU ativa a porta 10, utilizando o barramento
de endereço e as conexões de controle com a
unidade de saída. O MPU envia o código correspondente a “A” (ainda armazenado no acumulador) para o barramento de dados. O caractere “A” é transmitido da porta de saída 10
para a tela do monitor CRT.
A maioria dos SISTEMAS MICROPROCESSADOS transfere
informações de forma semelhante àquela detalhada na Figura 13-7. As principais diferenças podem
ocorrer nas seções de entrada e saída. Diversas outras ações podem ser necessárias para que as seções de entrada e saída operem adequadamente.
É importante notar que o MPU é o centro de execução e controle de todas as operações. O MPU segue
a sequência busca-decodifica-executa. Entretanto,
as operações reais do MPU são dirigidas pelas instruções contidas na memória de programa. As instruções normalmente são executadas em sequência (100, 101, 102 e assim por diante).
Todas as três instruções do exemplo seriam buscadas, decodificadas e executas em alguns milissegundos ou menos na maioria dos microprocessadores de pequeno porte. A vantagem dos sistemas
microprocessados consiste na elevada velocidade
de operação e flexibilidade. Esses dispositivos são
altamente flexíveis porque podem ser reprogramados de modo a executar diversas tarefas.
Microcomputadores são sistemas digitais complexos que contêm um CI MPU (ou um conjunto
de CIs), memória, entradas e saídas. O CI MPU
em si corresponde a um sistema de grande
complexidade altamente integrado que pode
processar instruções em taxas extremamente
Teste seus conhecimentos
Considere o sistema microprocessado simples de
4 bits da Figura 13-8, que emprega apenas oito
condutores no barramento de endereço e quatro
condutores no barramento de dados. As memórias
RAM possuem capacidade reduzida, sendo unidades de 64 bits (16×4), semelhantes às memórias
7496 anteriormente estudadas.
Dois problemas surgem quando se trabalha com
um sistema semelhante ao da Figura 13-8(a). Primeiro, como o MPU é capaz de escolher a memória
RAM a partir da qual se deve ler os dados quando
o mesmo endereço de 4 bits é enviado para cada
uma delas? Segundo, como diversos dispositivos
podem enviar dados através de um mesmo barramento de dados comum se normalmente as saídas
dos dispositivos lógicos não podem ser conectadas
entre si? As soluções para ambos os problemas são
mostradas na Figura 13-8(b).
O DECODIFICADOR DE ENDEREÇO mostrado na Figura 138(b) decodifica e decide qual memória RAM deve
ser utilizada, enviando esse sinal de ativação através da conexão de seleção. Apenas uma conexão
é ativada por vez. O bloco decodificador de endereço consiste em portas lógicas combinacionais. A
memória RAM 0 é selecionada quando o endereço
varia entre 0 e 15. Entretanto, a memória RAM 1 é
selecionada quando o endereço varia entre 16 e 31.
Os BUFFERS DE TRÊS ESTADOS mostrados na Figura 138(b) desconectam as saídas das memórias RAM
quando o dispositivo não envia dados. Por esse
motivo, a conexão de seleção também é utilizada
para controlar ou ativar os buffers de três estados.
Quando estão desligados, diz-se que suas saídas
encontram-se no MODO DE ALTA IMPEDÂNCIA, sendo
que as quatro conexões de dados existentes na entrada dos dispositivos estão desativadas.
Os circuitos lógicos utilizados em um decodificador
de endereços simples são mostrados na Figura 139. Nesse exemplo, a saída da porta OR de quatro
entradas inferior é BAIXA apenas quando todas as
quatro linhas de endereço (de A7 a A4) são iguais a
zero. Quando isso ocorre, a memória RAM 0 é efetivamente ativada com um nível BAIXO aplicado em
sua respectiva entrada de ativação de memória (ME
– memory enable).
Quando as quatro linhas de endereço no decodificador de endereços possuem valor 0001, (A70,
A60, A50, A41), a porta OR superior é ativada.
Dessa forma, o valor 0001 gera uma saída BAIXA
na porta OR superior, ativando a linha de seleção
de dispositivo inferior. Assim, a memória RAM 1 é
ativada.
O decodificador de endereço da Figura 13-9 decodifica apenas as quatro linhas de endereço mais
significativas para gerar o nível lógico correto (ME).
A memória RAM decodifica as quatro linhas de
endereço menos significativas internamente (de
A0 a A3) para localizar a palavra de 4 bits exata na
memória.
O sistema microprocessado mostrado nas Figuras
13-8 e 13-9 utiliza oito linhas de endereço, ou seja,
o MPU pode gerar 256 endereços distintos (28). Nos
Sistemas de computadores
Decodificação
de endereço em um
microcomputador
capítulo 13
www
elevadas. Espera-se que a fabricação de microcomputadores apresente um crescimento significativo nos próximos anos. Nas últimas duas
seções, foi fornecida apenas uma visão geral
acerca da operação básica e organização de um
microcomputador.
415
Barramento de endereço
(oito linhas)
Microprocessador
Barramento de dados
(quatro linhas)
Quatro
linhas
RAM
(16 4)
0
Quatro
linhas
RAM
(16 4)
1
(a)
Barramento de
endereço
Decodificador de
endereço
Microprocessador
Sistemas Sequenciais
Barramento
de dados
416
Linha de seleção do dispositivo
(0–15)
RAM
(16 4)
0
Buffer de
três
estados
Linha de seleção do dispositivo
(16–31)
RAM
(16 4)
1
Buffer de
três
estados
(b)
Figura 13-8 (a) Microprocessador simplificado de 4 bits em interface com duas memórias RAM de 64 bits. (b)
Decodificador de endereço e buffers de três estados acrescentados ao sistema microprocessador de 4 bits.
Decodificador de endereço
Linha de seleção do dispositivo
(Endereços 0–15)
Barramento de
endereço
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
MPU
ME
A0
A1
A2
A3
RAM
(16 4)
0
Linha de seleção do dispositivo
(Endereços 16–31)
ME
A0
A1
A2
A3
RAM
(16 4)
1
para representar endereços em sistemas microprocessados.
Os 16 endereços seguintes são utilizados pela memória RAM 1 e variam entre 16 e 31 (entre 10 e 1F
em hexadecimal). Os grupos de endereços de números três a dezesseis não são utilizados nesse sistema. É comum empregar a notação hexadecimal
Uma versão comercial do buffer de três estados é
mostrada na Figura 13-11(b), representando o diagrama de pinos do CI BUFFER DE TRÊS ESTADOS QUÁDRUPLO TTL 74125. A respectiva tabela verdade é
apresentada na Figura 13-11(c).
Na Figura 13-8(b), dois blocos são marcados como
buffers de três estados. O respectivo símbolo é representado na Figura 13-11(a), onde há uma entrada e dados (A) e uma saída não invertida (Y). Quando a entrada de controle (C) é desativada com um
nível 1, a saída Y assume o estado de alta impedância (Z) e é efetivamente desconectada da entrada.
capítulo 13
sistemas das Figuras 13-8 e 13-9, os primeiros 16 endereços são utilizados pela memória RAM 0, enquanto os 16 endereços seguintes são utilizados memória
RAM 1. É comum desenhar o mapa de memória de
um sistema processado, e nesse caso o mapa correspondente é representado na Figura 13-10. Verifica-se
que os primeiros 16 endereços (0F em hexadecimal)
são reservados para a memória RAM 0, variando entre 0 e 15 (entre 00 e 0F em hexadecimal).
Sistemas de computadores
Figura 13-9 Decodificador de endereço utilizado na geração dos sinais corretos para a seleção de dispositivos.
417
Endereço
(hexadecimal)
00
0F
10
1F
C
Controle
ENTRADAS
A
Dados
Y
SAÍDA
(não
invertida)
RAM 0
(a)
RAM 1
1C
1
14 VCC
1A
2
13 4C
1Y
3
12 4A
2C
4
11 4Y
2A
5
10 3C
EF
2Y
6
9
3A
F0
FF
GND
7
8
3Y
20
2F
30
DF
Não utilizados
neste sistema
E0
(b)
Figura 13-10 Mapa de memória de um pequeno
sistema microprocessado utilizando duas memórias
RAM 16 × 4.
Em resumo, um decodificador de endereço é utilizado para selecionar qual dispositivo deverá ser
conectado ao barramento de dados em um sistema
microprocessado. Decodificadores de endereço normalmente são implementados em termos de circuitos lógicos combinacionais (portas lógicas simples).
Para permitir que muitos dispositivos empreguem
um barramento de dados comum, três buffers de
três estados são utilizados. Esses dispositivos possuem uma entrada de controle que, quando está
desativada, permite que a saída assuma o estado
de alta impedância (Z).
Tanto decodificadores de endereço quanto buffers
de três estados são amplamente utilizados em mi-
Sistemas Sequenciais
www
418
TABELA VERDADE
ENTRADAS
L
H
X
(Z)
SAÍDA
C
A
Y
L
L
H
L
H
X
L
H
(Z)
= nível de tensão BAIXO
nível de tensão ALTO
condição irrelevante
alta impedância (desligado)
(c)
Figura 13-11 (a) Símbolo lógico de um buffer
de três estados. (b) Diagrama de pinos de um CI
comercial buffer quádruplo de três estados 74125. (c)
Tabela verdade do CI buffer de três estados 74125.
crocomputadores e muitos sistemas digitais. Os
buffers de três estados normalmente são parte de
MPUs, memórias RAM, memórias ROM e CIs adaptadores de interface de periféricos.
Teste seus conhecimentos
Transmissão de dados
A maior parte dos dados em sistemas digitais é
transmitida através de cabos e PCIs. Muitas vezes,
bits de dados devem ser transmitidos de um lugar
para outro. Em outros casos, deve-se transmitir dados por uma linha telefônica ou cabos até pontos
muito distantes do local de origem. Se todos os bits
de uma palavra fossem enviados de uma única vez
através de cabos paralelos, as dimensões e os cus-
O sistema da Figura 13-12 funciona da seguinte
forma. Inicialmente, o MUX conecta a entrada 0 à
Um MUX funciona de forma análoga a uma chave rotativa de polo simples e contatos múltiplos,
como mostra a Figura 13-13. A chave rotativa 1
representa a ação de um MUX. O DEMUX opera de
forma semelhante à chave rotacional 2 na Figura
13-13. O controle mecânico existente nesse diagrama garante que os dados da entrada 5 em CH1
sejam devidamente repassados à saída 5 da chave
CH2. Note que as chaves mecânicas na Figura 1313 permitem que os dados trafeguem em ambas
as direções. Quando são constituídos de portas
lógicas, dispositivos MUX e DEMUX permitem a
transmissão de dados apenas da entrada para a
saída, como mostra a Figura 13-12.
TRANSMISSÃO
ENTRADAS
SAÍDAS
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
Dados
paralelos
7
Multiplexador
Dados seriais
Demultiplexador
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
13
13
14
14
15
15
Controle
Figura 13-12 Transmissão de dados seriais utilizando um multiplexador e um demultiplexador.
Dados
paralelos
Sistemas de computadores
O conceito básico envolvendo MUX e DEMUX é
mostrado na Figura 13-12. Os dados paralelos provenientes de um dispositivo são convertidos em
dados seriais pelo MUX e então transmitidos através de um único condutor. Os dados seriais são então reagrupados na forma de dados paralelos pelo
DEMUX. Verifique que as linhas de controle devem
ainda conectar o MUX e o DEMUX, mantendo-os
sincronizados. Note que as 16 linhas de entrada
são resumidas a um número menor de linhas de
transmissão.
linha de transmissão serial de dados. O bit é então transmitido para o DEMUX, que direciona este
bit para a saída 0. O MUX e o DEMUX continuam
a transferir os dados da entrada 1 para a saída 1 e
assim por diante. Os bits são transferidos um de
cada vez.
capítulo 13
tos desses condutores seriam muito elevados. De
outra forma, os dados são enviados através de um
único condutor de forma SERIAL, sendo reunidos de
forma paralela no terminal receptor. Dispositivos
empregados no envio e recepção de dados seriais
são denominados MULTIPLEXADORES (MUX) e DEMULTIPLEXADORES (DEMUX).
419
Multiplexador
Dados
paralelos
Demultiplexador
1
1
2
2
3
4
CH-1
Dados seriais
CH-2
Controle
3
4
5
5
6
6
Dados
paralelos
Figura 13-13 Chaves rotativas atuando como multiplexadores e demultiplexadores.
Certamente, você utilizou um MUX anteriormente,
sendo que outro nome dado a esse dispositivo é
seletor de dados. Dispositivos DEMUX são normalmente chamados de distribuidores ou decodificadores. O termo “distribuidor” descreve a ação
de CH2 na Figura 13-13, pois os dados seriais são
distribuídos para a saída 1, 2, 3 e assim por diante.
Sistemas Sequenciais
A Figura 13-14 apresenta o diagrama esquemático
detalhado de um sistema de transmissão experimental utilizando o arranjo MUX/DEMUX. Uma palavra (com comprimento de 16 bits) é inserida nas
entradas (de 0 a 15) do CI MUX 74150. O contador
7493 inicia a contagem em 0000, o que é exibido
como 0 no display de sete segmentos. Quando as
entradas de seleção de dados (D, C, B, A) do MUX
74150 são iguais a 0000, os dados são retirados da
entrada 0, que é exibida como um nível lógico 0.
Esse valor é então transferido para o CI DEMUX
74154, onde é direcionado à saída 0. Normalmente, a saída do CI 74154 é invertida, como é possível
perceber através dos círculos inversores. Um inversor 7404 complementa a saída para obter novamente o valor lógico 0.
420
O contador incrementa a contagem para o valor binário 0001, sendo exibido como o número decimal
1. Esse valor binário é aplicado às entradas de seleção de dados de ambos os CIs (74150 e 74154). O
nível lógico 1 existente na entrada do MUX 74150
é transferido para a linha de transmissão. Assim, o
DEMUX 74154 transfere os dados para a saída 1. O
inversor 7404 complementa a saída, e o nível lógi-
co 1 é exibido na forma do LED aceso mostrado no
diagrama.
O contato continua a varrer cada entrada do CI
74150 e transferir os respectivos conteúdos para a
saída do CI 74154. Note que o contador deve contar do valor binário 0000 até 1111 (16 algarismos)
para transferir cada palavra paralela da entrada
para a saída desse sistema. A leitura do display de
sete segmentos a LEDs consiste em uma forma
conveniente para acompanhar qual é a palavra
que está sendo transmitida. Se a frequência dos
pulsos for muito alta, os dados paralelos podem ser
transmitidos de forma tão rápida quantos os dados
seriais para a saída.
Note que na Figura 13-14 foi economizada uma
quantidade significativa de condutores ao se enviar os dados na forma serial. Embora o tempo de
transferência seja maior, a taxa de envio dos dados
pode ser muito alta.
Um exemplo comum da transmissão de dados
consiste na conexão existente entre um microcomputador e um dispositivo periférico como uma
impressora ou modem. A interface do computador
pode enviar dados de forma paralela ou serial dependendo do tipo de impressora.
Uma INTERFACE PARALELA transmite 8 bits (um byte)
de dados por vez. A Figura 13-15 mostra como a
CPU do microcomputador controla um CI denominado PIA (peripheral-interface adapter – adaptador
de interface de periférico). O CI PIA comunica-se
Multiplexador
Saídas
Demultiplexador
0
0
0
1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
Entradas
paralelas
7
Dados
W
8
seriais
8
9
9
10
10
11
11
12
12
13
13
14
(74150)
(74154)
0
15
Habilitar
0
G1
G2
14
15
Strobe
7404s
Seleção de dados
D C B A
LEDs
150 Seleção de dados
D C B A
Decodificador
RO(1)
QD
D
RO(2)
QC
C
Entrada A
QB
B
Entrada B QA
(7493)
A
c
c
d
d
e
e
f
f
(7447)
5 V
b
b
Reinicializar
Clock
a
a
g
g
150 Bit transmitido
Figura 13-14 Diagrama esquemático de um sistema de transmissão de dados experimental.
com a impressora através do estabelecimento de
conexões (handshaking ou, considerando uma
tradução literal, “aperto de mãos”) para verificar
se o dispositivo está pronto para o recebimento
de dados. Se a impressora indica para o PIA que
está pronto, os bytes são transferidos da CPU para
capítulo 13
Contador
Sistemas de computadores
Conexões de controle
421
cheia. Assim, o CPU para de enviar dados temporariamente até que surja mais espaço na memória
buffer da impressora.
Sobre a eletrônica
Um chip poderoso
Adaptadores de interface de periféricos não são padronizados. O fabricante Motorola designa seu dispositivo como PIA 6820. O nome de um dispositivo
adaptador de entrada/saída semelhante fabricado
pela Intel é PPI 8255 (programmable peripheral interface – interface programável de periféricos). Os
PIAs são CIs genéricos que podem ser programados
como dispositivos de entrada ou saída, possuindo
diversas portas paralelas E/S de 8 bits.
Um chip de memória é menor do
que uma unha e
ainda assim é capaz de armazenar
262.000 bits de
dados em 600.000
componentes eletrônicos. Na figura, tem-se a parte
central de uma
memória DRAM (Dynamic Random Acess Memory –
Memória de Acesso Randômico Dinâmico) de 256
kB, cujo tamanho original é aumentado cerca de
1.000 vezes para uma visualização adequada.
Uma interface serial transmite 1 bit de dados por
vez. CIs denominados UART (universal synchronous
receiver/transmitter – receptor-transmissor assíncrono universal) são normalmente empregados
como interface entre a CPU e as conexões (links)
de dados. Um UART consiste em três seções: um
transmissor, um receptor e um bloco de controle,
como mostra a Figura 13-16. O receptor converte
dados seriais em dados paralelos. Por outro lado, o
transmissor converte dados paralelos (como aqueles provenientes do barramento de dados da CPU)
em dados seriais. O bloco de controle gerencia as
funções do UART e coordena as comunicações com
o PIA e posteriormente para a memória buffer da
impressora. A CPU pode enviar dados mais rapidamente para a impressora do que esse dispositivo é
capaz de imprimi-los. Por esse motivo, a impressora indica para o PIA quando a memória buffer está
Endereço
CPU
Controle
Barramento
de dados
(oito bits)
Interrupção
adaptador de
interface de
periféricos
Sistemas Sequenciais
Dados
(8bits)
bits)
Data (8
422
Estabelecimento de
conexões (handshaking)
Impressora com
conexão em
porta paralela
Figura 13-15 Transmissão paralela de dados da CPU para a impressora utilizando um adaptador de interface
de periféricos.
Entrada serial
Clock
Receptor
Saída
paralela
Habilitar/
Reinicializar
E/S
paralela
Transmissor
Saída
serial
CLOCK
Funções de
controle
Controle
Sinais de
status
Alimentação
Figura 13-16 Utilização da entrada de supressão de zeros (RBI) do decodificador/driver para omitir os zeros à
esquerda do display digital.
www
Os padrões Centronics e IEEE-488 são dois exemplos de padrões de INTERFACE PARALELA. O primeiro
tipo é muito utilizado como interface entre computadores e impressoras. O padrão IEEE-488 é utilizado entre computadores e dispositivos de instrumentação científica.
Teste seus conhecimentos
Detecção de erros na
transmissão de dados
Dispositivos digitais, a exemplo de computadores,
são extremamente úteis porque são rápidos e precisos. Para o desenvolvimento de dispositivos com
essas características desejáveis, é necessário utilizar métodos de detecção de erros. É perfeitamente possível imaginar a OCORRÊNCIA DE ERROS em um
sistema quando os dados são transferidos de um
local para outro.
Para detectar erros, deve-se verificar os dados
transmitidos constantemente. Para checar a precisão do processo, pode-se gerar e transmitir um bit
de paridade adicional. Nesse sistema, três entradas
paralelas (A, B e C) são transmitidas em uma longa
distância. Próximo à entrada, há um circuito gerador de bit de paridade, que gera um determinado
Sistemas de computadores
A velocidade na qual os dados seriais são transmitidos é chamada de taxa de baud, que indica o
número de bits por segundo transferidos através
de uma conexão de dados. A taxa de baud não
corresponde ao número de caracteres ou palavras
transmitidos por segundo. Taxas de baud assumem valores típicos de 110, 300, 1200, 2400, 9600,
19.200 e 38.400.
Os níveis dos sinais encontrados nas conexões de
dados são muitas vezes definidos por padrões. O
padrão EIA RS-232C e o padrão mais antigo teletipo com laço de corrente de 20 mA são dois exemplos de padrões de interface serial.
capítulo 13
a CPU e o dispositivo periférico. O UART também
codifica e decodifica sinais seriais incluindo os bits
de início, parada e paridade.
423
valor. Esse bit de paridade é transmitido juntamente com os dados, e os resultados são verificados em
um local próximo à saída. Se um erro ocorre durante a transmissão, o circuito detector de erros aciona
um alarme. Se todos os dados paralelos surgem na
saída com o mesmo formato exibido na entrada, o
alarme não é disparado.
A Tabela 13-1 ajuda a compreender como funciona o sistema de detecção de erros, sendo esta uma
tabela verdade do gerador de bit de paridade mostrado na Figura 13-17. Note que as entradas A, B e
C representam as três conexões de transmissão de
dados. A saída é determinada analisando-se uma
determinada linha horizontal. Deseja-se um número par de valores 1 em cada linha (zero, dois ou
quatro valores 1). A linha 1 possui um único 1 além
do bit de paridade 1. A linha 2 possui dois valores
1. À medida que a Tabela 13-1 é analisada, verifica-se que há um número par de valores 1. O circuito
lógico do gerador de bit de paridade é mostrado
na Figura 13-18(a). Verifica-se que uma porta XOR
de três entradas é capaz de gerar o bit de paridade.
Assim, a porta XOR de três entradas da Figura 1318 corresponde ao circuito lógico que representa o
bloco gerador de bit de paridade na Figura 13-17.
Observe a tabela verdade completa. A Tabela 13-1
mostra que, em circunstâncias normais, cada linha
horizontal contém um número par de valores 1. Se
um erro ocorrer, então haverá um número ímpar
de valores 1. Um circuito que fornece uma saída
Sistemas Sequenciais
424
Entradas
Saída
Dados paralelos
Saída de paridade
C
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
1
0
1
1
A
0
1
0
1
0
1
0
1
P
0
1
1
0
1
0
0
1
com nível lógico 1 sempre que há um número ímpar de valores 1 é representado na Figura 13-18(b).
Uma porta XOR de quatro entradas detecta um número ímpar de valores 1 nas entradas e aciona a luz
de alarme. A Figura 13-18(b) apresenta o circuito
lógico capaz de substituir o bloco detector de erros
na Figura 13-17.
O bit de paridade pode ser gerado para palavras
maiores, como um caractere ASCII de 7 bits. Por
exemplo, o código ASCII correspondente à letra
“T” é 1010100 (de acordo com a Tabela 6-3). Se for
transmitido utilizando um bit de paridade par, um
valor 1 adicional deve ser incluído (de modo a se
obter um número par ou quatro valores 1). Uma
TRANSMISSÃO
ENTRADAS
Dados
paralelos
Tabela 13-1 Tabela verdade de um
gerador de bit de paridade
SAÍDAS
A
A
B
B
C
C
A
B
C
Dados
paralelos
Bit de paridade
Gerador de bit
de paridade
P
C
B
Detector de
erro
Figura 13-17 Sistema de detecção de erro utilizando um bit de paridade.
A
Alarme de
erro
(a)
A
B
C
P
Alarme
de erro
Luz acesa Erro
Luz apagada OK
(b)
Figura 13-18 (a) Circuito gerador de bit de paridade. (b) Circuito de detecção de erro.
porta XOR de sete entradas é capaz de gerar o
bit de paridade correto para caracteres ASCII de 7
bits. Uma porta XOR de 8 bits existente no receptor
pode funcionar como um circuito detector de erros
(Hhá erro, Lnão há erro). Um bit de paridade
par ou ímpar pode ser transmitido ou recebido.
Uma porta XNOR é utilizada na geração de um bit
de paridade ímpar.
O sistema de bits de paridade consiste em uma forma simples para detectar erros na transmissão de
dados. Entretanto, só é possível detectar erros se um
número ímpar de bits mudar. Se um número par de
bits mudar durante a transmissão de dados, o sistema de bits de paridade é incapaz de detectar o erro.
Por exemplo, se o código 1010100 correspondente à letra “T” mudou durante a transmissão para
1010111 (letra “W”), o erro não será detectado.
Note que ambos os códigos 1010100 (representação da letra “T” em código ASCII) e 1010111 (repre-
sentação da letra “W” em código ASCII) possuem
um número ímpar de valores 1. Nesse exemplo, o
sistema de bits de paridade não geraria uma mensagem de erro.
Um sistema comum utilizado na verificação da
ocorrência de erros em múltiplos bits durante a
transmissão é a verificação de redundância cíclica
ou CRC (cyclic redundancy check). O sistema CRC inclui vários bits adicionais ao final dos dados transmitidos. Os bits adicionais permitem a detecção de
quase todos os erros de transmissão. Sistemas que
empregam CRC na detecção de erros normalmente
adicionam 8, 16 ou 32 bits aos dados, normalmente designados por sistemas CRC-8, CRC-16 ou CRC32, respectivamente.
A verificação de redundância cíclica cria um código
único ou soma de controle para os dados, deslocando-os por meio de um registrador de deslocamento constituído de flip-flops com portas XOR
inseridas em localizações específicas. O exemplo
da Figura 13-19 mostra um circuito que pode gerar
a soma de controle possível CRC-8. Após o deslocamento de todos os dados na entrada serial de dados desse circuito, o registrador de deslocamento
(FF0-FF7) armazena a soma de controle de 8 bits
correspondente.
Em um sistema de detecção de erros CRC, tanto o
transmissor quanto o receptor são implementados
a partir do mesmo circuito. O transmissor utiliza o
circuito para gerar a soma de controle. No receptor,
os dados são transferidos para o circuito da soma
de controle. Após a recepção de todos os dados, a
soma de controle no receptor é comparada àquela
Entrada de dados seriais
FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2
Figura 13-19 Circuito gerador de soma de controle CRC-8.
FF1
FF0
Sistemas de computadores
Bit de
P
paridade
capítulo 13
A
B
C
425
enviada pelo transmissor. Se os valores são idênticos, isso significa que os dados foram transmitidos
com sucesso. Caso contrário, o receptor solicita o
reenvio dos dados ao transmissor.
O uso de bits de paridade ou CRC em um sistema
apenas avisa que houve erros durante a transmiswww
Teste seus conhecimentos
Transmissão de dados em
um sistema de computador
Para a operação adequada dos computadores, os
dados devem ser transmitidos entre o computador
e dispositivos periféricos conectados a ele. Verificando-se a parte traseira de um computador pessoal, constata-se a existência de conexões diversas
dedicadas a diversos tipos de dispositivos periféricos. Essas conexões são normalmente chamadas
de portas e algumas são descritas a seguir.
Porta do teclado: Porta especialmente dedicada à conexão do teclado. Muitos PCs atualmente
utilizam o conector mini-DIN PS/2 (seis pinos)*.
Porta do mouse: Porta especialmente dedicada à conexão do mouse. Muitos PCs atualmente utilizam o conector mini-DIN PS/2 (seis
pinos), embora os conectores USB também
sejam empregados.
Sistemas Sequenciais
Porta de vídeo: Porta utilizada na conexão
do computador a um monitor de vídeo CRT
ou LCD. Normalmente, consiste em uma porta
como conector VGA (adaptador gráfico de vídeo) de 15 pinos ou uma porta DVI (interface
vídeo digital).
426
são de dados, sendo que estes não são automaticamente corrigidos. Alguns sistemas como o código
Hamming detectam e corrigem erros existentes na
transmissão e é denominado código corretor de
erros. Há outros métodos que também garantem
a exatidão na transmissão de dados.
Porta serial: Esta porta utiliza um conector
de nove pinos na forma de D (DB). Trata-se de
um dos tipos mais antigos de portas existentes em computadores, utilizadas na conexão
de vários tipos de dispositivos. A porta serial
* Com a popularização da tecnologia USB, há também teclados
que utilizam conectores USB.
praticamente não é encontrada nos modelos
mais novos de PC.
Porta paralela: Esta porta possui um conector DB (data bus – barramento de dados) de
25 pinos. Também consiste em um dos tipos
de portas mais antigos em PCs. É normalmente empregada na conexão de impressoras ao
computador e é capaz de enviar 8 bits por vez.**
Portas de áudio: Um computador pode possuir duas ou mais portas deste tipo, consistindo
em conectores de áudio de 3,5 mm. Pelo menos um dos conectores é dedicado para a saída
de áudio em fones de ouvido ou alto-falantes.
A outra porta normalmente é empregada na
conexão de microfones como forma de entrada
de áudio.
Porta USB: A porta USB (Universal Serial Bus –
Barramento Serial Universal) é encontrada na
maioria dos computadores modernos, substituindo conexões mais antigas como as portas
seriais utilizadas com dispositivos periféricos.
As portas USB são normalmente pequenas e
possuem formato retangular, cujas dimensões
são aproximadamente 4,2 mm × 12 mm.
Porta Ethernet: Esta porta é normalmente
utilizada para conectar o computador a uma
** A porta paralela foi praticamente abandonada como forma de
conexão de impressoras a computadores, principalmente em virtude do desenvolvimento de conectores USB e da tecnologia plug
and play (ligar e usar), criada em 1993 com o objetivo de fazer com
que o computador reconheça e configure automaticamente qualquer dispositivo que seja instalado, facilitando a expansão segura
dos computadores e eliminando a configuração manual.
rede de alta velocidade. Muitos PCs utilizam o
padrão RJ-45 para esta conexão, assemelhando-se ao conector RJ-11 utilizado na interligação entre modems e linhas telefônicas.
A análise do deslocamento dos dados entre o computador e os dispositivos periféricos permite compreender o processo de transmissão de dados em
um sistema de computador. A seção Transmissão de
dados apresentou o UART como um CI normalmente utilizado como interface serial com a CPU. Em
computadores pessoais, o UART corresponde a um
dispositivo duplex completo porque pode enviar e
receber dados ao mesmo tempo.
A Figura 13-20 apresenta o diagrama de blocos de
um UART utilizado em um sistema simples para as
portas de entrada e saída. Os dados que chegam
ao UART correspondem aos dados de entrada do
computador. Por outro lado, os dados enviados pelo
UART são os dados de saída. Note que são utilizados
quatro registradores, isto é, um registrador de transmissão de dados, um registrador de recepção de dados, um registrador de controle e um registrador de
status. Através da leitura e gravação de valores nesses registradores, o MPU é capaz de controlar o fluxo
de dados que entra e sai do UART. O UART facilita o
envio e recepção de dados pelo MPU porque a leitura e gravação de dados ocorre de forma semelhante
ao processo verificado em uma memória RAM. Em
microcomputadores, os registradores que controlam esses fluxos de dados são mapeados em uma
determinada posição de memória, de forma análoga
ao que ocorre com a memória RAM na Figura 13-10.
Embora o UART da Figura 13-20 apresente quatro
registradores, é comum o registrador de transmissão
de dados compartilhar a mesma posição de memória. Assim, o mapa de memória para o UART nessa
figura mostra apenas três posições de memória. O
MPU indica ao UART qual registrador de dados deve
ser utilizado através da conexão de controle com capacidade de leitura/gravação. Se o MPU indica uma
operação de gravação na posição de memória do registrador de dados do UART, os dados são enviados
ao registrador de transmissão de dados. Se o MPU
indica uma operação de leitura na mesma posição de
memória, então os dados são lidos a partir do registrador de recepção de dados.
A Tabela 13-2 indica a posição dos registradores do
UART da Figura 13-20 em relação à localização de
MPU
Barramento de dados
Memória de dados
Controle
Status
UART
Receber
Transmitir
RxD
TxD
Figura 13-20 Diagrama de blocos de um UART em um sistema de computador.
capítulo 13
Memória de programa
Barramento de endereço
Sistemas de computadores
Barramento de controle com
capacidade de leitura/gravação
427
que cada bit possui significado especial. A descrição
desses bits também é fornecida na Figura 13-21.
Tabela 13-2
Registro
Offset
Receber dados
Transmitir dados
Status
Controle
Agora, vamos analisar um exemplo onde o sistema da Figura 13-20 ajusta o UART e envia o código ASCII correspondente à letra “A” (valor binário
1100001) a um dispositivo periférico conectado
na porta serial. Os dados devem ser enviados com
paridade par e um bit de parada. Adotando-se a
mesma sequência busca-decodifica-executa descrita na seção Operação de um microcomputador,
o MPU executa o programa que contém as seguintes instruções:
00h
00h
01h
02h
memória base. Como exemplo, considere que o projetista do sistema da Figura 13-20 inseriu o UART na
posição de memória base 300. Nessa configuração,
o MPU acessa o registrador de status lendo a partir
da posição 301 e acessa o registrador de controle
realizando a leitura ou gravação na posição 302. A
Figura 13-21 fornece mais detalhes sobre os registradores de controle e status. Cada um desses registradores é dividido em um número de bits, sendo
Carregar o valor binário 00011010 (valor hexadecimal 1A) no acumulador a partir da memória de programa.
Inserir o endereço de memória 302 no barramento de endereço.
Registrador de controle:
7
6
5
4
3
2
Paridade Paridade
Bits de
Ligada/ Ímpar/
interrupção
Desligada
Par
Não utilizado
0 = Desligado
1 = Ligado
0 = Ímpar
1 = Par
1
0
Bits de dados
00 = 5 bits
01 = 6 bits
10 = 7 bits
11 = 8 bits
0 = 1 Bit de Interrupção
1 = 2 Bits de Interrupção
(a)
Registrador de status:
7
6
5
Não utilizado
4
3
2
1
0
FE
PE
OF
TE
RF
Sistemas Sequenciais
1 = Erro de enquadramento
428
1 = Erro de paridade
1 = Estouro do buffer de recepção
1 = Estouro do buffer de transmissão
1 = Buffer de recepção lotado
(b)
Figura 13-21 (a) Detalhamento do controle e registro de uma UART. (b) Detalhamento do registrador de
status do UART.
Inserir o valor do acumulador no barramento
de dados.
Inserir o valor do acumulador no barramento
de dados.
Enviar o sinal de gravação para a linha de controle de escrita/gravação.
Enviar o sinal de gravação para a linha de controle de escrita/gravação.
A verificação dos bits correspondentes ao valor
(00011010) enviada ao registrador de controle
do UART pelas instruções supracitadas indica que
agora o UART é configurado para transmitir e receber dados utilizando 7 bits com paridade par e um
bit de parada. O bit 1 do registrador de controle é
1, enquanto o bit 0 é 0. Na Figura 13-21(a), verifica-se que essa combinação de bits instrui o UART a
transmitir e receber 7 bits de dados por vez. O bit 2
dos registrador de controle é ajustado em 0 como
um bit de parada. O bit 4 é 1, indicando que o UART
deve utilizar a codificação de paridade. O bit 3 é
ajustado em 1 para obter paridade par. Dando continuidade ao processo, as seguintes instruções são
repassadas ao MPU:
Agora, o UART possui informações suficientes para
iniciar a transmissão do caractere “A” sem que haja
a necessidade de novas ações por parte do MPU.
Entretanto, as instruções provenientes do programa executado pelo MPU ainda o instruem a ler o
registrador de status (posição de memória 301)
ocasionalmente no intuito de verificar se os dados
foram enviados. O programa realiza essa verificação através do bit 1 do registrador de status. Se o
bit 1 for igual a 1, o buffer de transmissão de dados
encontra-se vazio, indicando que os dados foram
enviados.
A Figura 13-22 mostra os dados seriais enviados
através da conexão TxD (transmissão de dados) do
UART. Note que 10 bits foram transmitidos. Além
disso, o UART adicionou os bits de início, parada e
paridade sem a necessidade de qualquer instrução
adicional por parte do MPU. Note também que os
7 bits representando a letra “A” encontram-se invertidos. Os dados enviados pelo UART começam
Carregar o valor binário 01100001 (código ASCII correspondente à letra “A”) no acumulador
a partir da memória de programa.
Inserir o endereço de memória 300 no barramento de endereço.
0
0
0
0
1
1
7 bits de dados
10 bits enviados
Figura 13-22 Dados seriais enviados para o transmissor de dados TxD do UART.
1
1
capítulo 13
1
Bit de interrupção
Bit de início
0
Bit de paridade
TxD
Sistemas de computadores
Clock
429
pelo bit menos significativo. De forma semelhante,
o UART inicia a recepção de dados pelo bit menos
significativo.
Quando o UART recebe dados, os bits de início, parada e paridade são automaticamente extraídos.
Esse dispositivo também checa a paridade dos
dados recebidos. Se o valor não corresponde ao
esperado, o erro é indicado ou marcado no bit de
erro de paridade do registrador de status. Além do
indicador ou flag de erro de paridade, há flags de
buffer de recepção cheio (RF – receive-buffer-full))
estouro (OF – overflow) e erro de enquadramento
(FE – framing-error). Quando o UART recebe um
byte de dados, o indicador de buffer de recepção
cheio é ajustado em 1, de modo que há dados que
podem ser prontamente lidos pelo MPU. Se o UART
recebe outro byte de dados antes de a informação
ser lida, então o indicador de estouro é ativado, de
www
Um CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (programmable logic controller – PLC) é um dispositivo especializado semelhante a um computador utilizado na
substituição de bancos de relés eletromagnéticos
em controles de processos industriais. O PLC também é conhecido como controlador programável
(programmable controller – PC). A sigla PC nesse
caso pode ser confundida com o termo utilizado
na representação de um computador pessoal (personal computer – PC). Para evitar isso, o dispositivo
será denominado controlador lógico programável
ou PLC neste livro.
Sistemas Sequenciais
Nesse exemplo, o UART utilizado é simples para
mostrar como os dados fluem através do computador para os dispositivos periféricos. UARTs utilizados em computadores possuem um número maior
de registradores que permitem maior controle sobre outros aspectos como taxa de baud. Entretanto, os passos utilizados na configuração e controle
desses UARTs são estritamente os mesmos que foram apresentados nesta seção.
Teste seus conhecimentos
Controladores lógicos
programáveis (PLCs)
430
modo que os dados foram perdidos. Um erro de
enquadramento ocorre quando o UART não recebe o número de bits esperado em sua configuração atual. Nesse exemplo, isso pode acontecer se
o dispositivo periférico é configurado para enviar
dois bits de parada em vez de um. Assim, o UART
receberia 11 bits em vez dos 10 bits normalmente
esperados, notificando o MPU através do indicador
de erro de enquadramento.
Pode-se pensar no controlador lógico programável como um sistema de computador robusto
projetado para o controle de máquinas. De forma
semelhante a um computador de uso geral, o PLC
consiste em circuitos lógicos que podem ser programados em campo. A linguagem de programação é um pouco diferente porque a finalidade do
PLC é o controle de máquinas. O PLC é utilizado na
temporização e sequenciamento de funções que
podem ser utilizadas em linhas de produção, robôs
e processos químicos. É um dispositivo projetado
para trabalhar sob condições severas no ambiente industrial; alguns desses problemas incluem
vibrações e choques, sujeira e vapores e temperatura extremas. O PLC normalmente possui interface com uma ampla variedade de dispositivos
de entrada e saída. Alguns dispositivos de entrada
utilizados são as chaves limitadoras e de pressão,
sensores ópticos e de temperatura e conversores
analógicos-digitais (A/D). Dispositivos de saída
consistem em relés, motores, solenoides, válvulas
pneumáticas e hidráulicas, conversores digitais
analógicos e indicadores (visuais e aurais).
O diagrama de blocos simples de um controlador lógico programável é representado na Figura
13-23. O sistema se assemelha à arquitetura de
um computador. Entretanto, o que torna um PLC
diferente de um computador genérico é o tipo de
entradas e saídas conectadas ao sistema. Um PC
PROGRAMADOR
Memória
SENSORES
DE ENTRADA
Chaves
Conversor
analógico-digital
Dispositivo
óptico
Dispositivo
de pressão
Módulo de
entrada
Módulo de
processamento
DISPOSITIVOS
DE SAÍDA
Módulo de
saída
Motores
Solenoides
Dispositivos
pneumáticos
Conversor
digital-analógico
CPU
Fonte de alimentação
Figura 13-23 Organização de um controlador lógico programável (PLC).
A unidade de processamento do PLC normalmente contém uma CPU (microprocessador) e dispositivos de memória semicondutora como RAM
e EEPROM ou EPROM. A CPU se comunica com a
memória e os módulos de entrada/saída através de
barramentos de endereço, controle e dados típicos.
Os sensores de entrada e os dispositivos de saída
são conectados aos módulos de entrada e saída.
As arquiteturas de PLCs e PCs são muito semelhantes. Muitos PLCs empregam uma linguagem
de controle de máquinas implementada permanentemente no interior da memória. A linguagem
de programação do PLC é mais simples que as linguagens normalmente empregadas nos computa-
Sistemas de computadores
Note na Figura 13-23 que o programador é representado por um bloco separado, o qual pode ou
não ser conectado à unidade de processamento. O
dispositivo de programação na Figura 13-23 pode
ser conectado quando é necessário atualizar o PLC,
sendo desconectado ao término da tarefa. Dispositivos de memória semicondutora no interior da
unidade de processamento do PLC armazenam o
programa de controle do processo ou da máquina.
Em pequenos PLCs, os módulos de entrada e de
saída podem fazer parte do dispositivo. Em sistemas de maior porte, os módulos de entrada, saída
e processamento e as fontes de alimentação são
acomodados em compartimentos robustos propriamente projetados para o ambiente industrial.
O programador pode consistir em um terminal de
computador de uso geral ou um dispositivo de
programação manual portátil.
capítulo 13
normalmente possui um teclado ou mouse como
dispositivo primário de entrada, enquanto o PLC
possui interfaces com sensores, que detectam a
ação das máquinas. A saída primária de um PC corresponde a um monitor ou impressora, enquanto o
PLC deve acionar motores e solenoides.
431
dores. Controladores lógicos programáveis podem
ser reprogramados por eletricistas e técnicos que
realizam manutenções em outros dispositivos eletroeletrônicos existentes na indústria ou planta. O
conjunto de instruções de um PLC específico pode
conter de 15 a 100 instruções. Além das funções
aritméticas e lógicas normais associadas às CPUs
dos computadores, instruções específicas são necessárias para sensorear e controlar dispositivos de
saída e desempenhar as seguintes funções:
Examinar um bit de entrada para a condição
LIGADO.
Examinar um bit de entrada para a condição
DESLIGADO.
LIGAR e bloquear uma saída.
DESLIGAR e bloquear uma saída.
LIGAR por certo tempo e depois desligar.
EXEMPLO 131
Duas chaves limitadoras (LS) conectadas em série
são utilizadas no controle de um solenoide (SOL).
Fonte: Petruzella (1998).*
Diagrama esquemático com relés
LS2
LS1
SOL
Diagrama lógico em escada
A
B
Y
Porta lógica
A
Y
Saída
Sistemas Sequenciais
B
432
Entradas
Equação booleana: AB = Y
* N. de E.: Petruzella, F. Programmable logic controllers. 2nd ed.
New York: Glencoe; McGraw-Hill, 1998. Muito em breve à disposição dos leitores em língua portuguesa pela Editora AMGH.
Controladores lógicos programáveis são análogos
à lógica de relés que era utilizada antes da década de 1970, quando os PLCs foram introduzidos. O
DIAGRAMA DE ESCADA (ladder) utilizando relés é um
método gráfico utilizado para explicar o funcionamento de um circuito.
O DIAGRAMA LÓGICO DE ESCADA é uma linguagem de programação gráfica desenvolvida a partir do diagrama
de escada com relés, sendo útil na programação de
PLCs. Alguns exemplos de diagramas de escada com
relés, diagramas lógicos com relés e diagramas com
portas lógicas são ilustrados nos exemplos a seguir.
Estes exemplos foram obtidos no excelente livro Programmable Logic Controllers, 2nd ed., New York: Glencoe/McGraw Hill, 1998), do autor Frank Petruzella*.
Note que cada um dos três tipos de diagramas possui
seus próprios símbolos e convenções. Cada um dos
diagramas foi desenvolvido por vários fabricantes e
usuários para satisfazer suas respectivas necessidades. Por exemplo, o diagrama de relés foi desenvolvido antes da lógica digital e se tornou popular. Os
diagramas lógicos de escada foram desenvolvidos
posteriormente a partir dos diagramas de relés.
O exemplo 13-1 mostra duas chaves de entrada
conectadas em série, sendo que uma válvula solenoide representa o dispositivo de saída. É possível
reconhecer que duas chaves em série correspondem a uma porta AND, como mostra a expressão
booleana ABY. Note que os símbolos utilizados
nos diagramas de relés, escada e portas lógicas são
diferentes entre si, embora cada um desses represente a mesma função lógica AND.
O exemplo 13-2 mostra duas chaves de entrada em
paralelo, sendo que uma válvula solenoide representa o dispositivo de saída. O esquema com relés
é mostrado na parte superior, o diagrama lógico
de escada é representado no centro e o diagrama
com portas lógicas é ilustrado na parte inferior. É
possível reconhecer que duas chaves em paralelo
correspondem a uma porta OR, como mostra a expressão booleana ABY.
O exemplo 13-3 mostra duas chaves de entrada em
paralelo, ambas em série com um relé com contatos normalmente abertos, sendo que o dispositivo
EXEMPLO 132
EXEMPLO 133
Duas chaves limitadoras (LS) conectadas em paralelo são utilizadas no controle de um solenoide
(SOL) Fonte: Petruzella (1998).*
Duas chaves limitadoras (LS) conectadas em paralelo são inseridas em série um relé de contatos
(CR) para controlar uma lâmpada piloto (PL).
Fonte: Petruzella (1998).*
Diagrama esquemático com relés
LS1
Diagrama esquemático com relés
PL
LS1
CR1
G
SOL
LS2
LS2
Diagrama lógico em escada
Diagrama lógico em escada
Y
A
Y
A
B
B
C
Porta lógica
Porta lógica
A+B
A
A
Y
Saída
B
Entradas
Equação booleana : A + B = Y
B
Y
C
Saída
Entradas
Equação booleana : (A + B)C = Y
Em resumo, um controlador lógico programável é um sistema de computador robusto que
substituiu plenamente a lógica de relés. PLCs são
utilizados em indústrias e plantas para controlar
máquinas, manuseio de matérias e processamento químico. PLCs são projetados de modo a
funcionar adequadamente em ambientes que
apresentam condições adversas como fábricas,
armazéns e plantas de forma de geral. A linguagem utilizada na programação do PLC possui instruções específicas para o teste de entradas e ge-
* N. de E.: Petruzella, F. Programmable logic controllers. 2nd ed.
New York: Glencoe; McGraw-Hill, 1998. Muito em breve à disposição dos leitores em língua portuguesa pela Editora AMGH.
Sistemas de computadores
O exemplo 13-4 mostra duas chaves de entrada (A
e B) conectadas entre si em série e ambas são associadas em paralelo com uma única chave (C). O
dispositivo de saída corresponde a uma buzina de
aviso. O esquema com relés é mostrado na parte
superior, o diagrama lógico de escada é representado no centro e o diagrama com portas lógicas é
ilustrado na parte inferior. É possível reconhecer
que duas chaves (A e B) estão em série representando a função AND, enquanto a chave C encon-
tra-se em paralelo com esse arranjo. Novamente,
lembre-se que todos os diagramas supracitados
representam a mesma função lógica descrita pela
expressão booleana (AB)CY.
capítulo 13
de saída é uma lâmpada piloto. O esquema com relés é mostrado na parte superior, o diagrama lógico
de escada é representado no centro e o diagrama
com portas lógicas é ilustrado na parte inferior. É
possível reconhecer que duas chaves em paralelo (A e B) correspondem a uma porta OR, a qual
é conectada em série com o contato do relé (função AND). Tanto a expressão booleana (AB)CY
quanto o diagrama com portas lógicas correspondente são mostrados na parte inferior da figura.
433
EXEMPLO 134
Duas chaves limitadoras (LS) conectadas em série são inseridas em paralelo com uma terceira chave limitadora para controlar uma buzina de aviso (H) (figura obtida no livro do autor Frank Petruzella, Programmable
Logic Controllers, 2nd ed., New York: Glencoe/McGraw Hill, 1998)*.
Diagrama esquemático com relés
H
LS2
LS1
Diagrama lógico em escada
A
Y
B
C
LS3
Porta lógica
A
AB
B
Y
Saída
C
Entradas
Equação booleana : (AB) + C = Y
ração de saídas. Algumas linguagens de PLC são
baseadas diretamente em diagramas de escada.
Como a unidade de processamento (CPU) do PLC
é um microprocessador, o dispositivo também é
capaz de desempenhar funções lógicas e aritméticas, bem como lidar com o manuseio de dados
e chamadas de sub-rotinas, de modo semelhanwww
Teste seus conhecimentos (Figura 13-24)
Sistemas Sequenciais
Microcontroladores
434
te ao que ocorre nas linguagens de programação convencionais. Alguns fabricantes de PLCs
são Allen-Bradley Company, Cincinatti Milcron
Company, Eaton Corporation (linha de produtos
Cutler-Hammer), Gould, Inc., Honeywell, Inc.,
Square D Company, Texas Instruments e Westinghouse Electric Company**.
Um MICROCONTROLADOR é considerado um “computador contido em um único chip”. Um microcontrolador
com encapsulamento único contém uma unidade
de processamento central (CPU), memória semicondutora (RAM utilizada como memória de dados
e memória de somente leitura como memória de
programa), um gerador de clock e terminais de entrada/saída. A memória de somente leitura utilizada no
armazenamento de programas no microcontrolador
pode ser ROM, EPROM, EEPROM ou flash EEPROM.
Microcontroladores são dispositivos eletrônicos de
baixo custo programáveis que podem ser utilizados
em diversos tipos de aplicações. São popularmente
utilizados em produtos de consumo devido ao baixo custo, que pode chegar a apenas alguns dólares.
As características dos microcontroladores variam
muito em termos de velocidade e números de portas de entrada/saída necessários para aplicações
* N. de E.: Petruzella, F. Programmable logic controllers. 2nd ed.
New York: Glencoe; McGraw-Hill, 1998. Muito em breve à disposição dos leitores em língua portuguesa pela Editora AMGH.
** N. de R.T.: No Brasil, a empresa nacional WEG é um fabricante
conhecido de PLCs e diversos dispositivos elétricos como motores, transformadores e outros.
Comparação entre
microcontroladores e
microprocessadores
Quando comparado a sistemas microprocessados,
os microcontroladores possuem menor quantidade de memória (RAM, ROM, EPROM e/ou EEPROM),
possuem menor custo e empregam placas de circuito impresso menores. Microcontroladores normalmente são capazes de endereçar uma quantidade
limitada de memória. Além disso, possuem um
número de comandos menor no conjunto de instruções que os microprocessadores. Microcontroladores em geral são programados para desempenhar
funções específicas de forma eficiente e normal-
Os fabricantes de microcontroladores fornecem
uma ampla variedade de dispositivos programáveis de baixo custo. Por exemplo, a lista IC Master
(manual que cita muitos CIs utilizados mundialmente) recente contém mais de 60 páginas exclusivamente dedicadas à menção dos microcontroladores disponibilizados por diversos fabricantes.
Uma família de
microcontroladores
O quadro da Figura 13-25 representa uma “família
de microcontroladores” do fabricante Microchip
Technology, Inc. Essa família de dispositivos é descrita pelo fabricante como uma série de microcontroladores CMOS de 8 bits baseados em memória
EPROM/ROM. O dispositivo PIC16C5X é citado no
lado esquerdo do quadro e as colunas representam
características importantes desses microcontroladores de baixo custo. As frequências de operação
desses dispositivos permitem a rápida execução
das instruções. O tamanho da memória de programa é dado em palavras (e o tamanho da palavra
corresponde a 12 bits na série 16C5X), armazenado
em uma memória ROM ou EPROM. O tamanho da
memória de dados ou RAM é pequeno, variando
entre 24 e 73 bytes. Como os microcontroladores
são dispositivos de controle, normalmente possuem muitos pinos que se comportam como entradas ou saídas (E/S). O número dos pinos E/S nos
microcontroladores PIC16C5X variam de 12 a 20 e
os pinos podem ser reprogramados como entradas
ou saídas. A série PIC16C5X de CIs microcontroladores é composta por dispositivos CMOS que ope-
Sistemas de computadores
Microcontroladores foram desenvolvidos depois
dos microprocessadores. As mesmas empresas
que inicialmente desenvolveram chips microprocessadores (como Intel ou Motorola) também foram responsáveis pelo lançamento de
microcontroladores no mercado. Os primeiros
microcontroladores de 8 bits sugiram no final
da década de 1970, e alguns modelos ainda são
utilizados. Microcontroladores são normalmente vendidos em grandes quantidades. Recentemente, o fabricante Motorola anunciou a produção do segundo bilionésimo microcontrolador
68HC05. Os VCRs – existem em diversos produtos de consumo como carros, brinquedos, videocassetes (video cassete recorders – VCRs), fornos
de micro-ondas e teclados de PCs. Por exemplo,
um automóvel moderno pode conter 10 microcontroladores, enquanto outras aplicações que
empregam tecnologia avançada possuem um
número muito maior desses dispositivos.
mente não são reprogramados. Os programas são
muitas vezes armazenados na memória de somente
leitura. Sistemas que empregam microcontroladores raramente empregam dispositivos de entrada/
saída complexos como teclados, leitores de discos,
impressoras e monitores. Os fabricantes fornecem
suporte a microcontroladores e microprocessadores
por meio do desenvolvimento de ferramentas de
software e notas de aplicação (contendo exemplos
típicos de utilização desses dispositivos).
capítulo 13
diversas. O termo “microcomputador” ou “pequeno
computador” pode ser utilizado para descrever um
microcontrolador, embora essa nomenclatura não
seja comum. O termo “microcontrolador” descreve o
papel desempenhado por “pequenos computadores
contidos em um único chip”, sendo estas denominadas funções de controle. Microcontroladores não são
utilizados como computadores de uso geral.
435
436
20
20
PIC16C58A
PIC16CR58A
R
EP
2K
—
2K
—
—
—
512
—
—
—
)
Hz
M
RO
M
o(
Memória
TMR0
73
73
TMR0
TMR0
TMR0
TMR0
72
TMR0
72
TMR0
TMR0
TMR0
TMR0
25
24
25
25
25
25
12
12
20
20
12
20
12
12
12
12
2,5–6,25
2,0–6,25
2,5–6,25
2,5–6,25
2,5–6,25
2,5–6,25
2,0–6,25
2,0–6,25
2,5–6,25
e
ad
ix
Fa
2,5–6,25
a
m
ra ts)
g
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e P e 12
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M
M
P
Clock
sã
n
Te
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
ts)
ol
v
o(
o
er
m
Nú
Periféricos
En
ca
p
DIP e SOIC de 18 pinos; SSOP de 20 pinos
DIP e SOIC de 18 pinos; SSOP de 20 pinos
DIP e SOIC de 28 pinos; SSOP
DIP e SOIC de 28 pinos; SSOP
DIP e SOIC de 18 pinos; SSOP de 20 pinos
DIP e SOIC de 28 pinos; SSOP
DIP e SOIC de 18 pinos; SSOP de 20 pinos
DIP e SOIC de 18 pinos; SSOP de 20 pinos
DIP e SOIC de 18 pinos; SSOP de 20 pinos
s
to
en
m
la
su
DIP e SOIC de 18 pinos
n
I
de
es
õ
uç
str
Características
Figura 13-25 Especificações gerais da família de microcontroladores PIC16C5X (Cortesia de Microchip Technology, Inc.).
Todos os dispositivos das famílias PIC 16/17 possuem características de reinicialização, circuito vigia selecionável, proteção de código selecionável e alta capacidade de corrente de
entrada/saída.
—
2K
—
20
PIC16CR57B
1K
512
2K
PIC16C55
—
512
20
20
PIC16CR54A
20
20
PIC16C54A
512
e
çã
ra
e
Op
OM
ad
xim
384
PIC16C57
20
PIC16C54
ên
qu
e
Fr
á
M
cia
PIC16C56
4
20
PIC16C52
Sistemas Sequenciais
O microcontrolador
PIC16C55
Como exemplo, considere o diagrama DIP de 28
pinos que representa o microcontrolador PIC16C55
mostrado na Figura 13-26(a). A descrição dos pinos
do CI é dada no quadro da Figura 13-26(b). Note a
existência de uma grande quantidade de pinos E/S
na Figura 13-26, os quais são organizados em três
portas (A, B e C). A porta A (porta de 4 bits) consiste
nos pinos E/S RA0–RA3, enquanto as portas B e C
possuem oito pinos que podem ser programados
como entradas ou saídas.
Utilizando um
microcontrolador
Uma aplicação simples do microcontrolador
PIC16C55 é mostrada no diagrama esquemático
Para operar o display luminoso da Figura 13-27,
deve-se fechar a chave S1, de modo que o CI regulador de tensão de 5 V (Q1) reduzirá a tensão
de 9 V da bateria para 5 V para alimentar esse
circuito. As chaves S2 e S3 permitem selecionar o
programa apropriado. A velocidade do display é
ajustada pelas chaves S4 e S5. A chave S7 permite
que o programa retorne ao início de uma rotina. Ao
se fechar a chave S6, a coluna 10 passa a acender
com o mesmo padrão da coluna 9. Ao se abrir a
chave S6, apenas a coluna 10 é desligada.
Sistemas de computadores
A série PIC16C5X de microcontroladores possui
arquitetura RISC, contendo apenas 33 instruções
no conjunto de instruções. A sigla RISC significa
reduced instruction set computer (computador com
um conjunto reduzido de instruções), em oposição
a CISC (complex instruction set computer – computador com um conjunto complexo de instruções).
CPUs RISC possuem conjuntos de instruções menores, mas são capazes de executá-los mais rapidamente. CPUs CISC possuem instruções mais complexas que são utilizadas na execução de tarefas
que agregam maior complexidade. A arquitetura
RISC foi desenvolvida para aumentar a velocidade
dos processadores, embora muitas instruções sejam necessárias na execução de tarefas complexas.
da Figura 13-27(a). O PIC16C55 foi programado
pela empresa Chaney Electronics, Inc. para exibir
vários padrões luminosos na matriz de LEDs com
nove linhas e 10 colunas. O diagrama esquemático
do display a LEDs 9×10 é representado na Figura
13-27(b). Para acender o LED vermelho no canto
superior esquerdo do display, a linha superior deve
possuir nível BAIXO (Y10), enquanto a coluna
esquerda deve possuir nível ALTO (X11). Para
acender toda a linha de LEDs amarelos existente na
parte central do diagrama, todos as colunas devem
possuir nível ALTO, sendo que o nível BAIXO deve
existir apenas na linha 5 (Y50). É possível verificar que o driver desse display deve possuir 18 pinos
de saída, os quais se encontram disponíveis no microcontrolador 16C55. Dois pinos E/S do CI 16C55
são programados como entradas (RA0 e RA1) nesse
projeto. Esses pinos (6 e 7) podem ser mantidos em
nível BAIXO ou ALTO dependendo da posição das
chaves S2 e S3. As condições de entrada impostas
por essas chaves levam o microcontrolador a executar um dos quatro programas possíveis que produzem quatro padrões de acionamento distintos
do display luminoso. As chaves S4 e S5 alteram o
circuito de temporização RC, o qual é conectado a
entrada CLKIN do CI. As várias posições de S4 e S5
permitem alterar a frequência do display (baixa ou
alta). A chave S7 é utilizada para reinicializar o programa atual, que retorna ao seu início. Os quatro
programas armazenados como firmware na memória de somente leitura. Os pinos E/S possuem
boas capacidade de acionamento (drenagem de
25 mA e fornecimento de 20 mA), permitindo-os
acionar os LEDs desse display diretamente.
capítulo 13
ram em baixas tensões. Todos os CIs são encontrados na forma de encapsulamentos variados, como
DIP, SOIC e SSOP, sendo que estes últimos dois tipos possuem tamanho reduzido e são adequados
para montagem sobre superfície. Lembre-se que
os microcontroladores consistem em CPUs existentes em dispositivos usados no dia a dia, e que
CIs com encapsulamentos menores são ideais para
“ocultá-los” no interior desses dispositivos.
437
PIC16C55
PIC16C57
+1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
T0CKI
VDD
N/C
VSS
N/C
RA0
RA1
RA2
RA3
RB0
RB1
RB2
RB3
RB4
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
MCLR/VPP
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT
RC7
RC6
RC5
RC4
RC3
RC2
RC1
RC0
RB7
RB6
RB5
(a)
DESCRIÇÃO DOS PINOS DO PIC16C55/C57
DIP, SOIC
No.
SSOP
No.
Tipo
E/S/A
Níveis de
entrada
RA0
RA1
RA2
RA3
6
7
8
9
5
6
7
8
E/S
E/S
E/S
E/S
TTL
TTL
TTL
TTL
Porta E/S Bidirecional
RB0
RB1
RB2
RB3
RB4
RB5
RB6
RB7
RC0
RC1
RC2
RC3
RC4
RC5
RC6
RC7
T0CKI
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
1
9
10
11
12
13
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
2
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
ST
Porta E/S Bidirecional
MCLR/VPP
28
28
E
ST
Entrada de limpeza (reinicialização) mestre/entrada de tensão de
programação. Este pino consiste em uma forma de reinicialização do
dispositivo, sendo ativo-BAIXO. A tensão em MCLR/VPP não deve ser maior
que VDD para evitar a entrada indesejada no modo de programação.
Entrada fonte do clock interno/externo do tipo cristal oscilador.
Sistemas Sequenciais
Nome
438
Descrição
Porta E/S Bidirecional
Entrada de clock para Timer0. Deve ser conectada a VSS ou VDD para
reduzir o consumo de corrente quando não estiver em utilização.
OSC1/CLKIN
27
27
E
ST
OSC2/CLKOUT
26
26
S
—
VDD
2
3,4
A
—
Alimentação positiva dos pinos lógicos e E/S.
VSS
4
1,14
A
—
Referencial de terra para os pinos lógicos e E/S.
N/C
3,5
—
—
—
Não utilizado. Não deve ser conectado.
Saída do cristal oscilador. Conecta-se ao cristal ou ressonador em modo
oscilador cristal. No modo RC, o pino OSC2 produz a saída CLKOUT, que
possui 1/4 da freqüência de OSC1 e define a taxa de ciclos de instrução.
Legenda: E = entrada, S = saída, E/S = entrada/saída,
A = alimentação, — = Não utilizado, TTL = TTL entrada,
ST = entrada Schmitt trigger
(b)
Figura 13-26 CI microcontrolador PIC16C55. (a) Diagramas de pinos (apenas nos encapsulamentos DIP ou
SOIC). (b) Descrição dos pinos. (Cortesia de Microchip Technology, Inc.)
5 V
C3
VDD
R5
R2
R3
S4
S5
S7
(Reinicializar)
5 V
CLKIN
5 V
C2
S2
Entrada
D1
9 V dc
Saída
Q1
R4
C1
S3
5 V
RA0
RA1
R6
T0CKI
2
117
16
15
14
13
16C55 12
11
10
9
27 IC1
8
25
24
23
6
22
21
7
20
19
18
4
MCLR 28
R1
5 V
R7
5 V
Y1
RB7
RB6
RB5
RB4
RB3
RB2
RB1
RB0
RA3
Display a LEDs
9 linhas
10 colunas
Y9
RA2
RC7
RC6
RC5
RC4
RC3
RC2
RC1
RC0
X10
X1
S6
R8
S1
(a)
Configuração do Display
Y1
LEDs vermelhos
9 linhas
(Y)
Y9
X1
X10
10 colunas
(X)
(b)
Figura 13-27 Display luminoso a LEDs acionado pelo CI microcontrolador 16C55. (a) Diagrama esquemático
do projeto. (b) Diagrama esquemático de um display a LEDs com nove linhas e 10 colunas. (Cortesia de Chaney
Electronics, Inc.)
capítulo 13
LEDs verdes
Sistemas de computadores
LEDs amarelos
439
O projeto do display luminoso utilizando um microcontrolador é comercializado pelo fabricante
Chaney Electronics, Inc. na forma de kit. A memória
www
de somente leitura é programada pelo fabricante
com as instruções adequadas.
Teste seus conhecimentos
PBASIC e materiais didáticos em seu site (www.
stampsinclass.com).
Módulos
microcontroladores BASIC
Stamp
Um dos microcontroladores mais populares utilizados em treinamentos técnicos é o BASIC Stamp
fabricado por Parallax, Inc. Sua popularidade
deve-se à facilidade de programação e é recomendado para iniciantes. Módulos BASIC STAMP
são pequenos (normalmente do tamanho de um
selo de cartas*) e possuem baixo custo. A Parallax
também incentiva a utilização de módulos BASIC
Stamp com propósitos educacionais através da
disponibilização de downloads gratuitos do editor
Microcomputador
Programa
editor de texto
PBASIC
Porta paralela
Duas versões dos módulos BASIC Stamp são ilustradas na Figura 13-28, isto é, os módulos BASIC
Stamp 1 e 2. A programação de qualquer um dos
módulos é realizada em um PC moderno utilizando um programa editor PBASIC (Parallax BASIC).
Depois que o programa é completamente digitado
no editor, carrega-se o código correspondente no
módulo BASIC Stamp através de um cabo que o
conecta a uma porta de saída do PC. O aplicativo
INTERPRETADOR PBASIC converte o código carregado
em linguagem de máquina para operar o microcontrolador. O cabo pode ser desconectado do PC,
de modo que o programa permanece na memória
Microcontrolador
PIC16C56
com interpretador
PBASIC incluso
Módulo BASIC Stamp 1
Download do
programa BASIC
Porta serial
Encapsulamento SIP de 14 pinos
Módulo BASIC Stamp 2
Sistemas Sequenciais
Microcontrolador
PIC16C57
com interpretador
PBASIC incluso
440
Encapsulamento DIP de 14 pinos
Figura 13-28 Carregando programas PBASIC nos módulos BS1 ou BS2.
* Isto justifica a nomenclatura do dispositivo, pois em inglês
stamp significa selo.
O módulo BASIC Stamp 2 (BS2) mostrado na Figura 13-28 utiliza uma pequena PCI encapsulada
no formato de um CI DIP de 24 pinos. O módulo
BS2 é alimentado por uma bateria de 9 V, sendo
As capacidades de acionamento de corrente dos
módulos BASIC Stamp são satisfatórias, variando
entre 20 mA e 30 mA. Assim, é possível acionar dispositivos lógicos ou mesmo LEDs, campainhas piezoelétricas ou servomotores. Dispositivos alimentados por correntes maiores como relés ou lâmpadas
incandescentes requerem o uso de CIs drivers ou
transistores.
Muitos estudantes iniciantes começam a trabalhar
com o módulo BASIC Stamp2 porque o dispositivo
usa um CI DIP de 24 pinos que pode ser programado em ambiente MS Windows com um PC, utiliza
um cabo serial de baixo custo para a conexão com
o módulo e pode armazenar aproximadamente
500 instruções. De forma prática, a Parallax disponibiliza um kit didático para iniciantes denominado BOE (Board of Education – Placa Educacional),
que possui um CONECTOR DB9 para a programação
do dispositivo e comunicação serial. Além disso, o
kit possui um soquete para a conexão do CI BS2,
suporte para inserção de baterias de 9 V, regulador
Sistemas de computadores
O módulo BASIC Stamp 1 (BS1) mostrado na Figura 13-28 utiliza uma pequena PCI encapsulada no
formato de um CI SIP (single-in-line package – encapsulamento em linha única), possuindo aproximadamente largura de 1 cm (0,4”) e comprimento
de 3,5 cm (1,4”). O módulo BS1 é alimentado por
uma bateria de 9 V, sendo que um regulador de
tensão é responsável por reduzir esse valor para
5 V, permitindo que os CIs microcontrolador e
memórias operem adequadamente. O principal CI
do módulo BS1 corresponde a um microcontrolador PIC16C56 que possui um interpretador PBASIC
1 armazenado no firmware. Como a memória do
PIC16C56 é utilizada pelo interpretador PBASIC,
uma memória de programa de 256 bytes é incluída
separadamente. A memória de programa armazenada em uma memória EEPROM pode armazenar
aproximadamente 75 instruções. O módulo BASIC
Stamp 1 possui oito pinos de entrada/saída (E/S),
digitais por natureza. Há diversas entradas/saídas
especiais, a exemplo de pinos próprios para pulsos,
som, saída com sinal PWM (modulação por largura de pulso) e entrada com potenciômetro. Além
do microcontrolador, da memória EEPROM de 256
bytes e dos CIs reguladores de tensão, o módulo
BS1 ainda possui um ressonador cerâmico e um CI
de reinicialização especial.
que um regulador de tensão é responsável por reduzir esse valor para 5 V, permitindo que os CIs
microcontrolador e memórias operem adequadamente. O principal CI do módulo BS2 corresponde
a um microcontrolador PIC16C57 que possui um
interpretador PBASIC 2 armazenado no firmware.
Como a memória do PIC16C57 é utilizada pelo interpretador PBASIC, uma memória de programa de
2048 bytes é incluída separadamente. A memória
de programa armazenada em uma memória EEPROM pode armazenar aproximadamente 500 instruções. O módulo BASIC Stamp 2 possui 16 pinos
de entrada/saída (E/S), digitais por natureza. Há
diversas entradas/saídas especiais, a exemplo de
pinos próprios para pulsos, saída com sinal PWM
(modulação por largura de pulso), entrada com
potenciômetro, sinais de controle X-10, saída em
tom, som e medição de frequência. Além do microcontrolador, da memória EEPROM de 2048 bytes e
dos CIs reguladores de tensão, o módulo BS2 ainda
possui um ressonador cerâmico e um CI de reinicialização especial juntamente com alguns buffers
de transistores.
capítulo 13
do módulo BASIC Stamp. O programa carregado
é armazenado em uma memória EEPROM, sendo
executado a partir do início sempre que o módulo BASIC Stamp for energizado (ligado). O programa permanece na memória EEPROM ainda que o
módulo seja desligado. Um programa antigo será
sobrescrito se um novo código for carregado a partir do PC. Após a programação do módulo BASIC
Stamp, o microcontrolador passa a operar de forma
independente. Note que módulo BASIC Stamp 1
simples utiliza a porta paralela (porta da impressora) do PC. O módulo BASIC Stamp 2 maior emprega
a porta serial do PC.
441
de tensão e matriz de contatos. A representação
do kit BOE está na Figura 13-29, onde algumas
seções chave são identificadas. O kit BOE pode ser
alimentado com uma bateria de 9 V convencional
ou a partir da utilização de um arranjo CA-CC com
transformador*. A matriz de contatos pode ser utilizada pelos estudantes para a implementação de
projetos diversos. As conexões com as portas E/S
do CI BS2 são mostradas à esquerda da matriz de
contatos para que seja possível a interligação das
mesmas utilizando condutores AWG22** sólidos.
As conexões de alimentação (Vdd5, Vssterra)
encontram-se acima da matriz de contatos. O carregamento serial de programas PBASIC a partir do
PC ocorre através do conector DB9 representado
no canto inferior esquerdo.
O regulador de tensão na parte superior da Figura
13-29 mantém o nível da tensão de entrada em 5
V entre os terminais Vdd e Vss (terra). Os conectores
12, 13, 14 e 15 são utilizados na conexão com ser-
Conector para módulos
adicionais
Conexão de alimentação
alternativa (transformador
associado a conversor CA-CC)
Conexão da
bateria de 9 V.
Regulador de tensão (Vdd = 5V, Vss = terra)
6-9VDC
15 14
13 12
Vdd
Bateria de
9 Vcc
Vermelho
Preto
X4X5
Vdd
Ligar
Capacitores
de filtro
STAM
P
in CLA S
SS
1
Sout
Sin
ATN
Vss
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
Vss
Vss
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
™
P8
P9
P10
P11
Vin P12
P13
Vss P14
P15
Rst V
Vin
dd
Vdd
X1
P15
P14
P13
P12
P11
Reiniciar
P10
P9
P8
0 1 2
www.parallax.com/sic
Sistemas Sequenciais
Conector DB9
utilizado em downloads
a partir do computador
usando porta serial
442
Portas de
conexão de
servomecanismos
Módulo B52
Stamp®
Reiniciar-iniciar o
programa novamente
Vin
Vss
X3
Conector de
alimentação
(Vdd = +5V,
P15
P14
P13
P12
P11
P10
P9
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
P0
Vss = terra)
Matriz de
contatos
X2
Kit didático
Rev C
c 2000-2003
Conectores de interligação
dos pinos E/S do módulo BS2
Chave
aos circuitos na matriz de contatos
0 = desligado
1 = ligado/portas servo desligadas
2 = ligado/portas servo ligadas
Figura 13-29 Kit didático utilizado por alunos para estudar a operação do CI BS2 (Cortesia de Parallax, Inc.).
* O arranjo emprega um transformador abaixador para reduzir a
tensão CA da rede e uma ponte retificadora a diodos para fornecer a tensão CC necessária para o módulo.
** American Wire Gauge (AWG) ou escala americana normalizada
é o nome da unidade de medida usada para padronização de
fios e condutores elétricos. No caso, a seção transversal AWG22
2
corresponde a 0,326 mm .
Programação simples do
módulo BASIC Stamp
Considere o uso do kit BOE para acender e apagar
um LED. A conexão de um LED em série com um resistor limitador de corrente de 220 Ω na matriz de
contatos é representada na Figura 13-30. Note que
a porta 7 (P7) do CI BS2 é utilizada para alimentar
o circuito com o LED. O procedimento para programação, carregamento e execução do programa é
descrito a seguir:
‘LED 1 Piscando
output 7
blink:
out 7 0
pause 1000
out 7 1
pause 1000
goto blink
O programa PBASIC simples utilizado na Figura 1330 é detalhado a seguir. Note o uso de linhas de
comentários ao longo do código. Em PBASIC, os
comentários iniciam-se após um apóstrofo (‘) e não
são executados pelo módulo BS2. Por outro lado,
são bastante úteis no que tange à compreensão do
código utilizado.
A primeira linha do programa começa com um
apóstrofo representando um comentário. Nesse
caso, ‘LED 1 Piscando é o nome do programa. A
linha 2 apresenta o código output 7, onde a porta E/S 7 é configurada como saída, de acordo com
‘Título do programa PBASIC (Figura 13-30)
‘Configura a porta E/S 7 como uma saída
‘Nome do laço
‘Atribui nível lógico 0 à porta 7, acendendo o LED.
‘Pausa por 1000 milissegundos (sem ação)
‘Atribui nível lógico 1 à porta 7, apagando o LED.
‘Pausa por 1000 milissegundos.
‘Retorna ao início do laço denominado blink
Sistemas de computadores
Uma versão de menor custo do kit BOE é denominada BASIC Stamp HomeWork Board, também fabricada pela Parallax, Inc. Esse kit utiliza o módulo
BS2, permite alimentação a partir de baterias de 9
V e possui poucas funções.
1. Implementa-se o circuito com a fonte de alimentação desconectada.
2. Inicia-se o programa EDITOR PBASIC no sistema MS Windows.
3. Digita-se o programa mostrado no local indicado na Figura 13-30.
4. Alimenta-se o kit BOE.
5. O programa PBASIC é carregado por meio da
porta serial do PC.
6. Desconecta-se o cabo serial do módulo.
7. Desliga-se o kit BOE, ligando-o novamente em
seguida.
8. O programa retornará ao início do código, de
modo que as seguintes ações serão executadas: (1) a porta 7 do módulo BS2 é configurada como saída, (2) o LED é ligado, (3) ocorre
uma pausa de 1 segundo (1000 ms), (4) o LED
é desligado, (5) ocorre uma pausa de 1 segundo (1000 ms). Então, o programa vai para o
início do laço intitulado blink:, de modo que
o LED passa a piscar continuamente até que o
circuito seja desligado.
capítulo 13
vomecanismos. A chave deslizante de três posições
mostrada na parte inferior desliga o dispositivo
(posição 0), liga o dispositivo mantendo as portas
servo desligadas (posição 1) ou liga o dispositivo
mantendo as portas servo ligadas (posição 2). O
botão de reinicialização reinicia o programa mantido na memória de programa do CI BS2. A visão
superior do CI BS2 é mostrada no canto inferior
esquerdo da placa. O conector DB9 é empregado
para carregar o programa do PC através da porta
serial. O conector X2 é utilizado na interligação das
portas E/S do CI BS2 aos circuitos da matriz de contatos utilizando-se fios AWG22. O conector XI é utilizado com módulos de expansão disponibilizados
pela Parallax.
443
PC
output 7
blink:
out 7 = 0
pause 1000
out 7 = 1
pause 1000
goto blink
Editor de texto
PBASIC
Porta serial
Download do programa PBASIC
Bateria de
9 Vcc
Rocklin CA - USA
15 14
6-9
VDC
Vermelho
Preto
X4
Vdd
™
STAM
P
in CLA S
SS
C3
1
C4
Sout
Sin
ATN
Vss
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
13 12
BS2
IC
Vss
Vss
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9
P10
P11
Vin P12
P13
Vss P14
P15
Rst Vdd
Vin
Vdd
X1
P15
P14
P13
P12
Ligar
P11
P10
P9
Reiniciar
P8
X5
Vin
Rev-B
Vss
5 V
X3
P15
P14
P13
P12
P11
P10
P9
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
P0
LED
C
Resistor
de 220 X2
Kit didático
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(c) 1998
Porta 7
Sistemas Sequenciais
Figura 13-30 Carregamento de um programa PBASIC onde o CI BS2 pisca o LED do circuito. Note que é utilizada uma versão antiga do kit didático.
444
o comentário existente. A linha 3 (blink:) indica
o nome de um laço que será apresentado em seguida. O sinal de dois pontos (:) após uma palavra
(como no caso de blink:) é interpretado pelo microcontrolador como um rótulo. O rótulo (neste
caso, blink:) corresponde a um ponto de referência na programação que pode ser referenciado
por outros comandos PBASIC. A linha 4 (out 7 0) gera um nível BAIXO na saída P7, acionando o
LED mostrado na Figura 13-30. Na linha 5 (pause
1000), o módulo BS2 não desenvolve qualquer
ação durante 1 segundo (1000 ms), ou seja, o LED
permanece aceso durante esse intervalo de tempo.
A linha 6 (out 7 1) gera um nível ALTO na saída
P7, desligando o LED. Na linha 7 (pause 1000), o
módulo permanece parado durante 1 s, de modo
que o LED fica desligado durante esse período. A
linha 8 (goto blink) leva o programa novamente
ao início do laço denominado blink:, repetindo-se
a sequência descrita anteriormente nas linhas 4 a
Uma chave do tipo de pressão é utilizada como
dispositivo de entrada (sensor) conectado ao pino
E/S P3 no módulo BS2 na Figura 13-31(b). Verifica-se que o botão é utilizado como uma chave ativa-BAIXA. Quando a chave está aberta, a porta E/S P3
possui nível ALTO. Quando a chave está fechada, a
entrada P3 torna-se BAIXA.
Vdd
220 LED
BS2
Microcontroladores como os módulos BASIC
Stamp respondem a vários tipos de entradas como
chaves, ou variações na luminosidade, temperatura, posição, tensão ou resistência. As saídas do
microcontrolador podem acionar diversos dispositivos, como LEDs, campainhas piezoelétricas,
alto-falantes, displays (a LEDs ou LCD), relés, servomotores ou motores de passo. Os módulos BASIC
Stamp 2, especialmente quando são montados na
forma de kits didáticos como o módulo BOE da Parallax, permitem uma introdução simples à programação e utilização de microcontroladores.
P7
(a)
Vdd
10 k
BS2
O laço IF-THEN na rotina switchcheck: requer algumas explicações. Nesse exemplo, a condição if in3
0 (se a entrada 3 possuir nível BAIXO) é avaliada
pelo microcontrolador como verdadeira ou falsa.
Se esta condição (if in3 0, ou em português, se
a chave CH1 estiver fechada) é verdadeira, então
o microcontrolador passará a executar a rotina
blink:. Entretanto, se essa condição (if in3 0, ou
em português, se a chave CH1 estiver fechada) é
falsa, então o microcontrolador passa para a linha
seguinte que contém o comando goto switchcheck. Comandos IF-THEN são muito importantes na
operação de programas em microcontroladores
porque representam tomadas de decisões.
P3
CH1
VSS
(b)
Figura 13-31 (a) LED de saída conectado à porta P7
do módulo BS2. (b) Chave de entrada conectada à
porta P3 do módulo BS2.
Lembre-se que os microcontroladores são dispositivos de pequeno porte semelhantes a computadores que são inseridos no interior de produtos
diversos. Os microcontroladores são capazes de
responder a um número limitado de entradas e
Sistemas de computadores
Um LED e um resistor de 220 Ω são conectados
entre o pino E/S P7 do módulo BS2 e o terminal
positivo (Vdd) da fonte de alimentação mostrada
na Figura 13-30. O diagrama simplificado desse
arranjo é apresentado na Figura 13-31(a), e o LED
em questão será utilizado como um dispositivo de
saída no próximo programa.
Um programa que utiliza o LED na saída e o botão
de pressão na entrada do módulo BS2 (sendo que
o hardware correspondente é mostrado na Figura
13-31) é listado a seguir. Após ser carregado no
módulo BS2, o programa PBASIC verifica se a chave está fechada continuamente. Se a chave estiver
aberta, o laço switchcheck: se repete novamente.
Entretanto, se a chave estiver fechada, o microcontrolador executará a rotina blink: para piscar o LED.
Depois que o LED é ligado e desligado, retorna-se
à rotina switchcheck:. Assim, o LED será ligado e
desligado enquanto a chave de entrada CH1 estiver fechada.
capítulo 13
7. Os comentários não são necessários no código
PBASIC, mas são úteis para compreender a operação do programa e muito úteis para iniciantes.
445
‘Chave de entrada-LED de saída 1
‘Título do programa PBASIC (Figura 13-31)
output 7
‘Configura a porta E/S 7 como uma saída.
out 7 1
‘Atribui nível lógico 1 à porta 7, desligando o LED.
input 3
‘Configura a porta E/S 3 como uma entrada.
switchcheck:
‘Nome da rotina que checa a chave
if in 3 0 then blink
‘Se a entrada 3 possuir nível 0 (chave fechada), então o programa vai para a
rotina blink.
goto switchcheck
‘Verifica a chave novamente (se in 3 1)
blink:
‘Nome da rotina que faz o LED piscar.
out 7 0
‘Atribui nível lógico 0 à porta 7, acendendo o LED.
pause 500
‘Pausa por 500 milissegundos.
out 7 1
‘Atribui nível lógico 1 à porta 7, apagando o LED.
pause 500
goto switchcheck
‘Pausa por 500 milissegundos.
‘Retorna e checa a chave novamente.
controlar diversos dispositivos de saída. Após a
programação inicial, a maioria dos microcontrolawww
Teste seus conhecimentos
Processamento digital de
sinais
Sistemas Sequenciais
O processamento digital de sinais (digital signal
processing – DSP) tornou-se uma subárea muito
popular na eletrônica digital. O DSP é normalmente utilizado em uma ampla gama de dispositivos como modems, DVD players, MP3 players e
telefones celulares. Esses dispositivos são semelhantes aos sistemas de microcomputadores que
foram anteriormente estudados. Entretanto, sistemas DSP são mais específicos.
446
dores é destinada a uma aplicação específica, ao
contrário dos computadores pessoais de uso geral.
Anteriormente, foram estudados os sinais analógicos e digitais. O processamento digital de sinais
é utilizado para analisar e modificar sinais digitais. Muitos sinais digitais utilizados em sistemas
DSP são adquiridos a partir de sinais analógicos
utilizando um processo denominado amostragem. Esse processo pode ser entendido como se
fossem tiradas “fotografias” do sinal analógico de
tensão em instantes de tempo fixos ou discretos.
Por essa razão, os sinais digitais também são chamados de sinais de tempo discreto. Como exemplo, considera-se a onda senoidal analógica de 1
kHz representada na Figura 13-32. A linha ondulada representa o sinal analógico, enquanto os
pontos/linhas verticais descrevem o sinal digital.
Os pontos/linhas verticais representam uma “fotografia” do sinal analógico em um determinado
instante de tempo e são digitalizadas (convertidas
em um número).
O diagrama de blocos de um sistema DSP é mostrado na Figura 13-33. O CONVERSOR A/D (analógico para digital) converte o sinal analógico em um
sinal digital. Os números binários provenientes
do conversor A/D são armazenados na memória e
utilizados pelo processador digital de sinais (DSP).
O DSP realiza muitos cálculos que modificam o
sinal. A saída do bloco DSP é aplicada a um CONVERSOR D/A (digital para analógico), o qual altera a
0,75 ms
0,25 ms
0,5 ms
1,75 ms
1,0 ms
1,25 ms
1,5 ms
Onda senoidal com
frequência de 1 kHz
Figura 13-32 Amostragem de uma onda senoidal com frequência de 1 kHz durante a conversão analógica-digital.
Conversor
A/D
Memória
Processadores digitais de sinais são microprocessadores especializados otimizados, capazes de
realizar os cálculos existentes no processo MAC
rapidamente. DSPs podem realizar muitos milhões
de instruções por segundo (MIPS – millions instructions per second). A arquitetura básica de um
DSP é representada na Figura 13-35. Os dados são
Processamento
digital do
sinal
Figura 13-33 Diagrama de blocos simplificado de um sistema DSP.
Conversor
D/A
Sistemas de computadores
O tipo de cálculo mais comum realizado pelo processador digital de sinais é conhecido como SOMA
DE PRODUTOS, sendo que um exemplo é apresentado na Figura 13-34(a). Em cada linha, o número
da coluna A é multiplicado pelo número da coluna B de modo a fornecer o resultado (produto) na
coluna dos produtos. A coluna direita na Figura
13-34(a) corresponde à soma de produtos. Note
que, para cada linha, o produto da multiplicação
correspondente a uma determinada linha é somado com o valor dos produtos anteriores. Em DSP, a
palavra acumulação é utilizada para representar o
processo de soma do novo produto ao total dos
produtos anteriores. Esse processo de multiplicação e acumulação é conhecido por MAC (multi-
plying and accumulating) Sistemas DSP precisam
realizar milhares ou até milhões desses cálculos
por segundo. As equações matemáticas que representam os cálculos para cada linha da Figura
13-34(a) são apresentadas na Figura 13-34(b).
Engenheiros que trabalham com DSP utilizam
uma forma abreviada dessas equações, mostrada
na Figura 13-34(c). É comum encontrar equações
semelhantes àquela representada na Figura 1334(c) no campo do DSP.
capítulo 13
natureza do sinal digital convertendo-o na forma
analógica.
447
Linha
A
B
Produto
Soma (Y)
1
5
8
40
0
40
2
7
9
63
40
23
3
8
13
104
23
81
4
10
14
140
221
81
(a)
Y1 A1 B1
Y2 A1 B1 A2 B2
Y3 A1 B1 A2 B2 A3 B3
Y4 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4
(b)
4
Yi A B
i1
i
i
(c)
Sistemas Sequenciais
Figura 13-34 Cálculos de soma de produtos realizados por um DSP (a) Exemplo. (b) Fórmulas. (c) Outra fórmula.
448
lidos nas memórias de programa e de dados do
DSP. Amostras obtidas a partir do conversor A/D
(observe a Figura 13-33), as quais foram armazenadas na memória, são lidas na memória de dados
do DSP. Números fixos denominados COEFICIENTES,
que são projetados para modificar o sinal de forma
específica, são lidos na memória de programa. Os
números das memórias de dados e de programas
são multiplicados entre si no multiplicador e armazenados no registrador P. Então, o acumulador
soma os resultados dos produtos armazenados no
registrador P com o resultado da soma de produtos
anterior, armazenando o novo resultado no registrador R. Cada saída do acumulador, por sua vez
armazenada no registrador R, corresponde a uma
nova amostra de saída do sinal digital processado.
A saída é enviada ao conversor D/A para ser novamente convertida em um sinal analógico.
Processadores digitais de sinais utilizam dispositivos
especiais como os registradores P e R, de forma que
são capazes de desempenhar mais de uma tarefa simultaneamente. Em um MPU elementar a exemplo
daquele mostrado na Figura 13-4, cada sequência
busca-decodifica-executa deve ser completada antes que a próxima se inicie. Entretanto, DSPs podem
buscar uma nova instrução enquanto a anterior
é decodificada e outra é executada. Esse processo
de início de uma tarefa antes do término da atual é
denominado PIPELINING. Dessa forma, o DSP é capaz
de executar as seguintes tarefas simultaneamente:
1. Gravar os conteúdos do registrador R no conversor D/A.
2. Acumular uma nova soma dos produtos anteriores resultante.
3. Multiplicar dois números a partir das memórias de dados e de programas.
Memória de programa
BN
A2
B2
A1
B1
Memória de dados
AN
Multiplicador
Registrador P
ALU
Acumulador
Figura 13-35 Arquitetura de um processador digital de sinais.
4. Buscar uma nova amostra na memória de dados
Pipelining também é utilizado na maioria dos computadores modernos, podendo ser utilizado de
várias formas em microprocessadores ou DSPs,
embora sua finalidade seja acelerar a execução das
instruções.
www
Teste seus conhecimentos
Sistemas de processamento digital de sinais são
complexos. Esta seção apresentou apenas alguns
dos conceitos básicos envolvendo o processamento digital de sinais e DSPs. Esses dispositivos têm
sido intensivamente utilizados, e se espera que se
tornem cada vez mais populares.
capítulo 13
Processador digital de sinais
Sistemas de computadores
Registrador R
449
Utilização de um DSP em
uma câmera digital
Câmeras digitais tornaram-se muito populares
e rapidamente substituíram as câmeras de filme
para fotografia. Ambos os tipos de câmeras possuem lentes para focar a luz e gravar uma imagem
em um dado instante de tempo. Diferentemente
das câmeras de filme, as câmeras digitais utilizam
o processamento digital de sinais para armazenar a
imagem eletronicamente.
A Figura 13-36 mostra o diagrama de blocos de seção de captura de imagem de uma câmera digital. A
lente da câmera foca a luz da imagem através de um
Lente da câmera
filtro para um dispositivo de carga acoplado (charged coupled device – CCD) ou um sensor de imagem
CMOS. O CCD ou o sensor de imagem CMOS na câmera representa o conversor analógico digital nesse
sistema. Ambos os tipos de sensores de luz utilizam
um arranjo de fotodiodos, sendo um para cada pixel,
de modo a converter a energia luminosa em energia
elétrica. CCDs e sensores de imagem CMOS medem
a energia elétrica existente no fotodiodo em cada
posição de pixel, convertendo-a em um número digital. A grande diferença entre CCDs e sensores de
imagem CMOS reside no local onde ocorre a conversão analógica digital. Sensores de imagem CMOS
realizam essa conversão no local de cada fotodiodo.
CCDs transportam a carga elétrica armazenada em
Filtro
Bayer
CCD ou sensor
de imagem CMOS
Memória de dados
Sistemas Sequenciais
Mídia
removível
450
Memória compact
flash
DSP
Memória de
programa
Figura 13-36 Diagrama de blocos representando a captura de imagem em uma câmera digital.
A saída do bloco sensor de imagem na Figura 1336 é representada por uma série de bytes contendo valores digitais amostrados de cada fotodiodo
existente no sensor de imagem. Essa série de bytes
amostrados é a entrada do sinal digital para o restante do sistema. As amostras são armazenadas na
memória temporária e lidas a partir da entrada de
dados do processador digital de sinais. Lembre-se
que uma imagem digital armazenada requer três
valores para cada pixel, sendo um para cada cor.
Neste ponto do sistema, o sinal digital possui ape-
Algumas câmeras podem armazenar essa saída
RGB (red, green, and blue – vermelho, verde e azul)
do bloco DSP diretamente em um cartão de memória removível da câmera, como mostra a Figura
13-36. Entretanto, imagens digitais podem possuir
tamanho considerável. Por exemplo, uma câmera
digital de cinco megapixels possui cinco milhões
de sensores de imagem, cada um capaz de medir
apenas uma cor da luz para cada pixel da imagem.
Assim, cada foto registrada pela câmera de cinco
megapixels requer 15 MB de memória. As câmeras digitais normalmente compactam a imagem
digital, de modo que o espaço necessário para
armazenamento no cartão de memória flash ou
outra mídia removível seja menor. O algoritmo de
compactação mais comum utilizado por câmeras
digitais é denominado JPEG (Joint Photographic
Experts Group – Grupo Conjunto de Especialistas
em Fotografia), como uma menção ao grupo que
criou esse padrão. Quando ocorre a compactação,
a saída RGB original do bloco DSP pode ser novamente armazenada na memória temporária e lida
no caminho da memória de dados do DSP. A memória de programa do DSP é modificada de modo
a conter os coeficientes utilizados pelo algoritmo
de compactação JPEG. A saída do bloco DSP corresponde à imagem JPEG compactada, que então
é armazenada no cartão de memória removível.
Sistemas de computadores
A finalidade do filtro da Figura 13-36 consiste em
reduzir o custo e a complexidade da câmera digital.
A luz é composta de três cores primárias: vermelha,
verde e azul. Cada pixel em uma imagem digital
armazena três valores de 8 bits, e cada um desses
corresponde a uma cor primária. Para criar uma
imagem digital adequadamente, a câmera digital
deve criar amostras de todas as três cores da luz na
posição de cada pixel. Entretanto, CCDs e sensores
de imagem CMOS medem a intensidade luminosa
total, desconhecendo os padrões das cores. Em vez
de amostrar a intensidade das três cores para cada
pixel, a maioria das câmeras digitais amostra apenas uma cor para cada pixel, sendo que o sistema
posteriormente insere os valores das duas cores
restantes a partir dos valores dos pixels vizinhos.
O FILTRO BAYER especial mostrado na Figura 13-36
filtra a luz incidente de modo que cada fotodiodo
no sensor de imagem utilizada apenas uma cor da
luz. A cor de cada quadrado no filtro Bayer corresponde à cor da luz que pode passar pelo filtro para
o fotodiodo do sensor de imagem que se encontra
na parte traseira. É possível observar na Figura 1336 que o padrão do filtro Bayer corresponde a linhas de filtros vermelhos e verdes alternadas entre
linhas de filtros azuis e verdes. Existem mais filtros
verdes do que azuis ou vermelhos porque o olho
humano é mais sensível à componente verde da
luz do que às demais cores.
nas um valor amostrado para cada pixel. O processador digital de sinais na Figura 13-36 executa
um algoritmo ou sequência de passos para calcular os valores das duas cores ausentes para cada
pixel com base nos valores amostrados dos pixels
vizinhos. O processo de cálculo e inserção de novos valores de dados a partir de valore existentes
é conhecido como interpolação. Os coeficientes do
algoritmo de interpolação correspondem à entrada para a memória de programa do processador
digital de sinais. A saída do bloco de processamento digital de sinais da Figura 13-36 é uma série de
três valores de 8 bits para as componentes de cor
vermelha, verde e azul de cada pixel da imagem.
Quando a imagem é visualizada, esses três valores
são recombinados para recriar a imagem.
capítulo 13
cada diodo ao longo do arranjo para um canto do
dispositivo onde ocorre a conversão analógica-digital. Esse tipo de conversão será adequadamente
estudado no Capítulo 14.
451
O bloco de conversão analógica digital do sistema
de processamento digital de sinais não é mostrado na Figura 13-36. Nesse sistema, essa conversão
pode ocorrer em diversos lugares quando a câmera
digital armazena a imagem. A conversão D/A ocorre apenas quando a imagem é visualizada na tela
LCD da câmera. Se a imagem for transferida para
um computador pessoal, a conversão D/A ocorrerá
quando a imagem for visualizada em um monitor
conectado ao computador. A conversão D/A também ocorrerá quando a imagem for impressa em
Sistemas Sequenciais
www
452
Teste seus conhecimentos
papel comum ou papel especial para a impressão
de fotografias.
Esta seção apresentou alguns princípios do processamento digital de sinais que ocorre em câmeras
digitais, as quais empregam diversos algoritmos
para essa finalidade. Muitos dispositivos como telefones celulares, câmeras de vídeo digitais e MP3
players também utilizam processamento digital de
sinais. Esse processamento tem se tornado parte
de muitos sistemas que utilizamos diariamente.
RESUMO E REVISÃO DO CAPÍTULO
Resumo
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
de paridade ou verificações de redundância
cíclica.
10.
Um controlador lógico programável (PLC) é
um sistema de computador robusto utilizado
em indústrias, armazéns e plantas químicas
para o controle de máquinas. PLCs têm substituído a lógica de relés plenamente no que
tange ao controle de máquinas.
11.
Diagramas esquemáticos de relés em escada,
diagramas lógicos de relés em escada, diagramas de portas lógicas e expressões booleanas
podem ser empregados na descrição de um
problema lógico de controle.
12.
Um microcontrolador consiste em um “computador contido em um único chip”, existente em
muitos dispositivos utilizados no cotidiano.
Microcontroladores possuem CPU, memória
RAM de pequeno porta (memória de dados),
memória de apenas leitura (memória de
programa contendo firmware), um clock e pino
de entrada/saída.
13.
Microcontroladores são produzidos em grandes quantidades a preços reduzidos.
14.
Módulos BASIC Stamp permitem que estudantes e outros usuários programem e carreguem
o código para a ação direta de microcontroladores.
15.
A linguagem de alto nível PBASIC é utilizada
na programação dos módulos BASIC Stamp.
16.
Um processador digital de sinais (DSP) é um
microprocessador especializado projetado
para manipular dados em altas velocidades
em aplicações de áudio, manipulação de imagens e outros sistemas de aquisição de dados
e controle.
17.
Dispositivos DSP são normalmente utilizados
como partes de um sistema que contém
conversores A/D, memória, DSPs e conversores
D/A.
Sistemas de computadores
2.
O computador é um dos sistemas digitais mais
complexos. Trata-se de um dispositivo com
características únicas, como adaptabilidade,
memória ampla, alta velocidade e existência
de programas armazenados.
O microcomputador consiste em uma versão
mais lenta e de menor custo que os computadores de grande porte. O microcomputador é
um tipo de sistema digital microprocessado.
O microcomputador utiliza memórias RAM e
ROM intensivamente para o armazenamento
interno de dados. Disquetes, discos ópticos e
discos rígidos são utilizados no armazenamento
secundário. Microcomputadores são compatíveis com diversos dispositivos periféricos de
entrada e de saída, incluindo conexão em redes.
Instruções existentes em unidades de microprocessamento são constituídas de operações
e operandos. O MPU segue a sequência busca-decodifica-executa durante a execução de
um programa.
Portas lógicas combinacionais podem ser
utilizadas na decodificação de endereços em
microcomputadores.
Dispositivos de três estados como buffers
devem ser utilizados quando memórias e
microprocessadores diversos transferem informações através de um barramento de dados
comum.
Multiplexadores e demultiplexadores podem
ser utilizados na transmissão de dados.
Dispositivos UART mais complexos também
podem ser empregados na transmissão serial
de dados.
A transmissão de dados pode ocorrer de forma
serial ou paralela. Há diversos CIs de interface
que permitem enviar e receber dados seriais
ou paralelos.
Erros que ocorrem durante a transmissão de
dados podem ser detectados utilizando bits
capítulo 13
1.
453
www
Questões de revisão do capítulo (Figura 13-37)
Questões de pensamento crítico
13-1 Desenhe o diagrama de blocos contendo
cinco seções principais de um computador.
Represente o fluxo de informações e dados de
programas no sistema.
13-2 Por que os PLCs simulam a lógica de relé de
forma tão exata?
13-3 Dado o diagrama esquemático de relé da
Figura 13-38, desenvolva o programa lógico
escada corresponde a esse circuito que pode
ser utilizado por um PLC.
13-4 Dado o diagrama esquemático de relé da
Figura 13-38, desenhe o diagrama de portas
lógicas (utilize portas AND e OR) e escreva a
expressão booleana correspondentes a esse
circuito.
13-5 Descreva como é possível acender todos os
LED vermelhos (quatro linhas superiores) do
display representado na Figura 13-27(b).
13-6 A critério de seu instrutor, utilize um aplicativo
computacional próprio para (1) desenhar
uma matriz de LEDs com quatro linhas e
quatro colunas (de forma semelhante à Figura
13-27(b), (2) utilize um gerador de palavras
para programar o padrão de acendimento do
LS1
LS2
Sistemas Sequenciais
Figura 13-38 Diagrama esquemático de um relé.
454
www
Respostas dos testes
13-7
13-8
13-9
13-10
13-11
CR1
CR2
display a LEDs 4×4, (3) acione o display a LEDs
4×4 e (4) apresente os resultados obtidos para
seu instrutor.
Observe a Figura 13-39. Ambas as entradas
nesse problema empregam qual tipo de
chaves? E o LED de saída é ativado (aceso) com
qual nível?
Observe a Figura 13-39. A linha 4 do programa PBASIC (input 8) configura a porta 8 E/S
do módulo BASIC Stamp 2 como que tipo de
porta?
Observe a Figura 13-39. Se a chave CH1 for
pressionada, o programa PBASIC retornará
para qual rotina? E o LED piscará quantas
vezes?
Observe a Figura 13-39. Se a chave CH2 for
pressionada, o programa PBASIC retornará
para qual rotina? E o LED piscará quantas
vezes?
Observe a Figura 13-39. Comentários
mostrados em um programa PBASIC não são
executados pelo microcontrolador do módulo
BASIC Stamp (V ou F).
SOL
Vdd
Vdd
10 k
220 P9
CH1
Vdd
VSS
LED
10 k
P7
P8
CH2
VSS
‘Duas chaves de entrada-LED de saída 1
‘Título do programa PBASIC
output 7
out 7 1
input 8
input 9
‘Configura a porta E/S 7 como uma saída
switchcheck:
if in 9 0 then blink
if in 8 0 then doubleblink
goto switchcheck
‘Nome da rotina que checa a chave
blink:
out 7 0
pause 750
out 7 1
pause 750
end
‘Nome da rotina que faz o LED piscar
‘Fim do programa
‘Nome da rotina que faz o LED piscar
duas vezes
doubleblink:
out 7 0
pause 750
out 7 1
pause 750
out 7 0
pause 750
out 7 1
pause 750
end
Sistemas de computadores
(a)
(b)
Figura 13-39 Problema utilizando o módulo BASIC Stamp 2. (a) Entradas e saída externas. (b) Código do
programa PBASIC.
capítulo 13
‘Fim do programa
455
Página propositalmente deixada em branco
capítulo 14
Conexão com
dispositivos analógicos
Até este ponto, vimos que a maioria das informações que entra e sai de um sistema digital possui
natureza digital. Entretanto, muitos sistemas digitais possuem entradas analógicas que variam
continuamente entre dois níveis de tensão. Neste capítulo, será discutido o interfaceamento
entre dispositivos analógicos e sistemas digitais.
Objetivos deste capítulo
Discutir a conversão analógica-digital e digital-analógica.
Projetar um circuito com amp op com um determinado ganho.
Analisar a operação de diversos circuitos conversores D/A elementares.
Responder questões específicas sobre um conversor D/A contador de rampa com comparador
de tensão.
Discutir a operação de um voltímetro digital elementar (conversor A/D).
Identificar diversos outros tipos de conversores A/D incluindo os conversores de rampa digital
e por aproximações sucessivas.
Citar diversas especificações associadas aos conversores A/D.
Responder questões específicas sobre o CI conversor A/D comercial ADC0804.
Analisar diversos sistemas de medição de intensidade luminosa baseadas no CI conversor A/D
ADC0804.
Analisar a operação de um circuito digitalizador utilizando um termistor como transdutor de
temperatura e um dispositivo Schmitt trigger como um conversor A/D elementar.
A maioria das informações provenientes do mundo
real é analógica. Por exemplo, tempo, velocidade,
peso, pressão, intensidade luminosa e medições
de posicionamento são grandezas analógicas por
natureza.
O sistema digital da Figura 14-1 possui uma entrada analógica. A tensão varia continuamente de 0 a
3 V. O codificador é um dispositivo eletrônico que
converte o sinal analógico em informação digital
denominado conversor analógico-digital ou A/D.
Assim, o conversor A/D converte informações analógicas em dados digitais.
O sistema digital da Figura 14-1 também possui um
decodificador especial, que converte a informação
digital proveniente da unidade de processamento
digital em uma saída analógica. Por exemplo, a
saída analógica pode ser uma tensão contínua que
muda de 0 para 3 V. Esse decodificador é denominado conversor digital-analógico ou D/A. Portanto,
o conversor D/A converte informações digitais na
forma analógica.
Sistemas Sequenciais
O sistema completo da Figura 14-1 pode ser chamado de sistema híbrido porque contém dispositivos
analógicos e digitais. Os codificadores e decodificadores que realizam as conversões analógica-digital
e digital-analógica são chamados dispositivos de
interfaceamento por engenheiros e técnicos. O termo “interface” é geralmente utilizado para designar
um dispositivo ou circuito que converte um modo de
operação em outro. Nesse caso, é realizada a conversão entre dados analógicos e digitais.
458
Note que o bloco de entrada da Figura 14-1 corresponde a uma tensão analógica que varia entre
0 e 3 V. Essa tensão pode ser gerada por um transdutor, que é definido como um dispositivo capaz
de converter uma forma de energia em outra.
Por exemplo, uma fotocélula pode ser emprega-
Entrada
analógica
0–3 V
Codificador
––
conversor
A/D
da como um transdutor de entrada para fornecer
uma tensão proporcional à intensidade luminosa.
Nesse exemplo, a energia luminosa é convertida
em energia elétrica pela fotocélula. Outros tipos de
transdutores consistem em microfones, alto-falantes, extensômetros, células fotorresistivas, sensores
de temperatura e sensores de efeito Hall.
Conversão D/A
Observe o conversor D/A na Figura 14-1. Suponha
que se deseje converter os dados binários provenientes da unidade de processamento em uma saída
de 0 a 3 V. Da mesma forma que ocorre com qualquer
decodificador, inicialmente é necessário escrever a
tabela verdade para as situações possíveis. A Tabela
14-1 mostra quatro entradas (D, C, B, A) do conversor
D/A, as quais se encontram na forma binária. Entretanto, o valor exato das entradas não é importante.
Cada valor 1 corresponde a uma tensão de 3 a 5 V, e
cada valor 0 é representado por aproximadamente 0
V. As saídas são mostradas na forma de tensão na coluna à extrema direita da Tabela 14-1. De acordo com
a tabela, se o valor binário 0000 surge na entrada do
conversor D/A, a saída é 0 V. Se o valor binário 0001
representa a entrada, então a saída é igual a 0,2 V. Se
valor binário 0010 surge na entrada, a saída é igual
a 0,4 V. Note que a cada linha que se avança em direção à parte de baixo da tabela, a saída analógica é
incrementada em 0,2 V.
O diagrama de blocos de um conversor D/A é
mostrado na Figura 14-2, sendo que as entradas
digitais (D, C, B, A) são representadas à esquerda. O
decodificador consiste em duas seções: uma rede
de resistores e um amplificador somador. A saída
é mostrada na forma de uma leitura de tensão no
voltímetro à direita.
Unidade de
processamento
digital
Decodificador
––
conversor
D/A
Figura 14-1 Sistema digital com entrada analógica e saída analógica.
Saída
analógica
0–3 V
Tabela 14-1 Tabela verdade do conversos D/A
Entradas digitais
D
C
B
A
Volts
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
A rede de resistores na Figura 14-2 deve considerar que um valor 1 na entrada B possui o dobro do
peso de um valor 1 na entrada A. Além disso, um
valor 1 na entrada C possui quatro vezes o peso de
um valor 1 na entrada A. Diversos arranjos de resistores são utilizados para desempenhar essa tarefa,
sendo que esses circuitos são denominados redes
de resistores em escada.
O amplificador somador da Figura 14-2 amplifica a
tensão de saída proveniente da rede de resistores
para um valor adequado, segundo os valores mostrados na coluna da extrema direita da Tabela 14-1.
ENTRADA
DIGITAL
(8s)
D
(4s)
C
(2s)
B
SAÍDA
ANALÓGICA
(1s)
A
Rede de
resistores
Amplificador
somador
Conexão com dispositivos analógicos
Linha 1
Linha 2
Linha 3
Linha 4
Linha 5
Linha 6
Linha 7
Linha 8
Linha 9
Linha 10
Linha 11
Linha 12
Linha 13
Linha 14
Linha 15
Linha 16
Saída analógica
V
(Em passos de 0,2 V)
conversor D/A
Figura 14-2 Diagrama de blocos de um conversor D/A.
capítulo 14
0–3 V
459
O amplificador somador normalmente emprega um
CI denominado amplificador operacional, chamado
simplesmente de amp op. O amplificador somador
também é denominado amplificador de escala.
www
O decodificador especial denominado conversor
D/A é constituído de duas partes: uma rede resistiva em escada e um amp op utilizado na configuração amplificador somador.
Teste seus conhecimentos
Acesse o site www.grupoa.com.br/tekne para fazer os testes sempre que passar por este ícone.
Amplificadores
operacionais
Os amplificadores especiais denominados amp ops
são caracterizados pela elevada impedância de entrada, baixa impedância de saída e ganho de tensão
variável que pode ser ajustado por meio de resistores
externos. O símbolo de um amp op é representado
na Figura 14-3(a), onde se constata que o dispositivo
possui duas entradas. O terminal superior (–) é chamado de entrada inversora. O outro pino é marcado
como sinal () e recebe o nome de entrada não inversora. A saída do amplificador é representada pelo
terminal à direita do símbolo.
O amplificador operacional quase nunca é utilizado isoladamente. Normalmente, os dois resistores mostrados na Figura 14-3(b) são incluídos
para ajustar o ganho de tensão do amplificador. O
Entrada inversora
Entrada não inversora
Saída
resistor Rin é denominado resistor de entrada, enquanto Rf é chamado de resistor de realimentação
(feedback). O ganho de tensão desse amplificador é
dado pela seguinte expressão:
Av (ganho de tensão) Suponha que os valores dos resistores conectados
ao amp op sejam Rf10 kΩ e Rin10 kΩ. Utilizando a equação do ganho de tensão, tem-se:
Av Rf
10.000
1
Rin
10.000
O ganho do amplificador é igual a 1. Nesse exemplo, se a tensão de entrada Vin na Figura 14-3(b)
for de 5 V, a tensão na saída V0 será 5 V. A entrada
inversora é utilizada, e como a tensão de entrada é 5 V, a tensão de saída é 5 V. O ganho de
tensão também pode ser calculado pela seguinte
expressão:
Av (a)
Sistemas Sequenciais
Rin
460
Vin
Vout
Vin
O ganho de tensão do circuito supracitado é:
Rf
Rf
Rin
Vout
(b)
Figura 14-3 Amplificador operacional. (a) Símbolo.
(b) Utilização de resistores de entrada e realimentação para ajuste do ganho.
Av Vout
5
1
Vin
5
Novamente, determina-se o ganho de tensão
como sendo igual a 1.
Suponha que os resistores de entrada e de realimentação sejam de 1 kΩ e 10 kΩ, respectivamente, como mostra a Figura 14-4. Qual é o ganho de
tensão desse circuito? Nesse caso, o ganho de tensão é calculado como:
10 k
1 k
Av Rf
10.000
10
Rin
1000
O ganho de tensão é igual a 10. Se a tensão de
entrada é 0,5 V, qual é o valor da tensão de saída.
Como o ganho é 10, a tensão de entrada de 0,5 V
multiplicada por 10 resulta em 5 V. Assim, a tensão
de saída é de 5 V, de acordo com a medição efetuada com o voltímetro na Figura 14-4.
Foi mostrado como o ganho de um amp op pode
ser alterado modificando-se a relação entre as resistências de entrada e de realimentação. Agora,
você é capaz de ajustar o ganho de um amplifica-
Rin
Vin
Vout
V
Figura 14-4 Circuito amplificador utilizando amplificador operacional.
dor operacional adequadamente escolhendo valores diferentes para Rin e Rf.
Em resumo, o amp op é parte do conversor D/A,
sendo empregado como um amplificador somador no circuito. O ganho do amp op é facilmente
ajustado por meio da relação entre os resistores de
entrada e de realimentação.
Teste seus conhecimentos
Um conversor D/A simples é mostrado na Figura
14-5 e é composto de duas seções. A rede de resistores à esquerda é constituída dos resistores R1, R2, R3
e R4. O amplificador somador à direita consiste em
um amp op e um resistor de realimentação. A entrada (Vin)então é representada por uma tensão de
3 V aplicada às chaves D, C, B e A. A tensão de saída
(Vout) é medida com um voltímetro. Note que o amp
op requer a utilização de uma fonte de alimentação
simétrica dual de 10 V e 10 V.
Quando todas as chaves estão aterradas (0 V), de
acordo com a Figura 14-5, a tensão de entrada no
ponto A é de 0 V e a tensão de saída é 0 V. Isso corresponde à linha 1 da Tabela 14-1. Suponha que a
chave A seja movida para a posição lógica 1 na Figura 14-5. A tensão de entrada de 3 V é aplicada ao
amp op. Em seguida, calcula-se o ganho do amp
op, o qual depende do resistor de realimentação
(Rf10 kΩ) e do resistor de entrada (Rin150 k). Assim, utilizando a fórmula do ganho, obtém-se:
Av Rf
10.000
0,066
150.000
Rin
Para calcular a tensão de saída, multiplica-se o ganho pela tensão de entrada da seguinte forma:
Vout Av Vin 0,066 3 0,2 V
A tensão de saída é igual a 0,2 V quando a entrada
corresponde ao valor binário 0001. Por sua vez, isso
satisfaz a condição da linha 2 da Tabela 14-1.
Agora, aplica-se o valor binário 0010 ao conversor
D/A da Figura 14-5. Apenas a chave B é movida
para a posição lógica 1, aplicando-se 3 V ao amplificador operacional. O ganho é:
Av Rf
10.000
0,133
Rin
75.000
Multiplicando-se o ganho de tensão pela tensão
de entrada, tem-se a tensão de saída igual a 0,4 V, o
que representa a linha 3 da Tabela 14-1.
Note que para cada valor binário da Tabela 14-1 a
tensão de saída do conversor D/A aumenta em 0,2
V. Esse acréscimo ocorre porque o ganho de tensão
Conexão com dispositivos analógicos
Exemplo de um conversor
D/A básico
capítulo 14
www
1 2V
Rf
461
ENTRADA BINÁRIA
8s
3V
4s
1
Vin
1
0
D
2s
1s
1
0
C
1
0
B
0
Amplificador somador
A
10 k
R4
R3
18,7 k
R2
37,5 k
Rf
R1
75 k
Resistores de entrada
Rede de resistores
150 k
10 V
SAÍDA
ANALÓGICA
10 V
Vout
V
Figura 14-5 Circuito de um conversor D/A.
do amp op aumenta à medida que novos valores
de resistências são utilizados (R1, R2, R3, R4), Se apenas o resistor R4 for conectado ao se ativar a chave
D, o ganho será:
Av Rf
10.000
0,535
Rin
18.700
O ganho multiplicado pela tensão de entrada fornece 1,6 V na saída do amp op. Essa condição é verificada na linha 9 da Tabela 14-1.
Quando todas as chaves são ativadas (posição lógica 1), o op amp passa a possuir tensão de saída de
3 V, porque o ganho é aumentado para 1.
Qualquer valor que se encontre dentro da faixa da
tensão de alimentação do amp op (±10 V) pode ser
Sistemas Sequenciais
www
462
utilizado. Valores posicionais binários podem ser
acrescentados à medida que chaves são incluídas
no circuito. Se a chave correspondente ao valor posicional 16s for adicionada na Figura 14-5, é necessário um resistor cujo valor de resistência seja metade de R4, de modo que seria utilizado um resistor
de 9350 Ω. O valor do resistor de realimentação
também seria modificado para 5 kΩ. A entrada seria representada por um número binário de 5 bits.
A saída ainda corresponderia a um sinal analógico,
cujo valor de tensão variaria entre 0 e 3,1 V (em
intervalos de 0,1 V).
A tentativa de expandir o conversor D/A da Figura
14-5 resulta na utilização de valores não comerciais de resistores, comprometendo a precisão do
sistema.
Teste seus conhecimentos
Conversor D/A do tipo
escada
Conversores digitais-analógicos são formados por
uma rede de resistores e um amplificador somador.
A Figura 14-6 mostra um tipo de rede de resistores que representa o peso adequado das entradas
binárias. Essa rede é normalmente chamada de
rede em escada R-2R. A vantagem desse arranjo
consiste na utilização de apenas dois valores de
ENTRADA
BINÁRIA
8s
Vin
3,75 V
1
D
4s
0
C
2s
1
0 1
B
1s
1
0
0
A
20 k
20 k
R1
R5
10 k
R6
20 k
R2
10 k
20 k
R7
10,65 k
Rf
R3
10 k
20 k
10 V
R8
R4
Rede de resistores
SAÍDA
ANALÓGICA
10 V
Vout
V
Amplificador somador
O amplificador somador da Figura 14-6 é semelhante ao dispositivo básico descrito na seção anterior. Novamente, verifique que uma fonte simétrica dual é utilizada.
A operação desse conversor D/A é semelhante à do dispositivo abordado na última seção.
Sobre a eletrônica
Órbitas geoestacionárias da terra
Satélites comerciais na órbita geoestacionária (GEO) da terra em posições muito acima da linha do Equador
ocupam um território limitado. Já existem cerca de 150 satélites nessa órbita, sendo que há pouco espaço para
mais unidades. Esses satélites se deslocam com a mesma velocidade da Terra e, portanto, aparentam estar parados em uma mesma posição. Essa é uma característica importante para aplicações como TV a cabo. Entretanto,
como esses satélites estão localizados em altitudes muito superiores ao nível do solo, existe um pequeno atraso
de tempo que pode representar um incômodo para usuários de telefonia celular.
capítulo 14
resistências. Os resistores R1, R2, R3, R4 e R5 são de 20
kΩ, enquanto os resistores R6, R7, R8, e Rf são de 10
kΩ. Note que todos os resistores horizontais na “escada” possuem valor de resistência igual ao dobro
das resistências existentes na vertical, justificando
o uso do termo rede em escada R-2R.
Conexão com dispositivos analógicos
Figura 14-6 Circuito conversor D/A utilizando ume rede de resistores em escada R-2R.
463
Tabela 14-2 Tabela verdade de um
conversor D/A
Entradas binárias
8s
4s
2s
1s
Saída analógica
D
C
B
A
Volts
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
3,75
A Tabela 14-2 mostra a operação detalhada do
conversor D/A. Note que é utilizada uma tensão
de entrada de 3,75 V nesse caso. Cada contagem
binária incrementa a tensão de saída analógica
www
em 0,25 V, como pode ser constatado na coluna
da extrema direita da Tabela 14-2. Lembre-se
que cada valor 0 no lado de entrada da tabela
corresponde a um valor de 0 V aplicado na respectiva entrada. Um valor 1 significa que a tensão de 3,75 V é aplicado em uma dada entrada.
A tensão de entrada de 3,75 V é utilizada porque
esse valor é muito próximo da tensão de saída
em dispositivos TTL como contadores e outros
CIs que foram anteriormente utilizados. Assim,
as entradas (D, C, B, A) na Figura 14-6 podem ser
diretamente conectadas às saídas de um CI TTL,
operando segundo o padrão descrito na Tabela
14-2. Entretanto, na prática as saídas de um CI
TTL não são suficientemente precisas, devendo
ser conectadas a um conversor de nível para se
obter uma saída de tensão precisa.
Valores posicionais binários adicionais (16s, 32s,
64s e assim por diante) podem ser acrescentados
no conversor D/A da Figura 14-6, bastando seguir o
padrão dos valores de resistências mostrados nesse diagrama.
Dois tipos de decodificadores especiais denominados conversores digitais-analógicos foram abordados. O conversor D/A do tipo escada R-2R possui
algumas vantagens sobre o dispositivo básico. O
coração do conversor D/A é representado pela rede
de resistores e pelo amplificador somador.
Teste seus conhecimentos
SAÍDA BINÁRIA
Exemplo de um conversor
8s
D
Sistemas Sequenciais
A/D
464
Um conversor analógico-digital é um tipo especial
de codificador. O diagrama de blocos de um conversor A/D básico é ilustrado na Figura 14-7. A entrada
corresponde a uma única tensão variável, que nesse
caso varia entre 0 e 3 V. A saída do conversor A/D
encontra-se na forma binária. O conversor A/D converte a tensão analógica na entrada em uma palavra
binária de 4 bits. Assim como ocorre em outros codificadores, deve-se definir exatamente as entradas
ENTRADA
ANALÓGICA
4s
C
2s
B
1s
A
Conversor
A/D
0–3 V
Figura 14-7 Diagrama de blocos de um conversor A/D.
Tabela 14-3 Tabela verdade de um
conversor A/D
Linha 1
Linha 2
Linha 3
Linha 4
Linha 5
Linha 6
Linha 7
Linha 8
Linha 9
Linha 10
Linha 11
Linha 12
Linha 13
Linha 14
Linha 15
Linha 16
Saída binária
Entrada
analógica
8s
4s
2s
1s
Volts
D
C
B
A
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
A tensão analógica é aplicada à esquerda na Figura
14-8. O comparador verifica a tensão proveniente
do conversor D/A. Se a tensão de entrada analógica for maior que a tensão na entrada B do comparador, o sinal de clock aumenta a contagem do
contagem do contador de 4 bits. Essa contagem
aumenta até que a tensão de realimentação do
conversor D/A se torne maior que a tensão de entrada analógica. Quando isso ocorre, a contagem é
interrompida. Considere uma entrada analógica de
2 V. De acordo com a Tabela 14-3, o contador binário aumenta a contagem até 1010, sendo que esta
é então interrompida. O contador é reinicializado
para 0000 e a contagem é iniciada novamente.
Agora, vamos descrever o conversor A/D da Figura
14-8 de forma mais detalhada. Considere que há
um nível 1 no ponto X na saída do comparador.
Além disso, considere que o valor binário armazenado do contador é 0000. Uma tensão de 0,55 V
é então aplicada na entrada analógica. O nível 1
no ponto X ativa a porta AND, e o primeiro pulso
de clock é aplicado na entrada CLK do contador. A
contagem é avançada para 0001, sendo exibida na
parte superior direita da Figura 14-8. O valor 0001
também é aplicado ao conversor D/A.
De acordo com a Tabela 14-1, um valor binário 0001
produz uma tensão de 0,2 V na saída do conversor
D/A. Esse valor é realimentado na entrada B do
comparador, que então verifica os estados de suas
respectivas entradas. A entrada A possui nível de
tensão mais alto (0,55 V em comparação a 0,2 V), de
modo que um nível lógico 1 surge na saída. Assim, a
porta AND é ativada, permitindo que o pulso de clock seguinte seja aplicado ao contador. A contagem
é aumentada em 1 e o novo valor que corresponde
a 0010 é aplicado ao conversor D/A.
De acordo com a Tabela 14-1, uma entrada 0010
gera uma saída de 0,4 V. Este último valor é realimentado na entrada B do comparador. Comparando-se as entradas A (0,55 V) e B (0,4 V), obtém-se
ainda na saída do comparador um nível lógico 1.
Conexão com dispositivos analógicos
A tabela verdade do conversor A/D parece bastante simples. Os circuitos eletrônicos que desempenham as funções dessa tabela são um pouco mais
complicados. Um tipo de conversor A/D é representado na Figura 14-8. O conversor A/D utiliza um
comparador de tensão, uma porta AND, um con-
tador binário e um conversor D/A. Todos os componentes do conversor A/D foram anteriormente
estudados, com exceção do comparador de tensão.
capítulo 14
e saídas esperadas. A tabela verdade mostrada na
Tabela 14-2 mostra como o conversor A/D funciona.
A linha 1 mostra que uma tensão de 0 V é aplicada
na entrada do conversor A/D, sendo que a saída corresponde ao valor binário 0000. Na linha 2, tem-se
uma entrada de 0,2 V, de modo que a saída correspondente é 0001. Note que a contagem binária é
aumentada em 1 sempre que a tensão de entrada
é acrescida de 0,2 V. Finalmente, a linha 16 mostra
que uma tensão máxima de 3 V aplicada na entrada
resulta em uma saída binária de 1111. Note que a
tabela verdade da Tabela 14-3 corresponde à forma
invertida da Tabela 14-1 válida para o conversor
D/A. Isto é, as entradas e as saídas foram invertidas.
465
SAÍDA
BINÁRIA
8s
D
Clock
X
ENTRADA
0–3 V
ANALÓGICA
AND
4s
C
2s
B
1s
A
Contador
CLK
A
A
Comparador
de tensão
B
C
B
Conversor
D/A
D
Tensão de realimentação (rampa)
Figura 14-8 Diagrama de blocos de um conversor A/D do tipo contador de rampa.
Sistemas Sequenciais
A porta AND é ativada, permitindo que o pulso de
clock seguinte seja aplicado ao contador. A contagem é aumentada para o valor binário 0011, sendo
este realimentado no conversor D/A.
466
De acordo com a Tabela 14-1, uma entrada 0011
gera uma saída de 0,6 V. Este último valor é realimentado na entrada B do comparador. Comparando-se as entradas A e B, obtém-se na saída do
comparador um nível lógico 1. Isso ocorre pela
primeira vez porque a tensão na entrada B é maior
que a tensão na entrada A. A porta AND é desativada pelo nível 0. Desse modo, os pulsos de clock
seguintes não são mais aplicados ao contador. A
contagem é interrompida no valor binário 0011.
Observando a linha 4 da Tabela 14-3, verifica-se
que a tensão 0,6 B fornece uma saída binária 0011.
Portanto, constata-se que o conversor A/D funciona de acordo com a tabela verdade.
Se a entrada analógica fosse de 1,2 V, a saída binária
seria 0010, segundo a Tabela 14-3. O contador realiwww
Teste seus conhecimentos
zaria a contagem de 0000 até 0110 antes de ser interrompido pelo comparador. Se a entrada analógica
fosse de 2,8 V, a saída binária seria 1110. O contador
realizaria a contagem de 0000 até 1110 até ser interrompido pelo comparador. Note que a conversão de
uma tensão analógica em um valor binário leva certo
tempo. Entretanto, na maioria dos casos a frequência
do clock é alta o suficiente para que esse atraso não
represente problemas.
Agora, você consegue entender porque o conversor D/A foi estudado antes do conversor A/D. Este
conversor A/D contador de rampa possui certa
complexidade e requer a utilização de um conversor D/A. O termo “rampa” refere-se ao aumento progressivo da tensão do conversor D/A que é
realimentada no comparador. Um conversor de 4
bits produz uma forma de onda que se assemelha
aos degraus de uma escada. Quando um número
razoavelmente alto de bits é utilizado, a forma de
onda se aproxima de uma rampa suave.
Comparadores de tensão
Na última seção, um comparador de tensão foi utilizado. Foi mostrado que esse dispositivo compara
duas tensões, determinando qual delas é maior. A Figura 14-9 representa o diagrama de blocos básico de
um comparador. Se a tensão na entrada A for maior
que aquela existente na entrada B, o comparador
fornece um nível 1 na saída. Se a tensão na entrada B
for maior que aquela existente na entrada A, o comparador fornece um nível 0 na saída. Isso pode ser representado como A>B1 e A<B0 na Figura 14-9.
O coração do comparador de tensão é um amp op,
sendo que o circuito que utiliza esse dispositivo é
mostrado na Figura 14-10(a). Note que a entrada A
possui uma tensão de 1,5 V aplicada na entrada A,
enquanto a tensão na entrada B é 0 V. Assim, verifica-se que há 3,5 V na saída com um voltímetro, isso
em um nível lógico 1.
A Figura 14-10(b) mostra que a tensão na entrada B aumentou para 2 V. Portanto, a tensão em B
A
B
SAÍDAS
Comparador
de tensão
X
AB1
BA0
Figura 14-9 Diagrama de blocos de um comparador
de tensão.
é maior que àquela em A. Assim, o circuito comparador apresenta uma tensão de 0 V (na verdade,
aproximadamente igual a 0,6 V) na saída, o que
corresponde a um valor lógico 0.
O comparador do conversor A/D na Figura 14-8
funciona exatamente da mesma forma que esse
dispositivo. O diodo zener no comparador da Figura 14-10 é responsável por grampear a tensão de
saída em aproximadamente 3,5 ou 0,6 V. Sem a
utilização do diodo zener, a tensão seria aproximadamente igual a 9 V e – 9 V. Os níveis de tensão
de 3,5 V e 0,6 V são mais compatíveis com os
CIs TTL.
Teste seus conhecimentos
O voltímetro digital consiste em uma aplicação do
conversor A/D, sendo que todos os subsistemas
necessários para a implementação desse dispositivo foram utilizados anteriormente. O diagrama
de blocos de um voltímetro digital é representado na Figura 14-11. O conversor A/D converte a
tensão analógica na forma binária. Esse valor é
enviado para o decodificador, onde é convertido
em código de sete segmentos. Assim, a leitura do
voltímetro é exibida na forma de números decimais. Quando uma tensão de 7 V é aplicada na entrada do conversor A/D, o valor binário 0111 surge
na saída, de acordo com a figura. O decodificador
ativa os segmentos de a até c do display, os quais
serão acesos para representar o valor 7. Note que
o conversor A/D também é um codificador, que
converte uma entrada analógica em uma saída
binária.
O diagrama esquemático de um voltímetro digital
elementar é mostrado na Figura 14-12. Note que
são utilizados um comparador de tensão, uma porta
AND, um contador, um decodificador, um display de
sete segmentos e um conversor D/A. Uma fonte de
alimentação dual simétrica de ±10 V (ou duas fontes de 10 V e 10 V) é utilizada para alimentar os
amp ops 741. Uma fonte de alimentação de 5 V é
empregada para alimentar os CIs TTL 7408, 7493 e
7447 e o display de sete segmentos a LEDs. Uma fonte de tensão variável de 0 a 10 V também é necessária para representar o sinal analógico de entrada.
Considera-se uma tensão analógica de 2 V existente na entrada do voltímetro digital da Figura
14-12. O contador é reinicializado para 0000. O
comparador então verifica as entradas A e B, de
modo que A é maior (A2 V e B0 V). Assim, sur-
Conexão com dispositivos analógicos
Voltímetro digital
elementar
capítulo 14
www
ENTRADAS
467
1,5 V
A
10 V
10 k
ENTRADAS
10 k
10 V
3–4 V
3,5 V
A B1
B
0V
V
(a)
1,5 V
A
10 V
10 k
ENTRADAS
10 k
10 V
2V
3–4 V
0V
V
B A0
B
(b)
Sistemas Sequenciais
Figura 14-10 Mapa de memória de um pequeno sistema microprocessado utilizando de duas memórias RAM
16×4.
468
ENTRADA
ANALÓGICA
7V
Conversor
A/D
SAÍDA
DECIMAL
Decodificador
0111
a, b, c
(Ativos)
Figura 14-11 Diagrama de blocos de um voltímetro digital elementar.
469
Vin
B
10 k
10 k
Comparador
de tensão
0 Contar
1 Reiniciar
10 V
741
10 V
4V
X
7408
5 V
1
capítulo 14
Conexão com dispositivos analógicos
A
A
D
C
B
A
(7447)
Tensão de realimentação (rampa)
(7493)
Entrada B
B
B
CLK
Entrada A
C
C
D
Decodificador
D
Contador
RO(2)
RO(1)
Figura 14-12 Diagrama esquemático de um voltímetro digital elementar.
ENTRADA
ANALÓGICA
A
Clock
Reiniciar
5 V
5 V
a
150 18,7 k
37,5 k
75 k
150 k
Conversor D/A
f
g
e
d
c
b
a
g
f
e
d
c
b
10 V
741
Rf
10 V
47 k
()
Vout
Deve-se mudar o valor da
resistência para obter
melhor precisão
Anodo
5 V
ge um nível 1 em sua saída, ativando a porta AND.
O pulso do clock passa através da porta AND, de
modo que o contador incrementa a contagem
para 0001. Esse valor é aplicado no decodificador, que ativa as linhas b e c do display de sete
segmentos. Logo, os respectivos segmentos são
acesos e o valor decimal 1 é exibido no display. O
valor 0001 também é aplicado no conversor D/A.
Aproximadamente 3,2 V são aplicados na entrada
do amp op através do resistor de 150 kΩ. O ganho
de tensão do amp op é:
Av Rf
47.000
0,31
Rin
150.000
Assim, tem-se um ganho de 0,31. Multiplicando o
ganho de tensão pela tensão de entrada, tem-se:
Vout Av Vin 0,31 3,2 1V
Portanto, a tensão de saída do conversor D/A é 1
V, de modo que 1 V é realimentado no comparador.
Agora, com 2 V aplicados na entrada, o comparador
verifica as entradas A e B, de modo que A é maior. O
comparador aplica um valor lógico 1 na porta AND,
sendo que um segundo pulso de clock é entregue ao
contador. A contagem avança para 0010, e este valor
é decodificado e exibido como o número decimal 2
no display de sete segmentos. O valor 0010 também
é aplicado no conversor D/A, que exibe 2 V em sua
saída. Essa tensão é então realimentada na entrada
B do comparador.
O display agora exibe o número 2. Há uma tensão
de 2 V na entrada A do comparador. O comparador
Sistemas Sequenciais
www
470
verifica as entradas A e B, sendo que B é ligeiramente maior. A saída X do comparador torna-se 0 e
a porta AND é desabilitada. Os pulsos de clock não
são aplicados no contador, sendo que esse dispositivo interrompe a contagem em 2. Assim, tem-se a
tensão de 2 V aplicada na entrada analógica.
O voltímetro digital da Figura 14-12 representa um
circuito experimental, o qual é apresentado para
demonstrar os princípios de funcionamento de um
voltímetro digital. Assim, é possível verificar como
CIs SSI e MSI podem ser utilizados na implementação de funções mais complexas. Esse circuito
corresponde ao exemplo de um sistema eletrônico
híbrido que emprega tanto dispositivos analógicos
quanto digitais.
Voltímetros digitais modernos e MDs utilizam CIs
LSI. Esses conversores A/D específicos são produzidos por diversos fabricantes. Chips do tipo voltímetros digitais LSI utilizam todos os dispositivos
ativos contidos em um único CI CMOS. Dentre os
dispositivos, pode-se citar o conversor A/D, decodificadores de sete segmentos, drivers de display
e um gerador de pulsos de clock. Os conversores
A/D de 3½ dígitos ICL7106 e ICL7107 são dois
exemplos desses dispositivos complexos, capazes
de acionar displays com 3½ dígitos do tipo LCD (CI
7106) ou a LEDs (CI 7107). Esses CIs possuem um
clock interno, referências de tensão, um conversor
A/D, circuitos automáticos de reinicialização para
zero, elevada impedância de entrada e drivers
para o acionamento direto de displays de sete
segmentos de 3½ dígitos.
Teste seus conhecimentos
Outros conversores A/D
Na seção Exemplo de um conversor A/D, estudamos o conversor A/D do tipo contador de rampa.
Diversos outros tipos de conversores A/D também
são utilizados. Nesta seção, discutiremos dois outros tipos de conversores.
Um conversor A/D de rampa digital é mostrado na
Figura 14-13, que funciona de forma semelhante
ao conversor A/D do tipo contador de rampa da
Figura 14-8. O gerador de rampa à esquerda da Figura 14-13 é o único subsistema novo. Esse dispositivo gera uma forma de onda dente de serra, que
é mostrada na Figura 14-14(a).
SAÍDA
BINÁRIA
8s
D
AND
Vin
1s
A
CLK
A
Comparador
de tensão
Gerador de
rampa
2s
B
Contador
Clock
ENTRADA
ANALÓGICA
4s
C
X
B
Figura 14-13 Diagrama de blocos de um conversor A/D de rampa digital.
Um problema do conversor A/D de rampa digital
consiste no intervalo de tempo longo que é necessário para se medir tensões mais altas. Por exemplo, se a saída binária possuísse oito casas binárias,
o contador poderia contar até 255. Para eliminar
esse tempo de conversão demasiadamente longo,
utiliza-se um tipo diferente de conversor A/D, denominado conversor A/D de aproximações sucessivas.
O diagrama de blocos de um conversor A/D de
aproximações sucessivas é representado na Figura
14-15. O dispositivo consiste em um comparador de
tensão, conversor D/A e um novo bloco lógico, denominado seção lógica de aproximações sucessivas.
Suponha que 7 V sejam aplicados na entrada analógica. O conversor A/D de aproximações sucessivas
inicialmente tenta “adivinhar” a tensão de entrada
analógica. Esse “palpite” é dado ajustando-se o bit
mais significativo (MSB) em 1, como mostra o bloco
1 da Figura 14-16. Esse papel é desempenhado pelo
bloco lógico de aproximações sucessivas. O resultado (1000) é realimentado no comparador através
do conversor D/A. O comparador responde a per-
Conexão com dispositivos analógicos
A Figura 14-14(b) fornece outro exemplo, a tensão
de entrada do conversor A/D de rampa digital é
igual a 6 V neste caso. A tensão da rampa começa a crescer da esquerda para a direita. A saída do
comparador possui nível lógico 1 porque a entrada
A é maior que a tensão do gerador de rampa na entrada B. Assim, a contagem continua. No ponto Z
da rampa de tensão, a tensão da rampa torna-se
maior que Vin, de modo que a saída do comparador
passa a assumir nível lógico 0 e desativa a porta
AND. Os pulsos de clock deixam de ser aplicados
ao contador, que interrompe a contagem em 0110,
representando a tensão analógica de 6 V.
capítulo 14
Suponha que 3 V sejam aplicados na entrada de
tensão analógica do conversor A/D da Figura 1413, como ocorre na Figura 14-14(a). A tensão da
rampa começa a crescer, mas ainda é menor que
a entrada A do comparador, de modo que a saída
deste último dispositivo apresenta nível lógico 1.
Assim, a porta AND é ativada, de modo que três
pulsos de clock passam pela porta na Figura 1414(a) antes da tensão da rampa se tornar maior
que a tensão de entrada. No ponto Y da Figura 1414(a), a saída do comparador passa a possuir nível
lógico 0 e a porta AND é desabilitada. A contagem
é interrompida no valor binário 0011, significando
que 3 V são aplicados na entrada.
471
7V
Entrada analógica 3 V
(Vin)
Y
0V
Tensão de rampa
1
0
Saída do comparador
Pulsos de clock
aplicados ao contador
Leitura binária
0011
0011
(a)
Entrada analógica 6 V
(Vin)
7V
Z
0V
Tensão de rampa
1
0
Saída do comparador
Pulsos de clock
aplicados ao contador
Leitura binária
0110
0110
(b)
Figura 14-14 Formas de onda de um conversor A/D de rampa digital. (a) Com tensão aplicada de 3 V. (b) Com
tensão aplicada de 6 V.
8s
D
Clock
Vin
Sistemas Sequenciais
4s
C
2s
B
Lógica de
aproximações
sucessivas
A
ENTRADA
ANALÓGICA
472
SAÍDA
BINÁRIA
Comparador X
de tensão
B
A
B
Conversor
C D/A
D
Figura 14-15 Diagrama de blocos de um conversor A/D de aproximações sucessivas.
1s
A
Iniciar
1
Igualar MSB a 1
2
O valor
1000 é alto ou
baixo?
Resultado 1000
Baixo
Alto
3
4
Limpar a casa 8s.
Iguala-se a casa 4s a 1 Resultado 0100
O valor
0100 é alto ou
baixo?
Baixo
Alto
6
O valor
0110 é alto ou
baixo?
Alto
Baixo
Encontrar o
resultado 0111
7 Iguala-se a casa 1s a 1
Conexão com dispositivos analógicos
5 Iguala-se a casa 2s a 1 Resultado 0110
Figura 14-16 Fluxograma da operação de um conversor A/D por aproximações sucessivas.
capítulo 14
Parar
473
gunta mostrada no bloco 2 da Figura 14-16: o valor
1000 é alto ou baixo comparado à tensão de entrada? Nesse caso, a resposta é “alto”. O bloco lógico de
aproximações sucessivas desempenha a tarefa do
bloco 3. O valor posicional 8s é reinicializado para
0, enquanto o valor posicional 4s é ajustado em 1.
O resultado (0100) é reenviado para o comparador
através do conversor D/A. Agora, o comparador responde a pergunta do bloco 4: o valor 0100 é alta
ou baixo comparado à tensão de entrada? A resposta é “baixo”. O valor posicional é ajustado em 1.
O valor (0110) é reenviado para o comparador, que
deve responder a pergunta do bloco 6: o valor 0110
é alta ou baixo comparado à tensão de entrada? A
resposta é “baixo”. O bloco lógico de aproximações
sucessivas desempenha a tarefa do bloco 7 e o vawww
Os fabricantes produzem uma ampla variedade de
conversores A/D. Uma publicação recente cita mais
de 300 tipos de dispositivos de fabricantes distintos.
Algumas das especificações mais comuns de um
conversor A/D são dadas a seguir.
Tipo de saída
Sistemas Sequenciais
Note na Figura 14-16 que as tarefas descritas são
desempenhadas pelo bloco de aproximações sucessivas. As questões são respondidas pelo comparador. Além disso, note que as tarefas do bloco de
aproximações sucessivas dependem da resposta
dada na pergunta anterior em termos das palavras
“baixo” e “alto” (de acordo com os blocos 3 e 5).
A vantagem do conversor A/D de aproximações
sucessivas requer poucas tentativas até adivinhar a
resposta, de modo que o processo de digitalização
torna-se mais rápido. Assim, esse dispositivo é amplamente empregado.
Teste seus conhecimentos
Especificações de
conversores A/D
474
lor posicional 1s é ajustado em 1. O resultado final
corresponde ao numero binário 0111, o que representa 7 V aplicados na entrada do conversor A/D.
Geralmente, conversores A/D possuem saídas binárias ou decimais. Conversores A/D com saídas digitais são normalmente utilizados em voltímetros
digitais, painéis de medidores digitais e MDs. Os
dispositivos com saídas binárias são empregados
em sistemas microprocessados. Este último tipo é
denominado conversor A/D do tipo P.
Resolução
A resolução de um conversor A/D é dada como o
número de bits existente na saída de um disposi-
tivo do tipo binário. No caso dos conversores A/D
com saída decimal, a resolução corresponde ao
número de dígitos existente na leitura (como 3½
ou 4½). Conversores A/D típicos com saídas binárias possuem resoluções de 4, 6, 8, 10, 12, 14 e 16
bits. Os erros que ocorrem com a utilização de passos binários discretos na representação de sinais
analógicos contínuos são denominados erros de
quantização.
Um conversor A/D de 16 bits possui resolução
maior que um dispositivo de 4 bits porque a tensão
de entrada ou de referência é dividida em passos
discretos menores. Por exemplo, cada passo em
um conversor A/D de 4 bits seria correspondente
a um quinze avos da faixa de tensão de entrada
4
(2 115). Assim, isto corresponde a uma resolução de 6,7% (1/15×1006,7%). Um conversor
A/D de 8 bits possui resolução melhor, isto é, 255
8
passos discretos (2 1255), correspondendo
a 0,39% (1/255×1000,39%). A resolução de um
dispositivo de 16 bits é 0,0015%.
Exatidão
A resolução de um conversor A/D pode ser considerada como o erro “digital” inerente aos passos
discretos existentes na saída do CI. Outra fonte de
erros em um conversor A/D pode existir em um
componente analógico, como o comparador. A
rede de resistores também pode ser uma fonte de
erros. A precisão geral de um conversor A/D é denominada exatidão.
As exatidões de CIs conversores A/D com saídas binárias típicos variam entre ±½ LSB até ±2 LSB. Os
CIs com saídas decimais podem possuir exatidão
variando entre 0,01% e 0,05%.
Tempo de conversão
O tempo de conversão também é um parâmetro
importante do conversor A/D, pois representa o
Outras especificações
Quatro características adicionais comuns aos conversores A/D são a tensão de alimentação, os níveis
lógicos de saída, a tensão de entrada e a máxima
dissipação de potência. As tensões de alimentação
são da ordem de 5 V. Entretanto, alguns conversores A/D possuem tensões que variam entre 5
e 15 V. Os níveis lógicos de saída podem ser TTL,
CMOS ou de três estados. A faixa de tensão de entrada normalmente é de 5 V. A máxima dissipação
de potência pode variar entre 15 e 3000 mW.
Teste seus conhecimentos
Um CI conversor A/D comercial será abordado
nesta seção. A Figura 14-17(a) mostra o diagrama
de pinos do CI conversor A/D de 8 bits ADC0804. A
tabela da Figura 14-17(b) cita o nome e a descrição
de cada pino do CI ADC0804.
O conversor A/D ADC0804 foi projetado para operar
como uma interface direta com os microprocessadores 8080, 8085 e Z80. O nome de alguns pinos
do CI ADC0804 utiliza a nomenclatura popular de
alguns microprocessadores. Por exemplo, o CI usa
as marcações RD, WR e INTR que correspondem aos
pinos RD, WR e INTR no microprocessador 8085. O
CI ADC0804 também pode ser interfaceado com
processadores de 8 bits mais antigos como 6800 e
6502. A entrada de controle CS do conversor A/D
ADC0804 recebe o sinal (seleção do chip) do circuito
de endereço-decodificação do microprocessador.
O CI ADC0804 é um conversor A/D de aproximações sucessivas de 8 bits, possuindo saídas de três
estados que permitem a conexão direta com barramentos de dados em sistemas microprocessados.
O CI ADC0804 possui saídas binárias e tempo de
conversão de apenas 100 μs. Suas entradas e saídas são compatíveis com ambos os níveis TTL e
MOS. O componente possui um gerador de clock
interno que requer dois elementos externos (resistor e capacitor). O CI ADC0804 é alimentado por
uma tensão de 5 V e é capaz e codificar entradas
analógicas variando ente 0 e 5 V.
O CI conversor A/D ADC0804 pode ser testado utilizando-se o circuito da Figura 14-18, cuja função é
codificar a diferença entre as tensões Vin() e Vin(–)
comparada com a tensão de referência (5,12 V nes-
Conexão com dispositivos analógicos
Exemplo de um CI
conversor A/D
capítulo 14
www
intervalo de tempo necessário para o CI converter
a tensão de entrada analógica nos dados binários
(ou decimais) exibidos nas saídas. Tempos de conversão típicos variam entre 0,05 e 100.000 μs nos
CIs conversores A/D com saídas binárias. Os dispositivos com saídas decimais possuem tempos de
conversão que variam entre 200 e 400 ms.
475
Encapsulamento DIP
CS
1
20 VCC
RD
2
19 CLK R
WR
3
18 DB0 (LSB)
CLK IN
4
17 DB1
INTR
5
Vin ()
6
15 DB3
Vin ()
7
14 DB4
A GND
8
13 DB5
Vref/2
9
12 DB6
ADC0804
D GND 10
16 DB2
11 DB7 (MSB)
(Vista superior)
(a)
CI conversor A/D ADC0804
Sistemas Sequenciais
Número do
pino
476
Símbolo
Entrada/Saída ou
Alimentação
Descrição
1
CS
Entrada
Conexão de seleção do CI para controle P
2
RD
Entrada
Conexão de leitura a partir do controle P
3
WR
Entrada
Conexão de gravação para o controle P
4
CLK IN
Entrada
Clock
5
INTR
Saída
A conexão de interrupção vai para
a entrada de interrupção P
6
Vin ()
Entrada
Entrada analógica (tensão positiva)
7
Vin ()
Entrada
Entrada analógica (tensão negativa)
8
A GND
Alimentação
Terra analógico
9
Vref/2
Entrada
10
D GND
Alimentação
Referência de tensão alternada ()
11
DB7
Saída
Saída de dados MSB
12
DB6
Saída
Saída de dados
13
DB5
Saída
Saída de dados
14
DB4
Saída
Saída de dados
15
DB3
Saída
Saída de dados
16
DB2
Saída
Saída de dados
17
DB1
Saída
Saída de dados
18
DB0
Saída
Saída de dados LSB
19
CLK R
Entrada
20
VCC (ou ref)
Alimentação
Terra digital
Conexão de um resistor externo para travamento
Alimentação de 5 V e tensão de
referência primária
(b)
Figura 14-17 CI conversor A/D ADC0804. (a) Diagrama de pinos. (b) Nomenclatura e funções dos pinos.
5,1 V (rensão de referência)
SAÍDA BINÁRIA
128s 64s 32s 16s 8s
2s
1s
5 V
ENTRADA
ANALÓGICA
Vin ()
VCC
DB7
10 k
DB6
DB5
Vin ()
WR
CLK R
Iniciar
4s
DB4
Conversor A/D
de 8 bits
DB3
DB2
(ADC0804)
DB1
R1
10 k
DB0
INTR
CLK IN
C1
150 pF
A GND
D GND
CS
RD
realimentado na entrada WR, iniciando assim outra conversão. O circuito da Figura 14-18 realiza de
5.000 a 10.000 conversões por segundo. A taxa de
conversão do CI ADC0804 é alta porque a técnica
das aproximações sucessivas é utilizada.
A “chave de partida” na Figura 14-18 é inicialmente
fechada e depois aberta para iniciar a operação independente do conversor A/D. Isso ocorre porque
a entrada analógica e convertida na saída digital
continuamente. A chave de partida deve permanecer aberta após o início da operação do conversor
A/D. A entrada WR pode ser considerada uma entrada de clock, de modo que a saída de interrupção
(INTR) aplica um pulso na entrada supracitada ao
término de cada processo de conversão A/D. Uma
transição de nível BAIXO para ALTO no sinal da entrada WR inicia a conversão A/D. Quando a conversão se encerra, o valor binário é atualizado e a saída
INTR emite um pulso negativo, que por sua vez é
O resistor (R1) e o capacitor (C1) conectados às entradas CLK R e CLK IN do CI ADC0804 na Figura 1418 permitem a operação do clock interno. As saídas
de dados (DB7-DB0) acionam os displays binários
a LEDs. As saídas de dados correspondem a saídas
ativas-ALTAS de três estados.
www
Teste seus conhecimentos
Qual é a saída binária na Figura 14-18 se a tensão de entrada analógica é 1,0 V? Lembre-se que
cada 0,02 V corresponde a uma única contagem
binária. Dividindo 1,0 V por 0,02 V, obtém-se
o número decimal 50, que por sua vez corresponde ao valor binário 001100102. Assim, os indicadores de saída indicarão o numero binário
00110010 (LLHHLLHL).
capítulo 14
te caso) na forma de um valor binário. A resolução
do CI ADC0804 é igual a 8 bits ou 0,39 %. Isso quer
dizer que a contagem binária aumenta em 1 a cada
aumento de 0,02 V (5,1 V0,39%0,02 V) nas entradas analógicas.
Conexão com dispositivos analógicos
Figura 14-18 Diagrama esquemático de um circuito de teste usando o CI conversor A/D CMOS ADC0804.
477
Medidor de intensidade
luminosa digital
O conversor A/D é um dispositivo eletrônico que é
utilizado para codificar tensões analógicas na forma digital. Essas tensões analógicas geralmente
são geradas por transdutores. Por exemplo, a intensidade luminosa pode ser convertida em uma
resistência variável utilizando-se uma fotocélula.
O diagrama esquemático de um medidor de intensidade luminosa digital é mostrado na Figura 14-19. O
CI ADC0804 é utilizado como um conversor A/D independente de forma semelhante à última seção. A
chave do tipo botão de pressão é pressionada uma
única vez para partir o conversor A/D. A tensão de
entrada analógica é medida através do resistor R2. A
fotocélula (R3) corresponde ao sensor luminoso ou
transdutor nesse circuito. À medida que a intensi-
dade luminosa aumenta, a resistência da fotocélula
(R3) diminui. Essa redução da resistência R3 provoca
o acréscimo da corrente através das resistências R2 e
R3. Por sua vez, a corrente através de R2 gera o acréscimo proporcional da tensão em R2, que corresponde à tensão de entrada analógica do conversor A/D.
O aumento da tensão de entrada analógica gera o
aumento do valor existente nas saídas binárias.
A fotocélula de sulfeto de cádmio utilizada na Figura 14-19 é um resistor variável. À medida que
a intensidade luminosa incidente na fotocélula
aumenta, sua resistência diminui. A fotocélula da
Figura 14-19 pode possuir resistência máxima de
500 kΩ e mínima de 100 Ω. A fotocélula de sulfeto de cádmio é mais sensível à seção do espectro
luminoso que entre verde e amarelo. A fotocélula
também é chamada de fotorresistor, fotocélula CDs
ou célula fotoresistiva.
ENTRADAS
5,1 V (tensão de referência)
R3
Fotocélula
SAÍDA BINÁRIA
128s 64s 32s 16s 8s
4s 2s
5 V
R2
470 VCC
Vin ()
DB7
DB6
DB5
Vin ()
WR
CLK R
Sistemas Sequenciais
Aperte para
iniciar
478
Conversor A/D
de 8 bits
DB3
DB2
(ADC0804)
R1
10 k
DB1
DB0
INTR
CLK IN
C1
150 pF
DB4
A GND
D GND
CS
RD
Figura 14-19 Diagrama esquemático de um medidor de intensidade luminosa digital utilizando saídas
binárias.
1s
Outras fotocélulas podem ser utilizadas na Figura
14-19. Se a fotocélula substituta possuir especificações de resistência distintas, pode-se alterar o
valor do resistor R2 no circuito para ajustar a saída
binária da forma desejada.
Um segundo circuito medidor de intensidade luminosa é representado na Figura 14-20. Esse dispositivo indica o brilho relativo da luz que incide na
fotocélula utilizando números decimais (de 0 a 9).
Esse novo circuito é semelhante ao da Figura 14-19.
O clock consiste em um CI temporizador 555, dois
resistores e um capacitor utilizados na forma de um
multivibrador astável, gerando uma saída TTL com
frequência de aproximadamente 1 Hz. Isso significa
que a tensão de entrada analógica só é convertida
na forma digital uma vez por segundo. A taxa de
conversão baixa evita que a leitura do display de
sete segmentos a LEDs alterne entre dois valores.
De forma semelhante ao circuito anterior (Figura
14-19), a saída do novo medidor de intensidade
luminosa pode ser ajustada para que 0 represente
um nível luminoso baixo e 9 seja um nível luminoso intenso, sendo esses valores exibidos no display.
O valor de R2 pode ser alterado para ajustar a saída
conforme a necessidade. Se um resistor de valor reduzido substituir R2, a saída decimal corresponderá
a um valor inferior para uma mesma intensidade
luminosa. Entretanto, o valor exibido no display
será maior caso o resistor R2 também seja.
Teste seus conhecimentos
O conversor A/D pode ser utilizado para converter
uma temperatura analógica em um valor digital. Um
termômetro digital é um exemplo de utilização de
um conversor A/D na digitalização de temperatura.
Outros dispositivos além do conversor A/D também
podem ser empregados para essa finalidade.
De forma geral, digitalizar consiste em converter
uma medição analógica em unidades ou pulsos digitais. O conversor A/D é um exemplo de digitalizador. Nesta seção, o digitalizador será representado
por um inversor Schmitt trigger elementar.
Um circuito de digitalização de temperatura simples é mostrado na Figura 14-21. O dispositivo digitalizador é representado por um inversor Schmitt
trigger simples (CI 74LS14). Um termistor corresponde ao transdutor de temperatura, sendo este
um resistor sensível à temperatura. À medida que
a temperatura aumenta, a resistência do termistor
diminui. Esses dispositivos possuem coeficientes
de temperatura negativos, enquanto a maioria dos
metais (como o cobre) possui coeficiente de temperatura positivo.
Lembre-se que o limite de chaveamento de um inversor Schmitt trigger 74LS14 é de aproximadamente 1,7 V quando a tensão cresce. Devido à histerese,
o limite de chaveamento desse dispositivo quando a
tensão diminui é aproximadamente 1,0 V.
À medida que a temperatura do termistor da
Figura 14-21 aumenta, a resistência desse elemento diminui. Assim, a tensão na entrada do
inversor Schmitt trigger aumenta (observe o voltímetro). Quando a temperatura aumenta, a tensão na entrada do inversor se tornará maior que
aproximadamente 1,7 V e a saída do inversor
mudará do nível ALTO para BAIXO instantaneamente, como pode ser constatado por meio da
ponteira lógica.
Além disso, à medida que a temperatura do termistor da Figura 14-21 diminui, a resistência desse
Conexão com dispositivos analógicos
Digitalização da
temperatura
capítulo 14
www
O CI 7447A decodifica 4 bits MSB (DB7, DB6, DB5,
DB4) da saída do conversor A/D ADC0804. O CI
7447A também aciona os segmentos do display a
LEDs. Os sete resistores de 150 Ω inseridos entre
o CI 7447A e o display de sete segmentos a LEDs
limitam a corrente em um segmento ativo em um
nível seguro.
479
480
2
6
7
4
1
(555)
Clock
8
3
470 R2
1 Hz
150
pF
10 k
Fotocélula
R3
C1
R1
5,1 V (tensão de referência)
A GND
CLK IN
CLK R
WR
Vin ()
Vin ()
D
D GND
CS
(ADC0804)
Conversor A/D
de 8 bits
A
DB4
RD
B
C
DB5
DB6
GND
(7447A)
Decodificador
VCC
VCC
DB7
5 V
5 V
Figura 14-20 Diagrama esquemático de um medidor de intensidade luminosa utilizando display decimal.
1 ␮F
470 k
1 k
5 V
ENTRADAS
Sistemas Sequenciais
a
g
f
e
d
c
b
g
f
e
d
c
b
150 a
g
f
e
d
c
b
a
LED
SAÍDA
Anodo
5 V
5 V
T R2
74LS14
IX
O
R1
V
Pon
TT
L
BA
10 k
AL
TO
Termistor
(10 k a 25 °C)
teir
GND
5 V
a ló
OS
gic
a
CM
Preto
Verme
lho
Figura 14-21 Utilização de um termistor para medir a temperatura e um inversor Schmitt trigger para digitalizar
a entrada analógica.
Um termistor semelhante ao utilizado na Figura
14-21 pode ser implementado a partir da sinterização de óxidos metálicos em formas diversas.
Um termistor pode assumir a forma de uma gota,
conectando-se terminais em suas extremidades.
Os óxidos normalmente empregados na fabricação
de termistores incluem metais como titânio, ferro,
cobre, cobalto e níquel. Um termistor comum que
pode ser empregado em laboratório pode possuir
resistência de 10 kΩ a uma temperatura de 25°C.
Este mesmo dispositivo possui resistências de 28
kΩ a 0°C e 1 kΩ a 100°C.
As vantagens do termistor residem na simplicidade, custo reduzido e interfaceamento simples. Porém, esses dispositivos possuem a desvantagem da
curva característica temperatura versus resistência
não linear. Essa característica de não linearidade inviabiliza a aplicação de termistores como sensores
térmicos em termômetros.
Conexão com dispositivos analógicos
No exemplo da Figura 14-21, diz-se que a temperatura foi digitalizada. Nesse exemplo, a digitalização
assume a forma de um nível ALTO ou BAIXO, e isso
se assemelha à atuação de um termostato. Os pinos E/S de um microcontrolador (como o módulo
BASIC Stamp) podem digitalizar dados analógicos
de forma semelhante ao circuito da Figura 14-21
quando as portas supracitadas são configuradas
como entradas. Após a constatação de um nível
ALTO ou BAIXO na entrada, o microcontrolador
pode ser programado de modo a responder à temperatura alta ou baixa.
capítulo 14
elemento aumenta. Assim, a tensão na entrada do
inversor Schmitt trigger diminui (observe o voltímetro). Quando a temperatura diminui, a tensão
na entrada do inversor se tornará menor que aproximadamente 1,0 V e a saída do inversor mudará
do nível BAIXO para ALTO instantaneamente, como
pode ser constatado por meio da ponteira lógica.
O potenciômetro mostrado na Figura 14-21 permite que o usuário ajuste o valor de temperatura
no qual o circuito digitalizador muda para o nível
ALTO ou BAIXO. Em outras palavras, o potenciômetro R1 é utilizado na calibração.
481
Muitos sensores térmicos lineares de custo
mais alto existem na forma de CIs e podem ser
empregados como sensores em termômetros.
Pode-se citar os sensores de temperatura de três
terminais LM34 e LM35 fabricados por National Semiconductor, bem como o CI de precisão
transdutor de temperatura com dois terminais
AD592 fabricado por Analog Devices. CIs mais
complexos como o termômetro digital DS1620
Sistemas Sequenciais
www
482
Teste seus conhecimentos
com encapsulamento DIP de oito pinos e o CI termostato possuem funções adicionais como medição de temperatura, conversão da temperatura em uma palavra de 9 bits, interface serial com
três fios e controles termostáticos programáveis.
O CI DS1620 fabricado por Dallas Semiconductor
é especialmente útil quando é empregado em
conjunto com um microcontrolador (como o módulo BASIC Stamp).
RESUMO E REVISÃO DO CAPÍTULO
2.
3.
4.
5.
6.
7.
www
Codificadores e decodificadores de interface
especiais são utilizados entre dispositivos analógicos e digitais denominados conversores
D/A e A/D.
Um conversor D/A consiste em uma rede de
resistores e um amplificador somador.
Amplificadores operacionais são utilizados em
conversores D/A e comparadores. O ganho pode
ser facilmente ajustado através de resistores
externos conectados ao amp op.
Diversas redes de resistores distintas são
empregadas para obter os diversos pesos na
entrada binária de um conversor D/A.
Existem conversores A/D comuns dos tipos
contador de rampa, rampa digital e aproximações sucessivas.
Um comparador de tensão compara duas
tensões entre si, determinando qual é a maior.
Um amplificador operacional consiste no
coração do comparador.
Especificações comuns de conversores A/D
incluem parâmetros como tipo de saída, resolução, exatidão, tempo de conversão, tensão
8.
9.
10.
11.
12.
de alimentação, níveis lógicos de saída, tensão
de entrada e dissipação de potência.
O CI ADC0804 é um conversor A/D CMOS de
8 bits. O dispositivo apresenta características
como tempo de conversão reduzido, compatibilidade com microprocessadores, saídas
de três estados, entradas e saídas com níveis
lógicos TTL e clock interno.
Uma fotocélula pode ser empregada como
transdutor para acionar o conversor A/D em
um circuito medidor de intensidade luminosa.
Um termistor (resistor com coeficiente de temperatura negativo) pode ser utilizado como
transdutor de temperatura. O termistor possui
uma característica de temperatura versus
resistência não linear.
Um dispositivo Schmitt trigger pode ser utilizado como um elemento digitalizador elementar.
Um conversor A/D representa o coração de
um voltímetro digital. A maioria dos voltímetros digitais e MDs comerciais utilizam CIs LSI
complexos como os conversores A/D do tipo
medidor.
Questões de revisão do capítulo
Questões de pensamento crítico
14-1 Calcule o ganho do circuito com amp op da
Figura 14-4 considerando Rin1 kΩ e Rf5
kΩ. Utilizando o valor do ganho obtido, qual a
tensão de saída se Vin0,5 V?
14-2 Observe a Figura 14-5 e responda:
a. Qual é a resistência equivalente da associação em paralelo dos resistores R2 e R3
se ambas as chave B e C se encontram na
posição lógica 1?
b. Utilizando o valor da resistência equivalente, qual é o ganho (Av) do amp op R3
se ambas as chave B e C se encontram na
posição lógica 1?
c. Qual é a tensão de saída quando o valor
binário 0110 é aplicado nas entradas do
conversor D/A? Utilize o valor calculado
para Av.
14-3 Compare as Tabelas 14-1 e 14-2. Explique as
diferenças entre os dados das duas tabelas.
14-4 Cite as quatro seções que constituem um
circuito conversor A/D contador de rampa.
capítulo 14
1.
Conexão com dispositivos analógicos
Resumo
483
14-5 Cite as quatro seções que constituem um
circuito conversor A/D de rampa digital.
14-6 Compare as redes de resistores dos conversores
D/A nas figuras 14-5 e 14-6. Por que é mais fácil
expandir a rede de resistores em escada R-2R
de quatro para 8 bits?
14-7 Observe a Figura 14-8. Qual seria a resolução
desse conversor A/D?
14-8 Um voltímetro digital consiste em uma aplicação de qual conversor?
14-9 A critério de seu instrutor, utilize um aplicativo
computacional próprio para (1) desenhar o
conversor D/A de 4 bits utilizando a rede de
resistores em escada e o amp op mostrados na
Figura 14-22, (2) operar o circuito conversor
ENTRADA BINÁRIA
1s
[A]
3,2 V
2s
[B]
D/A de 4 bits e (3) apresentar os resultados
obtidos para seu instrutor.
14-10 A critério de seu instrutor, utilize um aplicativo
computacional próprio para (1) desenhar o
conversor D/A de 5 bits utilizando a rede de
resistores em escada e o amp op de forma
semelhante ao arranjo da Figura 14-22, (2)
operar o circuito conversor D/A de 5 bits e
(3) apresentar os resultados obtidos para seu
instrutor.
14-11 A critério de seu instrutor, utilize um aplicativo
computacional próprio para (1) desenhar o
conversor A/D de 8 bits genérico (com saídas
binárias) mostrado na Figura 14-23, (2) operar
o circuito conversor A/D de 8 bits e (3) apresentar os resultados obtidos para seu instrutor.
20 k
20 k
10 k
Rf
10 k
20 k
LM741
4s
[C]
20 k
10 k
1,20
8s
[D]
V
SAÍDA
ANALÓGICA
10 k
20 k
Figura 14-22 Circuito de um conversor D/A utilizando rede de resistores R-2R e amplificador operacional
(amplificador de escala) simulado no Electronics Workbench®.
Sistemas Sequenciais
www
484
Respostas dos testes
VDD
5 V
Entrada analógica
Saída binária
R1
2
128s 64s 32s 16s
8s
4s
2s
1s
10 k_LIN
100%
TeclaV
A1
D0
Vin
5.000
D1
v DC
D2
D3
D4
VDD
GND
Vref
D5
Vref
D6
SOC
D7
OE
EOC
TeclaBarra de Espaço
ADC
Iniciar
conversão
GND
74HC04N
Entrada SOC: Um pulso inicia uma nova conversão A/D
Entrada OEALTAHabilita as saídas de três estados
Vin: A tecla V aumenta a tensão de entrada ou as teclas
Shift-V combinadas diminuem a tensão de entrada
capítulo 14
Conexão com dispositivos analógicos
Figura 14-23 Circuito conversor A/D com saída binária de 8 bits (elaborado no MultiSIM 8).
485
Página propositalmente deixada em branco
apêndice A
Solda e processo
de soldagem
De uma simples tarefa a
uma fina arte
A soldagem é o processo de junção de dois metais
através do uso de uma liga metálica utilizada na
fusão em baixa temperatura. A soldagem é um dos
processos de junção mais antigos conhecidos pelo
homem, inicialmente desenvolvidos pelos egípcios
para a fabricação de armas como lanças e espadas.
Desde então, a prática evoluiu até se tornar o processo atualmente conhecido e utilizado na fabricação
de dispositivos eletrônicos. A soldagem não é mais
a tarefa simples de antes; hoje, consiste em uma fina
arte que requer cuidado, experiência e amplo conhecimento sobre os fundamentos envolvidos.
O conceito chave presente neste apêndice é a soldagem com alta confiabilidade. Grande parte de
nossa tecnologia depende de incontáveis junções
de solda individuais que existem nos equipamentos. A soldagem com alta confiabilidade foi desenvolvida em resposta às falhas iniciais que ocorrem
nos equipamentos espaciais. Desde então, o conceito passou a ser muito aplicado, a exemplo de
equipamentos médicos e militares. Atualmente,
está presente nos diversos produtos eletrônicos
utilizados no dia a dia.
A vantagem da solda
O material incluído neste apêndice foi elaborado para fornecer ao estudante os conhecimentos
fundamentais e habilidades básicas necessárias
para realizar a soldagem com alta confiabilidade,
de forma semelhante ao que ocorre nos produtos
eletrônicos modernos.
A soldagem é o processo de junção de duas peças metálicas para formar um caminho elétrico
confiável. Inicialmente, por que se deve soldá-los?
Os dois pedaços de metal podem ser unidos com
porcas e parafusos ou outro tipo de peça mecânica. Esse método apresenta duas desvantagens.
Primeiro, a confiabilidade da conexão não pode ser
garantida devido a eventuais vibrações e choques
mecânicos. Segundo, como a oxidação e a corrosão ocorrem continuamente em peças metálicas, a
condutividade elétrica entre as duas superfícies é
progressivamente reduzida.
Os tópicos abordados incluem o processo de soldagem, a seleção adequada e utilização de uma
estação de solda.
Uma conexão soldada não apresenta esses inconvenientes. Não há movimentação na junta e não há
interfaces metálicas que podem oxidar. Um cami-
A importância do elevado padrão de qualidade na
manufatura não pode ser desprezada. Junções de
solda defeituosas têm sido a causa de diversos problemas em equipamentos e, portanto, a soldagem
é um processo crítico.
nho condutor contínuo é formado em virtude das
próprias características da solda.
A natureza da solda
A solda utilizada em eletrônica consiste em uma
liga metálica com baixa temperatura de fusão constituída por diversos metais em várias proporções.
Os tipos mais comuns de solda consistem em uma
mistura de estanho e chumbo. Quando as proporções são idênticas, a solda é denominada 50/50 –
50% de estanho e 50% de chumbo. De forma semelhante, a solda 60/40 consiste em 60% de estanho
e 40% de chumbo. As porcentagens normalmente
são identificadas nos diversos tipos de solda, embora às vezes apenas a porcentagem de estanho
seja apresentada. O símbolo químico do estanho é
Sn; assim, o símbolo Sn 63 indica que a solda contém 63% de estanho.
O chumbo puro (Pb) possui um ponto de fusão de
327 °C (621 °F); o estanho puro apresenta um ponto de fusão de 232 °C (450 °F). Quando esses metais
são combinados na proporção 60/40, o ponto de
fusão é reduzido para 190 °C (374 °F) – menos que
ambos os pontos de fusão dos metais individuais.
A fusão em geral não ocorre totalmente de uma
vez. De acordo com a Figura A-1, a solda começa
a derreter a 183 °C (361 °F), mas o processo só se
torna completo a 190 °C (374 °F). Entre esses valores de temperatura, a solda encontra-se no estado
plástico (semilíquido), indicando que apenas parte
do material foi derretida.
A faixa plástica da solda variará de acordo com a proporção de estanho e chumbo, como mostra a Figura
A-2. Diversas proporções de estanho e chumbo são
mostradas ao longo da parte superior da figura. Existe uma proporção de mistura desses metais para a
qual não há estado plástico, conhecido como solda
eutética. Essa proporção equivale a 63/37 (Sn 63), e
o material se derrete e se solidifica completamente
a 183 °C (361 °F).
O tipo de solda mais utilizado na soldagem manual em eletrônica é do tipo 60/40 porque, durante o estado plástico, deve-se tomar cuidado para
não movimentar os elementos da junção durante
o período de resfriamento, pois isso pode provocar a soldagem incorreta de um determinado
componente. Normalmente, esse tipo de solda
possui aspecto irregular e opaco em vez de brilhante. Assim, tem-se uma soldagem não confiável, que não é característica de processos com alta
confiabilidade.
Algumas vezes, é difícil manter a junção estável
durante o resfriamento como, por exemplo, quando a soldagem é utilizada nas placas de circuito
impresso em esteiras em movimento existentes
nas linhas de montagem. Em outros casos, pode
ser necessário empregar aquecimento mínimo
para evitar a danificação de componentes sensíveis ao calor. Em ambas as situações, a solda eutética torna-se a melhor escolha, pois a solda muda
do estado líquido para sólido sem se tornar plástica no resfriamento.
Porcentagem de estanho/chumbo 10
T
60/40
100
I
N
90
80
10
20
A2
190⬚C
374⬚F
Líquido
Plástico
Figura A-1 Faixa plástica da solda 60/40. A fusão se
inicia em 183 °C (361 °F) e se torna completa em 190
°C (374 °F).
550⬚F
(288⬚C)
500⬚F
(260⬚C)
450⬚F
(232⬚C)
400⬚F
(204⬚C)
350⬚F
(177⬚C)
80
50
70
40
60
30 37
Composição eutética
183⬚C
361⬚F
Sólido
Temperatura
Sistemas Sequenciais
600⬚F
(316⬚C)
20
50
30
60
40
70 63
L
E
A
100
90
D
621⬚F
(327⬚C)
Líquido
Plástico
Plástico
361⬚F
(183⬚C)
Sólido
Figura A-2 Características de fusão de soldas de
estanho-chumbo.
Solda
A ação de molhagem
A molhagem adequada ocorre apenas se a superfície do cobre encontra-se livre de contaminações e
películas de óxidos que se formam quando o metal
é exposto ao ar. Além disso, as superfícies da solda e do cobre precisam alcançar uma temperatura
adequada.
Mesmo que a superfície esteja aparentemente limpa antes da soldagem, pode ainda haver uma fina
camada de óxido sobre a mesma. Quando a solda é
aplicada, a substância age como uma gota d’água
sobre uma superfície do óleo porque a camada de
óxido evita que a solda entre em contato com o cobre. Assim, não ocorre a reação química e a solda
pode ser facilmente removida da superfície. Para
uma boa aderência da solda, as camadas de óxido
devem ser removidas antes do início do processo.
O papel do fluxo
Conexões de solda confiáveis podem ser obtidas
apenas em superfícies limpas. Processos de limpeza adequados são essenciais para obter sucesso
na soldagem, embora isso por si só seja insuficiente em alguns casos. Isso ocorre porque os óxidos
são formados muito rapidamente nas superfícies
dos metais aquecidos, o que impede a soldagem
adequada. Para resolver esse problema, deve-se
utilizar materiais denominados fluxos, constituídos
de rosinas naturais ou sintéticas e às vezes contêm
aditivos chamados de ativadores.
A função do fluxo é remover óxidos na superfície,
mantendo-a limpa durante a soldagem. Isso ocorre
porque a ação do fluxo é muito corrosiva em valores de temperatura próximos ou iguais ao ponto de
fusão. Além disso, a substância atua rapidamente
na remoção dos óxidos, prevenindo sua formação
posterior e permitindo que a solda forme a camada
intermediária desejada.
O fluxo deve ser utilizado em uma temperatura inferior à da solda para que desempenhe seu papel
antes que o processo de soldagem efetivamente
seja iniciado. A substância é muito volátil e, portanto, é necessário que seja aplicada na superfície de
trabalho, e não apenas na ponta do ferro de solda
aquecido. Assim, obtém-se a remoção dos óxidos e
o processo de solda torna-se eficiente.
Há vários tipos de fluxos disponíveis para aplicações
diversas. Por exemplo, fluxos ácidos são empregados na soldagem de chapas metálicas. Na brasagem
de prata (que utiliza temperaturas de fusão muito
superiores àquelas existentes nas ligas de estanho),
uma pasta bórax é utilizada. Cada um desses tipos
de fluxo remove óxidos e, em diversos casos, apresenta outras finalidades. Os fluxos empregados na
soldagem manual em eletrônica são rosinas puras,
rosina misturada com ativadores suaves que aceleram a capacidade de fluxo da rosina, fluxos com
baixo resíduo/impuros e fluxos solúveis em água.
Fluxos ácidos ou fluxos altamente ativados nunca
devem ser utilizados em eletrônica. Vários tipos de
solda com núcleo são normalmente empregados,
de modo que é possível controlar a quantidade de
fluxo utilizado na junção (Figura A-4).
Solda e processo de soldagem
Uma reação química ocorre quando a solda quente
entra em contato com a superfície de cobre. A solda se dissolve e penetra na superfície. As moléculas da solda e do cobre se unem para formar uma
nova liga metálica, parcialmente constituída de
cobre e solda e com características próprias. Essa
reação é denominada molhagem e forma uma camada metálica intermediária entre a solda e o cobre (Figura A-3).
Cobre
Figura A-3 Ação da molhagem. A solda fundida é
dissolvida e penetra na superfície de cobre limpa,
formando uma camada intermediária.
apêndice A
Para uma pessoa que observa um processo de
soldagem à primeira vista, aparentemente a solda
une os metais como uma cola quente, mas o que
acontece é bem diferente.
A3
O primeiro fator que deve ser considerado é a massa
térmica relativa da área que será soldada. Essa massa
pode variar muito.
Figura A-4 Tipos de solda com núcleo com porcentagens variáveis de solda/fluxo.
Ferros de solda
Em qualquer tipo de soldagem, o primeiro requisito necessário além da própria solda é o calor. O
calor pode ser utilizado em várias formas: por condução (por exemplo, através de ferros de solda,
ondas térmicas, na fase de vapor), convecção (ar
quente) ou irradiação (IR). Vamos abordar apenas
o método por condução por meio da utilização de
um ferro de solda.
Existem estações de solda com diversos tamanhos
e formas, mas esses dispositivos são basicamente
constituídos por três elementos: uma resistência
de aquecimento; um bloco aquecedor, que age
como um reservatório de calor; e uma ponta ou
bico que transfere calor para a realização da tarefa.
A estação de produção padrão consiste em um sistema com operação em malha fechada com temperatura variável, em que as pontas podem ser trocadas, sendo fabricado a partir de plásticos à prova
de descarga eletrostática.
Sistemas Sequenciais
Controle do aquecimento
da junção
A4
O controle da temperatura da ponta não é o verdadeiro desafio na soldagem, mas sim controlar
o ciclo de aquecimento do trabalho – o que envolve a velocidade do aquecimento, a temperatura e o tempo que permanece aquecido. Esse
ciclo é afetado de várias formas, de modo que a
temperatura da ponta do ferro de solda não é um
fator crítico.
Considere uma placa de circuito impresso com face
única ou simples. Existe uma quantidade relativamente pequena de massa, de modo que a superfície se aquece rapidamente. Em uma placa de face
dupla com furos metalizados, a massa então se
torna o dobro. Placas com múltiplas camadas possuem uma massa ainda maior, ainda sem considerar a massa dos terminais dos componentes. A massa dos terminais pode variar bastante, pois alguns
pinos são mais longos que outros.
Além disso, pode haver componentes montados
sobre a placa. Novamente, a massa térmica torna-se maior, a qual tende a aumentar com a inclusão de fios de conexão.
Portanto, cada conexão possui uma massa térmica.
A comparação dessa massa combinada com a massa
da ponta do ferro de solda é denominada massa térmica relativa, determinando o tempo de duração e o
acréscimo de temperatura do trabalho.
Como uma pequena massa de trabalho e um ferro
com ponta pequena, o aumento da temperatura é
lento. Quando o oposto ocorre, isto é, um ferro de
solda com ponta grande é utilizado em uma pequena massa de trabalho, a temperatura aumentará rapidamente, ainda que a temperatura da ponta
do ferro de solda seja a mesma.
Agora, considere a capacidade do ferro de solda
em manter um determinado fluxo de calor. Essencialmente, esses dispositivos são instrumentos
utilizados na geração e armazenamento de calor,
sendo que o reservatório é constituído do bloco
aquecedor e da ponta. Existem pontas com tamanhos e formatos variados e este é o caminho de circulação do fluxo térmico. Para pequenos trabalhos,
uma ponta cônica é empregada, de modo que uma
quantidade pequena de calor é transferida. Para
trabalhos maiores, pontas grandes semelhantes a
formões grandes são empregadas, de modo que o
fluxo de calor é maior.
Se uma grande quantidade de calor é necessária
para uma determinada conexão, a temperatura
correta é obtida com uma ponta de tamanho adequado. Assim, um ferro de solda com maior capacidade e taxa de recuperação deve ser empregado.
Portanto, a massa térmica relativa é um parâmetro
importante que deve ser considerado no controle
do ciclo térmico de trabalho.
Um segundo fator importante é a condição da superfície da área que será soldada. Se existe a presença de óxidos ou outros elementos contaminantes cobrindo a superfície ou os terminais, haverá
uma barreira para o fluxo de calor. Então, mesmo
que o ferro de solda possua tamanho e temperatura adequados, não será fornecida uma quantidade
de calor suficiente para derreter a solda. Em soldagem, uma regra básica consiste no fato de que não
é possível realizar uma boa conexão de solda em
uma superfície suja. Antes do processo de soldagem, deve-se utilizar um solvente para limpar a superfície e remover a eventual camada de gordura
ou sujeira. Em alguns casos, deve-se aplicar uma
fina camada de solda nos terminais dos componentes antes do processo de soldagem propriamente dito para remover a oxidação intensa.
Um terceiro fato que deve ser considerado é a conexão térmica, isto é, a área de contato entre o ferro de solda e a superfície de trabalho.
A Figura A-5 mostra a vista da seção transversal da
ponta de um ferro de solda tocando um terminal
Ponta
Área de junção pequena
“Ponte” de solda
Área de junção grande
Figura A-5 Visão da seção transversal (à esquerda)
da ponta do ferro de solda encostada em um terminal
redondo. O sinal “X” mostra o ponto de contato. O uso
de uma ponte de solda (à direita) aumenta a área de
junção e a velocidade de transferência do calor.
arredondado. O contato ocorre apenas no ponto
indicado pelo símbolo “X”, de forma que a área de
conexão é muito pequena, como se houvesse uma
reta tangente interceptando o terminal em um
único ponto.
A área de contato pode ser significativamente
ampliada aplicando-se uma pequena quantidade
de solda na ponta do contato entre a ponta e a
área de trabalho. Essa ponte de solda cria um contato térmico e garante uma rápida transferência
de calor.
Diante dos fatos supracitados, é evidente que
há muitos fatores que tornam a transferência de
calor mais rápida em uma dada conexão além
da temperatura do ferro de solda. Na verdade,
a soldagem é um problema de controle muito
complexo, o qual envolve muitas variáveis que
possuem influências entre si. Além disso, deve-se
considerar que o tempo é uma variável crítica. A
regra geral da soldagem com alta confiabilidade
consiste no fato de que não se deve transferir calor por mais de 2 segundos após o início do derretimento da solda (molhagem). Se essa regra for
descumprida, isso pode causar a danificação do
componente ou da placa.
Considerando todos esses aspectos, aparentemente a soldagem é um processo muito complexo para
ser controlado em um intervalo de tempo tão curto, mas há uma solução simples – o fator indicador
de reação da peça. Este fator é definido como a
reação da peça às ações do trabalho desenvolvido,
que são percebidas pelos sentidos humanos como
visão, tato, olfato, audição e paladar.
Solda e processo de soldagem
A capacidade de um ferro de solda pode ser aumentada utilizando um elemento aquecedor maior,
aumentando desta forma a potência elétrica do dispositivo. O tamanho do bloco e a potência definem
a taxa de recuperação de um ferro de solda.
Terminal
apêndice A
O reservatório térmico é preenchido pelo elemento aquecedor, mas quando um ferro de solda para
grandes trabalhos é utilizado, o reservatório deve
ser capaz de fornecer calor a uma taxa mais rápida
do que é gerado. Assim, o tamanho do reservatório
é importante, ou seja, um bloco aquecedor maior
pode manter um fluxo maior que um reservatório
menor.
A5
De maneira simples, os fatores indicadores se traduzem na forma como o trabalho responde a suas
ações envolvendo causa e efeito.
Em qualquer tipo de trabalho, suas ações fazem
parte de um sistema em malha fechada, cuja operação se inicia quando alguma ação é executada na
peça. Assim, a peça reage aos estímulos e uma reação é percebida, de modo que se deve modificar a
ação inicial até que se obtenha o efeito desejado.
Os fatores indicadores da peça surgem a partir de
mudanças percebidas pelos sentidos da visão, tato,
olfato, audição e paladar (Figura A-6).
Para a soldagem e desoldagem, um indicador primário consiste na determinação da taxa do fluxo
térmico – observando-se a velocidade do fluxo de
calor que circula na conexão. Na prática, isso representa a taxa de derretimento da solda, que deve
ser igual a 1 ou 2 s.
O indicador inclui todas as variáveis envolvidas na
obtenção de uma conexão de solda satisfatória com
efeitos térmicos mínimos, incluindo a capacidade do
ferro de solda e a temperatura de sua ponta, as condições da superfície, a conexão térmica entre a ponta e a peça e as massas térmicas relativas existentes.
Se a ponta do ferro de solda é muito grande, a taxa
de aquecimento pode ser muito elevada para ser
controlada. Se a ponta é muito pequena, pode ser
produzido um tipo de solda que se assemelha a um
“mingau”; a taxa de aquecimento será muito pequena, ainda que a temperatura da ponta seja a mesma.
Uma regra geral que permite evitar o sobreaquecimento consiste em uma ação de trabalho rápida.
Isto é, deve-se usar um ferro de solda aquecido que
Sistemas Sequenciais
Ação
inicial
A6
Ação
modificada
Reação da
peça soldada
seja capaz de derreter a solda em 1 ou 2 s para uma
determinada conexão de solda.
Seleção do ferro de solda
e da ponta
Uma boa estação de solda para trabalhos relacionados à eletrônica deve possuir temperatura variável e ferro de solda do tipo lápis constituído por
plástico à prova de descarga eletrostática, cujas
pontas podem ser trocadas mesmo que o ferro esteja aquecido (Figura A-7).
A ponta do ferro de solda deve ser completamente inserida no elemento aquecedor e devidamente
fixada. Assim, tem-se a máxima transferência de calor do aquecedor para a ponta.
A ponta deve ser removida diariamente para evitar
a oxidação resultante do contato entre o elemento aquecedor e a ponta. Uma superfície brilhante
com uma leve camada de estanho pode ser mantida na superfície de trabalho da ponta para garantir
a transferência de calor adequada e evitar a contaminação da conexão de solda.
A ponta revestida de estanho é inicialmente preparada segurando-se um pedaço de solda com núcleo na face da placa, assim, o estanho se espalhará
pela superfície quando atingir a temperatura de
fusão. Uma vez que a ponta possua a temperatura
de operação adequada, o processo de deposição
de estanho ocorrerá de forma eficiente porque a
oxidação ocorre rapidamente em altas temperaturas. A ponta com estanho aquecida deve ser limpa
Observação
das mudanças
Observação
das mudanças
Indicadores de
reação da peça
Visão
Audição
Olfato
Paladar
Tato
Figura A-6 O trabalho pode ser entendido como uma operação em malha fechada. A realimentação surge a
partir da reação da peça e é utilizada para modificar a ação. Os indicadores de reação (à direita), que são mudanças perceptíveis pelos sentidos humanos, consistem na forma de verificação da qualidade da soldagem.
área aquecida. A solda é então aplicada no lado
oposto da conexão de forma que a superfície de
trabalho seja capaz de derretê-la, e não o ferro
de solda. Nunca derreta a solda encostando-a na
ponta do ferro, permitindo que ela escorra sobre
uma superfície cuja temperatura seja inferior ao
ponto de fusão.
A solda com fluxo aplicada em uma superfície limpa e devidamente aquecida derreterá e escorrerá
sem contato direto com a fonte de calor, formando
uma camada fina sobre a superfície (Figura A-8).
A soldagem inadequada apresentará um aspecto
irregular, de forma que um filete côncavo não existirá. Os componentes soldados devem ser mantidos de forma estática até que a temperatura seja
reduzida, permitindo a solidificação da solda. Isso
evitará que a conexão de solda torne-se inadequada ou sofra rupturas.
Figura A-7 Ferro de solda do tipo lápis com pontas
que podem ser trocadas.
em uma esponja molhada para limpar os óxidos
existentes. Quando o ferro de solda não for utilizado, a ponta deve ser revestida com uma camada
de solda.
A seleção de solda com núcleo com diâmetro adequado auxiliará no controle da quantidade de solda
que é aplicada na conexão (por exemplo, utilização
de diâmetros menores ou maiores para conexões de
menor ou maior porte, respectivamente).
A ponta do ferro de solda deve ser aplicada à área
de massa térmica máxima na conexão que deve ser
feita. Isso permitirá que a temperatura dos terminais soldados aumente rapidamente, tornando o
processo de solda mais eficiente. A solda fundida
flui adequadamente em direção à parte da conexão que está sob preparação.
Quando a conexão de solda é aquecida, uma
pequena quantidade de material é aplicada na
ponta para aumentar a conexão térmica com a
A limpeza pode ser necessária para remover determinados tipos de fluxo após a soldagem. Se a
limpeza for necessária, o resíduo do fluxo deve ser
removido assim que possível, preferivelmente dentro de até uma hora após o término do processo de
soldagem.
Chumbo
Filete
côncavo
A solda se
esparrama
em uma
fina camada
Figura A-8 Seção transversal de um terminal redondo soldado sobre uma superfície plana.
apêndice A
Realizando a conexão de
solda
Solda e processo de soldagem
Remoção do fluxo
A7
Página propositalmente deixada em branco
apêndice B
Fórmulas e conversões
Tabela de conversão de números na forma de complemento de 2
Complemento
de 2
Decimal
Complemento
de 2
Decimal
Complemento
de 2
Decimal
Complemento
de 2
Decimal
11111111
1
11011111
33
10111111
65
10011111
97
11111110
2
11011110
34
10111110
66
10011110
98
11111101
3
11011101
35
10111101
67
10011101
99
11111100
4
11011100
36
10111100
68
10011100
100
11111011
5
11011011
37
10111011
69
10011011
101
11111010
6
11011010
38
10111010
70
10011010
102
11111001
7
11011001
39
10111001
71
10011001
103
11111000
8
11011000
40
10111000
72
10011000
104
11110111
9
11010111
41
10110111
73
10010111
105
11110110
10
11010110
42
10110110
74
10010110
106
11110101
11
11010101
43
10110101
75
10010101
107
11110100
12
11010100
44
10110100
76
10010100
108
11110011
13
11010011
45
10110011
77
10010011
109
11110010
14
11010010
46
10110010
78
10010010
110
11110001
15
11010001
47
10110001
79
10010001
111
11110000
16
11010000
48
10110000
80
10010000
112
11101111
17
11001111
49
10101111
81
10001111
113
11101110
18
11001110
50
10101110
82
10001110
114
11101101
19
11001101
51
10101101
83
10001101
115
11101100
20
11001100
52
10101100
84
10001100
116
11101011
21
11001011
53
10101011
85
10001011
117
11101010
22
11001010
54
10101010
86
10001010
118
11101001
23
11001001
55
10101001
87
10001001
119
11101000
24
11001000
56
10101000
88
10001000
120
11100111
25
11000111
57
10100111
89
10000111
121
11100110
26
11000110
58
10100110
90
10000110
122
11100101
27
11000101
59
10100101
91
10000101
123
11100100
28
11000100
60
10100100
92
10000100
124
11100011
29
11000011
61
10100011
93
10000011
125
11100010
30
11000010
62
10100010
94
10000010
126
11100001
31
11000001
63
10100001
95
10000001
127
11100000
32
11000000
64
10100000
96
10000000
128
Página propositalmente deixada em branco
Glossário
Termo
Definição
Álgebra booleana
Sistema matemático utilizado na representação de uma
expressão lógica, muito útil em eletrônica digital.
Medição de um sinal digital em instantes de tempo
discretos. É muito utilizada em DSPs quando se
digitaliza uma entrada analógica em instantes de
tempo discretos.
Unidade utilizada na medição da corrente elétrica.
A
Amostragem
Ampère
Amplificador
operacional
Analisador lógico
Anodo
Aproximações
sucessivas
Arranjo de portas
programáveis
Símbolo ou abreviatura
Amplificador adaptável que possui entradas inversora
e não inversora e característica de impedância de
entrada elevada e impedância de saída reduzida com
ganho elevado. O ganho pode ser ajustado através de
componentes externos.
Instrumento de teste de alto custo que pode amostrar e
armazenar dados digitais em vários canais.
Terminal positivo de um dispositivo como um diodo ou
LED.
Em conversores A/D e D/A, representa uma técnica
utilizada na redução do tempo de conversão.
GAL
Dispositivo lógico programável específico (PLD)
com um conjunto de portas AND que podem ser
reprogramadas ou um conjunto fixo de portas OR. A
sigla representa gate array logic.
PAL
Dispositivo PLD específico que contém um conjunto
Arranjo lógico
de portas AND que podem ser programadas com um
programável
conjunto fixo de portas OR.
Atraso de propagação Corresponde ao intervalo de tempo necessário para
que uma saída mude de estado depois que a entrada é
ativada. Normalmente é medido em nanossegundos.
Em sistemas de computadores, condutores paralelos
Barramento
são empregados na comunicação entre CPU, memórias
e dispositivos periféricos. A maioria dos sistemas possui
barramentos de endereço, dados e controle.
Parte central de um transistor bipolar utilizada no
Base
controle da corrente que flui do coletor para o emissor.
⫹
⫺
A
B
Termo
Definição
Símbolo ou abreviatura
BASIC
Linguagem de programação de alto nível de fácil
aprendizado, normalmente utilizado no ensino de
programação para iniciantes. Corresponde ao termo
“código de instruções simbólico de uso geral para
iniciantes” (beginners all-purpose symbolic instruction
code).
Unidade da velocidade de transmissão do sinal em
telecomunicações que corresponde ao número de
eventos discretos por segundo.
Dígito binário único (0 ou 1). É útil para representar
os estados desligado-ligado em circuitos com
chaveamento. Também corresponde à sigla que
representa o termo dígito binário (binary digit).
Bit adicional enviado juntamente com os bits de dados
para verificar a existência de erros na transmissão.
Posição de um dado bit em um número binário que
corresponde ao maior peso. A sigla representa most
significant bit.
Posição de um dado bit em um número binário que
corresponde ao menor peso. A sigla representa least
significant bit.
Dispositivo de estado sólido especial utilizado no
aumento da capacidade de fornecimento de corrente
na saída. Buffers não inversores não possuem funções
lógicas.
Grupo de oito bits normalmente utilizado na
representação de um número ou código em
computadores e eletrônica digital.
Método de encapsulamento utilizado em conjuntos
de dispositivos de memória. Os cartões normalmente
possuem o tamanho de um cartão de crédito com
espessura maior e apresentam conectores existentes
nas extremidades. Consulte o termo PCMCIA.
Terminal negativo de um dispositivo como um diodo
ou LED.
Disco compacto onde a gravação pode ser realizada
uma única vez utilizando uma gravadora de CD
existente em um microcomputador convencional.
CD-R é a sigla que representa o termo disco compacto
gravável.
Dispositivo de leitura capaz de promover o acesso a
dados armazenados em um disco compacto.
BASIC
Baud
Bit
Bit de paridade
Bit mais significativo
Bit menos
significativo
Buffer
Byte
Cartão de memória
Catodo
Sistemas Sequenciais
CD-R (compact discrecordable)
G2
CD-ROM (compact
disc-read-only
memory)
CD-RW (compact disc- Disco compacto onde a gravação pode ser realizada
diversas vezes utilizando uma gravadora de CD
rewritable)
Célula
existente em um microcomputador convencional.
CD-RW é a sigla que representa o termo disco compacto
regravável.
Em memórias, representa um único elemento de
armazenamento.
Bd
MSB
LSB
K
CD-R
CD-ROM
CD-RW
Termo
Definição
Símbolo ou abreviatura
Célula fotoresistiva
Resistor fotosensível cuja resistência diminui à medida
que a quantidade de luz incidente aumenta. As
fotocélulas ou os fotoresistores são constituídos de
sulfeto de cádmio.
Sinônimo de circuito integrado.
Cds
Circuito integrado
Circuitos
multivibradores
Círculo
Clock
Codificador
Código alfanumérico
Código BCD 8421
Código decimal
codificado em
binário (binary coded
decimal)
Código estendido de
intercâmbio decimal
codificado em binário
Código Padrão
Americano para
Intercâmbio de
Informações
(American Standard
Code for Information
Interchange)
Coletor
Comparador de
magnitude
Em um disco rígido de computador, representa uma
série de várias trilhas idênticas em vários discos
empilhados.
Combinação de diversos componentes eletrônicos em
um encapsulamento compacto que opera como um
circuito analógico, digital ou híbrido. É classificado de
acordo com o nível de complexidade (SSI, MSI, LSI, VLSI
ou ULSI).
São classificados como biestáveis (flip-flops),
monoestáveis (com disparo único) e astáveis.
CI
MV
Em símbolos lógicos, representa uma entrada ou saída
ativa-BAIXA.
Sinal gerado por um oscilador utilizado na
temporização de um sistema digital como um
computador.
Dispositivo lógico que converte código decimal em
binário. Geralmente, converte informações de entrada
em um código útil para circuitos digitais.
Consiste em números, letras e outros caracteres, sendo
que o código ASCII é um exemplo típico desta forma de
código.
Código BCD de quatro bits cujos pesos são 8, 4, 2 e 1.
Código comum onde cada dígito decimal (0-9) é
representado por um número de quatro bits.
BCD
Código alfanumérico de oito bits utilizado
principalmente em computadores mainframe. A sigla
representa extended binary coded decimal interchange
code.
Representa um dos códigos alfanuméricos mais
utilizados.
EBCDIC
Região de um transistor bipolar que recebe o fluxo de
portadores de corrente.
Bloco lógico combinacional que compara duas entradas
binárias A e B e ativa uma das três saídas (A>B, A=B ou
A<B).
ASCII
C
Glossário
Chip
Cilindro
G3
Termo
Definição
Comparador de
tensão
Circuito à base de amplificador operacional que
compara uma entrada de tensão positiva (A) com uma
entrada de tensão negativa (B), indicando na saída qual
dessas entradas possui maior nível.
Para converter um número na forma de complemento
de 1 para o sistema binário, deve-se inverter cada bit.
Representação normalmente utilizada para indicar
o sinal e a magnitude de um número utilizando
apenas dígitos 0 e 1. É muito útil quando dispositivos
somadores binários são empregados em subtração
binária.
Em um flip-flop, isto quer dizer que a saída normal (Q)
passa a assumir nível 1.
Complemento de 1
Complemento de 2
Condição de
inicialização
Condição de
reinicialização
Conector DIN
Símbolo ou abreviatura
Em um flip-flop, isto quer dizer que a saída normal (Q)
passa a assumir nível 0 ou foi limpa.
Conectores empregados em computadores que
seguem as normas da associação alemã DIN (Deutsche
Industrie Norm).
DIN
5
4
1
Conexão em cascata
Sistemas Sequenciais
Conjunto de
instruções
Contador BCD
G4
Geralmente, consiste na conexão série de dispositivos
eletrônicos, onde a saída do primeiro é conectada
à entrada do segundo. O termo é empregado nas
eletrônicas analógica e digital.
Conjunto de comandos completo existente em um
microprocessador, microcontrolador ou PLC.
Contador de quatro bits que conta do número binário
0000 a 1001 e reinicia a contagem em 0000.
Registrador de deslocamento recirculante que é
Contador em anel
carregado com um dado padrão de dígitos 1 (como um
único valor 1), o qual continua a circular de acordo com
pulsos de clock repetidos.
Contador binário simples onde a mudança de estado
Contador por
do flip-flop LSB dispara a entrada de clock do dispositivo
ondulação
seguinte, e assim por diante. Há um atraso de tempo
entre a contagem dos bits LSB a MSB.
Sistema de computador especializado de alto
PLC
Controlador lógico
desempenho utilizado em controle de processos em
programável
fábricas, plantas químicas e armazéns. É semelhante à
lógica tradicional que utiliza relés. Também é chamado de
controlador programável (programmable controller – PC).
A/D
Conversão analógica- Conversão de um sinal analógico em uma grandeza
digital, como um sinal binário.
digital
Conversão
digital-analógica
Conversor A/D
6
3
Conversão de um sinal digital em um sinal analógico
equivalente, a exemplo de uma tensão.
D/A
Dispositivo que converte uma tensão analógica em
uma grandeza digital proporcional. Exemplos incluem
dispositivos compatíveis com microprocessadores com
saídas binárias ou com saídas decimais.
A/D
2
Termo
Definição
Conversor D/A
Dispositivo que converte uma grandeza digital um sinal D/A
analógico de tensão proporcional.
Movimento de cargas elétricas em um sentido
específico. A unidade de medida é ampère.
Dispositivo lógico programável específico semelhante CPLD
ao GAL, mais adequado para problemas lógicos de
grande escala. A sigla corresponde a dispositivo lógico
programável complexo.
Transmissão de dados em grupos de forma simultânea
por meio de diversas conexões.
Transmissão de dados onde um bit é enviado de cada vez.
CPLD (complex
programmable logic
device)
Dados paralelos
Dados seriais
Decodificador
Decremento
Demultiplexador
Dispositivo lógico que converte código binário em
decimal. Geralmente, converte dados processados em
um sistema digital em outro formato compreensível
como alfanumérico.
Redução da contagem em 1.
Bloco lógico combinacional que distribui os dados
de uma única entrada para uma entre várias saídas.
Também é denominado distribuidor e pode converter
dados seriais em paralelos.
Diagrama de blocos Desenho que possui blocos designados por nomes
e funções específicas representando um circuito
eletrônico.
Diagrama esquemático que mostra a interconexão de
Diagrama lógico
dispositivos como portas lógica, flip-flops, entre outros.
Conversão de um sinal analógico em unidades ou
Digitalizar
pulsos digitais. Consulte o termo conversor A/D.
Dispositivo semicondutor com dois terminais que faz a
Diodo
corrente circular em um sentido único.
Diodo emissor de luz Junção PN especial que fornece luz quando há
circulação de corrente através da mesma. Possui uma
lente para focar a luz. A sigla representa light emitter
diode.
Disco de estado sólido Dispositivo de memória de leitura/gravação não volátil
semelhante ao disco rígido de um computador, mas
que utiliza memórias semicondutoras (como cartões
de memória flash). Podem ser utilizados em aplicações
onde há necessidade de compactação e redução de
peso.
Disco ótico gravável do tipo CD que pode ser gravado
Disco de gravação
uma única vez no computador, cujo armazenamento
única e leitura
de dados é semelhante como um CD-ROM. A sigla
múltipla
representa write once, read-many.
Disco Digital Versátil Disco ótico com elevada capacidade muito popular que
se assemelha ao CD convencional. Pode armazenar de
cerca de 4,7 GB a 17 GB incluindo dados como vídeo,
áudio ou arquivos de computador de forma geral.
Também é denominado disco de vídeo digital. A sigla
significa digital versatile disc.
DEMUX
LED
WORM
DVD
Glossário
Corrente elétrica
Símbolo ou abreviatura
G5
Termo
Definição
Símbolo ou abreviatura
Disco ótico regravável Disco ótico de grande capacidade que pode ser
Disco Winchester
Disparo pela borda
Display de cristal
líquido
Display de matriz
ativa
Display de matriz
passiva
Display de sete
segmentos
CD-E
regravado muitas vezes. Algumas versões são
denominadas discos óticos regraváveis PD ou CD-E
(compact disc erasable – disco compacto apagável).
Nomenclatura antiga utilizada na representação de um
disco rígido.
Em dispositivos síncronos como flip-flops, corresponde
ao instante de tempo exato no qual o dispositivo
é ativado, como na borda crescente (positiva) ou
decrescente (negativa) do pulso de clock.
Tecnologia de construção de displays com potência muito LCD
baixa utilizada em muitos dispositivos alimentados por
baterias e pilhas. O líquido nemático muda o tipo de
cor exibida no display de prateada para preta quando
é energizado. Há também modelos de display LCD
coloridos. A sigla representa liquid crystal display.
Display LCD colorido com alta qualidade e elevado
custo que emprega tecnologia de matriz ativa, a qual
envolve a utilização de transistores de filme fino. Para
estabelecer uma comparação, consulte o termo display
de matriz passiva.
Display LCD de baixa resolução que possui baixo custo
e é adequado para aplicações que requerem displays
monocromáticos. Entretanto, não possui qualidade tão
alta quanto os displays LCD coloridos de matriz ativa.
Consulte também o termo display de matriz ativa.
Display numérico que possui sete segmentos. Pode
ser implementado com as tecnologias a LEDs, LCD e
VF. Algumas letras também podem ser exibidas para
representar números hexadecimais.
a
f
e
b
g
d
Display fluorescente
a vácuo
Sistemas Sequenciais
Dispositivo de carga
acoplado
G6
Dispositivo lógico
programável
Divisor de frequência
Drenagem de
corrente
Display à base de válvula triodo a vácuo que exibe cor
verde (sem o uso de filtros). A sigla representa vacuum
fluorescent.
Sensor de imagem que utiliza um conjunto de
fotocélulas sensível à luz baseado em dispositivos
semicondutores semelhantes a capacitores. Consulte
o termo sensor de imagem CMOS para obter maiores
informações sobre uma tecnologia diferente.
Termo genérico utilizado para designar um grupo de
dispositivos programáveis específicos que incluem
PALs, GALs, CPLDs e FPLDs.
Bloco lógico que divide a frequência da forma de
onda de entrada por um dado número (como o
circuito divisor por 10). Contadores normalmente
desempenham esta função.
Fluxo de corrente convencional que entra na saída
BAIXA de um dispositivo digital. Diz-se que a corrente é
“drenada” para o terminal de terra.
VF
CCD
PLD
c
Termo
Definição
Eletrônica analógica
Consiste em um ramo da eletrônica que abrange
diversos tipos de dispositivos e grandezas. Também é
chamada de eletrônica linear.
Ramo da eletrônica que trabalha com níveis de tensão
discretos em sinais. Os sinais normalmente possuem
níveis ALTOS ou BAIXOS, sendo representados por
números binários.
Região de um transistor bipolar que envia os portadores
de corrente para o coletor.
Eletrônica digital
Emissor
Símbolo ou abreviatura
E
Encapsulamento em
linha dupla
Encapsulamento
plástico PLCC
Método popular de encapsulamento de CIs. A sigla
representa dual-in-line package.
Endereço
Em sistemas de computadores, corresponde a
um número que representa uma localização de
armazenamento única.
Entrada digital que desempenha sua função quando há
um nível ALTO presente.
Entrada digital que desempenha sua função quando há
um nível BAIXO presente.
Corresponde a uma entrada que não mantém nível
ALTO nem BAIXO, cujo estado pode variar entre ALTO,
BAIXO ou a região intermediária. Este tipo de entrada
pode ocasionar problemas indesejáveis.
E/S
Conexão com um dispositivo digital que pode ser
programado como uma entrada ou uma saída. Este tipo
de conexão é muito comum em muitos dispositivos
complexos como microcontroladores.
AB+C’D=Y
Representação matemática de uma função lógica. A
função também pode ser descrita na forma de uma
tabela verdade ou circuito lógico.
Consulte o termo produto das somas.
Tipo de encapsulamento de CI para montagem sobre
superfície cujos terminais encontram-se na parte
inferior do encapsulamento.
Encapsulamento SOIC Tipo de encapsulamento de CIs menor que o tipo DIP.
É utilizado em montagens sobre superfície. A sigla
representa small-outline integrated circuit (circuito
integrado com tamanho reduzido).
Entrada ativa-BAIXA
Entrada flutuante
Entrada/Saída
Expressão booleana
Expressão booleana
em termos máximos
Expressão booleana
em termos mínimos
Família lógica
PLCC
Veja o termo soma de produtos.
Grupo de CIs digitais totalmente compatíveis entre
si que podem ser interconectados sem que haja
problemas de interfaceamento. Exemplos típicos são
a série TTL 7400, a série CMOS 74HC00 e a série CMOS
4000.
Glossário
Entrada ativa-ALTA
DIP
G7
Termo
Definição
Fan-out
Característica de acionamento na saída de um
dispositivo lógico. Representa o número de entradas
de uma família lógica que pode ser acionada por uma
única saída.
O termo representa programas de computador e dados
armazenados permanentemente em dispositivos de
memória não volátil como ROM. Consulte também os
termos hardware e software.
Dispositivo lógico sequencial básico que possui dois
estados estáveis. Também é chamado de multivibrador
biestável.
Flip-flop que possui pelo menos os modos de
inicialização e reinicialização. Também é chamado de
flip-flop de dados ou com atraso.
Flip-flop adaptável que possui pelo menos os modos de
operação de inicialização, reinicialização, mudança de
estado e manutenção.
Firmware
Flip-flop
Flip-flop D
Flip-flop J-K
Flip-flop R-S
Flip-flop T
Fonte
Símbolo ou abreviatura
D
CLK
J
CLK
K
Flip-flop que possui pelo menos os modos de operação
de inicialização, reinicialização e manutenção. É um
circuito básico usado no bloqueio de dados (memória).
Flip-flop com mudança de estado (toggle). A saída muda
para o estado lógico oposto, de acordo com pulsos de
clock repetidos. É muito útil em circuitos contadores
digitais.
FF
Q
Q
FF
S
R
Q
Q
Q
Q
FF
T
Terminal de um transistor de efeito de campo que envia
portadores de corrente para o terminal dreno.
S
Formas de onda
Fornecimento de
corrente
Sistemas Sequenciais
FPLD
G8
Função lógica
Ganho
Glitch
Representação gráfica de um sinal de tensão em função
do tempo que pode ser visualizado em um osciloscópio.
Fluxo de corrente convencional que sai da saída ALTA de
um dispositivo digital para a carga. Diz-se que a saída
“fornece” corrente.
Dispositivo lógico programável específico semelhante FPLD
ao CPLD, mas que contém células mais simples
permitindo maior flexibilidade de projeto. A sigla
representa field programmable logic device (dispositivo
lógico programável em campo).
Tarefa lógica que deve ser desempenhada por um
determinado dispositivo. Pode ser representada por um
termo (como AND), um símbolo lógico, uma expressão
booleana (como AB=Y) e/ou uma tabela verdade.
Relação ou taxa entre saída e entrada. Pode ser medido
em termos de tensão, corrente ou potência. Também é
conhecido por amplificação.
Oscilação (pico) de tensão ou corrente indesejada que
ocorre esporádica, mas não regularmente.
V
tempo
Termo
Definição
GND
Representação do terminal negativo da fonte de
alimentação de CIs TTL e alguns dispositivos CMOS.
Também é chamado de terminal comum de terra.
Processo de inserção de dados em células de memória
ou outros dispositivos.
Ativar a função ou entrada de um circuito digital.
Antônimo de desabilitar.
Em tecnologia de computadores, representa a parte
física de um computador. Consulte também os termos
firmware e software.
Unidade de medida da frequência. Corresponde a um
Hz
ciclo por segundo.
Limites de chaveamento distintos que existem em
alguns circuitos lógicos, tornando sua ação instantânea.
Dispositivos lógicos Schmitt trigger possuem tal
característica.
Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
(Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Insensibilidade de um circuito digital a tensões
indesejadas ou ruído. É também denominada margem
de ruído em circuitos digitais.
Aumento da contagem em 1.
Habilitar
Hardware
Hertz
Histerese
IEEE
Imunidade a ruído
Incremento
Integração em escala Termo utilizado por alguns fabricantes para indicar
a complexidade de um circuito integrado. VLSI (very
muito grande
large scale integration) indica que a complexidade em
termos da existência de 10.000 a 99.999 portas lógicas
no interior do CI.
Integração em escala Termo utilizado por alguns fabricantes para indicar a
complexidade de um circuito integrado. ULSI (ultra
ultragrande
large scale integration) indica que a complexidade em
termos da existência de mais de 100.000 portas lógicas
no interior do CI.
Integração em grande Termo utilizado por alguns fabricantes para indicar a
complexidade de um circuito integrado. LSI (large scale
escala
integration) indica que a complexidade em termos da
existência de 100 a 999 portas lógicas no interior do CI.
Integração em média Termo utilizado por alguns fabricantes para indicar a
complexidade de um circuito integrado. MSI (médium
escala
scale integration) indica que a complexidade em termos
da existência de 12 a 99 portas lógicas no interior do CI.
Termo utilizado por alguns fabricantes para indicar
Integração em
a complexidade de um circuito integrado. SSI (small
pequena escala
scale integration) indica a complexidade em termos da
existência de menos de 12 portas lógicas no interior
do CI.
Projeto de interconexões entre circuitos onde os níveis
Interfaceamento
de tensão e corrente são modificados de modo a tornar
os dispositivos compatíveis entre si.
VLSI
ULSI
LSI
MSI
SSI
Glossário
Gravação
Símbolo ou abreviatura
G9
Termo
Definição
Símbolo ou abreviatura
Sistemas Sequenciais
Inversor
G10
Dispositivo lógico básico onde a saída sempre possui
estado oposto ao da entrada. Também é chamada de
função NOT.
Conselho Conjunto para Engenharia de Dispositivos de
JEDEC
Elétrons (Joint Electron Device Engineering Council).
JTAG
De forma geral, o termo JTAG refere-se ao uso da
JTAG
tecnologia boundary scan para inserir pontos de teste
no silício durante a etapa de projeto para realização de
testes automáticos. A sigla representa Joint Test Action
Group (Grupo Conjunto de Ação de Teste), sendo que
esta entidade foi responsável pelo desenvolvimento da
norma IEEE STD 1149.1, que aborda o teste de acesso
de portas e da tecnologia boundary scan. Consulte
também o termo tecnologia boundary scan.
Dispositivo binário de armazenamento básico, também
Latch
é chamado de flip-flop.
Em computadores, geralmente o termo se refere a
Leitor (drive)
um dispositivo de armazenamento de dados como
leitor de disquetes, disco rígido, leitor ótico ou leitor
de estado sólido. Normalmente, consiste em um
dispositivo eletromagnético ou ótico que agrega a
capacidade de leitura/gravação de dados em mídias de
armazenamento.
Dispositivo de armazenamento de dados com alta
Leitor de disco ótico
capacidade que normalmente utiliza sulcos na
superfície do disco para esta finalidade. A leitura dos
dados ocorre quando um feixe laser varre a superfície
do disco. Há outros métodos de gravação ótica
existentes.
Processo de sensoreamento e obtenção de dados a
Leitura
partir de memórias ou células de memória.
Lógica combinacional Utilização de portas lógicas para gerar a saída desejada
de forma imediata. Não possui características de
memória ou armazenamento.
Circuito lógico cujos estados lógicos dependem
Lógica sequencial
de entradas síncronas e assíncronas. Possuem
características de memória.
TTL
Tipo de CI digital fabricado a partir de transistores
Lógica transistorbipolares de junção. A sigla representa transistortransistor
transistor logic.
Método gráfico simples utilizado na simplificação de
Mapas K
Mapa de Karnaugh
expressões booleanas.
Circuito digital que soma dois bits e fornece o resultado
Meio somador
e o transporte na saída. Não possui entradas de
transporte.
A
B
HA
E
Co
Termo
Definição
Símbolo ou abreviatura
Memória cache
Memória
programável de
apenas leitura
Memória RAM
dinâmica
RAM
ROM
DIMM
SO DIMM
EEPROM
Memória não volátil que é programada uma única vez
pelo usuário ou fabricante.
PROM
Dispositivo de memória de acesso dinâmico (leitura/
gravação) extremamente comum cujas células de
memória requerem muitas atualizações por segundo.
Consulte também os termos SDRAM e RDRAM a título
de comparação. A sigla representa dynamic random
access memory.
DRAM
Glossário
Em computadores, trata-se de uma memória
extremamente rápida e cara empregada em
armazenamento de dados frequente ou recentemente
utilizados. A memória cache é a ponte entre o
processador ultrarrápido e a memória principal, do
disco rígido ou do CD-ROM, que por sua vez é muito
mais lenta. A memória cache é normalmente designada
por L1 (primária) ou L2 (secundária).
Memória com núcleo Sistema de leitura/gravação de memória não volátil
mais antigo que emprega núcleos de ferrite como
magnético
células de memória.
Tipo de memória que permite o acesso simplificado a
Memória de acesso
cada bit, byte ou palavra. O termo RAM normalmente
randômico
indica que a memória é utilizada para leitura/gravação.
A sigla representa random access memory.
Memória não volátil que normalmente não pode
Memória de apenas
ser modificada após ser programada. O termo ROM
leitura
normalmente se refere a uma memória de apenas
leitura (read only memory) programável por máscara.
Em tecnologia de computadores, trata-se de um tipo
Memória DIMM
moderno de placa de memória RAM que armazena
diversos pentes de memória SDRAM em computadores
de última geração. A sigla corresponde a módulo de
memória em linha dupla (dual-in-line memory module).
Consulte também o termo Memória SIMM, que é um
tipo mais antigo de memória.
Memória DIMM com Módulo de memória encapsulado compacto utilizado
em computadores do tipo laptop. Como exemplo, temtamanho reduzido
se a memória DDR SDRAM SO DIMM com 200 pinos. A
sigla representa small-outline DIMM.
Novo tipo de memória não volátil semelhante
Memória flash
à EEPROM. Suas características superiores são
representadas pela alta densidade (tamanho reduzido
das células de memória), baixo consumo de energia e
natureza não volátil, mas regravável.
Memória não volátil Memória que mantém dados armazenados ainda que
não seja alimentada por uma fonte de tensão e esteja
desligada.
Memória não volátil que pode ser programada,
Memória
eletricamente apagada e reprogramada. Memórias
programável
apagável somente de flash são do tipo EEPROM. A sigla representa erasable
programmable read-only memory.
leitura
G11
Termo
Definição
Símbolo ou abreviatura
Memória RAM
estática
Tipo de memória de acesso randômico (leitura/
gravação) que armazena dados em um flip-flop
utilizado como célula. Trata-se de uma memória
volátil. A sigla representa static random access memory
(memória de acesso randômico estática).
Memória semicondutora RAM não volátil que possui
ótima velocidade de acesso e permite a programação
do circuito. As células da memória FeRAM (ferroelectric
random access memory) são baseadas em capacitores
ferroelétricos e transistores MOS.
Tipo de memória RAM semicondutora não volátil com
ótima velocidade de acesso que permite a programação
de circuitos internos e consome baixa potência. Células
de memória MRAM utilizam transistores e uma junção
magnética em túnel (MTJ – magnetic tunnel junction).
Em informática, representa um tipo de memória RAM
dinâmica extremamente rápida. A sigla representa
Rambus dynamic random access memory.
Pacotes de memória Rambus DRAM utilizados em
computadores de forma semelhante à memória DIMM
(Dual Inline Memory Module – Módulo de Memória
em Linha Dupla). Memórias RIMM não podem ser
substituídas por DIMM. A sigla representa Rambus Inline
Memory Mode.
Em informática, trata-se de um tipo de memória
RAM dinâmica síncrona com alta velocidade. A sigla
representa synchronous dynamic random access
memory. Consulte também os termos DRAM e RDRAM.
Memória RAM dinâmica síncrona que é mais rápida que
a memória SDRAM convencional. A sigla representa
double data rate synchronous random access memory.
SRAM
Memória SIMM
Em informática, trata-se de uma placa de memória
RAM que possui muitos chips de memória utilizada
em PCs modernos. A sigla representa single in-line
memory module (módulo de memória em linha
simples). Consulte também o termo DIMM.
SIMM
Memória volátil
Tipo de memória capaz de armazenar dados apenas
quando estiver conectada a uma fonte de alimentação.
CI com baixo custo que contém um pequeno
microprocessador, memória RAM limitada, memória
RAM e portas E/S. Resume-se a um pequeno
computador existente em um chip. Normalmente, este
tipo de dispositivo existe no interior de determinados
produtos.
CI que constitui a CPU da maioria dos
microcomputadores.
Memória RAM
ferroelétrica
Memória RAM
magnetoresistiva
Memória RDRAM
Memória RIMM
Memória SDRAM
Memória SDRAM
com dupla taxa de
transferência de
dados
Sistemas Sequenciais
Microcontrolador
G12
Microprocessador
FeRAM ou FRAM
MRAM
RDRAM
SDRAM
DDR SDRAM
MPU
Definição
Minuendo
Termo inicial da subtração. Corresponde ao número
de onde se subtrai a quantidade que é indicada pelo
subtraendo.
Modulação por
largura de pulso
A informação é incluída em um sinal digital
aumentando-se ou reduzindo-se a largura
(duração) dos pulsos. Utilizada no acionamento de
servomotores. Também é chamada modulação por
duração de pulsos.
Motor de passo
Motor CC cujo eixo apresenta movimento angular
em dado sentido de acordo com sinais digitais
adequados. Os ângulos de passo possuem valores
típicos de 1,8°, 3,6°, 7,5° e 15°. Existem dois tipos:
com ímã permanente e relutância variável.
Símbolo ou abreviatura
PWM
Mudança de estado
Alteração do estado lógico para um nível oposto. De
outra forma, corresponde a um pulso que modifica
o estado de circuitos lógicos para o nível oposto.
Pode ainda representar o modo de operação de um
flip-flop onde a saída muda de estado a cada pulso
de clock.
Multiplexação
No acionamento de displays, corresponde a ligar/
desligar um entre vários displays por um curto
intervalo de tempo com uma frequência alta o
suficiente, de modo que os dispositivos parecem
estar continuamente acesos. De forma geral,
consiste em transmitir diversos sinais através de
linhas comuns.
Multiplexação de
displays
Consiste em acender múltiplos displays
alfanuméricos sequencialmente um de cada vez,
sendo a velocidade alta o suficiente de modo que
aparentam estar sempre ligados. A multiplexação de
displays representa redução de custo e número de
componentes utilizados.
Multiplexador
Bloco lógico combinacional que seleciona uma entre MUX
várias entradas e envia a respectiva informação para
uma única saída. Também é denominado seletor
de dados. É capaz de converter dados seriais em
paralelos.
Multivibrador astável Dispositivo que oscila entre dois estados estáveis.
É normalmente chamado de clock ou apenas
multivibrador.
Multivibrador
biestável
Dispositivo que possui dois estados estáveis, mas
requer um disparo para mudar de um estado para
outro. Também é denominado flip-flop.
motor
de passo
Glossário
Termo
G13
Sistemas Sequenciais
G14
Termo
Definição
Mutivibrador
monoestável
Dispositivo que emite um pulso único quando é
disparado. Também é denominado multivibrador
com disparo único.
Nibble
Metade de um byte. Corresponde a uma palavra
binária de quatro bits.
Níveis lógicos
Em eletrônica digital, corresponde à faixa de tensão
que as entradas dos dispositivos lógicos interpretam
como sendo ALTA, BAIXA ou indefinida. Os limites
de tensão podem ser diferentes para as diversas
famílias lógicas.
Ohm
Unidade de medida da resistência elétrica.
Operação assíncrona
Em circuitos digitais, significa que as operações não
são executadas em conjunto com o sinal de clock.
Operação síncrona
Em circuitos digitais, isto significa que as operações
são executadas em conjunto com o sinal de clock.
Optoisolador
Dispositivo de interfaceamento utilizado para isolar
a entrada da saída eletricamente utilizando um feixe
luminoso para transferir dados.
Oscilador
Circuito eletrônico que gera formas de onda CA a
partir de uma fonte CC.
Osciloscópio
Instrumento de teste que plota sinais de tensão em
função do tempo na forma de gráficos ou formas
de onda na tela. Existem diversos modelos de
osciloscópios analógicos e digitais.
Palavra
Em informática, corresponde a um grupo de bits que
é processado de forma única. A definição exata de
palavra depende do sistema. Tamanhos de palavras
de 16 e 32 bits são comuns.
Paridade
Sistema utilizado para a detecção de erros na
transmissão de dados binários.
Paridade ímpar
Em transmissão de dados, corresponde ao envio de
um bit de paridade que torna ímpar o número de
dígitos 1 em um dado grupo.
Paridade par
Em transmissão de dados, corresponde ao envio
de um bit de paridade que torna par o número de
dígitos 1 em um dado grupo.
PC
Sigla normalmente utilizada para representar
um computador pessoal (personal computer),
mas também pode ser empregada para se referir
a um controlador programável (programmable
controller) ou um controlador lógico programável
(programmable logic controller).
Símbolo ou abreviatura
⍀
Definição
Símbolo ou abreviatura
PCMCIA
Associação de empresas de informática que define
normas para cartões de memória. A sigla representa
Personal Computer Memory Card International
Association.
Pipelining
Em informática, consiste em uma forma de
aumentar a velocidade de processamento ao se
acessar e decodificar instruções que estão além
da próxima instrução que será executada. Desta
forma, a instrução seguinte será inserida em uma
fila e esperará a execução imediata. Este processo
também é chamado de prefetching.
Ponteira lógica
Ferramenta de teste simples que indica níveis
lógicos 0 e 1 ou pulsos em circuitos digitais.
Porta
Em computadores e microcontroladores, trata-se de I/O
circuitos responsáveis pela entrada e saída de dados
no sistema.
Porta AND
Dispositivo lógico combinacional básico onde todas
as entradas devem ser ALTAS para que a saída seja
ALTA.
Porta lógica
Circuito lógico combinacional básico que
desempenha uma dada função lógica (AND, OR,
NOT, NAND, NOR).
Porta NAND
Dispositivo lógico combinacional básico onde todas
as entradas devem ser ALTAS para que a saída seja
BAIXA. Corresponde a uma porta NOT AND.
Porta NOR
Dispositivo lógico combinacional básico onde todas
as entradas devem ser BAIXAS para que a saída seja
ALTA. Corresponde a uma porta NOT OR.
Porta NOT
Dispositivo lógico combinacional básico onde o
estado da saída sempre é oposto à entrada. Também
é chamada de inversor.
Porta OR
Dispositivo lógico combinacional básico onde a
saída se torna ALTA quando qualquer uma das
entradas for ALTA.
Porta USB
USB significa barramento serial universal (universal
serial bus). Consiste em um tipo de porta serial
moderna utilizada de forma genérica para transmitir
dados de um computador para dispositivos periféricos
externos como impressoras, modems, mouses,
teclados, dispositivos de armazenamento portáteis
(óticos, magnéticos) ou módulos de memória flash. A
porta USB alimenta o dispositivo e pode ser conectada
ou desconectada quando o computador é ligado.
A
B
Y
Soquete USB
da série A
Glossário
Termo
Conector USB
da série A
G15
Termo
Definição
Porta XNOR
Dispositivo lógico combinacional básico onde um
número par de entradas ALTAS gera uma saída ALTA.
Corresponde a uma porta NOT XOR.
Porta XOR
Dispositivo lógico combinacional básico onde um
número ímpar de entradas ALTAS gera uma saída
ALTA. Corresponde a uma porta NOT XOR.
Símbolo ou abreviatura
Sistemas Sequenciais
Potenciômetro digital Dispositivo eletrônico semelhante ao potenciômetro
tradicional, cuja resistência na saída varia em
degraus discretos. A posição do contato pode ser
armazenada em uma memória EEPROM quando
o circuito é desligado. Pulsos de entrada digitais
controlam o movimento do contato. Também é
chamado de potenciômetro de estado sólido ou não
volátil (NV).
G16
Prato
Representa um único disco rígido. Por sua vez, o
disco pode incluir diversos pratos para aumentar a
capacidade de armazenamento.
Processador digital
de sinal
Dispositivo semelhante a um microprocessador
especializado que pode ser programado para
condicionar e melhorar a qualidade de sinais
(eliminação de ruídos, aumento da resposta em
frequência, etc.). É normalmente utilizando em
conjunto com conversores A/D e D/A. A sigla
significa digital signal processor.
Produto das somas
Forma de uma expressão booleana do tipo (A+B)
(C+D)=Y. É implementada utilizando diagramas
lógicos OR/AND. Também é chamado de expressão
booleana em termos máximos.
Programa
Lista de instruções executadas por um computador.
Pode ser escrito na forma de várias linguagens de
programação distintas.
Pulso de disparo
Pulso que ativa um dispositivo digital ou provoca
mudanças de estado.
Radical
Base de um número.
Registrador
Grupo de células de memória temporária (como flipflops) utilizadas no armazenamento temporário com
um determinado propósito comum. Por exemplo,
um registrador pode possuir um nome específico
(como DIRS em um microcontrolador popular) e
possuir uma dada largura (como oito ou 16 bits).
DSP
Definição
Registrador de
deslocamento
Bloco lógico sequencial constituído de flip-flops
que permitem a carga serial ou paralelo de dados,
juntamente com saídas seriais ou paralelas e
deslocamento bit por bit.
Registrador de
deslocamento
universal
Registrador que possui diversas características
incluindo entrada/saída serial, entrada/saída
paralela, manutenção e deslocamento para a direita
e/ou esquerda.
Relé
Dispositivo elétrico que emprega um eletroímã
na abertura e fechamento dos contatos. Utilizado
no chaveamento de circuitos de grande porte e
isolação.
Resistência
Oposição à passagem da corrente. É medida em
ohms.
Resistor pull-up
Resistor conectado ao terminal positivo da fonte de
alimentação para manter o nível ALTO em um dado
ponto do circuito quando este se encontra inativo.
Ruído
Em eletrônica digital, isto representa tensões
indesejáveis induzidas em fios de conexão e trilhas
de placas de circuito impresso que podem afetar os
níveis lógicos de entrada e, consequentemente, as
saídas.
Saída com três
estados
Condição da saída em determinados CIs que inclui
três estados possíveis incluindo ALTO, BAIXO e alta
impedância. Também é chamado de Tristate (marca
registrada do fabricante National Semiconductor).
Saída em coletor
aberto
Saída de um circuito digital que não possui conexão
com o terminal positivo da fonte de alimentação.
Normalmente, é utilizada em conjunto com um
resistor pull-up.
Schmitt-trigger
Circuito que possui a característica de histerese e
é útil no condicionamento de sinais em eletrônica
digital. Pode ser utilizado na digitalização de uma
entrada analógica.
Seletor de dados
Bloco lógico combinacional que seleciona uma entre
várias entradas de dados e interliga esta informação
com a saída. Também é denominado multiplexador.
Semicondutor
Elemento que possui quatro elétrons na camada de
valência e características elétricas intermediárias
entre condutores e isolantes.
Símbolo ou abreviatura
R
Glossário
Termo
G17
Sistemas Sequenciais
G18
Termo
Definição
Semicondutor Óxido
Metálico
Tecnologia utilizada na fabricação de circuitos
integrados que emprega metal e um óxido (dióxido
de silício) como parte importante da estrutura do
dispositivo.
Semicondutor
óxido metálico
complementar
(complementary
metal-oxide-semiconductor)
Tecnologia popular utilizada na fabricação de
CIs com consumo reduzido de energia. Utiliza
transistores de efeito de campo com polaridade
oposta nos projetos.
Sensor de efeito Hall
Transdutor que converte um campo magnético
crescente ou decrescente em um sinal de
tensão variável proporcional. Estes sensores são
normalmente encapsulados na forma de chaves de
efeito Hall com característica de saída digital (nível
ALTO ou BAIXO).
Sensor de imagem
CMOS
Sensor de imagem que utiliza um conjunto de
fotocélulas sensível à luz semelhante ao CCD, mas
com menor custo de fabricação. Utilizado em
câmeras digitais e celulares com custo reduzido.
Consulte também o termo dispositivo de carga
acoplado.
Servomecanismos
Termo geral que representa um motor cuja posição
angular ou velocidade pode ser controlada de forma
precisa. Utilizam uma malha do tipo servo que
realimenta o sinal da saída na entrada para controlar
as variáveis supracitadas.
Silício
Elemento semicondutor empregado na fabricação
da maioria dos dispositivos de estado sólido como
diodos, transistores e circuitos integrados.
Símbolos lógicos
Dois sistemas são utilizados nos Estados Unidos: a
representação tradicional, que utiliza os símbolos
convencionais para cada porta lógica; e a nova
representação do IEEE, que emprega caixas
retangulares.
Sinal
Informação transmitida de, para ou no interior de
um circuito digital.
Sinal de tempo
discreto
Consiste em outro termo que representa sinais
digitais empregados especificamente em aplicações
de DSPs, onde as entradas digitais são simples
amostras de uma entrada analógica.
Sistema binário
Sistema numérico de base 2 que utiliza apenas os
dígitos 0 e 1.
Símbolo ou abreviatura
CMOS
X
&
Definição
Sistema hexadecimal Sistema numérico de base 16 que utiliza os
caracteres de 0 a 9, A, B, C, D, E e F. É utilizado na
representação de números binários de 0000 a 1111.
Sistema octal
Sistema numérico de base 8 que utiliza os dígitos
de 0 a 7.
Software
Programas de computador que coordenam o
funcionamento do hardware. Duas principais
classificações de software incluem aplicativos
(como processadores de texto ou jogos) e sistemas
operacionais. Outras categorias podem incluir
software para redes e programação. Consulte
também os termos firmware e hardware.
Solenoide
Atuador que converte energia elétrica em
movimento linear. É construído como uma bobina
oca com núcleo deslizante de ferro. O núcleo é
inserido no interior da bobina quando a corrente
circula na mesma.
Soma de produtos
Forma de uma expressão booleana do tipo
AB+CD=Y. É implementada utilizando diagramas
lógicos AND/OR. Também é chamada de expressão
booleana em termos mínimos.
Somador
Circuito lógico combinacional que gera as saídas
de soma e transporte a partir de um determinado
conjunto de entradas binárias. Meios somadores e
somadores completos são exemplos básicos destes
circuitos.
Somador completo
Circuito digital com três terminais para as entradas
incluindo o transporte e dois bits para as saídas de
soma e transporte.
Subfamílias lógicas
Símbolo ou abreviatura
Hex
Cin
A
B
FA
E
Co
Grupos de CIs digitais correlatos que possuem
características semelhantes, mas que podem possuir
velocidade, dissipação de potência e capacidade
de fornecimento de corrente diferentes. Exemplos
típicos consistem nas séries de CIs TTL 7400, 74LS00,
74F00, 74ALS00 e 74AS00. Em algumas aplicações,
é possível substituir CIs por modelos de outras
subfamílias.
Subtração na forma Método de subtração onde o subtraendo
de complemento de 2 representado na forma de complemento de 2
é somado ao minuendo. É utilizada para que
dispositivos somadores consigam realizar a
subtração.
Glossário
Termo
G19
Termo
Definição
Subtraendo
Parcela que é subtraída do minuendo.
Tabela verdade
Representação tabular das condições de todas as
entradas e saídas resultantes de uma função ou
circuito lógico.
Símbolo ou abreviatura
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
0
0
0
1
JTAG.
Tecnologia boundary Sistema para injeção de pontos de teste em silício
scan
durante o projeto para facilitar a realização de testes
de controle de qualidade e de campo. Consulte o
termo JTAG.
Sistemas Sequenciais
Tecnologia de
montagem em
superfície
G20
A montagem SMT (surface-mount technology)
aborda todos os aspectos das técnicas de fabricação,
equipamentos e componentes (dispositivos para
montagem sobre superfície ou SMD – surface-mount
devices) utilizadas na soldagem de componentes
eletrônicos na superfície de placas de circuito
impresso.
Tecnologia de
mudança de fase
É utilizada em discos óticos DVD-RW e DVD+RW.
Uma liga metálica com mudança de fase é
empregada para ler, gravar e apagar informações. As
áreas onde há a presença e ausência de sulcos são
escuras/não reflexivas quando a liga encontra-se
no estado amorfo, ou reflexivas caso a liga esteja
no estado cristalino, respectivamente. Os discos são
regraváveis.
Tempo de acesso
Em memórias, corresponde ao intervalo de tempo
necessário para acessar uma pequena quantidade
de dados armazenada.
Tensão
Corresponde à pressão elétrica.
Termistor
Resistor termicamente sensível utilizado como
sensor de calor.
Transdutor
Em eletrônica, corresponde a um dispositivo que
converte uma forma de energia em outra. Como
exemplo, pode-se citar uma fotocélula que converte
luz em eletricidade, ou um alto-falante que converte
energia elétrica em mecânica/acústica (sonora).
Transistor
Dispositivo de amplificação ou controle de estado
sólido que normalmente possui três terminais.
Transistor de efeito de Tipo de transistor onde o terminal de gatilho
campo
controla a resistência do canal semicondutor.
Encapsulamento
PLCC
Componente
Encapsulamento
do tipo
SOT
Solda
Solda
chip
Componente do CI
V
Termo
Definição
Símbolo ou abreviatura
Tubo de raios
catódicos
Tubo a vácuo utilizado em televisores, monitores de
vídeo e muitos osciloscópios para exibir imagens.
CRT
Unidade de
processamento
central
Em sistemas de computadores, corresponde à
unidade lógica responsável pela lógica aritmética e
funções de controle, sendo o centro da maioria das
transferências de dados.
CPU
Unidade lógica
aritmética
Parte da unidade de processamento central de
um computador que processa os dados utilizando
operações lógicas e aritméticas.
ALU
VCC
Representação da tensão de alimentação positiva
nos CIs TTL e em alguns CIs CMOS (normalmente
igual a +5 V).
VDD
Representação da tensão de alimentação positiva
em diversos, mas não todos os tipos de CIs CMOS
(de +3 a +18 V).
Velocidade angular
Representa outro método para se determinar a
velocidade de rotação de um eixo ou outro objeto.
Volt
Unidade de medida da tensão elétrica.
VSS
Representação da tensão de alimentação negativa
em diversos, mas não todos os tipos de CIs CMOS.
Glossário
V
G21
Créditos
Pág. xiii (à esquerda) Cindy Lewis; (à direita) Lou
Jones/Getty Images; Pág. 261 Fotomicrografia
registrada por John Carnivale/Lucent Technologies; Pág. 266 Cortesia Microvision; Pág. 286 Cortesia de Thales Navigation; Pág. 313 Cortesia de
Yamaha Consumer Electronics; Pág. 335 Cortesia
de Handspring, Inc.; Pág. 336-337 Cortesia de
Seagate Technology; Pág. 392 Hayes Microcomputer Products; Pág. 396 Cortesia de Motorola;
Pág. 406 PhotoLink/PhotoDisc.
Índice
A
Acionamento de dígito, 380
Acumulador, 411-412
Acumulador de contagem, 372-373
Adaptador de interface de periféricos
(PIA), 420-423
ALU, 406-408
Amostragem, 446-447
Amp op, 459-461
Amplificador de áudio, 282
Amplificador de escala, 459-460
Amplificador operacional (amp op),
459-461
Amplificador somador, 458-461
Apagamento de memórias EPROM,
341
Apagamento do display, 389, 391
Armazenamento de dados compacto,
302-303
Armazenamento em semicondutores,
325-347
Armazenamento magnético, 324-326,
351-353
Armazenamento magnético de dados,
351-353
Armazenamento mecânico de dados,
351
Armazenamento óptico, 325-326, 353,
355, 357
Armazenamento primário, 351
B
Bandeira, 428-430
Barramento de controle, 324-325
Barramento de dados, 324-325, 408409
Barramento de endereço, 324-325,
408-409
Base de tempo do relógio, 394-395
Biografias. Veja História da Eletrônica.
Bit de paridade, 423-425
Bit de sinal, 311-312
Bloco contador divisor por 256, 394395
Boundary scan, 395, 398-401
Buffer de três estados, 331, 415
C
Cálculo da soma de produtos, 446-448
Cálculos. Veja Circuitos aritméticos.
Câmeras digitais, 325-326
Cartão de memória flash, 348-350
Cartão perfurado, 351
CD-DA, 325-326
CD-R, 355, 357
CD-ROM, 353, 355, 356
CD-RW, 355, 357
Celebridades. Veja História da
Eletrônica.
Célula fotoresistiva, 478-479
Chaney Electronics, 436-437, 440
Chave bilateral quádrupla, 370, 372
Chip de memória, 420-423
Chips de calculadora, 366-367
CI, 370, 372-373
CI 7447A, 478-479
CI 74HC4543, 394-395, 398
CI buffer de três estados TTL 74125,
416-417
CI com tamanho reduzido (SOIC), 347348, 434-435
CI conversor A/D 0804, 478-479
CI DEMUX 74154, 419-420
CI MUX 74150, 419-420
CI registrador de deslocamento de 8
bits 74HCI64, 283
CI relógio digital LSI MOS MM5314
MOS, 376-379
CI relógio digital MM5314, 376-383
CI somador, 303-304
CI somador binário de 4 bits 7483,
303-306
CI voltímetro digital LSI, 470-471
Cilindro, 352-353
Circuito comparador de tensão, 467468
Circuito de energização, 284
Circuito de reinicialização automático,
284
Circuito de reinicialização de um
contador, 386-387
Circuito de supressão de zeros, 379
Circuito detector de erro, 424-425
Circuito divisor de frequência, 372-373
Circuito gerador de bit de paridade,
424-425
Circuito gerador de formas de onda,
374-376
Circuito gerador de soma de controle
CRC-8, 425
Circuito somador binário de 8 bits,
306
Circuitos aritméticos, 293-321
CI somador, 303-304
encontrando problemas, 317-321
meio somador, 295-296
multiplicação binária, 304-310
representação na forma de
complemento de 2. Veja
Representação na forma de
complemento de 2.
soma binária, 293-295
somador completo, 296-298
somador de 3 bits, 298-299
subtração binária, 299-302
subtrator paralelo, 301-303
CISC, 436-437
Clock, 372-384
Codificador, 457-458
Código. Veja Módulo BASIC Stamp.
Código de cartão Hollerith, 351
Código de Hamming, 425
Código Gray, 333
Códigos de correção de erros, 425
Coeficiente, 448
Comparador de magnitude de 8 bits,
394-395
Índice
I2
Comparador de tensão, 466-468
Computador, 405-408
Computador com conjunto reduzido
de instruções (RISC), 436-437
Computador com um Conjunto
Complexo de Instruções (CISC),
436-437
Computador de estado sólido, 348350
Conector DB9, 441-443
Conexão com a Internet
CEA, 312-313
disco rígido, 352-353
dispositivos de armazenamento,
356
folhas de dados, 359-360
Informação sobre o módulo BASIC
Stamp, 440-441
memória RAM nanotube (NRAM),
347
memórias, 348-350
microprocessador, 408-409
MRAM, 347
portas de comunicação de um PC,
426-427
Ramtron International, 347
soldagem, A6-7
Conexão com dispositivos analógicos,
457-485
conversão A/D, 463-482. Veja
Conversão A/D.
conversão D/A, 458-464. Veja
também Conversão D/A.
digitilazação da temperatura, 479,
481-482
medidor de intensidade luminosa
digital, 478-480
voltímetro digital elementar, 467471
Conexão DSL, 409-410
Conexões de dados, 420-423
Construção da fibra óptica, 277-279
Contador binário/de década
crescente/decrescente pré-ajustável
4029, 368, 370
Contador de frequência, 384-391
Contador de frequência digital, 384391
Contador de frequência experimental,
387, 389-391
Contador decrescente, 394-395
Contador divisor por 10, 389, 391
Contador divisor por 6, 389, 391
Contador divisor por 60, 374-375
Contador em anel, 282
Contadores de década 74HCI92,
394-395
Contadores decrescentes com parada
automática, 394-395
Controlador programável (PC), 430431
Controladores lógicos programáveis
(Petruzella), 431-434
Controle de início/parada, 375-376, 384
Conversão
conversor de binário para código
Gray, 333
de um número decimal na forma
de complemento de 2, 312-313
Conversão A/D, 446-447, 463-482
comparador de tensão, 466-468
conversor A/D 0804, 475-477
conversor A/D de aproximações
sucessivas, 471-474
conversor A/D de rampa digital,
470-472
conversor contador de rampa, 465467
digitalização da temperatura, 479,
481-482
dissipação de potência, 475
especificações do conversor A/D,
474-475
especificações do conversor A/D,
474-475
faixa de tensão de entrada, 475
medidor de intensidade luminosa,
478-480
níveis lógicos de entrada, 475
precisão, 474-475
resolução, 474-475
tabela verdade, 465-466
tempo de conversão, 475
tensão de alimentação, 475
tipo de saída, 474-475
Conversão analógica-digital. Veja
Conversão A/D.
Conversão D/A, 446-447, 458-464
amplificador operacional, 459-461
conversor D/A básico, 460-462
conversor D/A tipo escada, 462-463
tabela verdade, 458-459
Conversão digital-analógica. Veja
Conversão D/A.
Conversão na forma de complemento
de 2
tabela, A9
Conversor A/D de rampa digital,
470-472
Conversor A/D por aproximações
sucessivas, 471-475
Conversor contador de rampa, 465467
Conversor D/A básico, 460-462
Conversor de binário para código
Gray, 333
Conversor de código, 333
Conversores A/D tipo μP, 474-475
Conversores D/A do tipo escada,
462-463
CPU, 293-294, 324-325, 406-407
CRC, 423-425
D
Dados seriais, 418-419
DDR SDRAM, 348-350
Decodificador, 418-419, 457-458
Decodificador 1 de 10, 334-335
Decodificador de endereço, 415-418
Decodificador/driver, 394-395
Demultiplexador (DEMUX), 418-419
Detecção de erros, 423-425
Diagrama em escada de relés, 431432
Diagrama lógico em escada, 431-432
Digitalização da temperatura, 479,
481-482
Digitalizador, 479, 481
DIMM, 348-350
Diodo zener, 467-468
DIP, 347-348
Disco HD, 353, 355
Disco mageneto-óptico regravável,
357-358
Disco magnético, 352-353
Disco rígido, 325-326
Disco rígido Cheetah, 352-353
Disco rígido de bolso, 352-353
Disco rígido interno, 325-326, 352353
Disco rígido USB, 325-326
Disco Winchester, 352-353
Discos ópticos de leitura/gravação,
357-358
Discos rígidos portáteis, 325-326
Discos rígidos Seagate Cheetah,
352-353
Dispositivo lógico programável (PLC),
430-434
Dispositivos analógicos. Veja Conexão
com dispositivos analógicos.
Dispositivos de armazenamento não
voláteis, 329
Dispositivos de informática portáteis,
351
Dispositivos de interfaceamento,
457-458
E
2
E PROM, 340
Editor PBASIC, 441-443
EEPROM, 340
Encapsulamento de memória, 347350
Encapsulamento de tamanho
pequeno miniaturizado (SSOP),
434-435
Encapsulamento em linha dupla (DIP),
347-348
Encapsulamento em linha simples
(SIP), 347-350
Encapsulamento em linha ziguezague (ZIP), 347-350
Encontrando problemas
em registradores de deslocamento,
286, 288-289
em um somador completo, 317321
Endereço, 334-335
Endereços eletrônicos. Veja Conexão
com a Internet.
Entrada paralela-saída paralela, 270273
Entrada paralela-saída serial, 270273
Entrada serial-saída paralela, 270-273
Entrada serial-saída serial, 270-273
EPROM 2732, 341
Erro de quantização, 474-475
Estado de alta impedância, 415
Ethernet, 411-412
F
Família de memória EPROM série
27XXX, 341
Família de microcontroladores
PIC16C5X, 436-437
Fator indicador de reação da peça,
A5-6
FeRAM, 347
Firmware, 337
Fita de papel perfurado, 351
Fita magnética, 351-353
Fluxo, A2-5
Fluxos ácidos, A2-3
Forma de onda dente de serra, 470471
Forma de onda digital, 479, 481
Fotocélula de sulfeto de cádmio,
478-479
Fotocélulas de CdS, 478-479
Fotorresistor, 478-479
FRAM, 347
Interfaceamento de dispositivos
analógicos com sistemas digitais.
Veja Conexão com dispositivos
analógicos.
Interfaceamento entre dispositivos
CMOS e LEDs
norma IEEE-488, 423-424
Internet, 409-410
Interpretador PBASIC, 440-441
Inversor Schmitt trigger, 375-376,
479, 481
J
Jogo da roleta, 282-286, 288
Jogo de dados, 367-373
Jogo de dados digital, 367-373
Jogo eletrônico de simulação de
dados, 367-373
Jogos digitais, 367-373
JTAG, 395, 398-401
Junção de túnel magnética (MTJ), 347
G
L
Ganho de tensão, 459-461
Geração de formas de onda, 389, 391
Gerador de rampa, 470-471
Gravação de uma memória PROM, 341
Gravadoras de CD, 329
Gravadores de memória PROM, 341
Grupo Conjunto de Ação de Teste,
395, 398-399
LAN, 409-412
Latch, 269-270
Latch transparente de 4 bits 7475, 318
Líderes. Veja História da Eletrônica.
Localizador remoto, 301-302
LSI, 366-367
H
Handshaking, 420-423
TM
Handspring Treo, 351
Hayes, Dennis C., 407-408
Hayes, Dennis C., 407-408
História da Eletrônica
Hollerith, Herman, 351
I
Instrução 411-412
Integração em escala muito grande
(VLSI), 366-367
Integração em escala ultragrande
(ULSI), 366-367
Integração em grande escala (LSI),
366-367
Integração em media escala (MSI),
366-367
Integração em pequena escala (SSI),
366-367
Interface paralela, 420-423
Interface periférica programável (PPI),
420-423
M
MAC, 446-447
Mapa de memória, 415
Medidor de intensidade luminosa,
478-480
Medidor de intensidade luminosa
digital, 478-480
Meio de filme fino, 352-353
Meio somador, 295-296
Meio somador, 299-302
Meio subtrator, 299-300
Memória, 323-364
armazenamento, 351-358
armazenamento em
semicondutores, 325-347
armazenamento lógico, 325-326,
353, 355, 357
armazenamento magnético, 324326, 351-353
encapsulamento, 347-350
flash, 345-347
FRAM, 347
leitura/gravação não volátil, 343-344
MRAM, 347
NVSRAM, 344-346
Índice
Dispositivos de memória
(computador), 324-325
Dispositivos para os cegos, 280, 282
Dispositivos periféricos, 406-407,
409-410
Disquete de 3,5”, 353, 355
Disquetes com dupla densidade, 353,
355
Distribuidor, 418-419
Divisor de frequência, 372-373
Divisor/decodificador multiplexado,
379
DRAM, 325-326, 331
Drivers de segmentos, 380
DSP, 446-449
DVD, 325-326
DVD+RW, 353, 355, 357
DVD-R, 353, 355
DVD-RAM, 355, 357
DVD-ROM, 325-326, 355, 357
DVD-RW, 353, 355, 357
DVD-vídeo, 325-326
I3
Índice
I4
potenciômetro digital, 359-362
PROM, 340-341
RAM, 328-329
ROM, 334-339
SRAM, 329-334
visão geral, 324-328
Memória baseada em proteínas,
334-335
Memória buffer, 420-423
Memória de 64 bits, 328
Memória de acesso randômico (RAM),
328-329
Memória de acesso randômico
magnética, 347
Memória de apenas leitura (ROM),
334-339
Memória de apenas leitura
programável (PROM), 340-341
Memória de leitura/gravação, 328
Memória de leitura/gravação não
volátil, 343-347
Memória de somente leitura
programável apagável (EPROM), 340
Memória do computador. Veja
Memória.
Memória do programa, 411-412
Memória flash, 325-326, 345-347
Memória flash 28F512, 345-347
Memória flash EEPROM, 340
Memória flash USB, 325-326
Memória nanotube RAM (NRAM), 347
Memória NRAM, 347
Memória NVRAM, 344-345
Memória NVSRAM, 344-345
Memória PROM, 340-341
Memória PROM apagável com luz
ultravioleta 2732A 32K, 341
Memória PROM eletricamente
apagável (EEPROM), 340
Memória RAM, 328-329
Memória RAM de 64 bits 74189, 331
Memória RAM de leitura/gravação TTL
7489, 329-331
Memória RAM dinâmica (DRAM),
325-326, 331
Memória RAM estática (SRAM), 329334
Memória RAM estática 2114, 331
Memória RAM estática não volátil
(NVSRAM), 344-345
Memória RAM ferroelétrica (FRAM), 347
Memória RAM magnética, 326-327
Memória RAM magnetorresistiva
(MRAM), 347
Memória RAM não volátil (NVRAM),
344-345
Memória ROM, 334-339
Memória ROM com diodos,
334-336
Memória ROM de 8 bits TMS4764 8192
X, 334-335, 337
Memória ROM programável em
campo (PROM), 340
Memória ROM programável por
máscara, 340
Memória scratch-pad (bloco de
rascunho), 328
Memória SRAM, 329-334
Memória volátil, 329
Memórias não voláteis, 334-335
Memórias SRAM alimentadas por
baterias, 344-345
Método de multiplicação da soma e
deslocamento, 311, 310
Microcomputador, 407-418
decodificação de endereço, 415-418
diagrama de blocos, 408-409
MPU, 408-409
operação, 411-412
procedimento entradaarmazenamento-saída, 411-414
sequência busca-decodificaexecuta, 414
Microcontrolador, 293-294, 367-368,
411-412, 434-440
Microcontrolador BASIC Stamp 2
módulo, 440-446
Microcontrolador PIC1655, 436-440
Microprocessador (MPU), 367-368,
407-409
Milhões de instruções por segundo
(MIPS), 448
MIPS, 448
Modelo de memória em linha dupla
(DIMM), 348-350
Modem, 408-410
Módulo BASIC Stamp
exemplo de programação simples,
441-446
Módulo BS2, 441-443. Veja
Microcontrolador BASIC Stamp 2.
Módulo de memória em linha simples
(SIMM), 347-350
Molhagem, A2-3
MPU, 367-368, 407-409
MSI, 366-367
MTJ, 347
Multiplexador (MUX), 379, 380, 418420
Multiplicação binária, 304-310
Multiplicação e acumulação (MAC),
446-447
Multiplicador, 304
Multiplicando, 304
MUX, 379, 380, 418-420
N
Nomenclatura de pinos, 337
Números de 4 bits na forma de
complemento de 2, 311-313
Números de 8 bits na forma de
complemento de 2, 314-316
Números/sistemas de numeração
conversão. Veja Conversão.
O
Onda senoidal, 375-376
Operação, 411-412
Operação de gravação, 328
Operação de leitura, 328
Operações matemáticas. Veja Circuitos
aritméticos.
Operando, 411-412
Oscilador de relaxação, 379
Oscilador multiplexado, 379
Osculador controlador por tensão,
282, 283
P
Padrão Centronics, 423-424
Padrões de interface serial, 423-424
Parallax, Inc., 440-441
PC, 430-431
PCMCIA, 348-350
PIA, 420-423
Pioneiros. Veja História da Eletrônica.
Pipelining, 448
PLC, 430-434
PLD. Veja Dispositivo lógico
programável.
Porta de áudio, 425
Porta de vídeo, 425
Porta do mouse, 425
Porta do teclado, 425
Porta Ethernet, 425
Porta paralela, 425
Porta serial, 425
Porta USB, 425
Portas de um PC, 426-427
Portas lógicas de transmissão, 372-373
Potenciômetro de estado sólido,
359-360
Potenciômetro digital, 359-362
Potenciômetro Trimmer DS 1804 NV,
359-360
PPI, 420-423
Pratos, 352-353
R
Rampa, 466-467
Receptor-transmissor assíncrono
universal (UART), 420-423, 426-430
Rede de acesso local (LAN), 409-412
Rede de longa distância (WAN), 411412
Rede de resistores, 458-460
Rede de resistores em escada R-2R,
462-464
Redes resistivas em escada, 459-460
Registrador, 269-270, 411-412
Registrador de buffer, 269-270
Registrador de deslocamento, 269-291
características de memória e
deslocamento, 269-270
carga paralela, 273-275
carga serial, 270-273
CI registrador 74194, 275-279
de 8 bits CMOS, 280, 282
encontrando problemas, 286, 288289
roleta digital, 282-286, 288
universal, 275-279
Registrador de deslocamento à direita
com carga serial, 277-278
Registrador de deslocamento à
esquerda com carga paralela, 277278
Registrador de deslocamento à
esquerda com carga serial, 277-278
Registrador de deslocamento
bidirecional universal de 4 bits 74194,
275-279
Registrador de deslocamento com
carga paralela, 277-279
Registrador de deslocamento com
carga serial, 270-272
Registrador de deslocamento com
entrada serial e saída paralela de 8
bits 74HC164, 280, 282
Registrador de deslocamento de 4
bits, 270-273
Registrador de deslocamento de 8 bits
CMOS, 280, 282
Registrador de deslocamento paralelo
recirculante de 4 bits, 273-274
Registrador de deslocamento
universal, 275-279
Registrador de instrução, 411-412
Registradores de deslocamento com
carga paralela, 273-275
Relógio de seis dígitos, 380
Relógio digital, 372-384
Relógio digital LSI, 375-383
Representação na forma de
complemento de 2
conversão de números decimais,
312-313
processador de 4 bits, 311-313
processador de 8 bits, 314-316
soma, 312-313
somador-subtrator, 317-318
subtração, 312-314
subtração na forma de
complemento de 2, 312-314
Resistor sensível à temperatura, 479,
481
Revolução da informação, 323-324
RISC,436-437
Roleta digital, 282-286, 288
Roleta eletrônica, 282-286, 288
Roteador, 411-412
S
Saída com três estados, 331
Saída do sistema (computador),
406-407
Satélite na órbita geoestacionária da
Terra (GEO), 463-464
Seção de controle (computador),
406-407
Seção de memória (computador),
405-406
Seleção de chip, 331
Sequência busca-decodifica-executa,
414
Sequência de reinicialização-contagem-exibição, 386-387, 389, 391
Setor, 352-353, 355
SIMM, 347-350
Simplificação de expressões
booleanas, 92
Sinais discretos no tempo, 446-447
SIP, 347-350
Sistema, 365-367. Veja também
Sistemas de computadores; Sistemas
digitais.
Sistema eletrônico híbrido, 470-471
Sistema híbrido, 457-458
Sistema microprocessado de 4 bits,
416-417
Sistema pessoal de visualização
NOMAD , 280, 282
Sistema somador/subtrator (números
na forma de complemento de 2), 318
Sistema temporizador, 391-398
Sistemas de computadores, 405-455
computador, 405-408
DSP, 446-449.
microcomputador. Veja
Microcomputador.
microcontrolador, 434-440
módulo microcontrolador BASIC
Stamp, 440-446
PLC, 430-434
programação em PBASIC, 441-446
transmissão de dados. Veja
Transmissão de dados.
Sistemas digitais, 365-403. Veja
também Sistemas de computadores.
boundary scan, 395, 398-401
contador de frequência, 384-391
contador de frequência
experimental, 387, 389-391
elementos de um sistema, 365-367
em CIs, 366-367
jogo de dados, 367-373
jogos digitais, 367-373
JTAG, 395, 398-401
relógio digital, 372-384
relógio digital LSI, 375-383
temporizador LCD com alarme,
391-398
teste, 395, 398-401
Sistemas microcontrolados, 434-435
Sistemas MPU, 414
Software, 337
SOIC, 347-348, 434-435
Solda 50/50, A1-2
Solda 60/40, A1-3
Solda eutética, A1-2
Solda/processo de soldagem, A1-2,
A6-7
condição da superfície, A4-5
conexão térmica, A4-5
controle do aquecimento da
junção, A4-7
Índice
Procedimento entrada-armazenamento-saída, 411-414
Processador digital de sinais (DSP),
446-449
Produto, 304
Programa, 408-409
Programação. Veja Módulo BASIC
Stamp.
Programas de computador. Veja
módulo BASIC Stamp.
Programas de software. Veja Módulo
BASIC Stamp.
Programas PBASIC. Veja Módulo BASIC
Stamp.
Projeto de um display luminoso,
436-440
I5
Índice
escolha do ferro de solda e ponta,
A5-7
fator indicador de reação da peça,
A5-6
ferros de solda, A4-5
fluxo, A2-5
massa térmica relativa, A4-5
molhagem, A2-3
natureza da solda, A1-2
realizando a conexão de solda, A6-7
remoção do fluxo, A6-7
soldas normalmente utilizadas,
A1-3
taxa de recuperação de um ferro de
solda, A5-6
vantagens da soldagem, A1-2
Soma binária, 293-295
Soma de controle, 425
Soma de números de 8 bits na forma
de complemento de 2, 315, 316
Soma na forma de complemento de
2, 312-313
Somador
CI, 296-304
completo, 296-298
conexão em cascata, 303-304
de 3 bits, 298-299
meio, 295-296
paralelo, 298-299
Somador binário de 8 bits, 303-304,
306
Somador completo, 296-298
Somador completo binário de 4 bits
TTL 7483, 303-306
Somador de, 298-299
Somador paralelo, 298-299
I6
Somadores em cascata, 303-304
Somadores/subtratores de números,
317-318
SSI, 366-367
SSOP, 434-435
Subsistemas, 365-366
Subtração binária, 299-302
Subtração de números de 8 bits na
forma de complemento de 2, 315,
316
Subtrator
completo, 296-302
meio subtrator, 299-300
paralelo, 301-303
Subtrator paralelo, 301-303
Subtrator paralelo de 4 bits, 302-303
T
Tabela verdade
conversor A/D, 465-466
conversor D/A, 458-459
subtrator, 300
Tabelas de soma binária, 294-295
Tabelas de subtração binária, 299-300
Taxa de baud, 423-424
Técnica das somas sucessivas, 304-309
Tecnologia de microchips, 434-435
Tempo de amostragem, 389, 391
Tempo de contagem, 389, 391
Tempo de conversão, 475
Temporizador digital, 391-420
Temporizador LCD com alarme, 391398
Termistor, 479, 481-482
Termômetro e termostato digital
DS1620, 481-482
Transdutor, 478-479
Transmissão de dados, 418-419
bandeiras, 428-430
bit de paridade, 423-425
CRC, 423-425
detecção de erro, 423-425
em sistemas de computadores,
426-430
portas, 426-427
Trilha, 352-353, 355
U
UART, 420-423, 426-430
Unidade aritmética (computador),
405-407
Unidade de processamento central
(CPU), 293-294, 324-325,406-407
Unidade lógica aritmética (ALU), 293294, 406-408
Unidades lógicas aritméticas/
geradores de função, 303-304
V
Verificação de redundância cíclica
(CRC), 425
Visão eletrônica, 389, 391
VLSI, 366-367
Voltímetro, 467-471
Voltímetro digital, 467-471
Voltímetro digital elementar, 467-471
Voltímetro digital em chips integrados
de grande escala, 470-471
W
WAN, 411-412