INFORME DE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN CIRCUITOS DIGITALES DISEÑO DE LA ALU DE 4 BITS Jefferson Nuñes, Sofía Liseña Intriago Laverde,
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RESUMEN: En el presente trabajo se ha centrado en el diseño por unidades de una ALU que se presentan en los sistemas digitales, donde realizaremos una implementación de algunos operadores aritméticos donde constara nuestro Diseño una ALU de 4 bits, que consta de Unidad aritmética. Sumador - restador de 4 bits, Unidad lógica: Operaciones lógicas AND, OR, NOT, XOR. Unidad de comparación: A>B, A
PALABRAS CLAVE: Compuertas lógicas, switch, combinacional, bits, operaciones.
circuito
ABSTRACT. An arithmetic and logic unit (ALU) is a combined circuit that develops logical and arithmetic micro operations of two n-bit operands A and B. The operations carried out by the ALU are controlled by a group of function selection inputs.
KEY WORDS:
Logic gates, switch, combinational circuit, bits, operations.
1. INTRODUCCIÓN. Este proyecto fue realizado para poner en práctica lo aprendido durante el curso, ya que antes de empezarlo se tenía un conocimiento casi nulo sobre los temas vistos, como el funcionamiento de una compuerta lógica, ya sea positiva o negativa. A su vez temas nuevos, como la utilización de un mapa de Karnaugh. Así mismo el proyecto es orientado a la implementación de las compuertas lógicas, su comportamiento, etc. Puesto que existen circuitos integrados ya existentes que hacen la función de una manera más fácil y sencilla, pero a su vez desconocemos su funcionamiento interno, ese es el ¿por qué? de la realización de este proyecto, ver, analizar y comprender como funcionan internamente dichos circuitos, como son los multiplexores, sumadores, restadores, etc. A su vez se hizo un análisis de como el lenguaje binario es implementado en las compuertas lógicas para un mejor entendimiento.
Objetivos generales
Diseñar una ALU que pueda contener los requerimientos pedidos con el conocimiento adquirido
Objetivos específicos. Utilizar compuertas lógicas para cada una de las operaciones, funciones y generadores.
Según Floy (2007). Con el fin de hacer el diseño más manejable se divide el problema en módulos. En lugar de diseñar una ALU de 4 bits como un solo circuito, se implementará primero una ALU de 1 bit (bit-slice) para con base en ella montar el circuito de 4 bits. Esta unidad tendría 6 entradas y dos salidas, lo cual la haría bastante tediosa para su diseño por tablas. Una alternativa está en separar esta unidad de 1 bit en dos módulos: uno lógico y uno aritmético, y realizar el diseño de cada módulo en forma independiente. Ver figura 4.2.
Utilizar conocimientos impartidos en el curso para poder facilitar la construcción
Hipótesis La ALU sistema que se encuentra en una computadora ya que puede realizar diferentes operaciones, funciones y generan.
Alcance Por consiguiente, deseamos elaborar y demostrar cada uno de los elementos la importancia que tiene en cada parte de la ALU. 2. MARCO TEÓRICO. La Unidad Aritmética y Lógica, llamada abreviadamente ALU, es la encargada de realizar en el computador las operaciones con los datos, de acuerdo con el programa en curso. Se compone de una unidad capaz de ejecutar todo el surtido de instrucciones del calculador o de varias unidades funcionales u operadores, cada uno especializado en la ejecución de una o varias clases de operaciones.
Ilustración 1:Diagramas de bloque de la ALU
Ilustración 2: Esquema modular de la ALU Para el módulo aritmético estudie el comportamiento de las entradas de un bit para cada una de las operaciones. Puede utilizarse un circuito Sumador completo (Full Adder). Cuando se trabaja con complemento a 2´s para calcular A-B ó B-A, es posible que el bit de carry sea generado dando un resultado erróneo. Por ejemplo, si A=1101 (13) y B=0000 (0) , A-B=A+B´+1 = 1101 + 1111 +1 = 1 1101, que es igual a 29 en lugar de 13. Esto es porque el bit de carry en 1101 debería ser eliminado para dar: 1101. Se puede prevenir este error usando un circuito lógico
que suministrará un 0 siempre y cuando las funciones A-B ó B-A han sido seleccionadas por (S0,S1,M), y de otra manera suministrará la salida de Carry Out Co del 4º bit de la ALU.
2.2.3 Compuertas Lógicas Compuerta AND Es una puerta lógica digital que implementa la conjunción lógica -se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha. Esta tendrá una salida ALTA (1), únicamente cuando los valores de ambas entradas sean ALTOS. Si algunas de estas entradas no son ALTAS, entonces tendrá un valor de salida BAJA (0). Desde el punto de vista funcional, la puerta AND es un multiplicador pues su salida es el producto de sus entradas.1 Adicionalmente, encuentra el mínimo entre dos dígitos binarios, así como la puerta OR encuentra el máximo. La puerta AND puede usarse como inhibidor. los datos que llegan a una de las entradas (A) se transmiten a la salida (C) mientras la otra entrada (B) reciba 1 (VDD) si esta entrada es 0 (GND) la salida en (C) es 0 independientemente de la señal en (A). Para que el bit inhibidor (b) se active con 1 (VDD) en lugar de con 0, sería necesario añadir una puerta NOT en dicha entrada.
Ilustración 3: Estructura interna de la compuerta AND
Ilustración 4: Tabla de la compuerta AND
Compuerta OR La puerta OR o compuerta OR es una puerta lógica digital que implementa la disyunción lógica -se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha. Cuando todas sus entradas están en 0 (cero) o en BAJA, su salida está en 0 o en BAJA, mientras que cuando al menos una o ambas entradas están en 1 o en ALTA, su SALIDA va a estar en 1 o en ALTA. En otro sentido, la función de la compuerta OR efectivamente encuentra el máximo entre dos dígitos binarios, así como la función AND encuentra el mínimo. Se puede ver claramente que la salida X solamente es "0" (0 lógico, nivel bajo) cuando la entrada A como la entrada B están en "0". En otras palabras, la salida X es igual a 0 cuando la entrada A y la entrada B son 0.
Ilustración 5: Estructura interna de la compuerta OR
COMPUERTA NOT
En lógica digital, un inversor, puerta NOT o compuerta NOT es una puerta lógica que implementa la negación lógica . A la derecha se muestra la tabla de verdad. Siempre que su entrada está en 0 (cero) o en BAJA, su salida está en 1 o en ALTA, mientras que cuando su entrada está en 1 o en ALTA, su SALIDA va a estar en 0 o en BAJA. La función física del inversor es la de cambiar en su salida el nivel del voltaje de su entrada entre los definidos como lógico ALTO Y lógico BAJO
Ilustración 7: Estructura interna de la compuerta MUX
Ilustración 8: Tabla de la compuerta MUX Ilustración 6: Estructura interna de la compuerta NOT
MULTIPLEXOR Los multiplexores son circuitos combinacional, es con varias entradas y una única salida de datos. Están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una, de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada hacia dicha salida. En el campo de la electrónica el multiplexor se utiliza como dispositivo que puede recibir varias entradas y transmitirlas por un medio de transmisión compartido. Para ello lo que hace es dividir el medio de transmisión en múltiples canales, para que varios nodos puedan comunicarse al mismo tiempo. Una señal que está multiplexada debe demultiplexores en el otro extremo.
COMPUERTA DEMULTIPLEXOR En electrónica digital, un demultiplexor es un circuito combinacional que tiene una entrada de información de datos d y n entradas de control que sirven para seleccionar una de las 2n salidas, por la que ha de salir el dato que presente en la entrada. Esto se consigue aplicando a las entradas de control la combinación binaria correspondiente a la salida que se desea seleccionar. Por ejemplo, si queremos que la información que tenemos en la entrada d , salga por la salida S4, en la entrada de control se ha de poner, de acuerdo con el peso de la misma, el valor 100, que es el 4 en binario. En el campo de las telecomunicaciones el demultiplexor es un dispositivo que puede recibir a través de un medio de transmisión compartido una señal compleja multiplexada y separar las distintas señales integrantes de la
misma encaminándolas correspondientes.
a
las
salidas
La señal compleja puede ser tanto analógica como digital y estar multiplexada en cualquiera de las distintas formas posibles para cada una de ellas.
Ilustración 9: Estructura interna de la compuerta DEMUX
Dentro de la familia de circuitos TTL se les denomina a estos circuitos con el número 7485 y manejan entradas de 4 bits, además de que también se les puede conectar en cascada para manejar entradas más grandes.
Ilustración 11: Estructura interna de la compuerta COMPARADOR
Ilustración 12: Tabla de la compuerta COMPARADOR
3. Ilustración 10: Tabla de la compuerta DEMUX
COMPUERTA COMPARADOR Un circuito comparador combinatorio compara dos entradas binarias (A y B de n bits) para indicar la relación de igualdad o desigualdad entre ellas por medio de "tres banderas lógicas" que corresponden a las relaciones A igual B, A mayor que B y A menor que B. Cada una de estas banderas se activará solo cuando la relación a la que corresponde sea verdadera, es decir, su salida será 1 y las otras dos producirán una salida igual a cero.
MATERIALES:
COMPUAS
CANTIDA
LOGICAS
D
OR
5
AND
7
GRAFICO
COMPARADO R
2
COD
2
1. TABLAS A DISEÑAR AND
DECO
3
NOT
5
MUX
4
DEMUX
4
XOR
4
OR
OTROS PATERALES MARTERIAL CANTIDAD
ALAMBRE
4m
DIODO LED
10
FUENTE
1
GRAFICO
XOR
2.
NOT 3.
4.
5.
materiales complementarios Realizar por fases la ALU para poder realizar mejor el proyecto. Verificar todos los materiales en buen estado principalmente los Protoboards. Utilizar un simulador para tener más facilidad y entendimiento al elaborar nuestra ALU Primero elaboramos nuestro generador de funciones
GENERADOR DE UNA FUNCION PAR
COMPARADOR
6.
4. PROCEDIMIENTO: 1.
Conseguir las compuertas a utilizar y otros
Segundo elaboramos la unidad comparación A>B, A
de
8.
7.
Tercero elaboramos la unidad lógica.
cuarto elaboramos funciones.
el
generador
de
5. DISEÑO
UNIDAD DE COMPARACION
UNIDAD LOGICA
6. CODICO DE OPERACIÓN MUX PRINCIPAL A B OPERACION SUMADOR/RESTADOR 0 0 COMPARACION 0 1 OPERACIONES LOGICAS 1 0 GENERADOR DE FUNCIONES 1 1 A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
GENERADOR DE FUNCIONES
MUX UNIDAD LOGICA OPERACION AND OR NOT XOR
7. SIMULACION UNIDAD ARITMETICA
8. RESULTADOS OBTENIDOS:
1 1
1 1
0 1
1 1
0 1
COMPARADRO DE 4 BITS
Sumador restador de 4 bits A B CI CO 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 OPERACIONES ARITMETICAS A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
S 0 1 1 0 1 0 0 1
9. PREGUNTAS 1.
LOGICAS
GENERADOR DE FUNCIONES A 0 0 0 0 1 1
B 0 0 1 1 0 0
Co 0 1 0 1 0 1
C1 0 0 0 1 0 1
S 0 1 1 0 1 0
una
unidad
lógica
Es un circuito combinacional que desarrolla micro operaciones lógicas y aritméticas de dos operandos A y B de n bits. Las operaciones llevadas a cabo por la ALU son controladas por un grupo de entradas de selección de función.
Y
X A+B A
B AND-OR-XOR GENERADOR DEFUNCIONES
¿Qué es aritmética?
2.
En donde se puede aplicar una unidad lógica aritmética? En una computadora o una laptop.
3.
En qué se diferencia una operación lógica y un comparador? Un circuito comparador combinatorio compara dos entradas binarias y La lógica binaria es la que trabaja con variables binarias y operaciones lógicas del Álgebra de Boole
10. CONCLUSIONES
a. Al finalizar el proyecto quedo más claro el funcionamiento de circuitos combinacionales, y el funcionamiento de una ALU, aunque muy primitiva pero así comprendemos más el funcionamiento de lo que hace una computadora por dentro por medio de esta ALU primitiva que solo consta de 2 operaciones que es la suma y la resta. También el uso de nuestra fuente de poder fue importante para la alimentación de nuestro circuito. b. Otra herramienta importante fue usar un multímetro para detectar posibles errores en la alimentación de los circuitos. c. Resulto ser una buena experiencia en nuestro caso ya que nunca habíamos trabajado con este tipo de material para entender cómo puede estar armada una computadora por dentro y entender más su funcionamiento interno.
11. RECOMENDACIONES
Verificar el funcionamiento de las compuertas y materiales a utilizar en el proyecto.
Se recomienda polarizar las compuertas adecuadamente.
Utilizar un simulador para tener más entendimiento a más de conocer cada funcionamiento de cada compuerta utilizada
7. BIBLIOGRAFIA. -
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8va ed.
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ELECTRÓNICA: TEORÍA Y PRÁCTICA (online), recuperado de: http://electronicateoriaypractica.com/circuito-7493-ttl/ http://electronicateoriaypractica.com/circuito-74193ttl/
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Floyd, T. L. (2006). Fundamentos de sistemas digitales. Pearson Educación. Pág. 217224
Bibliógrafa de la web
Verificar que el circuito este armado adecuadamente.
Ronald J. Tocci “Sistemas Digitales”
http://es.slideshare.net/JulianS08/su mador-completo-7855356 http://www.electronica.com.es/cont ent/26-restadores-binarios http://www.virtual.unal.edu.co/cu rsos/ingenieria/2000477/lecciones /030801. htm http://www.electronicafacil.net/circ
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