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V 2.00 - S12006
Laboratório de Sistemas Digitais 2006/2007 - FEUP/DEEC 1
1FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Laboratório de Sistemas Digitais(EEC0006)
Módulo da disciplinaPropedêuticas de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 1
(EEC0001)
Mestrado Integrado emEngenharia Electrotécnica e de Computadores
1º ano, 1º semestre
2FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Laboratório de Sistemas Digitais• Página da disciplina
– www.fe.up.pt/~jca/feup/lsdi• Bibliografia
– José Carlos Alves, Sistemas Digitais, 2005, FEUP– J.F.Wakerly, Digital Design – Principles and Practices, Prentice Hall, 3rd Edition, 2001 (http://www.ddpp.com )
• Outro apoio– Livro de Exercícios da disciplina– Transparências usadas nas aulas teóricas– Enunciados de exames anteriores
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3FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Aulas
• Aulas T (Teóricas); 1h/semana – Complementam as aulas TP– Introduzem assuntos necessários para os labs.
• Aulas TP (Teórico-Práticas); 4h/semana– Apresentação de matéria– Resolução de exercícios propostos para casa– Trabalhos de Laboratório
• Projecto e ensaio de pequenos sistemas digitais
4FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Avaliação• Avaliação distribuída sem exame final
– 2 testes (12 valores)• Duração de 1 hora (3/Jan e 7/Fev)• 6 valores cada• Prevê-se uma prova de recurso para os alunos que por motivos justificados não tenham comparecido aos testes
– 5 Trabalhos de Laboratório (5+3 valores)• Ficha de avaliação nas aulas TP (1 valor por cada lab.)• Avaliação geral dos trabalhos laboratoriais (3 valores)
– conjunto de questões a inserir no 2º teste– trabalho de casa (individual) de preparação– apreciação do docente
• Datas previstas: consultar a ficha da disciplina
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5FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Sistemas Digitais – o que são?
• Processamento de informação– Informação representada em binário (1 e 0)– Electrónico: pequeno e barato (fácil de projectar...)– Função do sistema digital
• define a relação entre entradas e saídas digitais
entradas saídas
10101001 00111011sistemadigital
6FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Sistemas (electrónicos) digitais
• importantes áreas de aplicação – computação pessoal (PCs, PDAs, calculadoras)– comunicações móveis– televisão digital– áudio digital– automóvel (ABS, air-bags, controlo do motor)– controlo industrial– simuladores– diversão– ...
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7FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Evolução
• “melhoria” exponencial dos circuitos integrados– maior rapidez, menor tamanho e energia consumida – lei de Moore: cada 18 meses o tamanho reduz para metade
• gerações de computadores– sistemas electromecânicos (1944)– válvulas electrónicas (1946)
• ENIAC: 18000 válvulas, 140KW, 30 tons, 5000 somas/segundo
– transístores (1958)– circuitos integrados (1965)– microprocessador (1972)– circuitos integrados de alto nível de integração (VLSI)
• PC actual: 8000000000 adições por segundo, 140W, 3Kg
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Dispositivos electrónicos primitivos
Uma válvula Memória feita com válvulas (IBM701, 1952)
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9FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
ENIAC (1946)
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Dispositivos electrónicos
Transístor
Circuito integrado SSI(Small Scale Integration)dezenas de transístores Circuito integrado VLSI
(Very Large Scale Integration)milhões de transístores
0 10 20 mm
MSI, LSI
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11FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Circuitos integrados
35 mm2
9 mm2
área de silício
0 10 20 mm
12FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Circuitos integrados
densidade de integração: dezenas de milhões de transístores num chiprapidez: uma adição em 0.0000000005 s (0.5 ns)energia: poucos watts em trabalho, alguns mwatt em repouso
1.5µárea A
0.7µárea 0.22A
0.13µárea 0.0075A
0.35µárea 0.054A
área e “tamanho” do processo de fabrico
1992 2001 2003
0.09µárea 0.0036A
0.065µárea 0.0018A
2005/61994
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13FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Um processador Pentium
1994 (processo 0.6µm)
Se fosse fabricado em 2006 (processo 0.065µm)
13mm
1.4mm
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Um sistema electrónico
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15FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Controlo digital de um depósito de água
electro-válvula
nível máximo
nível mínimo
sistemadigital
decontrolo
entradade água
saída de água
CHEIO
VAZIO
ABRE
Apenas é importante saber se foi atingidoou não o nível máximo ou o nível mínimo
Como escrever um programaque realize a função de controlodigital?
ABRE = 0;enquanto ligado
se VAZIO == 0ABRE = 1;
senão se ABRE == 1
se CHEIO == 1ABRE = 0;
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Controlo analógico do depósito de água
bóia
entradade água
saída de água
válvula
O caudal de água varia de forma contínua com o nível de água no tanque
Qual é a relação entre o nível de água e o caudal que a válvula deixa entrar?Muito complexa!
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Digital vs. analógico
t
caudal digital
válvula abre válvula fecha
caudal máximo
caudal mínimo(zero)
t
caudal analógico
descarga
caudal máximo
caudal mínimo(zero)
enchimento
a subida do nivel da águavai fechando a válvula
bóia
entradade água
saída de água
válvula
electro-válvula
nível máximo
nível mínimo
sistemadigital
decontrolo
entradade água
saída de água
CHEIO
VAZIO
ABRE
18FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Lâmpada ligada (1) e desligada (0)
t
220V
0V
180V
40V
240V
t
estado dalâmpada
lâmpada ligada (1)
lâmpada desligada (0)
estado indefinido
ligada
desligada
períodos de transição
0 1 10
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Zeros e uns
• Informação codificada em 2 estados: 0 e 1– “0” representado por tensões eléctricas baixas– “1” representado por tensões eléctricas altas
• Circuitos electrónicos digitais– construídos com interruptores (transístores)– Entendem as entradas como “0” ou “1”...– ... e produzem na saída zeros e uns
• representados por tensões eléctricas altas ou baixas
20FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Texto
Um texto
em ASCII
85, 109, 32, 116, 101, 120, 116, 111, 13, 10101, 109, 32, 65, 83, 67, 73, 73
nova linha
códigos ASCII (em decimal)caracteres
ASCII - American Standard Code for Information Interchange
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21FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Imagens
67 74 86
Um pixel
Maria Eugénia de Oliveira Botelho1921 105
20
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Áudio
t
127
-127
63
31
95
0
-95
-31
-63
-19 32 87 94 80 14 -43...amplitude do sinal nos instantes de amostragem:
período de amostragem (125µs para fs=8KHz)
sinal analógicoamostraA
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Interface analógico-digital
A/ DV(t)
101100101100
D/ A
101100101100
V(t)
V( t)
t
127
63
0
-63
t
-127
A
sinal analógico original
127
63
0
-63
t
-127
A
t
V( t)
amostras do sinal
sinal analógico reconstruído
V( t)
t
sinal analógico: original e reconstruído
amostras do sinal
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Áudio analógico
• Um disco de vinil
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25FEUP/DEEC – Laboratório de Sistemas Digitais
Áudio digital
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Mostradores com LEDs
abcdefg
ab
cd
e
fg
a=1
b=1c=0d=1e=1f=0
g=1
a=0b=1c=1
d=0e=0f=1
g=1
a=0
b=1c=1d=0e=0f=0
g=0
entradas
LEDs