PDF de programación - Tema 7. SISTEMAS SECUENCIALES

Fundamentos de Computadores. Sistemas Secuenciales.



T7-1

Tema 7. SISTEMAS SECUENCIALES



INDICE:


• INTRODUCCIÓN

• SISTEMAS SECUENCIALES SÍNCRONOS

• TIPOS DE BIESTABLES

o TABLAS DE EXCITACIÓN DE LOS BIESTABLES
o OTROS TIPOS DE BIESTABLES

• ANÁLISIS DE CIRCUITOS SECUENCIALES

SÍNCRONOS

• DISEÑO DE CIRCUITOS SECUENCIALES

SÍNCRONOS CON BIESTABLES



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T7-2

INTRODUCCION


Los circuitos lógicos se clasifican en dos tipos:


• Combinacionales, aquellos cuyas salidas sólo dependen de las

entradas actuales.

• Secuenciales, aquellos cuyas salidas dependen no sólo de sus entradas

actuales, sino también de sus entradas anteriores.



Esta “información” de las entradas anteriores, debe preservarse en el
circuito y se denomina estado interno, secundario, o simplemente estado del
circuito. Es necesario distinguir el valor presente de una señal del que poseía en
un instante inmediatamente anterior, y éste del anterior,... Por ello habrá una
intervención explícita del tiempo.
Un sistema secuencial posee 2n estados de entrada para n entradas (X1...Xn).
Poseen además 2p estados de salida para p salidas (Z1...Zp) y un número finito de
estados internos (y1...ym) de ahí que sean conocidos como autómatas finitos.

Según la relación entre las salidas y los estados internos podemos distinguir:
• AUTÓMATA de MEALY, las salidas se obtienen en función de las

entradas y los estados internos:

X1

Xn

y1

ym

Sistema

Combinacional

(B)

Z1

Zp

Sistema

Combinacional

(A)

Memoria

Memoria

Y1

Ym


• AUTÓMATA de MOORE, las salidas coinciden o dependen solo de los

estados internos:



X1

Xn

y1

ym

Sistema

Combinacional



Z1

Zp

Memoria

Memoria

Y1

Ym

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T7-3

SISTEMAS SECUENCIALES SÍNCRONOS



Según la forma de realizar el elemento de memoria nos podemos encontrar

distintos tipos de sistemas secuenciales, principalmente dos:


• Sistemas Secuenciales Síncronos, en los que su comportamiento puede
definirse en
tiempo, se necesita una
sincronización de los elementos del sistema mediante una señal de reloj,
que no es más que un tren de pulsos periódico. Las variables internas no
cambian hasta que no llega un pulso del reloj.

instantes de discretos de


• Sistemas Secuenciales Asíncronos, actúan de forma continua en el
tiempo, un cambio de las entradas provoca cambios en las variables
internas sin esperar a la intervención de un reloj. Son sistemas más
difíciles de diseñar.



El cambio de las variables internas se puede producir de dos maneras en un

sistema secuencial síncrono:


• Por niveles, cuando permiten que las variables de entrada actúen sobre el
sistema en el instante en el que la señal de reloj toma un determinado
nivel lógico (0 ó 1).


• Por flancos, o cambios de nivel, cuando la acción de las variables de
entrada sobre el sistema se produce cuando ocurre un flanco activo del
reloj. Este flanco activo puede ser de subida (cambio de 0 a 1) o de bajada
(cambio de 1 a 0).



El elemento de memoria básico de los circuitos secuenciales
síncronos es el biestable. Almacena el estado 0 ó el estado 1,
y de ahí su nombre,
tienen dos estados estables de
funcionamiento.

También se les suele conocer como FLIP-FLOPS.



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T7-4

TIPOS DE BIESTABLES


Biestable RS


El biestable básico es el RS. Su símbolo lógico se muestra a continuación.
Tiene dos entradas S(set) y R(reset), y tiene dos salidas complementarias Q (qn)
y Q, tiene además una entrada CLK(reloj) activa por flanco de subida.

R

CLK

S

Q

Q

Modo de
Operación

Mantenimiento

Reset
Set

Prohibido

Off

Entradas

CLK



S
0
0
1
1
X

R
0
1
0
1
X

Salidas
qn+1 qn+1
qn
qn
1
0
0
1
1
1
qn
qn



qn: estado presente
qn+1: estado futuro

Ecuación característica
Qn+1 = S + R’Qn



qn
0
0
0
0
1
1
1
1

S
0
0
1
1
0
0
1
1

R
0
1
0
1
0
1
0
1

qn+1
0
0
1

Indeterminado

1
0
1

indeterminado

Tabla de funcionamiento básico del biestable SR



Biestable D (Latch o Cerrojo)


Se trata de otro tipo de Biestable, esta vez con una entrada D(datos) y dos
salidas de estados complementarias, Q. Cuenta además con una entrada de
CLK(reloj), activada por flanco de subida. También puede contar con dos
entradas más, conocidas por PR (de preset: reiniciar) y CLR (de clear:
despejar). Estas últimas son de tipo asíncrono.



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T7-5

El Biestable D que aparece en la figura, puede funcionar de dos formas:

• Síncrona: usa una señal de reloj.
• Asíncrona: usa las señales PR Y CLR.


De forma síncrona lo hace de la siguiente manera: Si la transición de la señal
de reloj es de bajo a alto (o sea, de 0 a 1) se traslada el dato D a la salida, se dice
que el biestable ha sido disparado por la señal de reloj. Si por el contrario la
transición en el pulso de reloj es de estado alto a bajo (o sea, pasa de 1 a 0) el
biestable no responde. En este caso, el último valor permanece almacenado sin
cambios.

Las entradas PR y CLR son lo que se llaman entradas asíncronas, pues
independientemente de cómo esté la señal de reloj, reiniciarán (pondrán un 1 en
la salida) o despejarán (pondrán un 0 en la salida) el biestable. Éste es el modo
de funcionamiento asíncrono.

La ecuación característica es: Qn+1 = D

D PR
CLK

CLR

Q

Q

Modo

de

Operación

Set asíncrono
Reset asíncrono

Prohibido

Set
Reset



Entradas

Asíncronas

Síncronas

Salidas



__
PR
1
0
1
0
0

___
CLR



CLK

0
1
1
0
0

X
X
X
›
›


D
X
X
X
1
0


Q
1
0
1
1
0

_
Q
0
1
1
0
1

Activo por flanco de Subida
Activo por flanco de bajada

qn
0
0
1
1

D
0
1
0
1

qn+1
0
1
0
1

Tabla de funcionamiento básico del biestable D



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T7-6



Biestable JK

El biestable JK puede considerarse como el biestable universal. Dispone de tres
entradas síncronas J y K, para especificar la operación y CLK, para disparar el
biestable. También consta de dos entradas asíncronas PR y CLR, y por supuesto
dos salidas complementarias.

Su ecuación característica es: Qn+1 = JQn’ + K’Qn

Este es su símbolo tradicional y su tabla de funcionamiento:

J PR
CLK

K

CLR

Q

Q



J
0
0
1
1
0
0
1
1

qn
0
0
0
0
1
1
1
1

Modo

de

Operación

Set asíncrono
Reset asíncrono

Prohibido

Mantenimiento

Reset
Set

Conmutación

Entradas

Asíncronas

Síncronas

__
PR
1
0
1
0
0
0
0

___
CLR

____
CLK

0
1
1
0
0
0
0

X
X
X
fl
fl
fl
fl



J
K
X X
X X
X X
0
0
1
0
0
1
1
1

Salidas



_

Q
Q
0
1
1
0
1
1
qn-1 qn-1
1
0
1
0
qn-1 qn-1

K
0
1
0
1
0
1
0
1

qn+1
0
0
1
1
1
0
1
0

Tabla de funcionamiento básico del biestable JK



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T7-7


Biestable T


Se trata de un biestable que se comporta como un biestable JK en el que hemos
unido las entradas J y K:

EN

T

Q

Q

EN

T

EN
0
0
1
1



T
0
1
0
1

qn+1
qn
qn
qn
qn

qn: estado presente
qn+1: estado futuro

Biestable T construido con JK

J

CLK

K

Q

Q

Q

Q



Su ecuación característica: Qn+1 = TQn‘ + T’Qn

qn
0
0
1
1

T
0
1
0
1



qn+1
0
1
1
0

Tabla de funcionamiento básico del biestable T



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T7-8



TABLAS DE EXCITACIÓN DE LOS BIESTABLES

Estas tablas relacionan estado presente y estado siguiente del biestable



frente a sus entradas.



qn
0
0
1
1

qn
0
0
1
1

qn+1
0
1
0
1

S
0
1
0
X

Biestable SR



qn+1
0
1
0
1

J
0
1
X
X



Biestable JK

R
X
0
1
0

K
X
X
1
0

qn
0
0
1
1

qn
0
0
1
1

Biestable D


qn+1
0
1
0
1



qn+1
0
1
0
1



D
0
1
0
1

T
0
1
1
0

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T7-9

OTROS TIPOS DE BIESTABLES


Master & Slave (Maestro-Esclavo)


La mayor parte de los sistemas digitales complejos operan con un sistema
secuencial síncrono, lo que requiere un reloj maestro que envíe señales a todas
las partes del sistema para coordinar la operación del mismo.
Los biestables que hemos visto transfieren la entrada a la salida cuando se lo
indica el cambio en la señal de reloj. Ya hemos visto que están disparados por
flancos de subida o de bajada.


Pero muchos biestables son dispositivos disparados por pulsos,
denominándose biestables maestro-esclavo. Un biestable maestro-esclavo está
formado por varias puertas y flips-flops conectados de manera que se usa el
pulso completo de reloj (tiempo que el reloj está a nivel alto) para transmitir el
dato de la entrada a la salida. Aquí se expone un ejemplo realizado con
biestables RS.
La señal de reloj controla el maestro, se invierte y controla el esclavo.Así,
cuando CLK=1 (reloj alto) el maestro registra los datos presente en las entradas
RS, permaneciendo inhibido el esclavo, por lo que no hay transferencia de
información al mismo.
Con el reloj en nivel bajo (CLK=0) el maestro se inhibe, no hay modificaciones
en sus salidas, y éstas actúan como entradas al esclavo, transfiriéndose su estado
a la salida del mismo.
O sea, la entra