MICROPROCESADORES

REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO DE ENTRADA Y SALIDA SERIAL, REGISTRO DE ROTACIÓN A LA DERECHA, TRANSFERENCIA DE DATOS Y CONTADOR DE PROGRAMAS.

I. INTRODUCCIÓN

Estos dispositivos son muy utilizados en las aplicaciones que conllevan la cuenta de eventos o en las mediciones de tiempos, como es el caso de los relojes digitales, contadores de impulso, frecuencimetros digitales, contadores digitales, autómatas finitos, etc.

En Electrónica existen muchas posibilidades para construir juegos de luces que van desde simple circuito intermitente con una lámpara, hasta el sofisticado control del luces en un espectáculo musical creado por medio de una computadora.

El circuito que se construyó en este laboratorio, permite manejar un número considerable de luces el cual puede seleccionarse por medio de unos pequeños interruptores.

El circuito de reloj, es el encargado de establecer la velocidad de operación del circuito, es decir, establece la velocidad con que las lámparas encenderán una tras otra en forma secuencial. Éste tiene como función enviar un tren de pulsos a las demás partes del circuito para que trabajen en forma sincronizada.

Para seleccionar cuantas salidas desea activar, existe un circuito selector conformado por una serie de interruptores en miniatura que le permiten seleccionar las salidas.

El circuito de control tiene una capacidad de corriente muy limitada, del orden de unos pocos miliamperios, la cual es apenas suficiente para encender un diodo LED.

II. OBJETIVOS

1. OBJETIVOS GENERALES

Interpretar el funcionamiento de los CI`s 74194, 74163, 7474, 7400 como registros de desplazamiento con entrada serial y salida paralela, registro de rotación a la derecha, transferencia de datos y contador de programas; tanto en el programa de simulación PROTEUS como en la prueba práctica.


2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Demostrar el funcionamiento de los registros de desplazamiento a la derecha de entrada seriales utilizando flip- flops tipo D.
- Demostrar el funcionamiento del registro de rotación a la derecha utilizando flip- flops tipo D.
- Demostrar las características operativas de los registros de desplazamiento de entrada paralela- salida serial mediante el uso de flip- flops tipo D.
- Verificar el funcionamiento del registro de desplazamiento bidireccional universal 74194.
- Mostrar como ocurre la transferencia de datos paralelos entre dos registros de 4 bits.
- Mostrar el funcionamiento de uno de los registros más importantes de un microprocesador, que es el contador de programas, que tiene como función principal apuntar la dirección de la próxima instrucción a ejecutarse.

III. RESUMEN

Primeramente realizamos los circuitos en el simulador de Laboratorio para ver sus funciones y funcionamientos con las tablas de verdad para luego realizar su implementación real en Protoboard.

La prueba en el programa simulador Proteus es un tanto complicada ya que si no se sabe usar el programa se tiene que ir buscando los componentes y eso provoca un poco de pérdida de tiempo al realizar los programas y es muy necesario guardar los circuitos todo el tiempo ya que a veces se pierde toda la información.

Cuando implementamos el circuito en protoboard tuvimos que reemplazar el contador sincrónico 74163 ya que unas de sus compuertas estaba dañada (rota) y debido a esa ruptura no podía cumplir su función correctamente.

IV. MARCO TEÓRICO

REGISTROS

Los registros son circuitos secuenciales conectados por una serie de biestables conectados en cascada. Tienen diversas aplicaciones prácticas como:
• Transmitir y recibir datos en serie y en paralelo.
• Conversión de datos en formato serie y paralelo y viceversa.
• Almacenamiento de información (memoria)

Tipos de registros:

Registros de desplazamiento ENTRADA SERIE - SALIDA SERIE. Es el registro más sencillo, en el que recibimos la información en serie e y en la salida obtenemos también en serie, pero retardad tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro. Funcionan de la siguiente forma, partiendo de que en el inicio todos los biestables están reseteados Q=0, en el primer flanco de subida de la señal de reloj (o bajada, dependiendo del biestable), el contenido de la entrada del primer biestable pasa a la su salida que es a su vez la entrada del segundo biestable. Este tipo de registro se suele usar como unidad de retardo.

Registros de desplazamiento ENTRADA SERIE - SALIDA PARALELO. En este tipo de registros, la información se recibe en serie y la salida la obtenemos en paralelo, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como biestables compongan el registro. Las salidas Q están conectadas a las entradas del biestable y a su vez a la salida en paralelo, el funcionamiento es igual que el anterior pero dependiendo del número de biestables y al terminar el ciclo de reloj, tememos una salida de tantos bits en paralelo como número de biestables.

Registros de desplazamiento ENTRADA PARALELO - SALIDA SERIE. En este tipo de registro, la información es introducen en el registro en paralelo simultáneamente en todos los biestables, por el contrario, la salida de los bits se obtienen en serie, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro. Se realizan conjugando con un circuito combinacional y otra entrada que llamamos Shift/Load con una entrada directa y otra invertida, cuando se producen un flanco activo de reloj, se produce un paso de las entradas al registro de datos a través del c. Combinacional, cuando está a nivel alto, las puertas permiten el desplazamiento en serie hacia la derecha de los bits almacenados., Produciéndose la salida de todos los datos una vez transcurridos los ciclos de reloj, es útil a la hora de convertir datos paralelos a serie para poderlos enviar por un cable.

Registros de desplazamiento ENTRADA PARALELO - SALIDA PARALELO. En este tipo de registros la información si introducida simultáneamente en los biestables paralelo y cuando se producen un flanco activo de la señal de reloj, los datos se obtienen también a la salida en paralelo.

Registro UNIVERSAL. Es el que vamos a estudiar al final de la introducción; existe un circuito en el mercado que se denomina Registro Universal XX194, ya que permite todos los tipos de registros de desplazamiento que hemos estudiado. Para seleccionar el modo de funcionamiento, dispone de dos líneas de control que van conectadas a un multiplexor, estas líneas de control seleccionan la forma de conectar los biestables y así funcionar de una forma u otra.

CONTADORES

Los contadores son circuitos secuenciales cuya salida representa el número de impulsos que se la aplica a la entrada de reloj. Está formado básicamente por biestables interconectados. Pueden contar de forma ascendente si su contenido se incrementa con cada impulso o si decrementa, aunque por lo general los contadores pueden realizar esta función de ambas maneras según el estado de una entrada. Las aplicaciones de los contadores son las siguientes:

• Relojes y temporizadores
• Divisores de frecuencia.
• Frecuencímetros.
Según la forma de conectar la señal de reloj, los contadores pueden clasificarse en asíncronos y síncronos.

Contadores Asíncronos:

En este tipo, la señal de reloj se conecta sólo al primer biestable, mientras que las otras entradas se conectan a la salida del biestable anterior. El conectarse de esta forma la señal de reloj provoca que todos los biestables no cambien de estado al mismo tiempo, por ello reciben el nombre de asíncronos. Las salidas pueden atacar a un display visualizador de siete segmentos, por ejemplo. Su funcionamiento es el siguiente, se parte de que todos los flip-flops están reseteados, cuando se produce un flanco activo de la señal de reloj, las salidas del primer biestable cambian Q=0 y Q'=1, Q' conectada a la señal de reloj del segundo biestable, produce un flaco activo, cambiando el segundo biestable el estado de sus salidas, este proceso se produce de forma indefinida a lo largo de los biestables. Podemos realizar un contador descendente si lo que conectamos a la señal de reloj es la salida Q y no Q'. El asíncrono además de indicar el número de impulsos de señal recibidos puede dividir la frecuencia de la señal de reloj. Como ejemplo la salida de la señal del primer flip-flop tiene la mitad de frecuencia que la salida de señal de reloj original, la salida del segundo flip-flop, una frecuencia 4 veces menor, así sucesivamente obteniendo divisiones en cada salida múltiplos de 2. El inconveniente de este divisor de frecuencias viene dado por el tiempo de propagación de la señal, que hace que si cambiamos el estado del primer biestable deben cambiar de estado éste y el siguiente, provocando que la señal de reloj tenga un retardo al bascular. Si se conectan más, el tiempo de espera que corresponde con el tiempo de propagación, aumenta, lo que limita la frecuencia de funcionamiento del contador. Esta frecuencia máxima viene determinada por la siguiente fórmula F< tp=" tiempo" n=" número">

Contadores síncronos:

En este tipo de biestables, la señas de reloj externa se conecta a todos los biestables. Con ello se consigue que todos los biestables evolucionen a la vez, y por lo tanto no se produzcan tiempos de retardo ni transitorios. Para conseguirlo hay que añadir una lógica combinacional para implementarla en el contador, mientras que los biestables hacen de memoria para saber en qué estado se encuentra, la lógica combinacional se encargará de calcular cual será el siguiente estado al que debe pasar el contador.

Diseño de un contador síncrono:

El diseño de un contador síncrono debe pasar por varias fases de diseño:
• Dibujar el diagrama de estados. Se representa en él la forma simbólica del funcionamiento del sistema, representando los estados que deseamos y las transiciones precisas.
Realizar la tabla simbólica de transiciones. Es otra forma de representar el anterior diagrama de estados, y está compuesta por dos columnas, la de estado actual (estado en el que se encuentra el sistema) y estado futuro (el estado que pretendemos que evolucione el sistema).
Realizar la tabla de codificación de estados. Se trata de codificarlo en binario, el número de biestables del sistema depende del número de estados del mismo. Por ejemplo, si queremos un contador de 8 estados (módulo 8) siguiendo la relación N=2^n; n=log(2)N, serían necesarios 3 biestables para codificar los estados del contador. 7(10)=111(2) son tres bits, por lo tanto necesitamos 3 biestables. Pasamos a binario tanto el estado actual como el estado futuro y cada bit de salida es una salida de un biestable.
Crear una tabla de transiciones codificada. Tiene dos columnas al igual que la tabla simbólica de transiciones, pero ya codificada en binario. El estado actual representa el valor de la salida de los biestables (salida Q) y el estado futuro representa el valor de la salida que deben tomar Q en el siguiente flanco activo, denominándose Q+.
Realización de las tablas de excitación. Para conseguir que un biestable pase de un estado actual a un estado futuro, es preciso aplicarle la excitación conveniente a sus entradas. Para ello se aplican tablas de excitación, que son las tablas de verdad de los biestables pero vistas a la inversa, es decir, la entrada en función de la salida. Como ejemplo ponemos la tabla de excitación de los biestables J-K y D.
FLIP-FLOP J-K FLIP-FLOP D
Q Q+ J K Q Q+ D
0 0 0 X 0 0 0
0 1 1 X 0 1 1
1 0 X 1 1 0 0
1 1 X 0 1 1 1
• Obtención del circuito combinacional necesario, simplificación e implementación. Una vez obtenida la tabla de excitación del contador síncrono, el problema se reduce al obtener las funciones de las excitaciones, utilizando para ello Karnaugh. Una vez obtenidas las funciones, se puede implementar el circuito, conectado las salidas Q a las entradas de los siguientes biestables a través del combinacional.

V. MATERIALES

- 2 CI 7474
- 1 CI 7400
- 1 CI 7404
- 1 CI 74194
- 1 CI 74163
- Transistores BC548
- 16 Diodos LEDS
- 1 Bloque de interruptores del tipo DIP
- Resistencias de 4k7 Ω
- Resistencias de 220 Ω
- Resistencias de 10k Ω
- Resistencias de 270 Ω

VI. LABORATORIO

- Montar un registro de desplazamiento de 4 Bits con entrada paralela y salida serial.

- Montar el circuito con el CI 74194 y verificar su tabla de funcionamiento.








- Montar un circuito para la experiencia de transferencia de datos paralelos.




- Montar un contador de programas basado en el CI contador sincrónico de cuatro bits 74163







VII. CONCLUSIONES

Con el presente laboratorio se logró demostrar el funcionamiento de los registros tanto de desplazamiento a la derecha de entrada seriales como los de rotación utilizando flip- flops tipo D.

Se puede decir muy ciertamente que los Flip Flop son la base de las memorias ya que se pudo observar la etapas y como transmiten sus datos en distintos estados para varias secuencias de activación.

Aprendimos a demostrar las características operativas y funcionamiento de los registros de desplazamiento de entrada paralela- salida serial mediante el uso de los diferentes CIs

Determinamos el funcionamiento del CI 74194 y observamos que es un registro de desplazamiento bidireccional universal.

Mediante el Proteus y el Protoboars conseguimos demostrar como ocurre la
transferencia de datos paralelos entre dos registros de 4 bits usando los diferentes CIs.

Demostramos el funcionamiento de uno de los registros más importantes de un microprocesador, que es el contador de programas, que tiene como función principal apuntar la dirección de la próxima instrucción a ejecutarse.

VIII. FE DE ERRATAS

Uno de los primeros errores fue la incorrecta manera de unir los componentes en el simulador y teníamos que grabar el programa porque se colgaba a cada rato.

También debido a que el CI 74163 estaba dañado no dejaba hacer las operaciones correctamente, entonces tuvimos que comprar otro.

El principal problema que se tubo para el diseño de estos circuitos, fue la comprensión de la tabla de estados, ya que eso depende de la persona que lo este haciendo, e incluso tuvimos que interpretarla varias veces para que en el circuito nos de buenos resultados y si no se apreta el switch que corresponde no saldra el resultado que querramos.

En cuanto al diseño de la experiencia 1 y 2, no se tuvo mayores problemas, ya que contamos con ayuda del ingeniero.

Un punto muy importante es que tuvimos que añadirle un amortiguador de rebotes con compuertas NAND ya que como el programa Proteus utiliza componentes ideales en la implementación el protoboard nos daba muchos rebotes y no obteniamos el resultado preciso.

Otro cambio importante fue en el circuito 1 y 2 ya que se tuvieron que alterar los valores de las resistencias de entrada a los transistores y de salida de los LEDS porque sino desviarían tanta corriente que no dejarían que se mantuviese un valor alto en la compuerta.