Fundamentos de Diseño Lógico y de Computación

646 Pages·2005·5.099 MB·Spanish

by  M. Morris Mano, C.R. Kime

Cubierta Morris Mano.qxd 22/3/10 13:32 Página 1
3ª ed.
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El objeto de este texto es proporcionar una comprensión de los Incluye:
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fundamentos del diseño lógico y de los procesadores para una amplia
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fundamentos mientras que al mismo tiempo refleja la importancia relativa
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fundamentos del diseño de procesadores. u
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M. Morris Mano
Charles R. Kime
www.pearsoneducacion.com

Fundamentos de diseño lógico
y de computadoras
Tercera Edición

Fundamentos de diseño lógico
y de computadoras
Tercera Edición
M. MORRIS MANO
California State University, Los Ángeles
CHARLES R. KIME
University of Wisconsin, Madison
Traducción
José Antonio Herrera Camacho
Profesor Titular de Escuela Universitaria
Universidad Politécnica de Madrid
Martina Eckert
Dra. Ingeniería en Telecomunicación
Universidad Politécnica de Madrid
Beatriz Valcuende Lozano
Ingeniera Técnica en Telefonía y Transmisión de Datos
Universidad Politécnica de Madrid
Revisión técnica
José Antonio Herrera Camacho
Profesor Titular de Escuela Universitaria
Universidad Politécnica de Madrid
Madrid México Santafé de Bogotá BuenosAires Caracas Lima Montevideo
SanJuan SanJosé Santiago Sa˜oPaulo White Plains
DatosdecatalogaciÜnbibliogrØfica
FUNDAMENTOSDEDISEÑOLÓGICO
YDECOMPUTADORAS
Mano,M.Morris;Kime,Charles
PEARSONEDUCACIÓN,S.A.,Madrid,2005
ISBN: 978-84-832-2688-9
Materia:Electrónica621,3
Formato195#250mm Páginas:648
Todoslos derechosreservados.
Quedaprohibida, salvoexcepciónprevista enlaLey, cualquier formadereproducción,distribución,
comunicaciónpública ytransformacióndeestaobrasincontar conautorizacióndelos titulares
depropiedadintelectual. Lainfraccióndelos derechosmencionadospuede serconstitutiva
dedelitocontra lapropiedadintelectual (arts.270ysgts.Código Penal).
DERECHOSRESERVADOS
52005porPEARSONEDUCACIÓN,S.A.
Riberadel Loira,28
28042Madrid (España)
FUNDAMENTOSDEDISEÑOLÓGICOYDECOMPUTADORES
Mano,M.Morris;Kime,Charles
ISBN:84-205-4399-3
Depósitolegal: M.
PEARSONPRENTICEHALLes unsello editorial autorizadode PEARSONEDUCACIÓN,S.A.
Authorizedtranslation fromtheEnglishlanguage edition, entitled LOGICANDCOMPUTERDESIGN
FUNDAMENTALS,3rdEditionbyMano,M.Morris;Kime,Charkes,publishedbyPearsonEducation, Inc,
publishingas PrenticeHall,Copyright 52004.
ISBN0-13-140539-X
Allrights reserved.Nopartofthis bookmaybe reproducedortransmitted inany formorbyanymeans,
electronic ormechanical, including photocopying,recording orbyanyinformation storageretrieval system,
withoutpermissionform PearsonEducation, Inc.
Equipoeditorial:
Editor:MiguelMartín-Romo
Técnicoeditorial: MartaCaicoya
Equipodeproducción:
Director:JoséAntonio Clares
Técnico: DiegoMarín
Diseñodecubierta: Equipode diseñodePearsonEducación,S.A.
Composición:COPIBOOK,S.L.
Impresopor:
IMPRESOENESPAÑA- PRINTEDINSPAIN
Estelibrohasidoimpresoconpapelytintasecológicos
C
ONTENIDO
Prefacio .......................................................................................... xv
(cid:1) Capítulo 1 3
ORDENADORESDIGITALES E INFORMACIÓN ......................................................... 3
1-1 Computadoras digitales .......................................................... 4
Representación de la información ................................................ 5
Estructura de una computadora .................................................. 5
Más en relación con la computadora genérica .................................... 6
1-2 Sistemas numéricos ............................................................. 8
Números binarios ............................................................... 9
Números octales y hexadecimales ............................................... 10
Rangos de los números .......................................................... 12
1-3 Operaciones aritméticas ......................................................... 12
Conversión de decimal a otras bases ............................................. 15
1-4 Códigos decimales .............................................................. 17
Suma en BCD ................................................................... 18
Bit de paridad ................................................................... 19
1-5 Códigos Gray ................................................................... 19
1-6 Códigos alfanuméricos .......................................................... 21
1-7 Sumario del capítulo ............................................................ 24
Referencias ..................................................................... 24
Problemas ....................................................................... 24
(cid:1) Capítulo 2 27
CIRCUITOSLÓGICOSCOMBINACIONALES ............................................................ 27
2-1 Lógica binaria y puertas ......................................................... 28
Lógica binaria ................................................................... 28
Puertas lógicas .................................................................. 29
vi (cid:2) CONTENIDO
2-2 Álgebra de Boole ............................................................... 31
Identidades básicas del Álgebra de Boole ........................................ 33
Manipulación algebraica ......................................................... 35
El complemento de una función ................................................. 37
2-3 Formas canónicas ............................................................... 39
Minitérminos y maxitérminos .................................................... 39
Suma de productos .............................................................. 42
Producto de sumas .............................................................. 44
2-4 Optimización de circuitos de dos niveles ......................................... 44
Criterios de coste ................................................................ 45
Mapa de dos variables ........................................................... 46
Mapa de tres variables .......................................................... 47
Mapa de cuatro variables ........................................................ 51
2-5 Manipulación del mapa .......................................................... 54
Implicantes primos esenciales ................................................... 54
Implicantes primos no esenciales ................................................ 56
Optimización de producto de sumas ............................................. 57
Condiciones de indiferencia ..................................................... 59
2-6 Optimización de circuitos multinivel ............................................. 61
2-7 Otros tipos de puertas ........................................................... 65
2-8 Operador y puertas OR exclusiva ................................................ 69
Función impar .................................................................. 70
2-9 Salidas en altas impedancia ...................................................... 71
2-10 Resumen del capítulo ............................................................ 74
Referencias ..................................................................... 74
Problemas ....................................................................... 75
(cid:1) Capítulo 3 81
DISEÑO LÓGICO COMBINACIONAL .................................................................. 81
3-1 Conceptos de diseño y automatización ........................................... 82
Diseño jerárquico ............................................................... 83
Diseño top-down ................................................................ 86
Diseño asistido por computadora ................................................ 86
Lenguaje de descripción hardware ............................................... 87
Síntesis lógica ................................................................... 88
3-2 El espacio de diseño ............................................................ 90
Propiedades de las puertas ....................................................... 90
Niveles de integración ........................................................... 90
Tecnologías de circuitos ......................................................... 91
Parámetros tecnológicos ......................................................... 91
Lógica positiva y negativa ....................................................... 95
Compromisos de diseño ......................................................... 96
3-3 Ciclo de diseño ................................................................. 97
3-4 Mapeado tecnológico ............................................................ 104
Especificaciones de las células ................................................... 105
Librerías ........................................................................ 105
Técnicas de mapeado ............................................................ 107
CONTENIDO (cid:2) vii
3-5 Verificación ..................................................................... 113
Análisis lógico manual .......................................................... 113
La simulación ................................................................... 115
3-6 Tecnologías de implementación programables .................................... 116
Memorias de sólo lectura ........................................................ 119
Array lógico programable ....................................................... 121
Arrays de lógica programables ................................................... 122
3-7 Sumario del capítulo ............................................................ 124
Referencias ..................................................................... 124
Problemas ....................................................................... 125
(cid:1) Capítulo 4 133
FUNCIONES Y CIRCUITOS COMBINACIONALES ....................................................... 133
4-1 Circuitos combinacionales ....................................................... 134
4-2 Funciones lógicas básicas ........................................................ 134
Asignación, transferencia y complemento ........................................ 134
Funciones de varios bits ......................................................... 135
Habilitación ..................................................................... 137
4-3 Decodificación .................................................................. 140
Extensión de decodificadores .................................................... 140
Decodificadores con señal de habilitación ........................................ 143
4-4 Codificación .................................................................... 144
Codificador con prioridad ....................................................... 145
Expansión de codificadores ...................................................... 146
4-5 Selección ....................................................................... 148
Multiplexores ................................................................... 147
Expansión de multiplexores ...................................................... 149
Implementaciones alternativas de selectores ...................................... 150
4-6 Implementación de funciones combinacionales ................................... 152
Empleando decodificadores ...................................................... 152
Empleando multiplexores ........................................................ 154
Empleando memorias de sólo lectura ............................................ 157
Usando arrays lógicos programables ............................................. 159
Usando arrays de lógica programable ............................................ 162
Empleando tablas de búsqueda .................................................. 163
4-7 HDL representación para circuitos combinacionales-VHDL ....................... 165
4-8 Representación HDL de circuitos combinacionales-Verilog ....................... 172
4-9 Resumen del capítulo ............................................................ 178
Referencias ..................................................................... 179
Problemas ....................................................................... 179
(cid:1) Capítulo 5 189
FUNCIONESY CIRCUITOSARITMÉTICOS ............................................................. 189
5-1 Circuitos combinacionales iterativos ............................................. 190
5-2 Sumadores binarios .............................................................. 190
Semi-sumador ................................................................... 191
viii (cid:2) CONTENIDO
Sumador completo .............................................................. 192
Sumador binario con acarreo serie ............................................... 193
Sumador con acarreo anticipado ................................................. 194
5-3 Resta binaria .................................................................... 197
Complementos .................................................................. 200
Resta con complementos ........................................................ 200
5-4 Sumador-restador binario ........................................................ 202
Números binarios con signo ..................................................... 203
Suma y resta binaria con signo .................................................. 204
Overflow o desbordamiento ..................................................... 206
5-5 Multiplicación binaria ........................................................... 208
5-6 Otras funciones aritméticas ...................................................... 209
Contracción o reducción ......................................................... 209
Incremento ...................................................................... 211
Decremento ..................................................................... 213
Multiplicación por constantes .................................................... 213
División por constantes .......................................................... 213
Relleno a ceros y extensión ...................................................... 214
5-7 Representación HDL-VHDL ..................................................... 215
Descripción de comportamiento ................................................. 217
5-8 Representaiones HDL-Verilog ................................................... 216
Descripción de comportamiento ................................................. 219
5-9 Resumen del capítulo ............................................................ 220
Referencias ..................................................................... 220
Problemas ....................................................................... 221
(cid:1) Capítulo 6 227
CIRCUITOS SECUENCIALES ......................................................................... 227
6-1 Definición de circuito secuencial ................................................ 228
6-2 Latches ......................................................................... 230
Latches RS y R1S1 ................................................................ 231
Latch D ......................................................................... 233
6-3 Flip-flops ....................................................................... 235
Flip-flop maestro-esclavo ........................................................ 236
Flip-flop disparados por flanco .................................................. 238
Símbolos gráficos estándar ...................................................... 239
Entradas asíncronas ............................................................. 241
Tiempos de los flip-flops ........................................................ 242
6-4 Análisis de circuitos secuenciales ................................................ 243
Ecuaciones de entrada ........................................................... 243
Tabla de estados ................................................................ 245
Diagrama de estados ............................................................ 247
Temporización del circuito secuencial ........................................... 248
Simulación ...................................................................... 250
6-5 Diseño de circuitos secuenciales ................................................. 252
Procedimiento del diseño ........................................................ 252
Localización de los diagramas de estados y las tablas de estados ................. 253