Sistemas Digitales Arquitectura Computadoras

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  • Sistemas Digitales y Arquitectura deComputadoras

    Emiliano Llano Daz

  • SISTEMAS DIGITALES Y ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

    Emiliano Llano Daz

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    Col. Roma Mxico, D.F.

    564-10-11 564-02-68 FAX 264-61-08

    ISBN 970-91050-0-0SEP 10137/91Registrado ante la SEP en la propiedad intelectual del autor

    Impreso y hecho en Mxico.

    1era edicin junio 1993.

  • Contenido

    ndice de Figuras

    Introduccin

    Bibliografa I.x

    1. Corriente Elctrica

    1.1 Los Electrones 1.1

    1.2 El Voltaje 1.3

    1.3 La Corriente 1.4

    1.4 Circuitos Elctricos 1.6

    1.4.1 Fuentes de Poder 1.7

    1.4.2 Corriente Directa y Alterna 1.8

    1.5 Ley de Ohm 1.11

    1.5.1 Leyes de Kirchoff 1.13

    1.5.2 Teorema de Thvenin y Norton 1.15

    1.6 Resumen 1.16

    1.6.1 Puntos Importantes del Captulo 1.16

    1.7 Problemas 1.17

    1.8 Bibliografa 1.18

    2. Elementos Elctricos y Electrnicos

    2.1 Resistencia 2.1

    2.2 Capacitor 2.5

    i

  • 2.3 Inductores 2.10

    2.4 Dispositivos Semiconductores 2.13

    2.4.1 Diodo 2.14

    2.4.2 Diodo Emisor de Luz (LED) 2.17

    2.4.3 Transistor 2.19

    2.4.3.1 Transistor como Amplificador 2.22

    2.4.3.2 Comportamiento del Transistor 2.23

    2.5 Circuitos Integrados (CI) 2.26

    2.5.1 El Proceso de Manufactura 2.26

    3. Sistemas Numricos

    3.1 El Sistema Decimal 3.3

    3.2 El Sistema Binario 3.4

    3.2.1 Contando en el Sistema Binario 3.5

    3.2.2 Conversin de Sistema Decimal a Binario 3.7

    3.2.3 Suma y Resta en Sistema Binario 3.8

    3.2.4 Multiplicacin y Divisin Binaria 3.8

    3.3 Representando Nmeros en Otras Bases 3.9

    3.4 Decimal Codificado en Binario (BCD) 3.11

    3.5 Nmeros Negativos 3.13

    3.5.1 Complementos 3.14

    3.6 Cdigo Grey y ASCII 3.16

    3.7 Resumen 3.18

    ii

  • 3.7.1 Puntos Importantes del Captulo 3.19

    3.8 Problemas 3.20

    3.8 Bibliografa 3.21

    4. Circuitos Lgicos

    4.1 Introduccin 4.1

    4.2 Funcines de una sola Variable Binaria 4.2

    4.3 Funcines de dos Variables 4.3

    4.3.1 Operacin Y (AND) 4.3

    4.3.1.1 La Operacin Y con Interruptores 4.5

    4.3.2 Operacin O (OR) 4.5

    4.3.3 Operacin NO Y y NO O (NAND y NOR) 4.6

    4.3.5 La operacin O EXCLUSIVA 4.9

    4.3.6 Otras Funcines 4.10

    4.4 Variables Lgicas 4.10

    4.5 La Notacin 0 y 1 4.13

    4.6 Operacines Necesarias y Suficientes 4.14

    4.7 Teoremas del Algebra Booleana 4.15

    4.8 Resumen 4.19

    4.8.1 Puntos Importantes del Captulo 4.20

    4.9 Problemas 4.20

    4.10 Bibliografa 4.22

    5. Simplificacin de Funciones Lgicas

    iii

  • 5.1 Formas Estandares de las Funciones Lgicas 5.1

    5.1.1. La Suma Estandard de Productos 5.1

    5.1.2 El Producto Estandard de las Sumas 5.4

    5.2 Especificaciones de Minitrminos y Maxitrminos de una Funcin 5.6

    5.3 Representacin de Funciones Lgicas en Mapas de Karnaugh 5.7

    5.3.1 Mapa de Karnaught para Tres y Cuatro Variables 5.10

    5.3.2 Simplificacin de Funciones con Mapas de Karnaught 5.11

    5.3.3 Mapas de Karnaught para Cinco o ms Variables 5.14

    5.3.4 El Uso de Mapas de Karnaught 5.16

    5.3.5 Mapas de Funciones no Expresadas en Minitrminos 5.20

    5.4 Sntesis Usando Compuertas NOY y NOO 5.21

    5.5 Funciones no Especificadas Completamente 5.24

    5.6 Otras Tcnicas de Reduccin 5.25

    5.7 Resumen 5.26

    5.7.1 Puntos Importantes del Captulo 5.26

    5.8 Problemas 5.27

    5.9 Bibliografa 5.28

    6. Familias Lgicas

    6.1 Familias en Desuso 6.4

    6.1.1 Lgica de Resistencia Transistor 6.4

    6.1.2 Lgica de Diodo Transistor 6.6

    6.2 Lgica de Transistor Transistor 6.7

    iv

  • 6.3 Lgica de Semiconductor de xido Metlico 6.10

    6.4 Consideraciones de Carga de la Familia TTL 6.12

    6.5 Consideraciones de Ruido 6.18

    6.5.1 Tipos de Ruidos y Mtodos de Control 6.18

    6.5.1.1 Blindaje 6.19

    6.5.1.2 Aterrizaje y Desacoplamiento 6.19

    6.5.1.3 Reflexiones en Lneas de Transmisin 6.20

    6.6 Resumen 6.21

    6.6.1 Puntos Importantes del Captulo 6.21

    6.7 Bibliografa 6.22

    7. Elementos Lgicos. El Flip-flop

    7.1 Flip-Flop 7.1

    7.1.1 Terminologa 7.2

    7.1.2 Funcionamiento 7.3

    7.1.2 Flip-flop con Compuertas del Tipo NOY 7.4

    7.1.3 Aplicacin 7.5

    7.2 El Reloj 7.6

    7.3 Flip-flop con Reloj 7.8

    7.4 Flip-flop Maestro-Esclavo 7.10

    7.5 Flip-flop Tipo JK 7.15

    7.6 Flip-flop Tipo D 7.16

    7.7 Dnde Usar Flip-flops? 7.17

    v

  • 7.8 Resumen 7.18

    7.8.1 Puntos Importantes del Captulo 7.19

    7.9 Bibliografa 7.19

    8. Elementos Lgicos. Registros y Contadores

    8.1 Registro de Corrimiento 8.1

    8.1.1 Reloj 8.3

    8.1.2 Transferencia Paralela-Serie 8.4

    8.1.3 Acarreo (End Around Carry) 8.4

    8.1.4 Registro de Corrimiento a la Izquierda y Derecha 8.5

    8.2 Contadores 8.6

    8.2.1 Contadores no binarios 8.10

    8.2.1.1 Bloqueo 8.12

    8.3 Generadores de Secuencias 8.12

    8.3.1 Secuenciadores 8.13

    8.4 Resumen 8.15

    8.4.1 Puntos Importantes del Captulo 8.15

    8.5 Bibliografa 8.15

    9. Elementos Lgicos. La Unidad Aritmtica y Lgica

    9.1 La Unidad Aritmtica y Lgica (UAL o ALU) 9.1

    9.1.1 Construccin del ALU 9.2

    9.2 La Suma de dos Nmeros 9.4

    9.2.1 Sumador Completo 9.5

    vi

  • 9.2.2 Sumador en Serie 9.7

    9.2.3 Suma en paralelo 9.9

    9.2.4 Sumadores Rpidos 9.11

    9.3 Resta 9.11

    9.4 Nmeros Complementarios 9.13

    9.5 Multiplicacin 9.14

    9.6 Divisin 9.16

    9.7 Ejemplo de Unidad Aritmtica y Lgica 9.17

    9.8 Resumen 9.18

    9.8.1 Puntos Importantes del Captulo 9.18

    9.9 Bibliografa 9.18

    10. La Memoria

    10.1 Tipos de Memorias 10.1

    10.2 Memoria de Acceso Aleatorio 10.3

    10.2.1 Direccin 10.6

    10.3 Memoria Dinmica 10.8

    10.4 La Memoria de Slo Lectura 10.9

    10.4.1 Realizacin de una Memoria de Slo Lectura 10.13

    10.4.2 Memorias Programables y Borrables 10.15

    10.5 Organizacin de la Memoria 10.15

    10.6 Resumen 10.19

    10.6.1 Puntos Importantes del Captulo 10.19

    vii

  • 10.7 Bibliografa 10.20

    11. La Unidad de Procesamiento Central

    11.1 Interpretando el Contenido de la Memoria 11.3

    11.1.1 Datos binarios puros 11.3

    11.1.2 Datos Codificados en Binario 11.3

    11.1.3 Cdigos de Caracteres 11.4

    11.1.4 Cdigo de Instrucciones 11.5

    11.2 Componentes de la Unidad de Proceso Central 11.6

    11.2.1 Registros 11.6

    11.2.2 Forma de Usar los Registros 11.8

    11.2.3 Banderas de Estado 11.11

    11.3 Ejecucin de Instrucciones 11.12

    11.4 La Unidad de Control 11.15

    11.4.1 Ejemplo de Unidad de Control 11.18

    11.5 Resumen 11.25

    11.5.1 Puntos Importantes del Captulo 11.25

    11.6 Problemas 11.26

    11.7 Bibliografa 11.26

    12. Lgica ms all de la UPC

    12.1 Entrada/Salida 12.1

    12.2 Entrada/Salida Programada 12.2

    12.3 Entrada/Salida por Interrupcin 12.8

    viii

  • 12.3.1 Respuesta de la UPC a una Interrupcin 12.13

    12.3.2 Cdigo de Seleccin de un Dispositivo que Interrumpe 12.14

    12.3.3 Prioridades de Interrupcin 12.15

    12.4 Acceso Directo a Memoria 12.19

    12.4.1 Robo de Ciclos 12.20

    12.4.2 DMA con Dispositivos Externos Mltiples 12.24

    12.4.5 DMA Simultneo 12.24

    12.5 Entrada/Salida Serial 12.25

    12.7 Resumen 12.28

    12.7.1 Puntos Importantes del Captulo 12.29

    12.8 Problemas 12.30

    12.9 Bibliografa 12.30

    13. Programacin

    13.1 Los Programas en la Memoria 13.2

    13.2 Conjunto de Instrucciones 13.6

    13.3 Ensambladores 13.6

    13.4 Direccionamiento a Memoria 13.9

    13.4.1 Direccionamiento Implcito 13.9

    13.4.2 Direccionamiento directo a memoria 13.10

    13.4.3 Direccionamiento Indirecto 13.10

    13.5 Tipos de Instrucciones 13.11

    13.5 Lenguajes de Alto Nivel 13.12

    ix

  • 13.7 Intrpretes y Compiladores 13.13

    13.7.1 Intrpretes 13.13

    13.7.2 Compiladores 13.15

    13.8 Sistemas Operativos Avanzados 13.17

    13.9 Resumen 13.17

    13.9.1 Puntos Importantes del Captulo 13.18

    13.10 Problemas 13.18

    13.11 Bibliografa 13.19

    14. Una Unidad de Procesamiento Central Comercial

    14.1 Un ejemplo: El circuito 80486 de Intel 14.1

    14.2 Formas de Direccionamiento 14.5

    14.3 Ventajas de una Memoria Segmentada 14.7

    14.4 Instrucciones 14.8

    14.5 Instrucciones de Transferencia 14.10

    14.6 Instrucciones Aritmticas 14.15

    14.7 Instrucciones de Manipulacin de Bits 14.17

    14.8 Transferencias de Programas 14.19

    Procedimientos o Subrutinas 14.23

    14.10 Interrupciones 14.25

    14.11 Instrucciones con Cadenas 14.27

    14.14 Instrucciones para Control del Proceso 14.30

    14.15 El Coprocesamiento 14.30

    x

  • 14.16 Errores Comunes al E