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Departamento de Ingeniería Eléctrica/Electrónica, Universidad San Francisco de Quito

Laboratorio de Sistemas Digitales

14 de noviembre de 2013

Práctica No. 5 y 6 Diseño con Circuitos Integrados MSI Simulación e Implementación.

Elaborado por: Santiago Mancheno y Adrián SilvaFecha de entrega del informe: 14/11/13Fecha de elaboración de la práctica: 07/11/13

Contenido1. Objetivos 1

2. Informe 12.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Prelaboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3. Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3.1. Simulación del circuito en Proteus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3.2. Armado e implementación del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. Conclusiones 11

Referencias y Bibliografia 13

1. Objetivos1. Diseñar circuitos digitales utilizando CI MSI

2. Utilizar memorias UV-EPROM para la implementación de funciones Booleanas complejas

3. Sintetizar circuitos digitales utilizando herramientas de software

4. Simular circuitos digitales utilizando PSpice o Proteus.

2. Informe

2.1. Introducción

En esta práctica de laboratorio, se implementará una versión del juego del ahorcado. La operacióndel circuito es la siguiente:

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1. El jugador #1 ingresa un código de 4 bits el cual es utilizado como dirección base a un espacio dememoria de 4 palabras contiguas las cuales corresponden al código a ser adivinado por el jugador#2.

2. El código recuperado de memoria es comparado con un dato de 4 bits ingresado por el jugador #2,a través del CI 74LS85. El resultado de la comparación (1 si acierta, 0 si no) es entregado a unamáquina de estado finito a cual envía por un lado un código de 3 bits al decodificador 74LS47 conel número de aciertos y por otro un dato de 1 bit el cual indica si se debe proceder a leer el siguientedato de memoria o se permanece en la misma posición.

3. El acceso a los datos de memoria contiguos se realiza al incrementar un registro de acuerdo alresultado de la suma realizada en el CI 74LS83.

El esquema del circuito se muestra en la figura (2.1):

Figura 2.1: Esquema del circuito del ahorcado.Tomado de: [10]

La memoria que se va a usar es una memoria UV-EPROM (UV-Eraseble programmable Read OnlyMemory), estas es una memoria ROM en la que se guardan datos por una sola vez. Como esta ROMes programable se le puede introducir los datos por medió de una software y una computadora, ademásesta memoria es borrable por medio de UV es decir que se pueden quitar los datos de la memoria sise la expone a una intensa luz ultravioleta por media hora aproximadamente. Una implementación concompuertas lógicas de una ROM de 4⇥ 3 se muestra en la figura (2.2):

Figura 2.2: Implementación de ROM de 4⇥ 3 usando compuertas lógicas.Tomado de: [1]

La UV-EPROM que se utilizará es una memoria Intel 2764A de 64K(8K ⇥ 8) . La configuración depines se muestra en la figura(2.3):

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Figura 2.3: Configuración de Pines UV-EPROM 2764ATomado de: [2]

2.2. Prelaboratorio

Primero se diseñará la máquina de estados finitos que se necesita para la implementación del circuitodel ahorcado. Esta máquina tien una entrada llamada C que dice da un 1 cuando es correcta la compa-ración y dos salidas. La primera Y dice si hay que cambiar de dirección de memoria y la salida D2:0quemuestra los aciertos. El diagrama de estados se muestra en la siguiente figura (2.4):

Figura 2.4: Diagrama de estados de FSMTomado de: [10]

Con el diagrama de estados del sistema se realizaron la tabla de verdad para el circuito de entrada(cuadro 2.1 ) y para el circuto de salida (cuadro 2.2 ):

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Cuadro 2.1: Tabla de Verdad para el CC de entrada de FSM

Estado Actual Entrada Siguiente EstadoEstado s2 s1 s0 C Estado s02 s01 s00

S0 0 0 0 0 S0 0 0 0S0 0 0 0 1 S1 0 0 1S1 0 0 1 X S2 0 1 0S2 0 1 0 0 S2 0 1 0S2 0 1 0 1 S3 0 1 1S3 0 1 1 X S4 1 0 0S4 1 0 0 0 S4 1 0 0S4 1 0 0 1 S5 1 0 1S5 1 0 1 X S6 1 1 0S6 1 1 0 0 S6 1 1 0S6 1 1 0 1 S7 1 1 1S7 1 1 1 X S7 1 1 1

Cuadro 2.2: Tabla de Verdad para el CC de salida de FSM

Estado Actual SalidaEstado s2 s1 s0 D2 D1 D0 Y

S0 0 0 0 0 0 0 0S1 0 0 1 0 0 1 1S2 0 1 0 0 0 1 0S3 0 1 1 0 1 0 1S4 1 0 0 0 1 0 0S5 1 0 1 0 1 1 1S6 1 1 0 0 1 1 0S7 1 1 1 1 0 0 1

Después de esto se usó el software LogicFriday para la síntesís de las funciones booleanas y su imple-mentación apartir de las tablas de verdad.

Para el circuito combinacional de entrada se intrudujo la siguiente tabla de verdad de la figura (2.5):

Figura 2.5: Tabla de verdad para circuito de entrada en LogicFriday

Con esa tabla de verdad se hizo la síntesis de las funciones booleanas y se las minimizó como semuestra en la figura (2.6):

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Figura 2.6: Ecuaciónes booleanas circuito de entrada

Por último, una vez obtenidas las ecuaciones booleanas sintetizadas se hace su implementación. Paraeste circuito se pidío al programa que use compuertas AND, OR, NOT y MUX con lo que se obtuvo laimplementación de la figura (2.7):

Figura 2.7: Implementacion circuito de Entrada

Después, para el circuito combinacional de salida, igual que antes, se intrudujo la siguiente tabla deverdad de la figura (2.8):

Figura 2.8: Tabla de verdad para circuito de salida en LogicFriday

Con esa tabla de verdad se hizo la síntesis de las funciones booleanas y se las minimizó como semuestra en la figura (2.9):

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Figura 2.9: Ecuaciónes booleanas circuito de salida

Por último, una vez obtenidas las ecuaciones booleanas sintetizadas se hace su implementación.Sinembargo para este circuito se le pidió al programa que use compuertas NAND, OR, y MUX con lo quese obtuvo la implementación de la figura (2.10):

Figura 2.10: Implementacion circuito de Salida

2.3. Laboratorio

2.3.1. Simulación del circuito en Proteus

Una vez obtenido la esquemas del circuito de la máquina de estados finitos (FSM) y el esquema delcircuito del ahorcado se procedió a armar este esquema en el software proteus para su simulación.

Primero se realizó la FSM con los circuitos de la figura 2.7 y2.10. La FSM realizada en Proteus semuestra en la figura(2.11):

Figura 2.11: FSM en Proteus

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Una vez realizada la FSM se la puso como subcircuito para usarla en el esquema general del circuitodel ahorcado. El circuito del ahorcado se armó totalmente en Proteus siguiendo el esquema de la figura2.1. El circuito diseñado en Proteus se muestra en la figura(2.12):

Figura 2.12: Circuito completo del ahorcado en Proteus

Cabe recalcar que se tuvo que aumentar un pulsador como ENTER en el comparador que será pulsadocuando el jugador 2 quiera comparar su palabra con la de la memoria. Este ENTER se agregó ya que porun problema de sincronización el número se comparaba 2 veces, dando como resultado 2 aciertos, antesde que se cambie el estado de memoria.

Solucionado este problema de sincronización y con ya armados los circuitos se continuó a programar lamemoria usando un archivo Hex que se lo generó usando el software IC-Prog. Los datos que se grabaranen la memoria y que se usaron para generar el archivo Hex se muestra en la figura(2.13):

Figura 2.13: Datos para el archivo Hex de la memoria

Con todo esto, se procedió a simular la salida para diferentes valores de entrada del jugador 1 y deljugador 2.

Una imagen de la simulación de la segunda palabra, primer espacio en la memoria que correspondeal numero 5 (0101 en binario) es adivinado por el jugador 2 se muestra en la figura (2.14):

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Figura 2.14: Simulación exitosa del circuito del ahorcado

Como se puede ver en la simulación, el jugador 1 ingresa el el número de la palabra correspondiente,en este caso 0001 que corresponde a la segunda palabra. Estos datos pasan por los flip-flops y luegocorresponde a los bits A7:4 de la memoria ( los 5 primeros bits más significativo de la entrada de lamemoria van a tierra ya que no se va a ocupar esos espacios de memoria) la cual es la dirección basepara la palabra. Los 4 bits menos significativos de la memoria empiezan en 0 y son controlados por elsumador. De la memoria, como los 4 bits menos significativos de la memoria son 0, sale el primer espaciode la palabra, en este caso es el 0101 (5 decimal). La salida de la memoria pasa por otros flip flops yllegan al comparador. A la vez los 4 bits ingresados por el jugador 2 pasan por otros flip flops para tenersincronización y también llegan al comparador. En el comparador se realiza la comparación entre losdatos de la memoria con los bits ingresados por el jugador 2 cuando se preciona el ENTER. Si son igualesla salida del comparador es un 1 lógico y la máquina de estados saca en binario el número de aciertos yestos pasan por el decodificador BCD y sale al display. La FSM también saca una salida Y que se hace1 cuando el jugador 2 ha acertado. Esta salida Y va al sumador de 4 bits y se suma con los bits menossignificativos de la memoria pasando antes por un flip flop y se pasa al segundo espacio de la palabra.

Una vez verificado que el circuito funciona correctamente para todos los valores posibles de entradapara cualquier espacio de la memoria se continuó con el armado físico del circuito en Protoboard.

2.3.2. Armado e implementación del circuito

Compuertas utilizadas

Para este circuito se utilizaron los siguientes dispositivos presentados en la tabla (2.3):

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Cuadro 2.3: Tabla de Dispositivos

Función del Dispositivo Serie Cantidad Diagrama de ConexiónFlip-Flop SN74LS74AN 10

AND (2 Inputs) HD74LS08 1

NAND (2 Inputs) HD74LS00 2

NOT HD74LS04 1

OR (2 Inputs) HD74LS32 1

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Multiplexer (2 to 1) HD74LS157P 2

Sumador HD74LS83 1

Comparador HD74LS85 1

BCD to7 Segments SN74LS47N 1

Memoria Intel 2764A 1

Armado

Con los componentes antes descritos y el esquema de la figura 2.11 y la figura 2.12. Se armó el circuitofísico. La FSM se muestra en en la figura (2.15) y el resto de circuito del ahorcado se muestra en lafigura(2.16):

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Figura 2.15: Circuito FSM

Figura 2.16: Circuito del ahorcado

El video que muestra su buen funcionamiento se encunetra Anexo a este documento.

3. ConclusionesSe puede concluir que se puede diseñar e implementar circuitos secuenciales y sincrónicos mediante

compuertas lógicas y registros (flip flops) para estos se debe usar herramientas de diseño como tablasentre otros. Además existen softwares muy útiles que permiten sisntetizar las ecuaciones booleanas yla síntesis del circuito apartir de tablas de verdad que nos facilitan el trabajo. También se observó queson muy útiles los ciruitos integrados con funciones más específicas como el comparador, el sumador,el decodificador de BCD a display entre otros. Además las memorias ROM son una herramienta muypoderosa que es capaz de almacenar muchos datos que pueden ser muy útiles. Las memorias nos permiten

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hacer muchas cosas, como un banco de datos, que con simples compuertas lógicas no son posibles. Contodas estas herramientas antes dichas se pueden hacer circuitos muchos más complejos que solo concompuertas lógicas, como en este caso se implemento una versión hexagesimál del circuito del ahorcado.

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Referencias y Bibliografia[1] Harris, D. y Harris, S. (2da Ed.). (2013). Digital Design and Computer Architecture. Walt-

ham: Morgan Kaufmann.

[2] UV-EPROM Intel 2764A datasheet

[3] Hex Inverters HD74LS04 datasheet.

[4] Renesas HD74LS08 datasheet.



[7] Renesas HD74LS157P datasheet.

[8] Texas Instruments SN74LS74AN datasheet.

[9] Texas Instruments SN74LS47N datasheet.

[10] Hojas Guía.

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