Circuitos Secuenciales

TEMA I: INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS SECUENCIALES

Hasta ahora, únicamente hemos visto circuitos combinacionales, es decir, circuitos en los que las salidas dependen única y exclusivamente de las combinaciones de entradas, y no de la historia pasada del sistema. Vamos a ver cuáles serían las formas de onda del siguiente cir- cuito.

En las formas de onda podemos comprobar que la señal de salida F cambiará de estado (cuando sea necesario) después del retraso de la puerta AND y OR. Otra característica de este circuito que también podemos observar es que la salida también muestra una dependencia de ella misma, además de las señales de entrada; ésta implica que para una misma combinación de señales de entrada podemos encontrar valores de salida diferentes, como sucede en el caso de AB = “10”. Por lo tanto, el valor de la salida también depende de los valores pasados del cir- cuito, es decir, de su historia.

La dependencia de esta historia puede ser ventajosa e incluso necesaria para algunas aplicaciones en las que es necesario recordar una determinada situación. Algunos ejemplos de esta ventaja (necesidad) pueden ser:

• La creación de un reloj, que se modelada con la afirmación “la salida será el valor complementario de su valor anterior”,

• La creación de un contador, que se modelada con la afirmación “la salida será el resul- tado de sumar uno a su valor anterior”,...

A

B

F = A·B + A·F + B·F

F

A

B

F

Figura 1.1.- Ejemplo de circuito digital junto con sus formas de ondas.

2Dpto. Ingeniería Electrónica de Sistemas Informáticos y Automática

Por lo tanto, se ve cuando menos interesante incluir la dependencia del tiempo en los sistemas y en especial, en los sistemas digitales.

1. Introducción. Definición de Sistema Secuencial

Los sistemas digitales que introducen la dependencia temporal son conocidos como sis- temas secuenciales. Una definición más rigurosa de sistema secuencial puede ser la siguiente:

Un circuito de conmutación secuencial se define como un circuito biva- luado en el cual, la salida en cualquier instante depende de las entradas en dicho instante y de la historia pasada (o secuencia) de entradas.

Esta definición implica una serie de características inherentes a estos sistemas. Entre éstas podemos destacar las siguientes:

• Poseen uno o más caminos de realimentación, es decir, una o más señales internas o de salida se vuelven a introducir como señales de entradas. Gracias a esta caracterís- tica se garantiza la dependencia de la operación con la secuencia anterior.

• Como es lógico, existe una dependencia explícita del tiempo. Esta dependencia se produce en los lazos de realimentación antes mencionados. En estos lazos es necesa- rio distinguir entre las salidas y las entradas realimentadas. Esta distinción se tradu- cirá en un retraso de ambas señales (en el caso más ideal), como se puede ver en la figura 1.2, el cual puede producirse mediante dos elementos: • Elementos de retraso, ya sean explícitos o implícitos debido al retraso de la lógica combinacional. Este retraso es fijo e independiente de cualquier señal. • Elementos de memoria, que son dispositivos que almacena el valor de la entrada en un instante determinado por una señal externa y lo mantiene hasta que dicha señal ordene el almacenamiento de un nuevo valor.

La diferencia de comportamiento entre ambos elementos radica en que la salida del elemento de retraso es una copia de la señal de entrada; mientras que el elemento de memoria copia determinados instantes de la entrada (determinados por una señal externa), y no la señal com- pleta, el resto del tiempo la salida no cambia de valor, como podemos apreciar en la figura 1.2.

Figura 1.2.- Formas de onda de salida y entrada de un elemento de retraso y de memoria.

Entrada

Control

Retraso

Memoria

TEMA I: INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS SECUENCIALES 3

En este caso, podemos observar que la salida del elemento de retraso es una copia de la señal de entrada retraso un determinado tiempo; mientras que la salida del elemento de memoria copia los valores de la entrada cuando la señal de control tiene una transición de subida, por lo que la copia no es exacta, sino que sólo copia lo que interesa.

Por lo tanto, el modelo clásico de un sistema secuencial consta de un bloque combinacio- nal, que generará la función lógica que queramos realizar, y un grupo de elementos de memo- ria con una serie de señales realimentadas, como se muestra en la figura 1.3.

En ella podemos distinguir tres tipos de señales: señales de entradas, señales de salida y seña- les de estado. Las señales de entrada y salida tienen el mismo significado que en los sistemas combinacionales. En cambio, las señales de estado son aquellas que mantienen la información de la historia pasada del sistema. Las señales de estado tienen dos versiones, según se conside- ren a la salida o a la entrada del elemento de memoria:

• Si consideramos las señales de estado a la salida de los elementos de memoria, o lo que es lo mismo, a la entrada del bloque combinacional, se denominan señales de estado presente ya que nos indica el estado en el que se encuentra el sistema para rea- lizar una operación.

• Si consideramos las señales de estado a la entrada de los elementos de memoria, o lo que es lo mismo, a la salida del bloque combinacional, se denominan señales del próximo estado ya que nos indican el estado al que llegará después de que el bloque combinacional haya realizado la operación.

2. Clasificación de los Sistemas Secuenciales

Uno de los primeros problemas de los circuitos secuenciales era determinar el momento en el que el próximo estado debía pasar a estado presente, sin capturar situaciones no deseadas como pueden ser los azares. Este problema es lo que se conoce como sincronización, cuyas soluciones dieron lugar a una de la principales clasificaciones de los sistemas secuenciales. Así podemos dividir los sistemas en dos categorías:

Lógica

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