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CIP-Brasil. Catalogao na fonte.Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ

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10-0447. CDD: 621.392CDU: 621.3

_________________________________________________________________________

P413e Pedroni, VolneiEletrnica digital moderna com VHDL / Volnei A. Pedroni; [traduo

Arlete Simille Marques]. Rio de Janeiro: Elsevier, 2010.

Traduo de: Digital eletronics and design with VHDLApndiceInclui bibliografiaISBN 978-85-352-3465-7

1. VHDL (Linguagem descritiva de hardware). 2. Circuitos integrados

digitais. I. Ttulo.

2010, Elsevier Editora Ltda.

Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei no 9.610, de 19/02/1998.Nenhuma parte deste livro, sem autorizao prvia por escrito da editora, poder ser reproduzida outransmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrnicos, mecnicos, fotogrficos, gravao ouquaisquer outros.

Copidesque: Ivone TeixeiraReviso: Marco Antnio CorraEditorao Eletrnica: SBNigri Artes e Textos Ltda.

Elsevier Editora Ltda.Conhecimento sem FronteirasRua Sete de Setembro, 111 16o andar20050-006 Centro Rio de Janeiro RJ Brasil

Rua Quintana, 753 8o andar04569-011 Brooklin So Paulo SP Brasil

Servio de Atendimento ao [email protected]

ISBN 978-85-352-3465-7

Nota: Muito zelo e tcnica foram empregados na edio desta obra. No entanto, podem ocorrer errosde digitao, impresso ou dvida conceitual. Em qualquer das hipteses, solicitamos a comunicaoao nosso Servio de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questo.

Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas apessoas ou bens, originados do uso desta publicao.

Embora os autores tenham colocado seu melhor esforo na escrita deste livro, eles no assumemqualquer responsabilidade por erros ou omisses, ou qualquer dano que possa resultar das informaesaqui apresentadas.



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Dedicatria

Dedicado a Cludia, Patrcia, Bruno e Ricardo.

Como dizem os construtores, as pedras maiores

no ficariam bem assentadas sem as menores.Plato (428-348 a.C.)



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O autor

Volnei A. Pedroni doutor (Ph.D.) em Engenharia Eltrica pelo California Institute of Technology (CALTE-CH). Atualmente professor de Engenharia Eltrica na Universidade Tecnolgica Federal do Paran (UTFPR), no

Brasil. Atuou como professor visitante no Harvey Mudd College (EUA), California Institute of Technology (EUA) e

Universit degli Studi di Trento (Itlia). tambm autor de outros dois livros: Circuit Design with VHDL (MIT Press,

EUA) e Circuitos Eletrnicos (LTC, Rio de Janeiro).



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Prefcio

O livro abrange com cuidado e diligncia os trs aspectos fundamentais relacionados ao ensino de circuitosdigitais:princpios digitais, eletrnica digital e projeto digital. O ponto de partida foi a adoo de certas premissas, as

quais levaram a uma sequncia ampla e coerente de contedos. Tais premissas esto resumidas a seguir.

Premissas do Livro

O livro est dividido em duas partes, com teoria nos Captulos 118 e prtica nos Captulos 1925. A parte

terica inclui conceitos digitais, o estudo de eletrnica digital e a anlise de circuitos digitais. A parte prtica

inclui o estudo de VHDL para sntese e para simulao, a elaborao de projetos com VHDL e, finalmente, o

estudo de simulaes com SPICE.

Apresenta uma clara e rigorosa distino entre circuitos combinacionais e sequenciais. No caso dos circuitos

combinacionais, distino adicional feita entre circuitos lgicos e circuitos aritmticos. No caso dos circuitossequenciais, distino adicional feita entre projetos regulares e projetos baseados em mquinas de estados.

Inclui novas e modernas tcnicas digitais relacionadas, por exemplo, com cdigos de linha, cdigos correto-

res de erros, aplicaes baseadas na Internet, circuitos de I/O modernos, implementao detalhada de regis-

tradores, construo de memrias semicondutoras, memrias de prxima gerao, transistores avanados e

dispositivos lgicos programveis (CPLDs/FPGAs) de ltima gerao, alm de uma seleo ampla de projetos

standard da indstria.

A anlise dos circuitos inclui tambm descries no nvel de transistor(em vez de apenas no nvel de portas

lgicas), propiciando uma viso mais realista sobre os circuitos integrados digitais e tambm uma introduo

microeletrnica (VLSI), ambos indispensveis em cursos digitais modernos.

Exemplos e exerccios so nomeados a fim de facilitar a identificao do circuito ou aspecto sob anlise.

A parte experimental inicia com um captulo que resume a linguagem VHDL. Embora este captulo tenha sidomantido to sucinto quanto possvel, seu contedo amplo e foi cuidadosamente selecionado, contendo inclu-

sive aspectos da recm-lanada verso 2008 de VHDL. Tudo nesse captulo sintetizvel. A propsito, manter

o cdigo VHDL que para sntese separado daquele que para simulao outra das premissas fundamentais

do livro.

Em seguida, o livro apresenta uma seleo ampla de exemplos completos de projetos, incluindo aplicaes

reais, cdigos completos (e no apenas esboos parciais), sntese dos circuitos em FPGAs, resultados de simu-

lao e comentrios explicativos.



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Finalmente, o uso de VHDL para simulao foi tambm includo no livro e consta em captulo separado. Nele,

os quatro tipos de simulaes so descritos ( o primeiro livro com tal cobertura). Exemplos completos de

simulaes, da mais bsica at a totalmente automatizada, so apresentados. O livro termina com um outro

captulo sobre simulao, desta vez utilizando SPICE.

Contedo do LivroO livro pode ser dividido em duas partes, com teoria nos Captulos 118 e os experimentos (laboratrio) nos

Captulos 1925 (alm dos apndices). Cada uma dessas partes pode ser subdividida conforme descrito abaixo.

Parte I Teoria (Aulas explanatrias)

Fundamentos: Captulos 15

Fundamentos avanados: Captulos 67

Tecnologia: Captulos 810

Anlise de circuitos: Captulos 1115

Tecnologia adicional: Captulos 1618

Parte II Experimentos (Laboratrio)

Estudo da linguagem VHDL: Captulo 19

Projetos (sntese) com VHDL: Captulos 2023

Simulao com VHDL: Captulo 24 e Apndice A

Simulao com SPICE: Captulo 25 e Apndice B

O livro contm 163 exemplos enumerados, 622 figuras e 545 exerccios.

Pblico-alvo

Este livro aborda as necessidades especficas de estudantes de graduao e de ps-graduao em engenharia

eltrica/eletrnica, engenharia de computao e cincia da computao.

Sugestes sobre a Utilizao do Livro

Para as aulas tericas, trs sugestes so apresentadas na primeira tabela, dependendo do nvel projetado para

o curso. Para as aulas de laboratrio, sugestes equivalentes constam na segunda tabela. Esses contedos podem ser

utilizados em paralelo para cursos com teoria e prtica, ou separadamente, para cursos s tericos ou s de labora-

trio. Nas tabelas, um X significa o contedo completo, uma barra inclinada / indica contedo parcial (somente

as sees introdutrias) e um espao em branco significa que o captulo deve ser saltado. Todavia, essas so apenas

sugestes baseadas na experincia do autor, devendo, portanto, servir apenas como referncia geral.

Teoria Captulos

Nvel do curso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Fundamental x x x x x / / / x x x x x / / x

Intermedirio x x x x x x / x x x x x x x x x x

Avanado x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Laboratrio Captulos e Apndices

Nvel do curso 19 20 21 22 23 24 25 A B

Fundamental x x x x x

Intermedirio x x x x x x x

Avanado x x x x x x x x x



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Website do Livro

Site do livro (com material complementar): www.elsevier.com.br/pedroni

Agradecimentos

Gostaria de expressar minha gratido aos revisores da edio original (Digital Electronics and Designwith VHDL), Don Bouldin, da University of Tennessee, Robert J. Mikel, da Cleveland State University, Mark

Faust, da Portland State University, Joanne E. DeGroat, da Ohio State University, assim como aos vrios reviso-

res annimos por seus comentrios e sugestes, os quais foram instrumentais para dar ao livro sua forma final.

Quero agradecer tambm a Gert Cauwenberghs, da University of California San Diego, e David M. Harris,

do Harvey Mudd College, pelos conselhos nos estgios iniciais deste projeto. Sou tambm grato a Bruno U.

Pedroni e Ricardo U. Pedroni pela ajuda com parte dos exerccios.

Gostaria de estender meu apreo ao pessoal da Elsevier (EUA) por seu trabalho extraordinrio. Em parti-

cular, gostaria de citar Charles B. Glaser, editor de aquisies, pela confiana e orientao amigvel, Dawnmarie

E. Simpson, editora de produo, pela pacincia e competncia no processo de produo, e Jeanne Hansen,

revisora, pela anlise cuidadosa do manuscrito.

Edio em Portugus

Gostaria de estender meus agradecimentos aos professores Fernando G. Moraes, da PUC-RS, e Cesar A.

Zeferino, da Univali, pelos valiosos comentrios relativos edio em lngua portuguesa do livro. Sou tambm

grato equipe da Elsevier no Brasil, em particular Andr G. Wolff, Silvia B. Lima, Vanessa V. B. Huguenin e

Regiane M. P. Barboza, pelo trabalho e dedicao na traduo e produo desta edio.



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Sumrio

Captulo 1 Introduo .........................................................................................................................................11.1 Notas Histricas ................................................................................................................................11.2 Analgico versus Digital .....................................................................................................................31.3 Bits, Bytes e Palavras ..........................................................................................................................51.4 Circuitos Digitais ...............................................................................................................................61.5 Circuitos Combinacionais versusCircuitos Sequenciais .....................................................................81.6 Circuitos Integrados ..........................................................................................................................91.7 Placas de Circuitos Impressos ..........................................................................................................111.8 Valores Lgicos versusValores Fsicos ..............................................................................................12

1.9 No Programvel, Programvel e com Hardware Programvel ........................................................131.10 Formas de Onda Binrias .................................................................................................................13

1.11 Respostas DC, AC e Transiente ........................................................................................................141.12 Dispositivos Lgicos Programveis ................................................................................................... 161.13 Sntese e Simulao de Circuitos com VHDL ...................................................................................161.14 Simulao de Circuitos com SPICE .................................................................................................. 171.15 Anlise no Nvel de Portas Lgicas versusAnlise no Nvel de Transistor ........................................17

Captulo 2 Representaes Binrias....................................................................................................................192.1 Cdigo Binrio ................................................................................................................................192.2 Cdigos Octal e Hexadecimal .........................................................................................................212.3 Cdigo Gray ....................................................................................................................................222.4 Cdigo One-Hot ..............................................................................................................................222.5 Cdigo Johnson ...............................................................................................................................23

2.6 Cdigo BCD ....................................................................................................................................232.7 Cdigos para Nmeros Negativos ....................................................................................................24

2.7.1 Cdigo Sinal-Magnitude ....................................................................................................242.7.2 Cdigo Complemento de Um ............................................................................................242.7.3 Adio Binria ....................................................................................................................252.7.4 Cdigo Complemento de Dois ...........................................................................................26

2.8 Representao por Ponto Flutuante .................................................................................................282.8.1 Padro IEEE 754 ................................................................................................................282.8.2 Ponto Flutuante versus Inteiro ............................................................................................31

2.9 Cdigo ASCII ..................................................................................................................................32



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2.9.1 Cdigo ASCII Bsico ..........................................................................................................332.9.2 Cdigo ASCII Estendido ....................................................................................................33

2.10 Unicode ...........................................................................................................................................332.10.1 Caracteres Unicode ............................................................................................................332.10.2 Codificao UTF-8 .............................................................................................................342.10.3 Codificao UTF-16 ...........................................................................................................352.10.4 Codificao UTF-32 ..........................................................................................................36

2.11 Exerccios ........................................................................................................................................37

Captulo 3 Aritmtica Binria ............................................................................................................................433.1 Adio sem Sinal .............................................................................................................................433.2 Adio e Subtrao com Sinal .........................................................................................................453.3 Operaes de Deslocamento (Shift) .................................................................................................473.4 Multiplicao sem Sinal ...................................................................................................................493.5 Multiplicao com Sinal...................................................................................................................503.6 Diviso sem Sinal.............................................................................................................................523.7 Diviso com Sinal ............................................................................................................................53

3.8 Adio e Subtrao com Ponto Flutuante .......................................................................................533.9 Multiplicao com Ponto Flutuante .................................................................................................55

3.10 Diviso com Ponto Flutuante ...........................................................................................................563.11 Exerccios ........................................................................................................................................57

Captulo 4 Introduo aos Circuitos Digitais ......................................................................................................614.1 Introduo aos Transistores MOS .....................................................................................................614.2 Inversor e Lgica CMOS ..................................................................................................................63

4.2.1 Inversor .............................................................................................................................634.2.2 Lgica CMOS .....................................................................................................................644.2.3 Consumo de Energia ..........................................................................................................64

4.2.4 Produto Potncia-Atraso ....................................................................................................664.2.5 Voltagens Lgicas ...............................................................................................................664.2.6 Diagramas de Tempo para Circuitos Combinacionais .........................................................67

4.3 Portas AND e NAND .......................................................................................................................684.4 Portas OR e NOR .............................................................................................................................704.5 Portas XOR e XNOR ........................................................................................................................724.6 Somador de Mdulo 2 .....................................................................................................................734.7 Buffer ..............................................................................................................................................744.8 Buffer de Trs Estados ......................................................................................................................75

4.9 Buffer de Dreno Aberto ....................................................................................................................764.10 Flip-Flop Tipo D .............................................................................................................................774.11 Registrador de Deslocamento...........................................................................................................794.12 Contadores ......................................................................................................................................804.13 Gerador de Sequncia Pseudorrandmica ........................................................................................824.14 Exerccios ........................................................................................................................................83

Captulo 5 lgebra Booleana .............................................................................................................................915.1 lgebra Booleana .............................................................................................................................915.2 Tabelas-Verdade ...............................................................................................................................955.3 Minterms e Equaes SOP ...............................................................................................................965.4 Maxterms e Equaes POS...............................................................................................................985.5 Circuitos Padres para Equaes SOP e POS ...................................................................................99



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5.6 Mapas de Karnaugh .......................................................................................................................1035.7 Mapas de Karnaugh Extensos ........................................................................................................106

5.8 Outras Tcnicas de Simplificao de Funes ................................................................................1075.9 Tempos de Propagao e Glitches ..................................................................................................1095.10 Exerccios ......................................................................................................................................110

Captulo 6 Cdigos de Linha ...........................................................................................................................1176.1 Utilizao de Cdigos de Linha......................................................................................................1176.2 Parmetros e Tipos de Cdigos de Linha .......................................................................................1196.3 Cdigos Unipolares .......................................................................................................................1216.4 Cdigos Polares .............................................................................................................................1226.5 Cdigos Bipolares ..........................................................................................................................1236.6 Cdigos Bifase/Manchester ...........................................................................................................1236.7 Cdigos MLT ................................................................................................................................1236.8 Cdigos mB/nB .............................................................................................................................1246.9 Cdigos PAM ................................................................................................................................1266.10 Exerccios ......................................................................................................................................131

Captulo 7 Cdigos de Deteco e Correo de Erros ......................................................................................1357.1 Cdigos Detectores/Corretores de Erros .........................................................................................1357.2 Cdigos de Paridade Simples (SPC) ...............................................................................................1377.3 Cdigos de Redundncia Cclica (CRC) .........................................................................................1387.4 Cdigos de Hamming ....................................................................................................................1397.5 Cdigos Reed-Solomon (RS) ..........................................................................................................1427.6 Intercalao ...................................................................................................................................1447.7 Cdigos Convolucionais ................................................................................................................1467.8 Decodificador de Viterbi ................................................................................................................1487.9 Cdigos Turbo ...............................................................................................................................150

7.10 Cdigos com Paridade de Baixa Densidade (LDPC) .......................................................................1507.11 Exerccios ......................................................................................................................................154

Captulo 8 Transistor Bipolar ...........................................................................................................................1598.1 Semicondutores .............................................................................................................................1598.2 O Transistor Bipolar (BJT) .............................................................................................................1608.3 Caractersticas I-V ..........................................................................................................................162

8.4 Resposta DC ..................................................................................................................................1638.5 Resposta Transiente .......................................................................................................................1678.6 Resposta AC ..................................................................................................................................1688.7 Transistores Bipolares Modernos ....................................................................................................170

8.7.1 BJT com Emissor de Polissilcio........................................................................................1708.7.2 Transistor Bipolar de Juno Heterognea ........................................................................170

8.8 Exerccios ......................................................................................................................................172

Captulo 9 Transistor de Efeito de Campo .......................................................................................................1759.1 Semicondutores .............................................................................................................................1759.2 O Transistor de Efeito de Campo (MOSFET) .................................................................................1769.3 Caractersticas I-V ..........................................................................................................................1799.4 Resposta DC ..................................................................................................................................1809.5 Inversor CMOS..............................................................................................................................1839.6 Resposta Transiente .......................................................................................................................185



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9.7 Resposta AC ..................................................................................................................................1879.8 MOSFETs Modernos ......................................................................................................................188

9.8.1 MOSFETs Si-SiGe Deformados .........................................................................................1889.8.2 MOSFETs SOI ..................................................................................................................1899.8.3 Tecnologias BiCMOS .......................................................................................................189

9.9 Exerccios ......................................................................................................................................189

Captulo 10 Famlias Lgicas e I/Os .................................................................................................................19510.1 Famlias Lgicas Baseadas em BJT ..................................................................................................19510.2 Lgica Diodo-Transistor (DTL) ......................................................................................................19610.3 Lgica Transistor-Transistor (TTL) .................................................................................................197

10.3.1 Circuito TTL ....................................................................................................................19710.3.2 Faixas de Temperatura .....................................................................................................19810.3.3 Verses TTL .....................................................................................................................19810.3.4 Fan-In e Fan-Out .............................................................................................................19910.3.5 Tenso de Alimentao, Tenses de Sinal e Margem de Rudo ..........................................200

10.4 Lgica Acoplada pelo Emissor .......................................................................................................201

10.5 Famlias Lgicas Baseadas em MOSFET .........................................................................................20110.6 Lgica CMOS ................................................................................................................................20210.6.1 Circuitos CMOS ...............................................................................................................20210.6.2 Famlias CMOS HC e HCT ..............................................................................................20210.6.3 Interface CMOS-TTL ........................................................................................................20410.6.4 Fan-In e Fan-Out .............................................................................................................20410.6.5 Tenso de Alimentao, Tenses de Sinal e Margem de Rudo ..........................................20410.6.6 CMOS de Baixa Tenso ....................................................................................................20510.6.7 Consumo de Potncia ......................................................................................................20510.6.8 Produto Potncia-Atraso ..................................................................................................205

10.7 Outras Arquiteturas MOS Estticas ................................................................................................20510.7.1 Lgica Pseudo-nMOS .......................................................................................................205

10.7.2 Lgica com Portas de Transmisso ...................................................................................20610.7.3 Lgica BiCMOS ................................................................................................................207

10.8 Arquiteturas MOS Dinmicas ........................................................................................................20810.8.1 Lgica Dinmica ..............................................................................................................20810.8.2 Lgica Domin ................................................................................................................20910.8.3 Lgica CMOS com Clock (C2MOS) .................................................................................209

10.9 Circuitos de I/O Modernos ............................................................................................................21010.9.1 Padres TTL e LVTTL ......................................................................................................21110.9.2 Padres CMOS e LVCMOS ...............................................................................................21210.9.3 Padres SSTL ..................................................................................................................21410.9.4 Padres HSTL .................................................................................................................21710.9.5 Padro LVDS ...................................................................................................................21810.9.6 Exemplo de uso do LVDS: Barramento PCI Express .........................................................219

10.10 Exerccios ......................................................................................................................................220

Captulo 11 Circuitos Combinacionais Lgicos ................................................................................................22711.1 Circuitos Combinacionais versus Circuitos Sequenciais .................................................................22711.2 Circuitos Lgicos versus Circuitos Aritmticos ..............................................................................22811.3 Portas Lgicas Bsicas ....................................................................................................................22811.4 Portas Lgicas Compostas ..............................................................................................................229

11.4.1 Circuito CMOS Baseado em SOP .....................................................................................229

11.4.2 Circuito CMOS Baseado em POS .....................................................................................230



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11.5 Codificadores e Decodificadores ....................................................................................................23111.5.1 Decodificador de Endereo ..............................................................................................231

11.5.2 Decodificador de Endereo com Enable ...........................................................................23311.5.3 Decodificadores de Endereo Grandes .............................................................................23311.5.4 Diagramas de Tempo ........................................................................................................23411.5.5 Codificador de Endereo ..................................................................................................235

11.6 Multiplexadores .............................................................................................................................23711.6.1 Multiplexadores Bsicos ...................................................................................................23711.6.2 Multiplexadores Grandes .................................................................................................23811.6.3 Diagramas de Tempo ........................................................................................................239

11.7 Detector de Paridade .....................................................................................................................24011.8 Codificador de Prioridade ..............................................................................................................24011.9 Ordenador Binrio .........................................................................................................................24111.10 Deslocadores (Shifters) ..................................................................................................................24211.11 Geradores de Clock sem Sobreposio ...........................................................................................24411.12 Estreitadores de Pulsos ..................................................................................................................24511.13 Portas com Histerese (Schmitt Triggers) .........................................................................................245

11.14 Memrias ......................................................................................................................................24711.15 Exerccios ......................................................................................................................................24711.16 Exerccios com VHDL ....................................................................................................................25211.17 Exerccios com SPICE ....................................................................................................................252

Captulo 12 Circuitos Combinacionais Aritmticos..........................................................................................25312.1 Somadores de Um Bit (Full Adder e Half Adder) ...........................................................................25312.2 Somador Carry-Ripple ...................................................................................................................25512.3 Sinais Generate e Propagate ...........................................................................................................25512.4 Somador Manchester Carry-Chain ................................................................................................25712.5 Somador Carry-Lookahead ...........................................................................................................258

12.6 Somadores Grandes .......................................................................................................................26012.7 Somador Carry-Skip ......................................................................................................................26112.8 Somador Carry-Select ...................................................................................................................26212.9 Somadores Lookahead com Arquitetura em rvore .......................................................................26212.10 Somador Serial .............................................................................................................................26312.11 Somadores/Subtratores com Sinal .................................................................................................26312.12 Incrementador, Decrementador e Complementador de Dois ..........................................................26512.13 Comparadores ...............................................................................................................................26612.14 Unidade Lgica e Aritmtica (ALU) ...............................................................................................26712.15 Multiplicadores..............................................................................................................................269

12.16 Divisores........................................................................................................................................27312.17 Exerccios ......................................................................................................................................27312.18 Exerccios com VHDL ....................................................................................................................27612.19 Exerccios com SPICE ....................................................................................................................276

Captulo 13 Registradores ................................................................................................................................27713.1 Lgica Sequencial versus Lgica Combinacional.............................................................................27713.2 Latch SR (SRL) ..............................................................................................................................27813.3 Latch D (DL) .................................................................................................................................279

13.3.1 Funcionamento do DL ....................................................................................................279

13.3.2 Parmetros Relacionados ao Tempo ..................................................................................28013.3.3 Circuitos DL ....................................................................................................................281



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13.3.4 DLs Estticos Baseados em Multiplexador ........................................................................28113.3.5 DLs Estticos Tipo RAM ...................................................................................................28313.3.6 DLs Estticos de Modo Corrente ......................................................................................28413.3.7 DLs Dinmicos .................................................................................................................284

13.4 Flip-flop D (DFF) ..........................................................................................................................28513.4.1 Funcionamento do DFF ..................................................................................................286

13.4.2 Parmetros Relacionados ao Tempo ..................................................................................28713.4.3 Tcnicas de Construo de DFFs .....................................................................................28813.4.4 Circuitos de DFFs ............................................................................................................289

13.5 Flip-flops D Mestre-Escravo...........................................................................................................28913.5.1 DFFs Mestre-Escravo Clssicos ........................................................................................28913.5.2 Defasagem de Clock e Transies de Clock Lentas ...........................................................29113.5.3 DFFs Mestre-Escravo Especiais ........................................................................................291

13.6 Flip-flops D Baseados em Pulso ....................................................................................................29413.6.1 Geradores de Pulsos Estreitos ...........................................................................................29513.6.2 DFFs Baseados em Pulsos ................................................................................................295

13.7 Flip-Flops D de Borda Dupla .........................................................................................................29813.8 Flip-Flops D Estatisticamente de Baixo Consumo .........................................................................29913.9 Portas de Controle para Flip-Flops D .............................................................................................300

13.9.1 DFF com Reset e Preset ....................................................................................................30013.9.2 DFF com Enable ..............................................................................................................30013.9.3 DFF com Clear.................................................................................................................300

13.10 Flip-Flop T (TFF) ..........................................................................................................................30113.11 Exerccios ......................................................................................................................................30213.12 Exerccios com SPICE ....................................................................................................................307

Captulo 14 Circuitos Sequenciais ...................................................................................................................30914.1 Registradores de Deslocamento......................................................................................................30914.2 Contadores Sncronos ....................................................................................................................311

14.2.1 Contadores Sncronos de Mdulo 2N

Baseados em TFF ....................................................31114.2.2 Contadores Sncronos de Mdulo 2N Baseados em DFF ...................................................31314.2.3 Contadores Sncronos de MduloMBaseados em TFF ....................................................31414.2.4 Contadores Sncronos de MduloMBaseados em DFF ....................................................31714.2.5 Contadores com Estado Inicial No Zero ........................................................................31914.2.6 Contadores Sncronos Grandes ........................................................................................322

14.3 Contadores Assncronos ................................................................................................................32214.3.1 Contadores Assncronos de Mdulo 2N ............................................................................32314.3.2 Contadores Assncronos de Mdulo M .............................................................................324

14.4 Geradores de Sinais .......................................................................................................................32514.5 Divisores de Frequncia .................................................................................................................328

14.5.1 Diviso por 2N..................................................................................................................328

14.5.2 Diviso porMcom Fase Assimtrica ................................................................................32814.5.3 Diviso porMcom Fase Simtrica ....................................................................................32814.5.4 Circuitos com Vrios Divisores.........................................................................................33014.5.5 Divisores de Frequncia de Alta Velocidade (prescalers) ...................................................331

14.6 PLLs e Prescalers ...........................................................................................................................33114.6.1 PLL Bsico .......................................................................................................................33114.6.2 Escalonador (Prescaler) ....................................................................................................33214.6.3 PLL Programvel ..............................................................................................................334

14.7 Geradores de Sequncias Pseudorrandmicas ................................................................................33514.8 Scramblers e Descramblers ............................................................................................................336



19/22

14.8.1 Scramblers e Descramblers Aditivos ................................................................................33614.8.2 Scramblers e Descramblers Multiplicativos ......................................................................338

14.9 Exerccios ......................................................................................................................................33914.10 Exerccios com VHDL ....................................................................................................................34714.11 Exerccios com SPICE ....................................................................................................................347

Captulo 15 Mquinas de Estados Finitos ........................................................................................................34915.1 Modelo para Mquinas de Estados Finitos .....................................................................................34915.2 Projeto de Mquinas de Estados.....................................................................................................35115.3 Resoluo de Sistemas Digitais e Glitches ......................................................................................36015.4 Projeto de Mquinas com Grande Nmero de Estados ...................................................................36115.5 Projeto de Mquinas com Lgica Combinacional Complexa ..........................................................36315.6 Projeto de Sistemas com Mltiplas Mquinas ................................................................................36515.7 Tcnica Genrica para Projeto de Geradores de Sinais ..................................................................36715.8 Projeto de Divisores de Frequncia com Fase Simtrica ................................................................37015.9 Estilos de Codificao de Mquinas de Estados..............................................................................37115.10 Exerccios ......................................................................................................................................37415.11 Exerccios com VHDL ....................................................................................................................379

Captulo 16 Memrias Volteis ........................................................................................................................38116.1 Tipos de Memrias ........................................................................................................................38116.2 SRAM (Static Random Access Memory) ........................................................................................38216.3 SRAMs Tipo DDR e QDR ..............................................................................................................38516.4 DRAM (Dynamic Random Access Memory) ..................................................................................38716.5 SDRAM (Synchronous DRAM) .....................................................................................................38916.6 SDRAMs Tipo DDR, DDR2 e DDR3 ...............................................................................................39116.7 CAM (Content-Addressable Memory) ...........................................................................................39216.8 Exerccios ......................................................................................................................................394

Captulo 17 Memrias No Volteis .................................................................................................................39717.1 Tipos de Memrias ........................................................................................................................39717.2 MP-ROM (Mask-Programmed ROM) ............................................................................................39817.3 OTP-ROM (One-Time-Programmable ROM) ................................................................................39917.4 EPROM (Electrically Programmable ROM) ....................................................................................39917.5 EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) ...................................................................40017.6 Memria Flash ...............................................................................................................................40217.7 Memrias No Volteis de Prxima Gerao (FRAM, MRAM, PRAM) ............................................40717.8 Exerccios ......................................................................................................................................410

Captulo 18 Dispositivos Lgicos Programveis ...............................................................................................41318.1 O Conceito de PLDs ......................................................................................................................413

18.2 SPLDs (Simple PLDs) ....................................................................................................................41418.2.1 PAL (Programmable Array Logic) .....................................................................................41418.2.2 PLA (Programmable Logic Array) ....................................................................................41618.2.3 GAL (Generic Array Logic) ..............................................................................................416

18.3 CPLDs (Complex PLDs) ................................................................................................................41818.3.1 Arquitetura ......................................................................................................................41818.3.2 CPLDs Xilinx ..................................................................................................................42118.3.3 CPLDs Altera ..................................................................................................................422

18.4 FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) .....................................................................................42218.4.1 Tecnologia de FPGAs .......................................................................................................423



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18.4.2 Arquitetura de FPGAs .....................................................................................................42418.4.3 CLB e Slice da Virtex 5 .....................................................................................................42418.4.4 LAB e ALM da Stratix III ..................................................................................................42518.4.5 Blocos RAM .....................................................................................................................42518.4.6 Blocos DSP .......................................................................................................................42618.4.7 Gerenciamento de Clock ..................................................................................................426

18.4.8 Tipos de I/O .....................................................................................................................42918.4.9 Caractersticas Adicionais .................................................................................................42918.4.10 Resumo e Comparao .....................................................................................................429

18.5 Exerccios ......................................................................................................................................430

Captulo 19 Resumo de VHDL ........................................................................................................................43319.1 Sobre VHDL ..................................................................................................................................43319.2 Estrutura do Cdigo VHDL ...........................................................................................................43419.3 Bibliotecas e Pacotes Fundamentais ...............................................................................................43819.4 Tipos de Dados Predefinidos .........................................................................................................43819.5 Objetos (CONSTANT, SIGNAL, VARIABLE, FILE) ...........................................................................44219.6 Tipos de Dados Definidos pelo Usurio .........................................................................................44419.7 Operadores ....................................................................................................................................44619.8 Atributos .......................................................................................................................................44819.9 Cdigo Concorrente versus Cdigo Sequencial .............................................................................45019.10 Cdigo Concorrente (WHEN, SELECT, GENERATE)........................................................................45119.11 Cdigo Sequencial (PROCESS, IF, CASE, LOOP, WAIT) ..............................................................45319.12 Instrues auxiliares (ASSERT, ALIAS) ........................................................................................45719.13 Pacotes (PACKAGE) .......................................................................................................................45819.14 Componentes (COMPONENT) .........................................................................................................45919.15 Funes (FUNCTION) ....................................................................................................................46119.16 Procedimentos (PROCEDURE) ........................................................................................................46319.17 VHDL para Mquinas de Estados ..................................................................................................465

19.18 VHDL 2008 ...................................................................................................................................46819.19 Exerccios ......................................................................................................................................470

Captulo 20 Projetos de Circuitos Combinacionais Lgicos com VHDL ...........................................................47320.1 Decodificador de Endereo Genrico .............................................................................................47320.2 Funo Conversora de BCD para SSD ............................................................................................47520.3 Multiplexador Genrico .................................................................................................................47720.4 Codificador de Prioridade Genrico ...............................................................................................47820.5 Memria ROM ...............................................................................................................................47920.6 Memrias RAM Sncronas ..............................................................................................................48120.7 Exerccios ......................................................................................................................................484

Captulo 21 Projetos de Circuitos Combinacionais Aritmticos com VHDL .....................................................48721.1 Somador Carry-Ripple ...................................................................................................................48721.2 Somador Carry-Lookahead ............................................................................................................48821.3 Somadores/Subtratores Sem e Com Sinal ......................................................................................49021.4 Multiplicadores/Divisores Sem e Com Sinal ..................................................................................49221.5 ALU ...............................................................................................................................................49421.6 Exerccios ......................................................................................................................................496

Captulo 22 Projetos de Circuitos Sequenciais com VHDL ...............................................................................49922.1 Registrador de Deslocamento com Data-Load ................................................................................499



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22.2 Debouncer para Chave ..................................................................................................................50122.3 Temporizador ................................................................................................................................50322.4 Gerador da Srie de Fibonacci .......................................................................................................50522.5 Medidores de Frequncia ...............................................................................................................50722.6 Redes Neurais ................................................................................................................................51022.7 Exerccios ......................................................................................................................................515

Captulo 23 Projetos de Mquinas de Estados ..................................................................................................51723.1 Detector de Palavra ........................................................................................................................51723.2 Gerador Universal de Sinais ...........................................................................................................51923.3 Alarme para Carro ........................................................................................................................52123.4 Driver para LCD ............................................................................................................................52923.5 Exerccios ......................................................................................................................................537

Captulo 24 Simulao de Circuitos Digitais com VHDL..................................................................................53924.1 Sntese versus Simulao ................................................................................................................53924.2 Tipos de Testbenches .....................................................................................................................54024.3 Gerao de Estmulos ....................................................................................................................54124.4 Teste de Estmulos .........................................................................................................................54324.5 Cdigo Padro para Testbenches ..................................................................................................54424.6 Desenvolvendo Testbenches Tipo I ................................................................................................54624.7 Desenvolvendo Testbenches Tipo II ...............................................................................................54924.8 Desenvolvendo Testbenches Tipo III ..............................................................................................55024.9 Desenvolvendo Testbenches Tipo IV ..............................................................................................55024.10 Exerccios ......................................................................................................................................552

Captulo 25 Simulao de Circuitos Digitais com SPICE ..................................................................................55725.1 Sobre SPICE ..................................................................................................................................55725.2 Tipos de Anlises ...........................................................................................................................558

25.3 Estrutura Bsica de um Cdigo SPICE ...........................................................................................55925.4 Declaraes de Componentes Eletrnicos .....................................................................................56125.5 Declaraes de Fontes DC Independentes ....................................................................................56525.6 Declaraes de Fontes AC Independentes ......................................................................................56625.7 Declaraes de Fontes Dependentes ..............................................................................................56925.8 Entradas e Sadas em SPICE ..........................................................................................................57025.9 Exemplos de Resposta DC .............................................................................................................57225.10 Exemplos de Resposta Transiente ..................................................................................................57525.11 Exemplo de Resposta AC ...............................................................................................................57725.12 Anlise Monte Carlo ......................................................................................................................57825.13 Subcircuitos ...................................................................................................................................58025.14 Exerccios Envolvendo Circuitos Combinacionais Lgicos ............................................................583

25.15 Exerccios Envolvendo Circuitos Combinacionais Aritmticos ......................................................58425.16 Exerccios Envolvendo Registradores .............................................................................................58525.17 Exerccios Envolvendo Circuitos Sequenciais .................................................................................586

Apndice A Tutorial do Simulador ModelSim ..................................................................................................589

Apndice B Tutorial do Simulador PSpice ........................................................................................................599

Referncias .........................................................................................................................................................605

ndice .................................................................................................................................................................620



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