Circuitos integrados TTL e CMOS.

Familia logica ttl

TTL significa Transistor-Transistor – Logic (Lógica Transístor-Transístor). A tensão de alimentação se restringe a 5V contínuos, tendo, porém, uma faixa de tensão correspondente aos níveis lógicos 0 e 1.

A figura a seguir mostra as faixas de tensão correspondentes aos níveis lógicos de entrada de um circuito integrado da família TTL.

Carateristicas da serie ttl

TTL 74H de Alta Velocidade: apresenta um aumento da velocidade em relação a série 74L, porém esse aumento é conseguido à custa do aumento da potência consumida pelos dispositivos da série.

TTL 74S Schottky: reduz o retardo de armazenamento, com o uso do diodo Schottky. Opera com o dobro da velocidade da 74H, consumindo mais ou menos a mesma potência.

TTL 74LS Schottky de Baixa Potência (LS-TTL): é uma versão da 74S, que apresenta CIs com consumo de potência mais baixo e com velocidade também mais baixa.

TTL 74AS Schottky Avançada (AS-TTL): é a série TTL mais rápida, e com o produto velocidade- potência significativamente mais baixo que o da série 74S

TTL Schottky Avançada de Baixa Potência (74ALS-TTL): oferece uma sensível melhora em relação à 74LS no que diz respeito à velocidade de operação e à potência consumida. Esta série tem o mais baixo produto velocidade-potência de todas as séries TTL, e está muito próxima de ter a mais baixa dissipação de potência por porta lógica. Pelo exposto, poderemos ter, a médio prazo, os dispositivos da série 74ALS substituindo os da série 74LS como os mais utilizados da família TTL.

Familia logica CMOS

CMOS significa Complementary Metal Oxide Semiconductor (Semicondutor de Óxido-Metal Complementar), usa tanto FETs canal-N quanto canal-P no mesmo circuito, de forma a aproveitar as vantagens de ambas as famílias lógicas.

As características principais desta família são o reduzido consumo de corrente (baixa potência), alta imunidade a ruídos e uma faixa de alimentação que se estende de 3V a 15V ou 18V dependendo do modelo.

O processo de fabricação do CMOS é mais simples que o do TTL, possuindo também uma densidade de integração maior, porém são mais lentos do que os TTL, apesar da nova série CMOS de alta velocidade competir em pé de igualdade com as séries TTL 74 e 74LS. A figura a seguir, ilustra o exemplo de um circuito implementado utilizando a tecnologia CMOS (NOT CMOS básico)

Carateristicas da familia CMOS

4000/14000: foram as primeiras séries da família CMOS, são bastante utilizadas, apesar do aparecimento de novas séries, pelo facto de implementarem diversas funções ainda não disponíveis nas novas séries.

74C: compatível, pino a pino e função por função, com os dispositivos TTL de mesmo número. A performance desta série é quase idêntica à da série 4000.


74HC (CMOS de Alta Velocidade): versão melhorada da 74C, o principal melhoramento é o tempo de comutação (em torno de 10 vezes maior), bem como a capacidade de suportar altas correntes na saída. A velocidade dos dispositivos desta série é compatível com a velocidade dos dispositivos da série TTL 74LS.

74HCT: CMOS de alta velocidade. A principal diferença entre esta série e a 7HC é o fato de ela ser desenvolvida para ser compatível em termos de tensões com dispositivos da família TTL. Ou seja, os dispositivos 74HCT podem ser alimentados directamente por saídas de dispositivos TTL.

Circuitos integrados

Definiçao de circuito integrado

Circuito integrado, vários componentes que são encontrados na forma de chips, em vários tipos de placas. O circuito integrado surgiu durante a década de 60, quando os fabricantes de transístores perceberam que era possível combinar vários transístores no mesmo Waffer de silício, formando circuitos completos, ao invés de separar todos os transístores e usá-los um a um. Naquela época a taxa de aproveitamento dos waffers de silício era muito baixa, de apenas 20% (de cada 5 transístores, apenas um funcionava), daí a dificuldade em fabricar um circuito com 10 ou 100 transístores sem que nenhum deles apresentasse defeito, o que inutilizaria todo o CI.

Para se ter ideia da complexidade desta miniaturização, refira-se que existem hoje circuitos integrados com vários milhões de transístores, como é o caso dos microprocessadores que se usam nos computadores pessoais.

O que é um encapsulamento de circuito integrado

Um encapsulamento é basicamente uma proteção que envolve um circuito integrado. Sua principal função é garantir a conexão segura entre os circuitos e as placas físicas. Esta proteção é composta por pinos de metal, que fixam um envoltório retangular feito de metal, plástico ou de outros materiais . O mecanismo descrito garante que a transmissão de energia não cause danos físicos nos circuitos nem nas próprias placas.

Existe uma maneira muito fácil de visualizar encapsulamentos em peças de hardware. Para isso, pegue uma placa qualquer sobrando na sua casa (vídeo, modem, memória, processador) e procure por retângulos de cor preta. Caso eles estejam cercados de pequenos pinos, então você acabou de achar um ou mais encapsulamentos.

Tipos de encpsulamento

Existem vários tipos de encapsulamentos desenvolvidos para as placas de circuito impresso, os quais são usados dependendo do hardware em questão. Por exemplo, o PGA (Pin Grid Array) é usado bastante em microprocessadores, implementando uma matriz de pinos que circula o chip principal da CPU. Este modelo possui algumas variantes, como o PPGA, e o FC-GPA, os quais são usadas em processadores muito famosos, como os Pentium III e 4.
Outro modelo muito usado é o Ball Grid Array, cujos pinos são em formato de bolas, usado bastante em chipsets de placas mãe e em algumas placas de vídeo e CPUs.

Sendo um modelo mais antigo, o Dual In-Line Package foi um dos encapsulamentos mais usados desde a década de 70. Seu uso é recomendado para módulos menores, utilizando de uma quantidade reduzida de pinos, normalmente em formato de ganchos.

Grafeno

Andre Geim e Konstantin Novoselov receberam o prêmio Nobel de Física de 2010 por experimentos inovadores com grafeno, um novo material mais forte que diamante,condutor de calor e, misturado com plástico, superflexível.

Como material, o grafeno completamente novo – não só o mais fino já obtido, como também o mais resistente. Como condutor de eletricidade, é tão bom quanto cobre. Como condutor de calor é melhor do que qualquer outro material. É quase completamente transparente, mas ao mesmo tão denso que nem mesmo hélio, o menor dos átomos de gás, pode passar por ele.

Uma ampla variedade de aplicações práticas é possível com a exploração das propriedades do grafeno, como a criação de novos materiais e a produção de componentes eletrônicos inovadores.

Como é costituido?

O grafeno é constituído por uma camada extremamente fina de grafite, o mesmo material encontrado em qualquer lápis comum. O que torna o material especial é a estrutura hexagonal com que seus átomos individuais estão distribuídos, que gera uma folha plana que, se enroladas, geram nanotubos de carbono.

Os nanotubos de carbono são tubos formados somente com átomos de carbono, com espessura de um único átomo. Se abrirmos um nanotubo teremos o grafeno, uma superfície plana, formada por átomos de carbono ligados numa estrutura hexagonal. O modelo estrutural assemelha-se a uma tela de galinheiro, mas só que a espessura dessa folha de carbono é de apenas um átomo.

Simulaçao de campo magnético.

Uma das coisas mais espantosas que nós fizemos foi fazer os eletroes pensarem que estavam sob a ação de um gigantesco campo magnético, quando, na verdade, não havia nenhum campo externo sendo aplicado," conta Manoharan.

Eles fizeram com que os elétrons se comportassem como se estivessem sujeitos a campos magnéticos que variaram de 0 a 60 Tesla - o campo magnético mais forte já gerado pelo homem pouco supera os 90 Tesla.

"Nossa nova abordagem é uma nova e poderosa plataforma de testes para a física," disse Manoharan.

"O grafeno molecular é apenas a primeira de uma série de estruturas artificiais possíveis. Esperamos que nossa pesquisa possa, em última instância, levar à identificação de novos materiais em nanoescala com propriedades eletrônicas úteis," avalia ele.

Ainda não existe tecnologia para fabricar grandes folhas de grafeno livres de defeitos, que possam ser utilizadas em aplicações estruturais. Mas folhas de dimensões microscópicas já foram utilizadas para fabricar o menor transístor do mundo e um transístor inovador, 50 vezes mais rápido do que os atuais.

A medição agora realizada é também essencial para que os pesquisadores saibam quais são os limites que eles poderão alcançar quando desenvolverem os materiais do futuro.

Aplicaçoes no futuro

Pipeline

Introdução

• Na década de 70 surge uma nova técnica chamada pipeline, onde a execução das instruções é dividida em várias fases consecutivas e o processador é organizado em estágios correspondentes para execução dessas instruções.
• Pipeline  é  uma  técnica  de  implementação  de processadores que permite a sobreposição temporal de diversas fases de execução de instruções.
• Em  outras  palavras,  é  uma  técnica  de  projeto  onde  o hardware processa mais de uma instrução de cada vez sem  esperar  que  uma  instrução  termine  antes  de começar a outra.

Exemplo da lavandaria 

Divisão da Instrução em Estágios

• Os mesmos princípios podem ser aplicados aos processadores que executam suas tarefas em pipeline.

Síntese final

• Em suma, o pipeline melhora o desempenho por meio do aumento do throughput das instruções, ou seja, aumento o número de instruções executadas na unidade de tempo, e não pela diminuição do tempo de execução de uma instrução individual.
• Speedup ideal é o número de estágios no pipeline
• Throughput ou taxa de transferência é a quantidade de dados transferidos de um lugar a outro, ou a quantidade de  dados  processados  em  um  determinado  espaço  de tempo.
• Speedup potencial = número de estágios do pipeline

CPU-instruções

Definição de Instruções de Máquina

A operação de uma UCP é determinada pelas instruções que ela executa,
conhecidas como instruções de máquina. A coleção das diferentes instruções
que a UCP é capaz de executar é conhecida como o conjunto de instruções do

• processador, o qual pode variar de um fabricante para outro e mesmo de um 

modelo para outro de processador.

Definição de RISC

É uma linha de arquitetura de processadores que favorece um conjunto simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas

Definição de CISC

É uma linha de arquitetura de processadores capaz de executar centenas de instruções complexas diferentes sendo, assim, extremamente versátil. 

Formato das Instruções

Cada instrução consiste num grupo de bits que pode ser dividido em duas partes:

• a primeira parte

indica o que é a instrução e como será executada, sendo constituída de um só campo

• a segunda parte

refere­se aos dados que serão manipulados na operação, podendo ser constituída por mais de um campo.

Tamanho das Instruções

A definição dos códigos de operação do conjunto de instruções de um processador pode ser feita por duas maneiras:

• instruções com C.Op. de tamanho fixo
• instruções com C.Op. de tamanho variável

No primeiro caso, todas as instruções têm um C.Op. com a mesma quantidade de bits. A implementação das instruções e sua manipulação durante a execução de um programa são facilitadas, ao passo que o tamanho do C.Op., e da própria instrução tende a aumentar, influenciando no aumento do tamanho ocupado pelo programa na MP.

Tipos de Instruções

Um computador deve ter um conjunto de instruções que permita ao utilizador formular qualquer tarefa de processamento de dados. Outra maneira de determinar esse conjunto de instruções é considerar os
comandos disponíveis numa linguagem de alto nível (Basic, Pascal, Fortran, C, etc.)

Podemos, então, classificar as instruções de máquina nos seguintes tipos, dependendo da sua função:

• Processamento de dados: instruções aritméticas e lógicas
• Armazenamento de dados: instruções de memória
• Movimentação de dados: instruções de E/S;
• Controle: instruções de teste e desvio

Ciclo de instrução 

• Busca (leitura) lê a próxima instrução da memória para a UCP;
• Decodifiação interpreta o código de operação e seus operandos (se existir)
• Execução efectua a operação indicada.
• Interrupção se as interrupções estão habilitadas e ocorreu uma interrupção, salva o estado do processo atual e processa a interrupção.

Central Processing Unit

• Definição de cpu

É a responsável pelo processamento e execução dos programas armazenados na MP. As funções da UCP são: executar as instruções e controlar as operações no computador.

• Sua composição 

Na figura  acima  vemos o 

diagrama  de  blocos  de 

uma  UCP  simples,  com 

destaque  aos  elementos 

que  exercem  a  função 

controle:

• Unidade de Controle
• Decodificador de Instrução
• Registador de Instrução
• Contador de Instrução
• Relógio
• Registador de Endereços da Memória
• Registador de Dados da Memória

• Definição da ULA

A  ULa   é  o  dispositivo  do  processador  que  efetivamente executa  as  operações  matemáticas  com  os  dados.  

• As suas funções são:

• Soma, subtração, multiplicação e divisão;
• Operação lógica AND, OR, XOR; 
• Deslocamento à direita, deslocamento à esquerda

• Definição de UC 

A UC é o dispositivo mais complexo do processador.

Ele possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e instruções “de” e “para” o processador, através dos sinais de controle que  emite  em  instantes  de  tempo  determinados  conforme  uma programação prévia.

• Sua função:
• controlar a transferência de dados e instruções para dentro e fora 
  da CPU;
• controlar a operação da ULA;
• controlar a execução de instruções;

• 1. Registos utilizados no UC

Registador de Instrução

Tem a função de armazenar a instrução a ser executada pela UCP.
No início do ciclo de instrução a UC emite sinais de controle sequenciados no tempo para a realização do ciclo de leitura, no qual a instrução é buscada na memória e armazenada no RI, via barramento de dados e RDM.

• Contador de Instrução 

 Armazena o endereço da próxima instrução a ser executada, sendo crucial  para  o  processo  de  controle  e  de  sequenciamento  da execução dos programas. Assim que a instrução a ser executada é lida da memória para a UCP, o conteúdo do CI é automaticamente modificado,  sendo  nele  armazenado  o  endereço  da  próxima instrução na sequência.

• Função do Relógio

O relógio (clock) é um dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo.

• A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo  define  a  unidade  de  media  do  relógio  denominada freqüência, a qual também é utilizada para definir a velocidade da UCP. Servem para:
• Sincronizar,  ou  seja,  permitir  que  duas  ou  mais  ações ocorram no mesmo instante de tempo.
•  Cadenciar  as  ações  realizadas  em  um  determinada  positivo, ou seja, controlar a velocidade com que elas ocorrem.

 Em geral o relógio é formado por um cristal de quartzo.

• Principais elementos:
Um ciclo do relógio (clock clycle) é o intervalo de tempo entre o início de um pulso e o início do seguinte.

Um  período  é o intervalo de tempo gasto para ser obter um ciclo do sinal do relógio Usualmente  medido  em  unidades  de  tempo  em nanossegundos.

Frequência  é a quantidade de ciclos por segundo de um relógio. É o inverso do período.A unidade de medida utilizada para a frequência é o Hertz(Hz) onde, 1 Hz = 1 ciclo por segundo.

Assim, se um processador funciona com um clock de 25 milhões de vezes por segundo, isto é, 25MHz, e sendo seu período de duração o inverso da freqüência, então cada ciclo será igual a 1/25000000, ou 0,00000004 ou 40 nano segundos (nS).

Homenagem a Steve Jobs

O cofundador e ex-presidente do conselho de administração da Apple morreu nesta quarta-feira aos 56 anos, vítima de um cancro no pâncreas que vinha tratando desde 2003. Perfeccionista, criativo, inovador e ousado, ele ajudou a tornar os computadores mais amigáveis e revolucionou a animação, a música digital e o telefone celular. Jobs marcou o mundo da tecnologia ao apresentar produtos como o Macintosh, o iPod, o iPhone e o iPad. Afastado da empresa desde 17 de janeiro para cuidar da saúde e sem prazo para voltar, o executivo renunciou ao cargo em 24 de agosto. "Sempre disse que, se chegasse o dia que eu não pudesse mais cumprir minhas funções e expectativas como CEO da Apple, seria o primeiro a informar. Infelizmente, esse dia chegou", dizia a nota à época.