Diseño de Sistemas Secuenciales

"Nada es permanente, excepto el cambio."

Heráclito

Juan Angel Garza Garza

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Electrónica Digital I

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

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1. Introducción conceptual.
2. diferencia entre sistemas combinacionales y secuenciales.
3. Descripción de un sistema secuencial mediante un diagrama de transición de estados.
4. Flujo de diseño.
5. Uso del la señal de sincronía reloj CLK.
6. Concepto de estados.
7. Primeros comandos de descripción de la secuencia en ABEL-HDL
1. GOTO
2. IF THEN
3. IF THEN ELSE.

Fundamentos del Diseño de Sistemas Secuenciales Síncronos

y su descripción en ABEL-HDL

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Sistema Secuencial

Un Sistema Secuencial es aquel sistema en donde los valores de salida no dependen únicamente de las combinaciones de entrada,

sino también de la salida misma.

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Sistema Secuencial

Un Sistema Secuencial es aquel Sistema en donde los valores de salida no dependen únicamente de las combinaciones de entrada, sino también de la salida misma.

En un semáforo de que depende decidir la luz que sigue en encender

?

Cual es la luz que sigue

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Sistema Secuencial

Un Sistema Secuencial es aquel Sistema en donde los valores de salida no dependen únicamente de las combinaciones de entrada, sino también de la salida misma.

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clasificación

Asíncrono: Depende solo de un cambio en las entradas

No depende de una señal de sincronía�Modo nivel

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clasificación

• Síncrono en donde los cambios de estado dependen de una señal de sincronía de los Flip Flops �llamada reloj, Ck o Clk.

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Modelos secuénciales síncronos y sus representaciones

Máquina de Moore �la salida solo depende del estado presente.

Decodificador

de salida

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Modelos secuénciales síncronos y sus representaciones

Máquina de Moore �la salida solo depende del estado presente.

Sin

Decodificador

de salida

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Modelos secuénciales síncronos y sus representaciones

Máquina de Mealy �en el que la salida depende tanto de la entrada como del estado presente.

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Mealy

Moore

La salida asociada

al estado

La salida asociada

al la transición

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Cual es parte más difícil de �la solución de un problema

Describirlo, Plantearlo, Identificarlo

​

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Diagrama de Transición de Estados

Grafos, Autómatas

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Un diagrama de transición se compone de:

Estados o Eventos:

Una condición o situación de un objeto, durante la cual satisface una condición, realiza una actividad o está esperando un evento.

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Un diagrama de transición se compone de:

Transición en el mismo estado:

Una entrada X cuyo estado próximo es el mismo que el anterior.

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Un diagrama de transición se compone de:

Transición entre dos estados:

Una relación entre estados que indica que un objeto que está en el primer estado realizará una acción especificada y, entrará en el segundo estado cuando un evento Y especificado ocurra y unas condiciones especificadas sean satisfechas.

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Un diagrama de transición se compone de:

Entradas:

Combinaciones que establecen un cambio de evento.

Salidas:

Valores combinacionales que determinan un evento

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Método para el Diseño de Sistemas Secuenciales síncronos�con el uso de HDL y su implementación en un PLD

1.- Especificar el sistema (Diagrama de transición)

2.- Determinar la cantidad de Flip Flops

3.- Asignar valores a los estados

4.- Diagrama de Bloque (entradas y salidas)

5.- Construir la tabla de estado siguiente

6.- Codificación en ABEL-HDL

a) Entradas y Salidas

b) Sincronización de los Flip Flops

c) Asignación de valores a los estados

d) definir la secuencia (state_diagram o Truth_table)

7.- Simulación

8.- Implementación

​

Base para describir y Diseñar

un sistema

secuencial

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Especificar el Sistema

Para especificar el comportamiento del sistema se puede hacer uso del diagrama de transición, en donde se indica la secuencia deseada además de las entradas, salidas y estados.

Diagrama de Transición

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Relación entre Estados y Flip-Flops

La cantidad de Flip-Flops necesarios en el diseño de un sistema secuencial depende directamente del número de estados definidos en el diagrama de transición.

​

Con las combinaciones generadas con las salidas de los Flip Flops se puede identificar forma única cada uno de los estados del sistema secuencial

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Asignar los valores a los estados.

La asignación de códigos binarios a los estados puede hacerse de forma arbitraria, siempre y cuando cada estado reciba una combinación única.

Estas combinaciones corresponden a las posibles salidas de los Flip-Flops (Q) , lo que permite identificar inequívocamente cada estado dentro del sistema.

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Determinar las entradas y salidas

En esta parte se recomienda identificar las entradas y salidas del sistema secuencial, usando un diagrama de bloques como lo muestra la siguiente figura.

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Tabla de Estado Siguiente

Entradas

Estado�Presente

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Código en ABEL-HDL

1. Entradas y Salidas.
2. Sincronización de los Flip Flops.
3. Asignación de valores a los estados.
4. Definir la secuencia (State_Diagram o Truth_table

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Diagrama Esquemático

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Simulación

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Construir el prototipo

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Método para el Diseño de Sistemas Secuenciales síncronos�con el uso de HDL y su implementación en un PLD

1.- Especificar el sistema (Diagrama de transición)

2.- Determinar la cantidad de Flip Flops

3.- Asignar valores a los estados

4.- Diagrama de Bloque (entradas y salidas)

5.- Construir la tabla de estado siguiente

6.- Codificación en ABEL-HDL

a) Entradas y Salidas

b) Sincronización de los Flip Flops

c) Asignación de valores a los estados

d) definir la secuencia (state_diagram o Truth_table)

7.- Simulación

8.- Implementación

​

Base para describir y Diseñar

un sistema

secuencial

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Ejemplo 1

Diseñe un Sistema Secuencial Síncrono que represente la operación de un semáforo de cuatro estados que se presentan en el siguiente orden:

Verde, Flecha, Ámbar y Rojo

que cambie de estado con una señal de transición positiva llamada Clk, el sistema debe de ser cíclico

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Especificar el Sistema

En este diagrama de transición se indica la secuencia del semáforo en donde los cambios de estado se realizarán cada vez que le proporcionemos un pulso de sincronía (Ck) a los Flip Flops.

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Determinar la cantidad de Flip Flops

Nuestro ejemplo consta de cuatro estados Verde, Flecha, Ámbar y Rojo, por lo que requeriremos de dos Flip Flops, para identificarlos los llamaremos Q1 y Q0.

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Asignar los valores a los estados

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Asignar los valores a los estados

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Asignar los valores a los estados

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Asignar los valores a los estados

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Asignar los valores a los estados

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Asignar los valores a los estados

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Determinar las entradas y salidas

Como se observa en la figura, el sistema tiene una sola entrada llamada Ck �Seis salidas de las cuales Verde, Flecha, Ámbar y Rojo, son Combinacionales.

Además de Q1 y Q0 son las salidas de los Flip Flops o también llamadas registradas (reg).

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Construir una Tabla de Estados

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Construir una Tabla de Estados

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Construir una Tabla de Estados

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Construir una Tabla de Estados

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Construir una Tabla de Estados

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Mayo 2021

Construir una Tabla de Estados

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Tabla de Excitación

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Para Flip Flop D

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Comparación

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Istype ‘reg’

El GAL22V10 tiene 10 FFs tipo D

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Código en Abel-Hdl

1.- Diagrama de Bloques Entradas y Salidas

2.- Sincronización

3.- Asignación de valores a los estados

4.- Diagrama de transición (State_Diagram, Truth Table)

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Código en Abel-Hdl

Module sem

“Entrada

Ck pin 1;

“Salidas Combinacionales

V, F, AM, R pin 20..23 istype ‘com’;

“Salidas Registradas

Q1,Q0 pin 14,15 istype ‘reg’;

1.- Diagrama de Bloques Entradas y Salidas

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2.- Sincronización

"sincronizacion de los Flip Flops�

Sinc=[Q1,Q0];�

Equations�

Sinc.clk=Ck;

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3.- Asignación de valores a los estados

"Asignación de valores a los estados

declarations

Verde = [0,0];

Flecha = [0,1];

Ambar = [1,0];

Rojo = [1,1];

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4.- Diagrama de transición

"Diagrama de transición

State_Diagram Sinc

STATE Verde:

Ve=1; Fl=0; Am=0; Ro=0;

goto Flecha;

STATE Flecha:

Ve=0; Fl=1; Am=0; Ro=0;

goto Ambar;

STATE Ambar:

Ve=0; Fl=0; Am=1; Ro=0;

goto Rojo;

STATE Rojo:

Ve=0; Fl=0; Am=0; Ro=1;

goto Verde;

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Proteus

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Método para el Diseño de un sistema Secuencial

1.- Especificar el Sistema (Diagrama de Transición).

2.- Determinar la cantidad de Flip Flops.

3.- Asignar los valores a los estados.

4.- Determinar las entradas y salidas.

a) Entrada de sincronía reloj.

b) Entradas combinacionales.

c) Salidas combinacionales.

d) Salidas registradas (FF’s).

5.- Construir una Tabla de Estados.

6.- Código en ABEL_HDL

7.- Diagrama Esquemático.

8.- Simulación

9.- Implementación.

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Ejemplo 2

Diseñe un Sistema Secuencial síncrono que represente la operación de un semáforo de cuatro estados que se presentan en el siguiente orden: Verde, Flecha, Ámbar y Rojo, además incluya una Entrada X de modo que:

Método para el Diseño de un sistema Secuencial

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Ejemplo 2

Si X=1, el sistema deberá de permanecer en el mismo estado

Si X=0, el sistema deberá de cambiar al estado siguiente

X

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Diagrama de transición

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Asignar los valores a los estados

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Tabla de estados

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Tabla de estados

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Código en Abel-Hdl

Module sem

“Entrada

Ck, X, Rst pin 1,2,3;

“Salidas Combinacionales

Ve, Fl, Am, Ro pin 19..16 istype ‘com’;

“Salidas Registradas

Q1,Q0 pin 15,14 istype ‘reg’;

1.- Diagrama de Bloques Entradas y Salidas

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Sincronización

"sincronización de los Flip Flops

Sinc=[Q1,Q0];

Equations

Sinc.clk=Ck;

Sinc.ar=Rst;

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Asignación de valores a los estados

"Asignación de valores a los estados

declarations

Verde = [0,0];

Flecha = [0,1];

Ambar = [1,0];

Rojo = [1,1];

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If-Then-Else Syntax

IF exp THEN state_exp [ ELSE state_exp ]

Descripción de la Secuencia

Las sentencias if-then-else se utilizan en la sección state_diagram para describir la progresión de un estado a otro

State_diagram

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Descripción de la Secuencia

"Diagrama de transición

State_Diagram Sinc

STATE Verde:

Ve=1; Fl=0; Am=0; Ro=0;

If X then Verde else Flecha

State_diagram

"Diagrama de transición

State_Diagram Sinc

STATE Verde:

Ve=1; Fl=0; Am=0; Ro=0;

If !X then Flecha else Verde

​

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Descripción de la Secuencia

"Diagrama de transición

State_Diagram Sinc

STATE Verde:

Ve=1; Fl=0; Am=0; Ro=0;

If X then Verde;

IF !X then Flecha;

State_diagram

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Descripción de la Secuencia

"Diagrama de transición

State_Diagram Sinc

STATE Verde:

Ve=1; Fl=0; Am=0; Ro=0;

If X==1 then Verde;

IF X==0 then Flecha;

State_diagram

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Diagrama de transición

"Diagrama de transición

State_Diagram Sinc

STATE Verde:

Ve=1; Fl=0; Am=0; Ro=0;

If X then Verde else Flecha;

STATE Flecha:

Ve=0; Fl=1; Am=0; Ro=0;

If !X then Ambar;

If X then Flecha;

STATE Ambar:

Ve=0; Fl=0; Am=1; Ro=0;

If X==0 then Rojo else Ambar;

STATE Rojo:

Ve=0; Fl=0; Am=0; Ro=1;

If X==1 then Rojo;

If X==0 then Verde;

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Código en Abel-Hdl

Module sem

“Entrada

Ck, X, Rst pin 1..3;

“Salidas Combinacionales

Ve, Fl, Am, Ro pin 20..23 istype ‘com’;

“Salidas Registradas

Q1,Q0 pin 14,15 istype ‘reg’;

1.- Diagrama de Bloques Entradas y Salidas

istype ‘com’;

istype ‘Reg’;

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Sincronización

"sincronización de los Flip Flops

Sinc=[Q1,Q0];

Equations

Sinc.clk=Ck;

Sinc.ar=Rst;

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Sincronización

"sincronización de los Flip Flops

Sinc=[Q1,Q0];

Equations

Sinc.clk=Ck;

Sinc.ar=Rst;

Sinc.sp=P;

sp

Module sem

“Entrada

Ck, X, Rst, P pin 1..4;

“Salidas Combinacionales

Ve, Fl, Am, Ro pin 20..23 istype ‘com’;

“Salidas Registradas

Q1,Q0 pin 14,15 istype ‘reg’;

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PROTEUS

Equations

Sinc.clk=Ck;

Sinc.ar=Rst;

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Código en Abel-Hdl

1.- Diagrama de Bloques Entradas y Salidas

2.- Sincronización

3.- Asignación de valores a los estados

4.- Diagrama de transición (State_Diagram, Truth Table)

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Ejemplo 3

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Entradas y Salidas

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Tabla de estado siguiente

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Tabla de estado siguiente

Juan Angel Garza Garza

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Código en Abel-Hdl

Module semxy

“Entradas

Clk,X,Y,SP,Rst pin 1..5;

“Salidas Combinacionales

R, AM, F, V pin 17..14 istype ‘com’;

“Salidas Registradas

Q1,Q0 pin 22,23 istype ‘reg’;

1.- Diagrama de Bloques Entradas y Salidas

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Sincronización

"sincronizacion de los Flip Flops

FIME=[Q1,Q0];

Equations

FIME.clk=Clk;

FIME.ar=Rst;

FIME.sp=SP;

SP

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Asignación de valores a los estados

"Asignación de valores a los estados

declarations

Verde=[0,0];

Flecha=[0,1];

Ambar=[1,0];

Rojo=[1,1];

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State Verde:

State_Diagram FIME

State Verde:

V=1; F=0; AM=0; R=0;

if !X&!Y then Flecha;

if !X &Y then Verde;

if X& !Y then Ambar;

if X&Y then Rojo;

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State Flecha:

State Flecha:

V=0; F=1; AM=0; R=0;

if !X & !Y then Ambar;

if !X &Y then Flecha;

if X& !Y then Rojo;

if X&Y then Verde;

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

State Ambar:

State Ambar:

V=0; F=0; AM=1; R=0;

if !X & !Y then Rojo;

if !X &Y then Ambar;

if X& !Y then Verde;

if X&Y then Flecha;

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Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

State Rojo:

State Rojo:

V=0; F=0; AM=0; R=1;

if !X& !Y then Verde;

if !X &Y then Rojo;

if X& !Y then Flecha;

if X&Y then Ambar;

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M=[X,Y];

State Verde:

V=1; F=0;

AM=0; R=0;

if M==0 then Flecha;

if M==1 then Verde;

if M==2 then Ambar;

if M==3 then Rojo;

State Flecha:

V=0; F=1;

AM=0; R=0;

if M==0 then Ambar;

if M==1 then Flecha;

if M==2 then Rojo;

if M==3 then Verde;

State Ambar:

V=0; F=0;

AM=1; R=0;

if M==0 then Rojo;

if M==1 then Ambar;

if M==2 then Verde;

if M==3 then Flecha;

State Rojo:

V=0; F=0;

AM=0; R=1;

if M==0 then Verde;

if M==1 then Rojo;

if M==2 then Rojo;

if M==3 then Ambar;

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Comparación de métodos o flujo de diseño

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Actividad Fundamental 4�Aplicación del método para el Diseño de sistemas secuenciales síncronos

Aula Invertida (Flipped Classroom):

Es un enfoque diferente de enseñanza, en donde el estudiante antes de la sesión de clase incorpora información (Teoría y aplicación del método) y con ello efectúa los procedimientos iniciales solicitados en la actividad y posteriormente dentro del aula en la sesión de clase (presencial o virtual) concluye su desarrollo asesorado por él profesor.

Es una actividad individual y es necesario efectuar los siguientes pasos:

Aula Invertida

Estudio

Asesoria

Actividad

Evaluación

Personalizada

Video

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Aula Invertida

Método Tradicional

Clase

Estudio

Estudio

Asesoria

Actividad

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Evaluación

Evaluación

Juan Angel Garza Garza

Sistemas Digitales

Electrónica Digital I

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Actividad Fundamental 4�Aplicación del método para el Diseño de �sistemas secuenciales síncronos

Juan Angel Garza Garza

Sistemas Digitales

Electrónica Digital I

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Con que se quedan

de esta clase

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Juan Angel Garza Garza

Sistemas Digitales

Electrónica Digital I

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Introducción y fundamentos del diseño secuencial

• Diferencia entre sistemas combinacionales y secuenciales.
• Sincronía mediante la señal de reloj (Clk) y el papel de los Flip-Flops.
• Concepto de estado presente y estado siguiente como base del comportamiento temporal.
• Método general de diseño:
• Especificación
• tabla de estado siguiente
• codificación HDL
• Simulación
• implementación.

5.- Lenguaje ABEL-HDL para describir secuencias empleando los comandos�GOTO, IF THEN y IF THEN ELSE, como recursos fundamentales para definir la transición entre estados y condicionar el flujo lógico del sistema.

Resumen

Juan Angel Garza Garza

Sistemas Digitales

Electrónica Digital I

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica