TEC LINE INFORMÁTICA

TEC LINE INFORMÁTICA

PROF= . WILSON DAMIÃO

Voltage= ns e bits

E= ste artigo apresenta noções básicas de eletrônica digital visando facilitar o entendimento de manuais de memórias e processadores. Esses manuais apresentam várias informaç&otild= e;es técnicas e muitos gráficos de voltagens digitais em função do tempo. Entender a fundo o funcionamento das memórias, processadores e chips em geral requer a leitura desses diagramas.

U= ma das características mais importantes dos circuitos digitais é a representação dos bits 0 e 1 através de dois valores de tensão. Em geral é usado um valor pequeno, entre 0 e 0,3 volts, para indicar o bit 0, e um valor um pou= co maior, da ordem de alguns poucos volts, para indicar o bit 1. Por exemplo, memórias DDR usam cerca de 0,2 V para representar o bit 0 e em torno= de 2,5 V para representar o bit “1”. Valores diferentes podem ser us= ados, dependendo da tecnologia. Por exemplo, no interior dos processadores modern= os, os níveis de tensão são ainda mais baixos. São usados internamente valores em torno de 1,0 a 1,5 volts para representar o bit 1,= e um valor sempre próximo de 0 V para representar o bit 0. Seja qual for o caso, o nível de tensão que representa o bit 0 será se= mpre um valor positivo, apesar de muito pequeno. Da mesma forma, o nível = de tensão que representa o bit 1 será sempre um valor um pouco m= enor que o da tensão de alimentação do chip. A maioria dos chips existentes nas placas modernas opera com alimentação de= 3,3 volts ou de 2,5 volts. Há alguns anos atrás a maioria dos chi= ps operavam com 5 volts.

T= ecnicamente quaisquer níveis de voltagem poderiam ser usados para representar os bits 0 e 1. As interfaces seriais, por exemplo, = usam tensões de +12V e -12V para representar os bits 0 e 1. Na prá= tica são usados valores pequenos, para que o consumo de energia e a dissipação do calor também sejam pequenos, principalme= nte nos computadores. Valores maiores podem ser encontrados em alguns cicuitos. Por exemplo, em um relógio despertad= or digital alimentado por uma bateria de 9 volts, o bit 1 pode ser representado por um valor superior a 8 volts, e o bit 0 por um valor menor entre 0 e 1 v= olt.

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Figura 1 - Medindo as tensões que represe= ntam os bits em um chip alimentado por 3,3 volts.

A= figura 1 mostra uma medida teórica das tensões em pinos de um chip, representando bits 0 e 1. O pino que apresenta a tensão de 0,13 volts corresponde a um bit 0. Os outros dois pinos indicados, com tensões = de 2,83V e 2,74V representam bits 1. Os valores de tensão que represent= am os bits podem variar sensivelmente de um chip para outro, ou mesmo de um pi= no para outro. Não existe um valor exato, e sim, uma faixa de valores.<= /span>

Na prática esta medida nem sempre pode ser feita com um multímet= ro. Quando um chip está trabalhando, seus bits estão variando rapidamente, entre 0 e 1. Um multímetro não é capaz de medir tensões variáveis em alta velocidade, é adequado= a medir apenas tensões constantes. Supondo que este chip esteja fornec= endo bits constantes, mediríamos valores como os da figura 1. Em alguns c= asos um chip pode realmente apresentar valores constantes. Por exemplo, o chip q= ue contém a interface de impressora pode transmitir bits variáve= is enquanto está sendo produzida uma listagem, mas ao terminar, pode ma= nter fixo em suas saídas o código binário do último = dado enviado para a impressora. Neste ponto poderámo= s fazer uma medida usando o multímetro, como a apresentada na figura 1= .

O= bserve na figura 1 mais um detalhe importante sobre os níveis de tens&atild= e;o que representam os bits. Os valores especificados não são exa= tos, e sim, valores extremos. Por exemplo, um fabricante de memórias pode especificar:

VOH_min =3D 2,4 V
VOL_max =3D 0,4 V

S= ignifica que a tensão de saída nos seus terminais que representa o bit= 1 (Voltage Output High) &eac= ute; de no mínimo 2,4 volts. Pode assumir valores maiores, como no exemplo da figura 1, onde medimos 2,83 e 2,74 volts. Da mesma forma, este fabricante especifica que a tensão de saída que representa o bit 0 (Voltage Output Low) &eacu= te; de no máximo 0,4 volts. Pode assumir valores menores, como os 0,13 volts indicados na figura. Os projetistas de hardware sempre levam em conta faixas de valores, tensões máximas e mínimas, e assim por diante.

Tristate ou alta impedância

Q= uando um circuito digital está em operação normal, pode gerar na sua saída, tensões correspondentes aos bits 0 e 1. Existe entretanto um terceiro estado no qual um circuito pode operar. É o chamado terceiro estado (tristate) ou alta impedância. Em inglês são usados também os termos high impedance ou float (flutuar). É como se o circuito estivesse desconectado. Imagine por exemplo dois módulos de memória, cada um encaixado em seu respectivo soquete, operando em single channel. Digamos que cada um desses módulos tenha 256 MB. Quando o processador acessa um endereço= de memória entre 0 e 256 MB, o primeiro módulo está ativo= e o segundo fica = em tristate. Quando é acessado = um endereço superior a 256 MB, e até 512 MB, o segundo mó= dulo estará ativo e o primeiro estará em tris= tate.

O= uso do terceiro estado é necessário para que dois ou mais circuitos possam operar ligados ao mesmo ponto, ou ao mesmo barr= amento, porém apenas um de cada vez deverá entregar seus bits, e os demais devem ficar como se estivessem desligados. No terceiro estado, os circuitos estão energizados, mas sua resistência elétrica torna-se tão elevada que consomem = uma corrente desprezivelmente pequena, não afetando o funcionamento dos demais circuitos. É como aquele velho ditado, “quando um burro fala o outro abaixa a orelha”. O burro que está falando &eacut= e; o circuito ativo, gerando seus bits. Os burros de orelhas abaixadas sã= o os circuitos que estão no terceiro estado.

E= xistem vários exemplos de uso do terceiro estado. Um deles é o uso do Bus Mastering. Em condições norma= is, o processador gera os endereços e os sinais de controle da memó= ria. Quando é feita uma transferência de dados por Bus Mastering, o processador entra em tristate e deixa que o chipset realize a transferê= ncia, gerando seus próprios endereços e sinais de controle para a memória.

O= utro exemplo: várias placas de expansão estão conectadas no= barramento PCI de uma placa de CPU, e todas elas podem transmitir dados através do seu slot, porém elas não podem fazer transmissões no mesmo instante. No instante em que uma placa envia d= ados (ou que o processador comanda uma leitura dos seus dados), as demais placas mantém suas saídas em tristate.

A= maioria dos chips tem a capacidade de entrar em tristat= e. Eles possuem um pino (ou seja, uma “perninha”) chamado CS, ou chip select. Quando este sinal está ativado, o chip está em uso normal. Quando este sinal é desativado, o chip entra em tristate.<= /span>

Diagram= as de tempo

C= omo mencionamos, os bits representados pelos circuitos dig= itais variam bastante ao longo do tempo. Por exemplo, em um moderno chip de memória, os bits podem variar mais de 400 milhões de vezes a = cada segundo, ora representando 0, ora representando 1. Um diagrama de tempo é um gráfico simplificado que mostra os valores dos bits ao l= ongo do tempo, como o vemos na figura 2.

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Figura 2 – Diagrama de tempo=

Um diagrama de tempo pode representar um ou vários sinais digitais simultaneamente. Neste caso é usado um único eixo Y, representando o tempo, e vários eixos X independentes, cada um deles representando um sinal digital diferente. Cada sinal digital por sua vez as= sume valores 0 e 1 ao longo do tempo. O diagrama da figura 2 representa dois sin= ais digitais. Neste diagrama podemos observar, além dos trechos nos quai= s o circuito gera bits 0 e 1, um pequeno intervalo de tempo em cada transição de 1 para 0 ou de 0 para 1, represent= ados por trechos inclinados do gráfico. Esta transição deve= ria ser instantânea, do ponto de vista matemático, mas na prática leva um certo tempo, bastante peq= ueno, Por exemplo, um chip que gera bits diferentes a cada 10 ns (10 bilionésimos de segundo) pode demorar entre 1 e 2 ns para mudar seu estado de 0 para 1 ou de 1 para 0.

O= bserve ainda que um diagrama de tempo não é a mesma coisa que um gráfico de tensão ao longo do tempo. Um gráfico de tensão ao longo do tempo mostra os valores de tensão existentes em um ponto de um circuito, e não os bits q= ue representam. A figura 3 mostra um exemplo de gráfico de tensã= o ao longo do tempo, com todas as suas imperfeições. Este tipo de gráfico pode ser visualizado através de um aparelho chamado <= i>osciloscópio, usado em laboratórios de eletrônica.

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Figura 3 – Exemplo de gráfico de vo= ltagem ao longo do tempo

No gráfico da figura 3, a tensão começa com um valor baixo, representando um bit 0. No instante T1 começa a transição para representar um bit= 1. O gráfico assume um trecho crescente e rápido, mas não= se estabiliza imediatamente no seu valor máximo. A tensão atinge momentaneamente um valor máximo, em T2. A seguir reduz oscilando até se estabilizar em um valor definitivo, ou então limitada em uma faixa pequena. Este fenômeno &eac= ute; chamado de overshoot. No instante T3 o <= span class=3DSpellE>overshoot terminou ou foi reduzido a um valor que não afeta os circuitos e a tensão é considerada estabilizada. No instante T4 começa a transição de 1 p= ara 0, que termina em T5. Segue-se um trecho em que a tensão já t= em o valor 0, mas ainda não estabilizou no seu valor definitivo. Este tre= cho é o undershoot, e dura até= o instante T6.

E= xistem outras imperfeições mesmo nos trechos em que a tensão está estabilizada há “bastan= te tempo” em va= lores Low e High (0 e 1). Essas imperfeições são chamadas de ripple (em português, ruído). São u= ma espécie de interferência vinda da fonte de alimentação e de circuitos adjacentes. Quando dois circuitos estão próximos, transições binárias em um deles pode irradiar ondas eletromagnética= s que produzem interferências captados pelo outro. Essas interferênci= as também podem chegar da própria fonte de alimentação. Quando um chip faz transições rápidas entre bits 0 e 1, seu consumo de corrente pode variar na mesma velocidade, e a fonte de alimentação, ao tentar suprir esta variação de corrente, pode sofrer uma pequena variação nas suas saídas. É o ripple da fonte de alimentação, que é propagado para todos os demais circuitos. O ripple não pode ser muito acentuado, caso contrário irá comprometer os valores dos bits= .

E= m um circuito digital bem projetado, o overshoot e o= undershoot devem assumir proporções não muito exageradas para que não impeçam o correto funcionamento dos chips. Isto é conseguido com o uso de uma fonte de alimentação bem projetada, com capacitores de desacoplamento = ao lado de cada chip e utilizando técnicas apropriadas para o traçado das trilhas do circuito impresso da placa. Respeitadas essas condições, o projetista não precisa se precisa se preocupar com o overshoot, com o undershoot nem com o ripple da fonte de alimentação, mas precisa se preocupar com o tempo gasto nas transições binárias, ou seja, nas mudanças de 0 para 1 e de 1 para 0. Por isso são usados os diagramas de tempo, onde são indicados os trechos inclinados que representam as transições, mas não são mostrados os detalhes c= omo overshoot, undershoot e <= span class=3DSpellE>ripple.

D= urante o projeto de um circuito digital, o projetista deve inicialmente desenvolver = uma fase na qual é levada em conta a qualidade das tensões dos circuitos. O ripple deve ser baixo, assim como = o overshoot e o undershoot.= Deve ser levado em conta o valor, o tipo e a qualidade dos capacitores de desacoplamento ligados em cada chip. Deve ser levada em conta a qualidade da fonte de alimentação e o traçado das trilhas de circui= to da placa. O leitor pode não ser um projetista de placas, mas aqui po= de entender como a baixa qualidade da fonte e dos capacitores, aliado a um traçado mal feito (projetistas inexperientes ou pressa no projeto), = contribuem para a ocorrência de erros que se manifestam no mau funcionamento do computador.

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Figura 4 - Glitch. O surgimento de um “pico de voltagem” indevido, mostrado no gráfico tensãoxtempo acima, corre= sponde a um bit 1 indevido que surge rapidamente, volta= ndo a zero. Sendo indevidamente gerado, provoca resultados indevidos no funcionam= ento do circuito digital.

A= figura 4 mostra uma outra imperfeição nas tensões de um circu= ito digital. É o que chamamos de glitch. Trata-se de uma interferência na qual o valor de tensão especificado é momentaneamente alterado no sentido do bit oposto, produzindo uma variação binária indesejável. O = glitch pode ocorrer quando o ove= rshoot ou o undershoot são muito exagerados, ou quando um capacitor de desacoplamento está mal dimensionado ou defeituoso, ou mesmo quando existe um erro de projeto. Um circuito digital = que recebe na sua entrada uma tensão com glitch vai entendê-lo como uma transição binária que na verdade não existe. O resultado é o mau funcionamento do circuito.

V= ocê certamente já viu a palavra glitch no ci= nema mas talvez não se lembre. No filme Robocop 1 (versão legendada), aquele imenso robô aponta a metralhadora para um funcionário da OCP e diz “Polícia de Detroit, largue a arma, você tem 30 segundos...”. A seguir, mesmo depois que o sujeito joga a arma no chão, o robô avisa: “Você tem 20 segundos.. você tem 10 segundos”, então met= ralha o infeliz (aliás, que filme ruim...). O responsável pelo robô explica-se ao presidente da empresa: “foi apenas um glitch...”.

D= epois de garantir que o circuito tem tensões estáveis, com imperfeições mínimas e sem glitch= , o projetista passa a uma fase em que leva em con= ta apenas os valores binários e os períodos de transição. Essas são portanto as informações apresentadas nos diagramas de tempo.

Figura 5 - Convenções usadas em um diagrama de tempo.

A= figura 5 mostra alguns símbolos de eventos encontrados em diagramas de temp= o:

a) Trigger positivo
Este símbolo indica que no instante em que um sinal digital sofre uma transição de 0 para 1, um evento ou mudança em outro s= inal digital será ativado.

b) Trigger negativo
Similar ao positivo, exceto que o evento é disparado na transição binária de 1 para 0.

c) Retardo entre dois sinais
Mostra a dependência temporal entre dois sinais relacionados. É usado quando é informação relevante saber que um determinado sinal será ativado depois de um determinado tempo a partir do qual o primeiro é ativado.

d) Indicação de barramento
Para evitar= que um diagrama fique muito extenso, podemos agrupar vários sinais relacionados em um único eixo. Usamos para representar, por exemplo, o barramento de dados= do processador ou memória, o barramento de endereços, o conjunto de dados que estão trafegando através de uma interface. Não existe interesse em especificar= o valor individual de cada um dos sinais digitais. Eles formam um grupo, e al= guns deles podem ser 1 e outros serem 0, e o circuito funcionará independentemente dos valores.

e) Mudança de estado em ponto indeterminado
Todos os circuitos digitais apresentam pequenas variações, mas os fabricantes sempre especificam valores máximos e mínimos. Por exemplo, um determinado circuito pode apresentar um tempo médio de resposta de 15 ns, mas alguns componentes podem chegar a 10 ns, outros a 20= ns. Em certos casos o projetista precisa compatibilizar seu circuito com compon= entes mais lentos e mais rápidos. Neste caso precisa levar em conta o prim= eiro instante e o último instante em que um sinal digital pode ser ativad= o.

f) Don’t care
Significa “não importa”. O sinal digital poderá ter neste período, qualquer valor (obviamente, 0 ou 1), sem afetar o funcionam= ento do circuito. Por exemplo, se fizermos o diagrama da transmissão de d= ados por uma interface paralela, este diagrama deve começar indicando o d= ado que estava presente nas saídas da interface antes de começar a nova transmissão. Neste caso, não importa o dado que existia antes. Fazemos então a sua indicação como “don’t care”.

g) Tristate
Este símbolo é usado para representar períodos de tempo nos= quais um sinal digital encontra-se em tristate (terceiro estado, ou alta impedância).

OBS: Quando um sinal tem valor 1 quando está em repouso e valor 0 quando está ativo, dizemos q= ue é um sinal de lógica negativa. Sinais com esta característica são indicados com um traço horizontal s= obre o seu nome, ou então com um símbolo “#” à = sua direita, ou um “n” à sua esquerda. Por exemplo, se um si= nal RESET é ativo em 0, indicamos como RESET#= ou nRESET.

Concl= usão

C= omo exercício você poderá agora fazer o download de manuais de chips, memórias e processadores, encontrados nos sites= dos seus fabricantes, e observar os diagramas de tempo mostrados. Poderá então entender melhor o funcionamento de vários desses chips.=