Conceptos Básicos

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ElÉCTRONICA

La electrónica es la rama de la ciencia que se ocupa del estudio del flujo y control de electrones (electricidad) y del estudio de su comportamiento y efectos en gases, semiconductores y al vació, y con dispositivos que utilizan dichos electrones. Este control de los electrones se realiza mediante dispositivos que resisten, transportan, seleccionan, dirigen, conmutan, almacenan, manipulan y aprovechan el electrón.

¿Para que sirve la electrónica?

La electrónica sirve para realizar diferentes aplicaciones en el mundo contemporáneo. Prácticamente todos los dispositivos electrónicos que usamos a diario, como computadoras, calculadoras, celulares, relojes digitales, circuitos eléctricos, controles remotos, televisores, radios, etc, tienen su origen en el desarrollo de la electrónica y el mejoramiento en sus mecanismos de conducción y en sus materiales. Gracias a la electrónica hemos revolucionado nuestra capacidad tecnológica.

Compuertas LÓGICAS

Compuerta AND
Esta compuerta es representada por una multiplicación en el Algebra de Boole. Indica que es necesario que en todas sus entradas se tenga un estado binario 1 para que la salida otorgue un 1 binario. En caso contrario de que falte alguna de sus entradas con este estado o no tenga si quiera una accionada, la salida no podrá cambiar de estado y permanecerá en 0. Esta puede ser simbolizada por dos o más interruptores en serie de los cuales todos deben estar activos para que esta permita el flujo de la corriente.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta AND:

Compuerta OR
En el Algebra de Boole esta es una suma. Esta compuerta permite que con cualquiera de sus entradas que este en estado binario 1, su salida pasara a un estado 1 también. No es necesario que todas sus entradas estén accionadas para conseguir un estado 1 a la salida pero tampoco causa algún inconveniente. Para lograr un estado 0 a la salida, todas sus entradas deben estar en el mismo valor de 0. Se puede interpretar como dos interruptores en paralelo, que sin importar cual se accione, será posible el paso de la corriente.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta OR:

Compuerta NOT
En este caso esta compuerta solo tiene una entrada y una salida y esta actúa como un inversor. Para esta situación en la entrada se colocara un 1 y en la salida otorgara un 0 y en el caso contrario esta recibirá un 0 y mostrara un 1. Por lo cual todo lo que llegue a su entrada, será inverso en su salida.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta NOT:




Compuerta NAND
También denominada como AND negada, esta compuerta trabaja al contrario de una AND ya que al no tener entradas en 1 o solamente alguna de ellas, esta concede un 1 en su salida, pero si esta tiene todas sus entradas en 1 la salida se presenta con un 0.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta NAND:



Compuerta NOR

Así como vimos anteriormente, la compuerta OR también tiene su versión inversa. Esta compuerta cuando tiene sus entradas en estado 0 su salida estará en 1, pero si alguna de sus entradas pasa a un estado 1 sin importar en qué posición, su salida será un estado 0.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta NOR:




Compuerta XOR

También llamada OR exclusiva, esta actúa como una suma binaria de un digito cada uno y el resultado de la suma seria la salida. Otra manera de verlo es que con valores de entrada igual el estado de salida es 0 y con valores de entrada diferente, la salida será 1.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta XOR:




Compuerta XNOR

Esta es todo lo contrario a la compuerta XOR, ya que cuando las entradas sean iguales se presentara una salida en estado 1 y si son diferentes la salida será un estado 0.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta XNOR:


Compuerta IF

Esta compuerta no es una muy utilizada o reconocida ya que su funcionamiento en estados lógicos es parecido a si solo hubiera un cable conectado porque exactamente lo que se le coloque en la entrada, se encontrara en la salida. Pero también es conocido como un buffer, en la práctica se utiliza como amplificador de corriente o como seguidor de tensión para adaptar impedancias.

Tabla, Representación y Fórmula Compuerta IF:



VHDL

Es un lenguaje de especificación definido por el IEEE utilizado para describir circuitos digitales y para la automatización de diseño electrónico. VHDL es acrónimo proveniente de la combinación de dos acrónimos: VHSIC y HDL.

VHDL es un lenguaje de descripción de hardware, no es un lenguaje de programación, aunque su sintaxis y forma de uso se asemeje mucho. Con VHDL no programamos, lo que se hace es tomar un diseño electrónico y describirlo mediante el lenguaje, de forma que sirva como punto de entrada a herramientas que convertirán esa descripción en una implementación real del sistema.

VHDL fue desarrollado como un lenguaje para el modelado y simulación lógica dirigida por eventos de sistemas digitales, y actualmente se utiliza también para la síntesis automática de circuitos.

El VHDL es un lenguaje que fue diseñado inicialmente para ser usado en el modelado de sistemas digitales. Es por esta razón que su utilización en síntesis no es inmediata, aunque lo cierto es que la sofisticación de las actuales herramientas de síntesis es tal que permiten implementar diseños especificados en un alto nivel de abstracción.

La síntesis a partir de VHDL constituye hoy en día una de las principales aplicaciones del lenguaje con una gran demanda de uso. Las herramientas de síntesis basadas en el lenguaje permiten en la actualidad ganancias importantes en la productividad de diseño.

Un lenguaje de descripción de hardware permite diseñar y depurar sistemas digitales con un nivel de abstracción más alto que con una captura esquemática de compuertas, flip flops e incluso circuitos MSI. 

Características del lenguaje VHDL

  • La característica más importante del VHDL es que, al ser un lenguaje descripción, si se definen leyes o reglas que simbolicen conexiones, dichas reglas se hacen efectivas al mismo tiempo, a diferencia de otros lenguajes en los cuales la ejecución es en serie, es decir, se ejecuta una instrucción tras otra.
  • Sin embargo, tiene también la posibilidad de ejecutar algunos bloques de forma serie, haciendo así la descripción en dicho lenguaje más sencilla y con un nivel de abstracción más alto que si se crearan netlists. 

Un ejemplo en VHDL

Una vez que tenemos claro que queremos, podemos ponernos a escribir código. Por ejemplo aquí os dejamos una descripción VHDL para que podáis ver qué aspecto tiene un circuito en VHDL. En este caso es un sumador de 1 bit.

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity add_1 is
  port (a, b, c_in: in std_logic; c_mas, s: out std_logic);
end add_1;

architecture funcional of add_1 is
begin
  s <= ((not a) and (not b) and c_in) or ((not a) and b and (not c_in)) or (a and b and c_in) or (a and (not b) and (not c_in));
  c_mas <= (a and b) or (a and c_in) or (b and c_in) ; 
end funcional;

FPGA

FPGA es el acrónimo de Field Programmable Gate Arrays y no es más que una serie de dispositivos basados en semiconductores a base de matrices de bloques lógicos configurables o CLB, donde además se conectan a través de lo que en el sector se denomina como interconexiones programables.

Su principal característica y ventaja es que pueden ser reprogramados para un trabajo específico o cambiar sus requisitos después de haberse fabricado. El inventor de esta tecnología fue Xilinx, el cual ha evolucionado dicha tecnología hasta convertirla en un nuevo concepto a tener en cuenta en ciertos entornos de trabajo.

Lo interesante de este tipo de dispositivo son sus innumerables aplicaciones en la actualidad, ya que sus características técnicas pueden ser enfocadas a sectores como:

  • Aeroespacial.
  • Audio.
  • Automotriz.
  • Broadcast.
  • Electrónica.
  • Centros de datos.
  • Computación de alto rendimiento.
  • Industrial y médica.

Características principales

Principal característica de un FPGA es la flexibilidad. Esto viene dado por su naturaleza, donde un ingeniero podría descargar un archivo para un FPGA en concreto y modificar el comportamiento del mismo mediante cambios en dicho fichero.

Este apartado también implica que en muchos casos se pueden hacer cambios físicos sin hacer modificaciones costosas en la placa que lo soporta.

Segunda característica que portan los FPGA es la aceleración. Cuando hablamos de aceleración tenemos que definir tres escenarios totalmente distintos: fabricación, diseño y aceleración en sí misma.




Fuentes:

  • L. (s. f.-b). Las Compuertas Lógicas y sus Operaciones Lógicas (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR). Logicbus S.A. de C.V. Recuperado 12 de octubre de 2021, de https://www.logicbus.com.mx/compuertas-logicas.php

  • V. (2020, 14 noviembre). ¿Qué es VHDL? Introducción a VHDL. VHDL.es. https://vhdl.es/tutorial-vhdl/

  • PDF.- http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/658/A7.pdf sequence=7#:~:text=La%20caracter%C3%ADstica%20m%C3%A1s%20importante%20del,ejecuta%20una%20instrucci%C3%B3n%20tras%20otra

  • Roca, J. (2021, 8 octubre). ¿Quién tiene las GPU más eficientes en consumo? ¿NVIDIA o AMD? HardZone. https://hardzone.es/reportajes/comparativas/fotogramas-julio-gpu/

  • PDF.- http://www.fdi.ucm.es/profesor/jjruz/lec/temas/Sesion2.pdf

  • Electrónica Online. (2020b, septiembre 28). ➡️ Qué es la Eléctronica? Definición y Para que sirve? https://electronicaonline.net/


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