Memória Digital

A memória digital é um componente essencial em sistemas eletrônicos e digitais, sendo responsável por armazenar informações temporárias ou permanentes. Iremos apresentar três componentes fundamentais da memória digital: latches, flip-flops e registradores.

Latches

O que é um Latch?

Um latch é um tipo de circuito de memória simples que pode armazenar um bit de informação. Ele mantém o valor (0 ou 1) até que um novo sinal de clock(controle) seja enviado para alterar esse valor, ou seja o latch é sensível ao nível do clock, quando o clock está em nível lógico 1 as entradas serão copiadas na saída, ele é considerado combinacional devido a dependência da entrada e do sinal do clock para decisão de estados, mas é também considerado sequencial, quando seu comportamento depende do estado anterior.

Tipos de Latches

• Latch: Tem duas entradas, S (Set) e R (Reset). Quando a entrada S é ativada, o latch "guarda" o valor 1 em Qa e Qb armazena o complemento de 1 que é 0, e quando a entrada R é ativada, ele guarda o valor 0 em Qa e Qb armazena o complemento de 0 que é 1, já quando ambos S (Set) e R (Reset) são igual a 1, caimos em um caso indeterminado.

• Latch SR: Funciona de forma semelhante ao que foi descrito acima, com uma diferença que agora terá três entradas, S (Set), R (Reset) e (E-Clock). Sendo o clock o sinal de controle do latch.

• Latch D: Com apenas uma entrada e a entrada do sinal de controle(E-Clock)

Características Importantes

• Transparente: Quando ativado, o latch permite que as entradas modifiquem diretamente a saída.
• Memória: O latch "lembra" do estado enquanto não for alterado por novos sinais.

2. Flip-Flops

O que é um Flip-Flop?

Um flip-flop é um tipo mais avançado de latch que mantém o estado até que seja explicitamente alterado, com a diferença de que ele responde apenas a bordas de um sinal de controle (clock), o que o torna mais estável para uso em circuitos digitais temporizados. Eles são utilizados para criar memória de longo prazo, ou seja cada unidade de flip-flop tem a capacidade de armazenar um bit na memória.

Tipos de Flip-Flops

O D Flip-Flop (também conhecido como Data Flip-Flop) é um tipo de flip-flop muito simples e utilizado frequentemente em circuitos digitais. Ele possui uma única entrada D (Data), uma entrada de controle Clock (CLK), e duas saídas: Q e Q' (invertida).

Tabela Verdade

A tabela verdade do D Flip-Flop é a seguinte:

D	CLK (Borda de Subida)	Q (Saída)	Q' (Saída Invertida)
0	↑	0	1
1	↑	1	0

Explicação

• D = 0: Quando o sinal de Clock ativa (borda de subida), a saída Q será 0.
• D = 1: Quando o sinal de Clock ativa, a saída Q será 1.
• O flip-flop D simplesmente replica o valor de D na sua saída Q quando o clock é ativado, o que o torna ideal para o armazenamento de dados.

Características Importantes

• O D Flip-Flop armazena um bit de informação e é muito útil em registro de dados, como em registradores de processadores e sistemas de memória temporária.
• Ele é sincronizado pela borda de subida do Clock.

O JK Flip-Flop é uma versão aprimorada do SR Flip-Flop, que resolve o problema de condições de entrada inválidas (onde as entradas S e R são ambas ativadas). Ele possui duas entradas, J e K, e uma entrada de controle, o Clock (geralmente chamado de CLK).

Tabela Verdade

A tabela verdade do JK Flip-Flop é a seguinte:

J	K	CLK (Borda de Subida)	Q (Saída)	Q' (Saída Invertida)
0	0	↑	Q(t)	Q'(t)
0	1	↑	0	1
1	0	↑	1	0
1	1	↑	Inverte	Inverte

Explicação

• J = 0, K = 0: O flip-flop mantém seu estado atual. Ou seja, a saída Q continua igual ao valor do estado anterior (Q(t)).
• J = 0, K = 1: A saída Q será definida como 0.
• J = 1, K = 0: A saída Q será definida como 1.
• J = 1, K = 1: A saída Q inverte seu estado atual. Ou seja, se Q estava em 0, passará a ser 1, e vice-versa.

Características Importantes

• O JK Flip-Flop é sensível à borda de subida do sinal de Clock (CLK), ou seja, ele muda seu estado quando ocorre a transição de 0 para 1.
• Quando J e K são ambos 1, o flip-flop entra em uma operação de toggle (inversão de estado).

Aplicação

• O JK Flip-Flop é muito útil em circuitos temporizados, como contadores e divisores de frequência, devido à sua capacidade de alternar o estado em resposta a entradas específicas.

O T Flip-Flop (Toggle Flip-Flop) é uma versão simplificada do JK Flip-Flop. Ele possui uma única entrada T, uma entrada de controle Clock (CLK) e duas saídas: Q e Q' (invertida).

Tabela Verdade

A tabela verdade do T Flip-Flop é a seguinte:

T	CLK (Borda de Subida)	Q (Saída)	Q' (Saída Invertida)
0	↑	Q(t)	Q'(t)
1	↑	Inverte	Inverte

Explicação

• T = 0: O flip-flop mantém seu estado atual (Q(t)).
• T = 1: O flip-flop inverte seu estado (toggle), ou seja, Q troca de valor (de 0 para 1 ou de 1 para 0).

Características Importantes

• O T Flip-Flop é sensível à borda de subida do sinal de Clock.
• Sua principal característica é a operação de toggle, que é útil em contadores binários e aplicações de divisão de frequência.

Aplicação

• Muito utilizado em contadores de frequência e circuitos temporizados, devido ao comportamento de alternância de estados.

3. Registradores

O que é um Registrador?

Um registrador é um grupo de flip-flops, geralmente com a mesma função de armazenar dados, mas que pode armazenar múltiplos bits simultaneamente. Ele é um bloco fundamental para a operação de processadores e outros dispositivos digitais.

Tipos de Registradores

• Registrador de Deslocamento: Usado para mover bits dentro do registrador ou entre diferentes registradores, geralmente com a operação de deslocamento (shift). Pode ser de deslocamento para a direita ou deslocamento para a esquerda.
• Registrador de Dados: Armazena dados temporários durante o processamento de informações. Pode ser acessado diretamente e é utilizado para passar dados entre diferentes partes de um sistema digital.

Características Importantes

• Armazenamento de Múltiplos Bits: Um registrador pode armazenar 8, 16, 32 bits ou mais, dependendo do sistema.
• Utilização em Processadores: Em um processador, os registradores são usados para armazenar dados temporários, como resultados intermediários de cálculos.

Diferenças entre Latches, Flip-Flops e Registradores

Características	Latches	Flip-Flops	Registradores
Armazenamento	Armazenam 1 bit	Armazenam 1 bit	Armazenam múltiplos bits
Controle	Dependem de sinais de controle constantes	Dependem da borda de um sinal de clock	Conjunto de flip-flops, com operações de controle
Função	Memória simples	Memória sincronizada com clock	Memória de múltiplos bits, usada para dados temporários
Uso	Armazenar um estado simples	Sincronizar estados em circuitos sequenciais	Armazenar e manipular dados em processadores e sistemas de controle

Exercícios

Exercício 1: Latch SR

Considere um latch SR (Set-Reset), onde as entradas são Set e Reset.

• O que acontece quando ambos os sinais Set e Reset são acionados ao mesmo tempo?
• Explique o comportamento do latch quando apenas o sinal Set é acionado e, em seguida, o sinal Reset é acionado.

Exercício 2: Flip-Flop T

Considere um flip-flop tipo T (Toggle).

• Como o flip-flop T reage quando a entrada T é 1 e o sinal de Clock ativa (borda de subida)?
• O que acontece quando a entrada T é 0? Explique o comportamento do flip-flop nas duas situações.

Exercício 3: Flip-Flop D

Considere um flip-flop tipo D:

• Quando a entrada D recebe o valor 1, o que acontece na saída Q durante a borda de subida do sinal de Clock?
• Se a entrada D for 0, qual será o valor da saída Q após a borda de subida do Clock?

Exercício 4: Flip-Flop JK

Considere um flip-flop tipo JK, que possui as entradas J e K.

• O que acontece quando a entrada J é 1 e K é 0, e o sinal de Clock está na borda de subida?
• E quando J é 0 e K é 1? Explique o comportamento do flip-flop JK em ambos os casos.

Exercício 5: Diferenças entre Latches, Flip-Flops e Registradores

Pergunta:

• Explique as principais diferenças entre latches, flip-flops e registradores. Cite exemplos de onde cada um seria mais apropriado em um sistema digital.

AUTORES

• Luis Henrique (15577760)
• Gabriel de Araujo (14571376)
• Gabriel Demba (15618344)