Circuitos Secuenciales

Los sistemas digitales que introducen la dependencia temporal son conocidos como sistemas secuenciales. Una definición más rigurosa de sistema secuencial puede ser la siguiente:

Un circuito de conmutación secuencial se define como un circuito bivaluado en el cual, la salida en cualquier instante depende de las entradas en dicho instante y de la historia pasada (o secuencia) de entradas.

Esta definición implica una serie de características inherentes a estos sistemas. Entre éstas podemos destacar las siguientes:

-Poseen uno o más caminos de realimentación, es decir, una o más señales internas o de salida se vuelven a introducir como señales de entradas. Gracias a esta característica se garantiza la dependencia de la operación con la secuencia anterior.

-Como es lógico, existe una dependencia explícita del tiempo. Esta dependencia se produce en los lazos de realimentación antes mencionados. En estos lazos es necesario distinguir entre las salidas y las entradas realimentadas. Esta distinción se traducirá en un retraso de ambas señales (en el caso más ideal), como se puede ver en la figura de abajo, el cual puede producirse mediante dos elementos:

• Elementos de retraso, ya sean explícitos o implícitos debido al retraso de la lógica combinacional. Este retraso es fijo e independiente de cualquier señal.
• Elementos de memoria, que son dispositivos que almacena el valor de la entrada en un instante determinado por una señal externa y lo mantiene hasta que dicha señal ordene el almacenamiento de un nuevo valor.

La diferencia de comportamiento entre ambos elementos radica en que la salida del elemento de retraso es una copia de la señal de entrada; mientras que el elemento de memoria copia determinados instantes de la entrada (determinados por una señal externa), y no la señal completa, el resto del tiempo la salida no cambia de valor, como podemos apreciar en la siguiente figura.

Figura 1.2

En este caso, podemos observar que la salida del elemento de retraso es una copia de la señal de entrada retraso un determinado tiempo; mientras que la salida del elemento de memoria copia los valores de la entrada cuando la señal de control tiene una transición de subida, por lo que la copia no es exacta, sino que sólo copia lo que interesa. 

Por lo tanto, el modelo clásico de un sistema secuencial consta de un bloque combinacional, que generará la función lógica que queramos realizar, y un grupo de elementos de memoria con una serie de señales realimentadas, como se muestra en la figura siguiente.

Figura 1.3

En ella podemos distinguir tres tipos de señales: señales de entradas, señales de salida y señales de estado. Las señales de entrada y salida tienen el mismo significado que en los sistemas combinacionales. En cambio, las señales de estado son aquellas que mantienen la información de la historia pasada del sistema. Las señales de estado tienen dos versiones, según se consideren a la salida o a la entrada del elemento de memoria: 

• Si consideramos las señales de estado a la salida de los elementos de memoria, o lo que es lo mismo, a la entrada del bloque combinacional, se denominan señales de estado presente ya que nos indica el estado en el que se encuentra el sistema para realizar una operación. 

• Si consideramos las señales de estado a la entrada de los elementos de memoria, o lo que es lo mismo, a la salida del bloque combinacional, se denominan señales del próximo estado ya que nos indican el estado al que llegará después de que el bloque combinacional haya realizado la operación.

Clasificación de los Sistemas Secuenciales:

Uno de los primeros problemas de los circuitos secuenciales era determinar el momento en el que el próximo estado debía pasar a estado presente, sin capturar situaciones no deseadas como pueden ser los azares. Este problema es lo que se conoce como sincronización, cuyas soluciones dieron lugar a una de la principales clasificaciones de los sistemas secuenciales. Así podemos dividir los sistemas en dos categorías:

• Sistemas asíncronos.- La sincronización depende exclusivamente de los retrasos de la lógica combinacional, sin necesidad de ninguna señal externa al sistema. 
• Sistemas síncronos.- La sincronización depende exclusivamente de una señal externa al sistema, conocida generalmente como señal de reloj. Esta señal de reloj controlará el comportamiento de los elementos de memoria. 

Las operaciones de un sistema asíncrono tienen efecto, es decir, se almacena el próximo estado, en intervalos temporales diferentes. Por lo tanto, su velocidad de operación será distinta para cada secuencia de entradas. De esta forma se toma como el parámetro de la velocidad de operación el valor medio de todas las velocidades. Así, la operación de un sistema asíncrono se denomina operación del caso medio. 

En cambio, las operaciones de un sistema síncrono tienen efecto en el mismo intervalo temporal, el dictaminado por el periodo de la señal de reloj. Por lo tanto, su velocidad de operación será siempre la misma para todas las secuencias de entrada. Esta velocidad debe ser tal que todas las operaciones tengan el tiempo necesario para poder llevarse a cabo. Así, la velocidad de un sistema síncrono (y por tanto la frecuencia de la señal de reloj asociada) debe estar limitada por la operación más lenta. A este tipo de operaciones se le suele denominar operación del caso peor.

Representación de los sistemas secuenciales:

De igual forma que existe una representación de los sistemas combinacionales (mediante tablas de combinaciones), los sistemas secuenciales también tienen sus formas de representación. Éstas son algo más complejas, debido a la dependencia temporal. Así, podemos encontrar las siguientes formas equivalentes: 

• Diagrama de estados, es un grafo orientado en el que cada nudo es un estado y cada transición indica el cambio, tanto de estado como de salida, respecto a un cambio en alguna de las señales de entradas. 
• Tablas de estado y de salida, es una representación tabular del grafo anterior. Las entradas se representan como columnas, y los estados presentes como filas; y en el interior de cada celda, se indica el próximo estado y el valor que tomará la salida cuando sufra la transición.