Introducción al estudio de los circuitos lógicos y sistemas numéricos

1. Sistemas numéricos
2. Conversión entre los sistemas numéricos
3. Operaciones aritméticas de los distintos sistemas.
4. Complemento de un número con respecto a la base del sistema.
5. Representación numérica en complemento a dos.
6. Operaciones aritméticas en complemento a dos.
7. Códigos de numeración, alfanuméricos y de errores.
9. Códigos detectores y correctores de errores.
10. Distancia y peso de los datos binarios.
11. Detección de error usando el método de paridad.
12. Detección y corrección de errores mediante el código hamming.
13. Bibliografía.

Sistemas numéricos

Un sistema numérico son un conjunto de símbolos y reglas que se utilizan para representar datos numéricos o cantidades. Se caracterizan por su base que indican el número de símbolos distinto que utiliza y además es el coeficiente que determina cual es el valor de cada símbolo dependiendo de la posición que ocupe. Estas cantidades se caracterizan por tener dígitos enteros y fraccionarios.

Si aj indica cualquier dígito de la cifra, b la base del sistema de numeración y además de esto la cantidad de dígitos enteros y fraccionarios son n y k respectivamente, entonces el número representado en cualquier base se puede expresar de la siguiente forma:

Nb = [an-1.an-2.an-3……….a3.a2.a1.a0,a-1.a-2.a-3 …….a-k]b

Donde: j = {n-1, n-2,………2, 1, 0,-1, -2, ……, -k} y n + k indica la cantidad de dígitos de la cifra.

Por ejemplo, el número 31221, 324 en base cuatro tiene n=5 y k=2 con la parte entera: an-1=a4=3; a3=1; a2=2; a1=2; a0=1 y parte fraccionaria a-1=3; a-2=2

SISTEMA DECIMAL.

Este es el sistema que manejamos cotidianamente, está formado por diez símbolos {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} por lo tanto la base del sistema es diez (10).

SISTEMA BINARIO.

Es el sistema que utiliza internamente el hardware de las computadoras actuales, se basa en la representación de cantidades utilizando los dígitos 1 y 0. Por tanto su base es 2 (número de dígitos del sistema). Cada dígito de un número en este sistema se denomina bit (contracción de binary digit). Se puede utilizar con nombre propio determinados conjuntos de dígitos en binario. Cuatro bits se denominan cuaterno (ejemplo: 1001), ocho bits octeto o byte (ejemplo: 10010110), al conjunto de 1024 bytes se le llama Kilobyte o simplemente K, 1024 Kilobytes forman un megabyte y 1024 megabytes se denominan Gigabytes.

SISTEMA OCTAL.

El sistema numérico octal utiliza ocho símbolos o dígitos para representar cantidades y cifras numéricas. Los dígitos son: {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}; la base de éste es ocho (8) y es un sistema que se puede convertir directamente en binario como se verá más adelante.

SISTEMA HEXADECIMAL.

El sistema numérico hexadecimal utiliza dieciséis dígitos y letras para representar cantidades y cifras numéricas. Los símbolos son: {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F}; la base del sistema es dieciséis (16). También se puede convertir directamente en binario como se verá más adelante. En la tabla 1.1 se muestran los primeros veintiuno números decimales con su respectiva equivalencia binaria, octal y hexadecimal.

Tabla 1.1. Equivalencia entre sistemas de los primeros veintiuno números decimales.

CONVERSIÓN ENTRE LOS SISTEMAS NUMÉRICOS

CONVERSIÓN DECIMAL-BINARIO: Los métodos mas conocidos son:

1. Divisiones sucesivas entre 2: Consiste en dividir sucesivamente el número decimal y los cocientes que se van obteniendo entre 2, hasta que una de las divisiones se haga 0. La unión de todos los restos obtenidos escritos en orden inverso, nos proporcionan el número inicial expresado en el sistema binario. Ej.:

10(10)=1010(2)

2. Multiplicación sucesiva por 2: Se utiliza para convertir una fracción decimal a binario, consiste en multiplicar dicha fracción por 2, obteniendo en la parte entera del resultado el primero de los dígitos binarios de la fracción binaria que buscamos. A continuación repetimos el mismo proceso con la parte fraccionaria del resultado anterior, obteniendo en la parte entera del nuevo resultado el segundo de los dígitos buscados. Iteramos sucesivamente de esta forma, hasta que desaparezca la parte fraccionaria o hasta que tengamos los suficientes dígitos binarios que nos permitan no sobrepasar un determinado error.

Ejemplo:

Convertir la fracción decimal 0.0828125 en fracciones binarias

0.82812510à 0.1101012

3. Métodos de las restas sucesivas de las potencias de 2: Consiste en tomar el numero a convertir y buscar la potencia de 2 mas grande que se pueda restar de dicho numero, tomando como nuevo numero para seguir el proceso el resultado de la resta. Se repiten las mismas operaciones hasta que el número resultante en una de las restas es 0 o inferior al error que deseamos cometer en la conversión. El numero binario resultante será un uno (1) en las posiciones correspondientes a las potencias restadas y un cero (0) en las que no se han podido restar. Ej.

Convertir el número decimal 1994 a binario.

Resp: 199410à 111110010102

CONVERSIÓN DE BINARIO A DECIMAL: El método consiste en reescribir él número binario en posición vertical de tal forma que la parte de la derecha quede en la zona superior y la parte izquierda quede en la zona inferior. Se repetirá el siguiente proceso para cada uno de los dígitos comenzados por el inferior: Se coloca en orden descendente la potencia de 2 desde el cero hasta n, donde el mismo el tamaño del número binario, el siguiente ejemplo ilustra de la siguiente manera. Utilizando el teorema fundamental de la numeración tenemos que 1001.1es igual a:

CONVERSIÓN DECIMAL – OCTAL: Consiste en dividir un número y sus sucesivos cocientes obtenidos por ocho hasta llegar a una división cuyo cociente sea 0. El numero Octal buscado es el compuesto por todos los restos obtenidos escritos en orden inverso a su obtención. Ej.:

1000(10)=3710(8)

CONVERSIÓN DE UNA FRACCIÓN DECIMAL A UNA OCTAL: Se toma la fracción decimal y se multiplica por 8, obteniendo en la parte entera del resultado el primer dígito de la fracción octal resultante y se repite el proceso con la parte decimal del resultado para obtener el segundo dígito y sucesivos. El proceso termina cuando desaparece la parte fraccionaria del resultado o dicha parte fraccionaria es inferior al error máximo que deseamos obtener. Ej. :

CONVERSIÓN OCTAL A DECIMAL: Existen varios métodos siendo el más generalizado el indicado por el TFN (Teorema fundamental de la numeración) que hace la conversión de forma directa por medio de la formula. Ej. : utilizando el teorema fundamental de la numeración tenemos que 4701 es igual a:

Conversión decimal – hexadecimal: Se divide el numero decimal y los cocientes sucesivos por 16 hasta obtener un cociente igual a 0. El número hexadecimal buscado será compuesto por todos los restos obtenidos en orden inverso a su obtención. Ej.:

1000(10)=3E8(16)

CONVERSIÓN DE UNA FRACCIÓN DECIMAL A HEXADECIMAL: a la fracción decimal se multiplica por 16, obteniendo en la parte entera del resultado el primer dígito de la fracción hexadecimal buscada, y se repite el proceso con la parte fraccionaria de este resultado. El proceso se acaba cuando la parte fraccionaria desaparece o hemos obtenido un número de dígitos que nos permita no sobrepasar el máximo error que deseemos obtener. Ej.: Pasar a hexadecimal la fracción decimal 0.06640625

0.06640625*16=1.0625

0.0625*16 = 1.0

Luego 0.06640625(10)=0.11(16)

CONVERSIÓN HEXADECIMAL- DECIMAL: el método más utilizado es el TFN que nos da el resultado por la aplicación directa de la formula. Ej. : utilizando el teorema fundamental de la numeración tenemos que 2CA es igual a:

CONVERSIÓN DE HEXADECIMAL-BINARIO: para convertir un número hexadecimal a binario, se sustituye cada dígito hexadecimal por su representación binaria según la siguiente tabla.

Ej.: pasar el número 2BC a binario

Finalmente él número hexadecimal en binario es igual a: 001010111100

CONVERSIÓN DE OCTAL A BINARIO: para convertir un numero octal a binario se sustituye cada dígito octal en por sus correspondientes tres dígitos binarios según la siguiente tabla.

Ej.: Convertir el número octal 1274 en binario.

Por lo tanto el número octal en binario es igual a: 001010111100

OPERACIONES ARITMÉTICAS DE LOS DISTINTOS SISTEMAS.

Al igual que en el sistema decimal, también en otros sistemas de numeración, se pueden realizar operaciones aritméticas, tales como: suma, resta, multiplicación y división tomando como referencia la base del sistema dado.

SUMA BINARIA, OCTAL Y HEXADECIMAL.

En general, para realizar la suma se procede de la misma forma como se hace en el sistema decimal. Por ejemplo, si es un número dado en una base b y es otro dado en la misma base entonces la suma se debe realizar de la siguiente forma:

Los dígitos mj=(aj+hj+cj-1) pertenecientes al resultado se forman sumando los dígitos de cada columna de los cosumandos, más el acarreo cj-1 que viene de la columna anterior. Cada unidad de acarreo tiene el mismo valor de la base del sistema, por ejemplo, en la suma binaria es dos, en octal ocho y en hexadecimal dieciséis. Por ejemplo, llevar 2 en hexadecimal significa que el acarreo es el doble de la base y vale exactamente 32; de este mismo modo, en binario equivale a 4 veces y 16 en octal. Los acarreos aparecen cuando las semisumas de las columnas superan la base del sistema numérico.

SUMA BINARIA: Las operaciones de suma binaria se realizan de la siguiente forma:

Ejemplo: Dado los números binarios: W=1111100012; T=11011101012; Obtener W+T

SUMA OCTAL: Se debe restar o dividir la semisuma de cada columna, cuando la misma exceda la base del sistema, y colocar en la columna inmediata del lado izquierdo, el valor del acarreo tantas veces se haya superado la base del sistema. De esta misma forma cada unidad que se acarree equivale a ocho unidades de la columna anterior.

Ejemplo: Dado los números binarios: A. 40740647 y B. 25675300, Obtener A+B

SUMA HEXADECIMAL: Se debe restar o dividir la semisuma de cada columna, cuando la misma exceda la base del sistema, y colocar en la columna inmediata del lado izquierdo, el valor del acarreo tantas veces se haya superado la base del sistema. Cada unidad que se acarree equivale a dieciséis unidades de la columna anterior.

Ejemplo: Dado los números binarios:

MULTIPLICACIÓN BINARIA, OCTAL Y HEXADECIMAL.

La operación aritmética de multiplicar se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal.

MULTIPLICACIÓN BINARIA:

Ej: Multiplicar A. 1110112 y B. 1112

MULTIPLICACIÓN OCTAL:

Ej: Multiplicar A. 672348 y B. 168

MULTIPLICACIÓN HEXADECIMAL:

Ej: Multiplicar A. 67D3416 y B. 1216

DIVISIÓN BINARIA, OCTAL Y HEXADECIMAL.

La operación aritmética de dividir se realiza del mismo modo que en el sistema numérico decimal.

DIVISIÓN BINARIA:

DIVISIÓN OCTAL Y HEXADECIMAL: La división se efectúa del mismo modo que en el sistema decimal y se realiza directamente en la misma base del sistema octal o hexadecimal. Sin embargo, también se puede obtener previamente la conversión en binario y proceder, como en el caso anterior, a realizarla en binario; y después el resultado transformarlo de nuevo al sistema numérico original.

COMPLEMENTO DE UN NÚMERO CON RESPECTO A LA BASE DEL SISTEMA.

Las representaciones de los números en los distintos sistemas son hechas por convenciones y acuerdos. La finalidad de esto es buscar formas sencillas de manejar universalmente operaciones y representaciones numéricas, representar números fraccionarios, números negativos, etc. El complemento de un número sirve para normalizar y reglamentar las operaciones aritméticas con signo, de forma que puedan ser procesadas por los circuitos internos de una calculadora o computadora.

El complemento a la base de un número se define por la siguiente fórmula:

(Ec.1.3) donde es el número complementado a la base del sistema, n la cantidad de dígitos y es el número dado.

Ejemplo: Hallar el complemento a diez del número 89732410

Solución: El número esta dado en el sistema decimal y la cantidad de dígitos es seis

Ejemplo: Hallar el complemento a dieciséis del número A9EFC2116

Solución: El número está dado en el sistema hexadecimal y la cantidad de dígitos es siete.

Ejemplo: Hallar el complemento a ocho del número 604728

Solución: El número está dado en el sistema octal y la cantidad de dígitos es cinco.

Ejemplo: Hallar el complemento a dos del número 1001110111012

Solución: El número está dado en el sistema binario y la cantidad de dígitos es doce.

COMPLEMENTO DISMINUIDO EN UNO A LA BASE DEL SISTEMA.

Existe otra forma de hallar el complemento a la base del sistema, ésta es, obteniendo el complemento disminuido a uno y luego sumando uno. Para obtener esta fórmula se procede con un artificio en la Ec.1.3 de la siguiente forma:

(Ec.1.3.1). El valor (Ec.1.4)

Se conoce como el complemento de la base disminuido a uno. También se le denomina complemento a uno del sistema numérico correspondiente y por lo tanto, para hallar el complemento a la base solamente se le debe sumar uno a la (Ec.1.4).

COMPLEMENTO DISMINUIDO A UNO DEL SISTEMA BINARIO, OCTAL Y HEXADECIMAL.

El complemento disminuido a uno se obtiene aplicando la Ec.1.4 en cualquiera de los sistemas numéricos. La expresión (bn-1) se debe usar como minuendo en el tope de la potencia bn menos uno, lo que significa tener una cifra compuesta por los dígitos más significativos y de mayor valor del sistema numérico. Por ejemplo, para hallar el minuendo de 564378, en el sistema octal, se procede de la siguiente forma:

n=5; entonces 85 -1=1000008 -1=777778. Ahora, para hallar el complemento disminuido a uno se resta el número dado: .

Ejemplo: Hallar el complemento disminuido a uno de los siguientes números:

a) 24BCA0F716; b) 100111011012; c) 12657308

Sol. (a):

Sol. (b):

Sol. (c):

En cualquier sistema de numeración el complemento disminuido a uno se puede hallar con la fórmula resultante de la Ec.1, Ec.2 y Ec.3 de la siguiente forma:

Donde cada (b-1) corresponde al dígito de mayor peso en el sistema de numeración de base b. Los aj son los n dígitos del número que se va complementar, con j=0,1,….,n-2,n-1. El complemento disminuido a uno se halla, en forma directa, de la siguiente manera:

(Ec.1.4.1).

Ejemplo: Hallar el complemento disminuido a uno de los siguientes números:

a) FCBC4016; b) 1010110112

Solución (a):

Solución (b):

COMPLEMENTO A UNO.

Es un caso particular del complemento disminuido a uno de la base binaria, tiene muchas aplicaciones en los circuitos digitales y sistemas de computación. Sirven para representar tablas numéricas de cantidades positivas y negativas, invertir los estados de los bits que conforman el dato binario y es utilizado como paso previo para hallar el complemento a dos. De la Ec.1.4 se puede determinar que el complemento a uno se obtiene invirtiendo el estado o nivel de los bits que conforman la cifra.

Ejemplo: Hallar el complemento a uno de los siguientes números binarios:

a) 1100010101011110102; b) 1010110101012

Solución (a):

Solución (b):

COMPLEMENTO A DOS.

Es un caso particular del complemento a la base del sistema binario, tiene muchas aplicaciones en los circuitos digitales y sistemas de computación. Sirven para representar tablas numéricas de cantidades positivas y negativas, invertir los estados de los bits que conforman el dato binario y realizar operaciones aritméticas con signo en el sistema binario. Con la Ec.1.3 se puede determinar el complemento a dos de un número binario; no obstante, con la misma ecuación se puede hallar un método directo para obtener también el complemento a dos. Este método consiste en ir seleccionando y colocando de derecha a izquierda los dígitos binarios hasta conseguir el primer bit en uno, de allí en adelante se cambian de estado todos los bits restantes.

El otro método para hallar el complemento a dos consiste en obtener el complemento a uno de la cifra y luego sumarle uno; esto último está reflejado en la (Ec.1.3.1).

Ejemplo: Hallar el complemento a dos de los siguientes números binarios:

a) 1011001010101112; b) 100011010001002; c) 101110011100002

Aplicando el método con la (Ec.2.1);

Solución (a):

Solución (b):

Solución (c):

REPRESENTACIÓN NUMÉRICA EN COMPLEMENTO A DOS.

En el sistema binario, la forma más utilizada para representar los números enteros con signo es la de complemento a dos. Los circuitos microprocesadores poseen internamente unidades de procesamiento aritmético que trabajan bajo éste formato, el cual puede estar constituido por n bits múltiplos de la potencia de base dos. Por ejemplo, para representar los números positivos y negativos se definen datos con tamaño estándar: ocho bits, 16 bits, 32 bits, etc.

En este formato, el bit más significativo (MSB) del dato se utiliza para indicar el signo y los bits restantes representan la magnitud del número. En la figura 1.2 se puede apreciar la representación del formato utilizado para 16 bits, donde el más significativo (B15) indica que el signo es negativo si vale uno o positivo si vale cero. Las cantidades positivas se encuentran en binario normal mientras que los números negativos están en complemento a dos, esto significa que estos últimos, se deben complementar para poder hallar su verdadero valor.

El complemento de un número, en éste formato, es igual que cambiar el signo del mismo. Por otra parte, el complemento del complemento da como resultado el mismo número.

Ejemplo: Determinar el valor de los siguientes números dados en representación con signo de 16 bits (Formato de 16 bits):

a) 11001010101110002; b) 7FA816; c) 11111100000111002;

d) 1761028; e) FA816;

Solución (a): El bit 15 del dato vale uno; esto significa que el número es negativo y está dado en complemento a dos. Primero se debe complementar el dato para hallar su verdadero valor en binario y después se transforma a decimal.

Solución (b): Se debe transformar hexadecimal a binario y completar con ceros a la izquierda en caso de que el dato no tenga los 16 bits completos. Luego se hace la transformación a decimal.

Solución (c): El bit 15 del dato vale uno; esto significa que el número es negativo y está dado en complemento a dos. Primero se debe complementar el dato para hallar su verdadero valor en binario y después se transforma a decimal.

Solución (d): Se debe transformar octal a binario y completar con ceros a la izquierda en caso de que el dato no tenga los 16 bits completos. Luego se hace la transformación a decimal.

Solución (e): Se debe transformar hexadecimal a binario y completar con ceros a la izquierda en caso de que el dato no tenga los 16 bits completos. Luego se hace la transformación a decimal.

OPERACIONES ARITMÉTICAS EN COMPLEMENTO A DOS.

La suma y resta son las operaciones básicas realizadas por los microprocesadores, cualquiera otra operación, es consecuencia recursiva de éstas. A continuación se describen estas dos operaciones aritméticas, realizadas con números binarios en complemento a dos utilizando formato de signo y magnitud de 16 bits.

SUMA EN COMPLEMENTO A DOS.

Son cuatro casos que se presentan al sumar dos datos en formato con signo de complemento a dos:

I) SUMA DE DOS NÚMEROS POSITIVOS. El resultado debe ser positivo, y el bit más significativo de la suma, siempre dará cero.

Ejemplo: A = 1000111110001002; B = 100101101110112.

Antes de realizar la suma binaria se debe tener la precaución de sumar en decimal los números. De esta manera se puede chequear el resultado de la suma para tener la certeza de que no exceda el valor +3276710 y por lo tanto no sobrepasar el formato de 16 bits (Esto se conoce como OVERFLOW). También el 16vo bit en uno señala el sobreflujo de la operación.

II) SUMA DE UNO NEGATIVO Y OTRO POSITIVO. El resultado debe poseer el signo del que tenga mayor valor absoluto. En este caso el resultado es positivo y el 16vo bit vale cero.

Ejemplo: A = 11010110010101102; B = 1101101101110112

III) SUMA DE UNO POSITIVO Y OTRO NEGATIVO. El resultado debe poseer el signo del que tenga mayor valor absoluto. En este caso el resultado es negativo y el 16vo bit vale cero; del mismo modo no se debe tomar en cuenta el acarreo del 17vo bit.

Ejemplo: A = 110110110101012; B = 10010110111010012

A = 11110011111100002; B = 1001110111001012

Con dos números de distintos signos se dan los casos de acarreo en el 17vo bit. Si éste acarreo es cero significa que el resultado es negativo y se debe complementar para hallar su verdadero valor de la otra forma, si el acarreo es uno, entonces el signo del resultado es mayor o igual a cero y se encuentra en verdadero valor.

IV) SUMA DE DOS NÚMEROS NEGATIVOS. El resultado debe ser negativo, por lo tanto el bit más significativo de la suma siempre dará uno.

Antes de realizar la suma binaria se debe tener la precaución de sumar en decimal los números. De esta manera se puede chequear el resultado de la suma para tener la certeza de que no exceda el valor -3276710 y por lo tanto no sobrepasar el formato de 16 bits (Esto se conoce como OVERFLOW). También el 16vo y/o 17vo bits en cero señalan el sobreflujo de la operación.