Guia Prático: Mitigação de Hazards em Circuitos Lógicos

Os hazards (também chamados de “riscos” ou “glitches”) em circuitos combinacionaisFerramentas de Simulação: Simulação prática: construção e teste de circuitos combinacionaisAprenda a simular circuitos combinacionais com ferramentas como Logisim, Proteus e Multisim. Teste, valide e otimize seus projetos digitais. Confira! são comportamentos indesejados que podem fazer com que as saídas apresentem pulsos rápidos ou valores incorretos, ainda que momentaneamente. Esses pulsos podem ser críticos em aplicações sensíveis a temporização ou em sistemas que exigem alta confiabilidade. Neste tutorial, abordaremos:

• O que são hazards estáticos e dinâmicos
• Como identificá-los em circuitos combinacionaisFerramentas de Simulação: Simulação prática: construção e teste de circuitos combinacionaisAprenda a simular circuitos combinacionais com ferramentas como Logisim, Proteus e Multisim. Teste, valide e otimize seus projetos digitais. Confira!
• Estratégias para análise e mitigação desses riscos

Visão Geral sobre Hazards🔗

Quando sinais de entrada mudam de valor em um circuito combinacionalFerramentas de Simulação: Simulação prática: construção e teste de circuitos combinacionaisAprenda a simular circuitos combinacionais com ferramentas como Logisim, Proteus e Multisim. Teste, valide e otimize seus projetos digitais. Confira!, os caminhos lógicos podem ter tempos de propagação diferentes. Isso faz com que, antes do circuito alcançar o valor de saída correto, possam ocorrer picos breves de falsos “0” ou “1”. Esses pequenos pulsos podem atrapalhar registradoresContadores e Registradores: organização e aplicação em sistemas digitaisDescubra como contadores e registradores são essenciais na organização e manipulação de dados em circuitos digitais, fundamentais para a computação moderna., flip-flops ou outras partes do sistema que dependem de sinais estáveis.

Por que os tempos de propagação causam glitches?

Imagine que a saída de uma porta OR depende de duas entradas. Se uma das entradas tem um caminho mais lento do que a outra (mais estágios lógicos, por exemplo), mesmo um breve desencontro no tempo pode ocasionar um valor intermediário incorreto na saída, gerando o hazard.

Hazards Estáticos🔗

Um hazard estático ocorre quando esperamos que a saída permaneça constante após uma mudança nas entradas, porém surge um pulso curto que a altera momentaneamente (e pode retornar em seguida).

Existem dois tipos principais:

1. Hazard estático “1”: A saída deveria permanecer em nível 1, mas ocorre um pulso em 0 por um instante.

2. Hazard estático “0”: A saída deveria permanecer em nível 0, mas ocorre um pulso em 1 temporariamente.

Em termos funcionais:

• No hazard estático 1, o circuito entra em um breve estado de 0 não desejado.
• No hazard estático 0, o circuito tem um surto rápido para 1 quando deveria estar em 0.

Hazards Dinâmicos🔗

Diferentemente dos hazards estáticos, um hazard dinâmico ocorre quando a saída oscila mais de uma vez antes de estabilizar. Nesse caso, você pode ver múltiplos pulsos (por exemplo, 1 → 0 → 1 → 0 → 1) surgindo ao longo do tempo em que as entradas estão em transição. Esse cenário normalmente é fruto de circuitos mais complexos, com vários caminhos de atraso e sinais que mudam rapidamente em sequência.

Análise de Hazards🔗

A análise de hazards visa identificar onde, em um diagrama lógico ou em uma expressão booleanaCircuitos Combinacionais: Somadores (meio somador, somador completo) e subtratores (complemento de 2)Aprenda a montar circuitos digitais com meio somador, somador completo e subtratores via complemento de 2. Domine operações aritméticas de forma clara., podem ocorrer discrepâncias de tempo de propagaçãoPortas Lógicas e Famílias Lógicas: Comparação de famílias lógicas: TTL, CMOS, ECL (vantagens e limitações)Descubra as características, vantagens e limitações das famílias lógicas TTL, CMOS e ECL, essenciais para projetos digitais modernos.. Geralmente:

1. Mapeie todos os caminhos lógicos: identifique quantos portas (ou estágios) cada sinal percorre internamente.

2. Investigue condições de sobreposição entre termos lógicos que deveriam garantir uma transição suave na saída, mas podem apresentar um “buraco” (gap) quando os sinais mudam.

3. Se necessário, verifique a sequência de estados de cada entrada e observe se alguma ordem de transição gera valores intermediários conflituosos.

Para ilustrar, considere o seguinte exemplo simplificado:

Descrição do diagrama:

• A entrada A é processada de duas formas: um caminho direto até a porta OR (OR1) e outro caminho que passa pela porta ANDPortas Lógicas Fundamentais: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR e XNORDescubra as funções das portas lógicas (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR) por meio de exemplos e tabelas-verdade para eletrônica digital. (AND1).
• A entrada B segue apenas pelo caminho rápido (direto a AND1).

Se a entrada A mudar de valor com atraso em relação à entrada B, pode ocorrer um momento em que:

• O sinal A “não chegou” à porta AND1, mas já atualizou a entrada OR1.
• Isso faz com que a saída OR1 tenha um pico indevido (ou uma queda momentânea), caracterizando o hazard.

Mitigação de Hazards🔗

Adição de Termos de Cobertura (ou “Termos de Consenso”)

Uma prática consagrada na mitigação de hazards estáticos é incluir termos adicionais na expressão booleanaCircuitos Combinacionais: Somadores (meio somador, somador completo) e subtratores (complemento de 2)Aprenda a montar circuitos digitais com meio somador, somador completo e subtratores via complemento de 2. Domine operações aritméticas de forma clara. que fecham “lacunas” entre os caminhos. Esses termos extras, às vezes chamados de termos de consenso, garantem que sempre haja sobreposição suficiente para manter a saída estável durante transições específicas das entradas.

• Exemplo (forma genérica): caso falte um produto ou soma que cubra uma transição de bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. essencial, adiciona-se esse termo para evitar o pulso indevido.

Atrasos Equilibrados

Outra estratégia é buscar equilibrar o tempo de propagaçãoPortas Lógicas e Famílias Lógicas: Comparação de famílias lógicas: TTL, CMOS, ECL (vantagens e limitações)Descubra as características, vantagens e limitações das famílias lógicas TTL, CMOS e ECL, essenciais para projetos digitais modernos. dos sinais críticos. Se todos os caminhos tiverem um atraso semelhante:

• As entradas de uma mesma porta “chegam” praticamente ao mesmo tempo, evitando discrepâncias.
• Em alguns projetosIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital., isso é feito através de buffers ou ajustes de layout (em circuitos integradosCircuito Integrado (CI)Descubra os fundamentos dos Circuitos Integrados, sua história e aplicações na eletrônica digital. Aprenda os conceitos essenciais para iniciar.).

Filtros de Clock ou Temporização

Em situações em que o sinal gerado pelo circuito combinacionalFerramentas de Simulação: Simulação prática: construção e teste de circuitos combinacionaisAprenda a simular circuitos combinacionais com ferramentas como Logisim, Proteus e Multisim. Teste, valide e otimize seus projetos digitais. Confira! alimenta circuitos sequenciais:

• Flip-FlopsFlip-Flops e Latches: Tipos: SR, JK, D, T (funcionamento e clock)Aprenda os conceitos de Flip-Flops e Latches, incluindo tipos SR, JK, D e T, além do impacto do clock na sincronização de circuitos digitais. ou latchesFlip-Flops e Latches: Tipos: SR, JK, D, T (funcionamento e clock)Aprenda os conceitos de Flip-Flops e Latches, incluindo tipos SR, JK, D e T, além do impacto do clock na sincronização de circuitos digitais. podem ser configurados para capturar o valor quando ele estiver estável, ignorando oscilações breves.
• Ajustes de setup e hold time no clockFlip-Flops e Latches: Tipos: SR, JK, D, T (funcionamento e clock)Aprenda os conceitos de Flip-Flops e Latches, incluindo tipos SR, JK, D e T, além do impacto do clock na sincronização de circuitos digitais. ajudam a garantir que apenas valores estabilizados sejam amostrados.

Simplificação Cuidadosa da Lógica

Em alguns casos, simplificações agressivas de expressões booleanasCircuitos Combinacionais: Somadores (meio somador, somador completo) e subtratores (complemento de 2)Aprenda a montar circuitos digitais com meio somador, somador completo e subtratores via complemento de 2. Domine operações aritméticas de forma clara. (removendo mintermos ou maxtermos) podem eliminar redundâncias que, curiosamente, ajudavam a evitar hazards. Portanto, a simplificação deve ser feita com critério, analisando sempre se a remoção de termos não introduz riscos estáticos ou dinâmicos.

Tabela Exemplo: Tipos de Hazards e Soluções🔗

Conclusão🔗

Entender e mitigar hazards é fundamental para a confiabilidade dos circuitos combinacionaisFerramentas de Simulação: Simulação prática: construção e teste de circuitos combinacionaisAprenda a simular circuitos combinacionais com ferramentas como Logisim, Proteus e Multisim. Teste, valide e otimize seus projetos digitais. Confira!. Em aplicações nas quais qualquer mudança espúria pode trazer consequências sérias (por exemplo, controles de processo ou comunicações de alta velocidadePortas Lógicas e Famílias Lógicas: Comparação de famílias lógicas: TTL, CMOS, ECL (vantagens e limitações)Descubra as características, vantagens e limitações das famílias lógicas TTL, CMOS e ECL, essenciais para projetos digitais modernos.), eliminar ou reduzir ao máximo esses pulsos é essencial.

Em resumo:

• Hazards estáticos geram breves pulsos quando a saída deveria permanecer constante.
• Hazards dinâmicos podem resultar em mais de um pulso indevido durante a estabilização.
• Análise cuidadosa dos caminhos lógicos, inclusão de termos adicionais de cobertura, e o uso de técnicas de atraso são as principais armas para combater esse fenômeno.

Dessa forma, circuitos combinacionaisFerramentas de Simulação: Simulação prática: construção e teste de circuitos combinacionaisAprenda a simular circuitos combinacionais com ferramentas como Logisim, Proteus e Multisim. Teste, valide e otimize seus projetos digitais. Confira! tornam-se mais robustos, reduzindo o risco de erros intermitentes e garantindo maior confiabilidade na execução de suas funçõesMétodos e Sobrecarga: Técnicas para Maior FlexibilidadeDescubra como métodos, tasks, functions e sobrecarga em SystemVerilog otimizam a programação orientada a objetos com exemplos práticos e dicas de boas práticas. digitais.