Video 1: Introducción a VHDL, circuitos combinacionales (Parte 1)

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https://www.youtube.com/watch?v=OIj59kyR7wU

Zusammenfassung

TLDREl video proporciona una introducción a VHDL, un lenguaje de descripción de hardware, dirigido a estudiantes de sistemas digitales. Se centra en el diseño de circuitos combinacionales, explicando la estructura básica de un diseño en VHDL, que incluye la entidad y la arquitectura. La entidad define las entradas y salidas del circuito, mientras que la arquitectura describe su funcionamiento. Se abordan las reglas para nombrar identificadores, los modos de entrada y salida, y los tipos de datos más comunes. Además, se presentan ejemplos prácticos de implementación de circuitos combinacionales utilizando sentencias de asignación y selección, enfatizando la importancia de pensar en hardware al escribir código VHDL.

Mitbringsel

  • 📚 Introducción a VHDL para circuitos digitales.
  • 🔧 Estructura básica: entidad y arquitectura.
  • 🔌 La entidad define entradas y salidas.
  • ⚙️ La arquitectura describe el funcionamiento.
  • 📝 Reglas para nombrar identificadores en VHDL.
  • 🔄 Modos de entrada (in) y salida (out).
  • 💡 Tipos de datos: std_logic y std_logic_vector.
  • 🔍 Importancia de pensar en hardware al programar.
  • 📊 Implementación de circuitos combinacionales.
  • 🔗 Uso de sentencias 'with select' para multiplexores.

Zeitleiste

  • 00:00:00 - 00:05:00

    Este video es una introducción a VHDL para estudiantes de sistemas digitales, enfocándose en el diseño de circuitos combinacionales. Se busca equipar a los estudiantes con conocimientos prácticos y esenciales, sin profundizar en todo el lenguaje VHDL. Se menciona la evolución de los lenguajes de descripción de hardware, destacando la importancia de describir el funcionamiento de los circuitos en lugar de sus interconexiones. Se presentan los componentes básicos de un diseño en VHDL: la entidad y la arquitectura, explicando cómo se definen las entradas y salidas de un circuito.

  • 00:05:00 - 00:10:00

    Se profundiza en la entidad, utilizando el ejemplo de un sumador completo de un bit. Se explican las palabras reservadas y la estructura de definición de entradas y salidas, incluyendo las reglas para nombrar identificadores en VHDL. Se discuten los modos de las señales (in y out) y los tipos de datos más comunes, como std_logic y std_logic_vector, enfatizando la importancia de usar std_logic en los diseños actuales.

  • 00:10:00 - 00:15:00

    Se introduce el concepto de librerías y paquetes en VHDL, que permiten reutilizar diseños precompilados y simplificar el proceso de diseño. Luego, se aborda la arquitectura, que define el comportamiento del circuito. Se presenta un ejemplo de una compuerta lógica, explicando la estructura de la entidad y la arquitectura, así como la asignación de salidas a entradas.

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    Finalmente, se discuten las sentencias básicas de asignación en VHDL, centrándose en la sentencia de selección de señal 'with select'. Se explica cómo se implementan circuitos combinacionales utilizando tablas de verdad y se presenta un ejemplo de una unidad lógico-aritmética. Se concluye resaltando la importancia de entender que VHDL es un lenguaje de descripción de hardware y no un lenguaje de programación.

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Video-Fragen und Antworten

  • ¿Qué es VHDL?

    VHDL es un lenguaje de descripción de hardware utilizado para diseñar circuitos digitales.

  • ¿Cuáles son las partes principales de un diseño en VHDL?

    Las partes principales son la entidad y la arquitectura.

  • ¿Qué define la entidad en VHDL?

    La entidad define las entradas y salidas del circuito.

  • ¿Qué es la arquitectura en VHDL?

    La arquitectura describe el funcionamiento del diseño digital.

  • ¿Cuáles son los tipos de datos más comunes en VHDL?

    Los tipos más comunes son bit, bit_vector, std_logic y std_logic_vector.

  • ¿Qué es una señal en VHDL?

    Una señal es un tipo de variable que puede ser utilizada para conectar diferentes partes de un diseño.

  • ¿Qué es un circuito combinacional?

    Un circuito combinacional es aquel cuya salida depende únicamente de las entradas actuales.

  • ¿Qué es la sentencia 'with select' en VHDL?

    Es una sentencia que permite seleccionar entre diferentes valores de salida basados en una entrada de selección.

  • ¿Cómo se implementa un multiplexor en VHDL?

    Se implementa utilizando la sentencia 'with select' para dirigir las entradas a la salida según la selección.

  • ¿Qué errores comunes se deben evitar al escribir VHDL?

    Evitar confundir VHDL con un lenguaje de programación y no pensar en el diseño de hardware.

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    muy bien Este es un video para los
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    estudiantes de sistemas digitales de la
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    universidad industrial de Santa
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    ander el propósito de este video es dar
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    una introducción a
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    vhdl no pretende ser una descripción
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    completa de vhdl sino más bien eh
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    equipar a los estudiantes con los
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    conocimientos necesarios para diseñar
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    circuitos combinacionales por ahora
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    HM y es un enfoque muy práctico decir lo
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    que se usa comúnmente en la práctica
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    porque vhdl es bastante amplio y no
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    queremos hacer un recorrido por todo lo
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    que es el lenguaje sino más bien por lo
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    que comúnmente usamos y desde nuestra
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    experiencia lo que creemos que es eh
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    fundamental muy bien De dónde nacen los
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    lenguajes de descripción de Hardware eh
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    los primeros diseños de circuitos se
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    hicieron utilizando eh lenguajes que
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    permitían describir la interconexión en
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    los entre los componentes Y de esa forma
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    se determinaba el funcionamiento del
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    circuito hdl los lenguajes hdl lo que
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    buscan eh básicamente es
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    eh No Describir el circuito por sus
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    interconexiones sino más bien por su
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    funcionamiento eso fue algo que resultó
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    ser muy positivo y por eso
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    eh ha sido de pues ha tenido tanta
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    trascendencia este tipo de lenguajes
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    existen muchos lenguajes de descripción
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    de
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    Hardware los dos más famosos son o más
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    usados son berock Y dhdl en este caso
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    vamos a concentrarnos en
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    vhdl un diseño en vhdl está compuesto
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    Todos los
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    diseños digitales en vhdl están
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    compuestos por dos partes principales
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    que son la entidad y la arquitectura ura
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    la entidad Define el el las entradas y
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    las salidas del circuito es decir como
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    la caja
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    negra que que envuelve el circuito en
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    esa básicamente lo que hacemos Es
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    definir entradas y salidas la
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    arquitectura es la que permite definir
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    el funcionamiento del módulo o del
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    diseño
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    digital vamos a ver la entidad
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    eh supongamos que tenemos un sumador un
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    medio no perdón un sumador completo de
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    un bit tiene tres entradas el acaro de
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    entrada los dos
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    operandos la suma y el acarreo de salida
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    eh De esta manera se describe el el
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    sumador las palabras que están en azules
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    son palabras reservadas
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    Eh es bueno mencionar que no es
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    necesario aprenderse estos estas
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    palabras porque todos los softwares hoy
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    eh digamos ofrecen templates que hacen
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    eso de manera automática
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    eh aquí definimos dentro de Port entre
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    estos dos paréntesis definimos eh las
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    entradas y las
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    salidas cada entrada y cada salida
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    eh tiene tres partes principales el
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    nombre el modo y el tipo vamos a revisar
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    parte por parte Cómo se deben declarar
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    los nombres qué modos hay y qué tipos
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    hay
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    Entonces los nombres y todos los
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    identificadores no solo los nombres de
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    las entradas y las salidas en vhdl sino
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    todos los identificadores que usemos
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    dentro de una descripción de Hardware
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    deben cumplir con estas reglas deben ser
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    lo letras números y guion bajo no más el
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    primer carácter debe ser una letra El
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    último carácter No puede ser un guion
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    bajo no pueden haber dos guiones bajos
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    seguidos y bhl no es sensible a
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    mayúsculas y minúsculas es decir que
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    salida uno escrito en minúsculo es igual
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    a salida uno escrito el mayúsculo a una
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    combinación de ambas como vemos aquí en
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    la última
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    parte un pequeño ejercicio tratemos de
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    pensar Cuál de estos de estos eh 2 cu si
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    ejemplos están
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    [Música]
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    bien entonces revisemos el segundo está
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    mal porque está utilizando un número el
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    símbolo de número el tercero está mal
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    porque no puede terminar en diom bajo el
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    cuarto porque no puede empezar por un
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    número El sexto porque hay dos guiones
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    bajos seguidos
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    bien el modo hay muchos modos varios
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    modos Pero los dos más usados por lo
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    menos los que nosotros hemos usado en
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    los diseños que hemos desarrollado aquí
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    al interior de la universidad son de
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    modo in Y de modo
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    out ines son señales de entrada no se
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    les puede asignar ningún valor dentro
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    del programa es decir nunca deben
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    aparecer al lado izquierdo de una
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    asignación siempre deben estar al lado
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    derecho los modos out son señales de
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    salida no puedes leérselo puede
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    escribirse cosa es decir no pueden ser
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    usadas a la derecha de una asignación
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    ahorita revisamos esto eh con un poquito
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    más de detalle Entonces ya hemos visto
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    el nombre el modo nos falta el tipo el
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    tipo es Qué valores puede tomar eh esa
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    entrada o o esa salida los cuatro más
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    usados son bit que toma valores de c y
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    de uno bit vector que es un vector de
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    ceros y de unos St de logic que es un
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    estándar lógico y St de logic vector que
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    es un estándar lógico el estándar como
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    como lo dice su nombre hoy día es que
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    todos los diseños se hagan utilizando St
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    logic es decir B bit y b vector casi no
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    se usan eh en algunas ocasiones se usan
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    y se usan otros pero digamos que por
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    ahora nos queremos enfocar en estd
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    [Música]
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    logica muy bien el standar logic puede
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    tomar todos esos valores que están ahí
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    pero nosotros en el curso solo Vamos a
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    usar el cero lógico el uno lógico alta
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    impedancia que es cuando queremos
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    desconectar algo eso conecta una
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    resistencia altísima por ejemplo a la
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    entrada de una compuerta Eso quiere
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    decir que está desconectada
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    y Don care que es una condición no
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    importa el
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    resto se utilizan en simulación por
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    ejemplo cuando tú eh haces una
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    simulación y algo no s no encuentra un
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    valor inicial entonces eh aparece una u
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    o x cuando se pierde no es capaz de
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    asignar un valor entonces va a aparecer
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    x pero los sintetizables es decir los
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    que uno usa para implementar físicamente
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    son los cuatro que están subrayados
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    aquí entonces miremos nuevamente la
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    entidad de un sumador supongamos que
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    tenemos un sumador de 4 bits Entonces
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    tenemos tres entradas y dos salidas y
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    ahí están declaradas la entrada a es de
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    modo in std logic vertos y aquí del bit
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    3 al bit c0 hay 4 bits cuando yo escribo
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    down To estoy diciendo que de los 4at
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    bits el de la izquierda el bit 3 es el
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    más significativo y el de la derecha el
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    bit 0 es el más menos significativo yo
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    pudiera Escribir 0 tu 3 y estaría
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    cambiando el orden del bit más
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    significativo a la izquierda y el menos
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    significativo perdón y el más
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    significativo a la derecha Okay Esto me
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    determina el orden del de Cuál es el más
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    significativo esto no necesitan porque
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    es solo un solo bit el c in y el c
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    out eh También es útil utilizar
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    librerías y paquetes Estos son colección
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    de unidades de diseño compiladas
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    previamente que se pueden usar después y
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    básicamente lo que permiten es hacer el
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    agilizar el uso del diseño Por ejemplo
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    si yo utilizo la librería eh aritmética
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    cuando yo vaya a hacer una suma no tengo
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    que hacer una suma utilizando sumadores
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    medios sumadores completos todo eso sino
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    simplemente le doy más y él ya entiende
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    que lo que está haciendo es una
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    aritmética una una suma aritmética Pero
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    él por dentro tiene allá hecho un
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    sumador utilizando compuertas lógicas
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    Ese es el propósito
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    de
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    de las librerías muy
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    bien Ahora la arquitectura es la que
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    determina el comportamiento del diseño
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    se describe usando las sentencias
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    propias del lenguaje bhl digamos que
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    para la entidad no se requiere saber bhl
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    porque los softwares lo hacen
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    automáticamente pero la arquitectura que
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    es es la que dice qué va a hacer el
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    circuito ese Sí la debo hacer yo vamos a
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    mirar el Hola mundo en bhl que es una
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    compuerta on una compuerta cualquier
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    compuerta lógica es lo que se conoce con
  • 00:09:03
    nombre de H
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    [Música]
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    mdl entonces
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    eh vamos a mirar parte por parte esta
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    esta descripción es una descripción
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    completa de una compuerta or lo primero
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    que aparece aquí son comentarios cuando
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    yo estos dos
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    guiones eso es un comentario para pues
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    para comentar cualquier programa como se
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    hace Generalmente con cualquier programa
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    después tenemos librerías cierto Esas
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    son las estándar las que siempre debemos
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    a usar después viene la entidad y
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    después viene la
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    arquitectura miremos la arquitectura
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    miros un poquito aquí la entidad mire
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    que este nombre se lo asigno yo con
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    puerta or y con puertor Estos también
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    son los entradas que yo le asigno y los
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    modos y el
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    tipo aquí en arquitectura Este es el
  • 00:09:56
    nombre de la arquitectura aquí es el
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    comportamiento de la comptador esto se
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    le puede cambiar yo aquí le puedo poner
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    Cualquier
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    nombre cierto generalmente se le coloca
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    compartamiento de la compador es y entre
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    y después del begin Y antes del en ahí
  • 00:10:14
    en esa parte va escrito todo lo que
  • 00:10:15
    quiera entonces aquí Simplemente digo
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    salida Esta es la forma de asignar
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    ahorita lo miramos con más detenimiento
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    entonces estoy diciendo que a la salida
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    le haga entrada uno entrada dos or
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    entrada dos y así que básicamente es el
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    el diseño Ahí está repetimos
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    librerías entidad y arquitectura
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    [Música]
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    bien antes de empezar a hacer digamos un
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    ejemplo con un poquito más elaborado
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    vamos a mirar un concepto muy importante
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    en bhl que es el uso de las
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    señales vamos a mirar otro eh supongamos
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    que queremos hacer este diseño que está
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    ahí Entonces vamos a mirar
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    una vamos a hacer la descripción de esto
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    en
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    vhdl con un error Y usted va a tratar de
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    [Música]
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    [Aplausos]
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    [Música]
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    identificarlo efectivamente si usted se
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    da cuenta nosotros estamos asignando
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    estamos salida auxiliar es de modo
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    salida y lo estoy leyendo es decir estoy
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    tomando ese valor y lo estoy leyendo eso
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    no se puede
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    hacer es como si como si salida está es
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    un pin que está por
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    fuera que está hacia fuera de la fpga y
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    yo no puedo leerlo de allá afuera porque
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    está afuera es un pin que va para afuera
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    Esa no es la razón pero es una forma
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    forma didáctica de decirlo Entonces si
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    cuando pasa
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    eso el sintetizador me va a decir lo
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    siguiente el parámetro de salida el
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    parámetro salida auxiliar de modo out no
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    puede ser asociado con un parámetro de
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    modo in el proceso de sintaxis falló
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    entonces habrá que corregirlo cómo se
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    hace la
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    corrección se hace de la siguiente
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    manera quito ese auxiliar que está allá
  • 00:12:30
    y fíjense que a y b son conexiones
  • 00:12:34
    externas es decir vienen de afuera F va
  • 00:12:38
    viene de afuera hacia dentro es una es
  • 00:12:41
    una entrada y F va hacia afuera pero
  • 00:12:43
    fíjese que esta lo que nosotros
  • 00:12:46
    anteriormente habíamos llamado salida
  • 00:12:48
    auxiliar Aquí esta salida auxiliar es
  • 00:12:51
    algo
  • 00:12:52
    interno entonces esa salida
  • 00:12:55
    auxiliar esa esas salidas auxiliar esa
  • 00:12:59
    es esa ese cable internit nosotros lo
  • 00:13:01
    podemos direccionar llama como con una
  • 00:13:03
    señal cierto y se describe así señal
  • 00:13:08
    auxiliar uno de modo std logic es un
  • 00:13:11
    solo bit y de esta manera asignamos a
  • 00:13:16
    ese auxiliar uno pegado ahí a ese punto
  • 00:13:18
    a or B Es decir esta parte de aquí mire
  • 00:13:21
    a or B es igual auxiliar un y y ese
  • 00:13:25
    auxiliar un sí lo podemos usar como
  • 00:13:30
    para hacer la con
  • 00:13:32
    b Eso sí se puede
  • 00:13:36
    hacer muy bien Ahora vamos a
  • 00:13:40
    revisar Esta es como la introducción de
  • 00:13:44
    vhdl pero queremos obviamente aprender a
  • 00:13:47
    hacer circuitos Entonces los primeros
  • 00:13:50
    circuitos que vamos a aprender a hacer
  • 00:13:52
    utilizando vhdl son circuitos
  • 00:13:55
    combinacionales
  • 00:13:57
    eh como sabemos un circuito
  • 00:14:00
    combinacional su salida es solo función
  • 00:14:01
    de la
  • 00:14:03
    entrada de no tiene memoria para las
  • 00:14:06
    mismas entradas y ocurren las mismas
  • 00:14:08
    salidas y para hacer estos circuitos
  • 00:14:10
    Existen tres sentencias básicas de
  • 00:14:12
    asignación realmente son
  • 00:14:14
    dos he puesto aquí tres
  • 00:14:19
    eh Y eh Son dos que son sentencia de
  • 00:14:24
    selección de señal with Select y
  • 00:14:25
    sentencia de asignación condicional pero
  • 00:14:27
    yo quiero empezar por la sentencia de
  • 00:14:29
    asignación
  • 00:14:30
    simple si nosotros aprendemos estas dos
  • 00:14:33
    sentencias Cómo funcionan De qué manera
  • 00:14:37
    se implementan en
  • 00:14:39
    Hardware eh creo que podremos hacer
  • 00:14:42
    buenos diseños combinacionales o Todos
  • 00:14:43
    los diseños combinacionales aquí hay que
  • 00:14:45
    hacer una salvedad Y es que cuando usted
  • 00:14:47
    está describiendo un circuito en bhl no
  • 00:14:49
    está describiendo algo O sea que su
  • 00:14:51
    objetivo no es describir describir un
  • 00:14:53
    código sin errores
  • 00:14:55
    sintácticos No su objetivo es diseñar un
  • 00:14:58
    un circuito y y el diseñador tiene que
  • 00:15:01
    saber tiene que estar pensando en en
  • 00:15:03
    Hardware es decir cuando yo estoy
  • 00:15:06
    describiendo esto qué es lo que estoy
  • 00:15:08
    haciendo en Hardware eso es muy
  • 00:15:10
    importante los errores comunes es cuando
  • 00:15:13
    se piensa que esto es un lenguaje de
  • 00:15:14
    programación Y esto es un lenguaje de
  • 00:15:15
    descripción de har Entonces el objetivo
  • 00:15:18
    de esta eh de este primer curso también
  • 00:15:21
    es que aprendamos esta primera sentencia
  • 00:15:24
    aprendamos a trabajar esta primera
  • 00:15:25
    sentencia o estas dos primeras
  • 00:15:27
    sentencias eh bien okay la primera es
  • 00:15:32
    muy sencilla es decir cuando asigna una
  • 00:15:34
    entrada una salida y se hace con menor
  • 00:15:36
    que e igual Eso quiere decir que lo que
  • 00:15:39
    está en entrada uno que es una entrada
  • 00:15:40
    lo conecto a la salida entrada uno puede
  • 00:15:43
    ser una entrada una señal y salida puede
  • 00:15:45
    ser una salida o una señal fíjese que
  • 00:15:48
    las señales pueden ir a ambos lados como
  • 00:15:50
    vimos en el ejemplo
  • 00:15:52
    anterior ahora la sentencia de selección
  • 00:15:54
    de señal with Select la sintaxis es muy
  • 00:15:58
    sencilla básicamente es con la variable
  • 00:16:01
    de selección haga lo siguiente asigne a
  • 00:16:04
    la salida el valor uno cuando el valor
  • 00:16:06
    de la variable sea el valor de esta
  • 00:16:09
    variable sea un valor determinado o el
  • 00:16:12
    valor dos cuando sea otro valor
  • 00:16:13
    determinado o el valor 3 para los demás
  • 00:16:18
    valores supongamos que queremos
  • 00:16:21
    implementar un
  • 00:16:23
    circuito combinacional estándar que es
  • 00:16:26
    una tabla de verdad todos los circuitos
  • 00:16:28
    combinaci se pueden describir como una
  • 00:16:30
    tabla de verdad
  • 00:16:31
    Entonces cómo se haría con con
  • 00:16:36
    esta sentencia Wi pues tenemos nuestra
  • 00:16:40
    entidad con la entrada que es de dos
  • 00:16:43
    bits y con la salida que es de un solo
  • 00:16:45
    bit Aquí empieza la arquitectura el
  • 00:16:48
    comportamiento de tabla un es el
  • 00:16:50
    siguiente con a nuestra entrada haga F =
  • 00:16:55
    a 1 cuando sea
  • 00:16:57
    00 c cuando sea 01 a un cuando sea un y
  • 00:17:03
    a un cuando sea los otros Yo aquí podría
  • 00:17:06
    escribir uno uno pero se recomienda
  • 00:17:09
    poner buers básicamente es eso ahora la
  • 00:17:13
    pregunta importante es cómo un
  • 00:17:16
    sintetizador interpreta la sentencia
  • 00:17:20
    with es decir qué es lo queo cómo lo
  • 00:17:24
    lleva al Hardware la sentencia es un
  • 00:17:30
    básicamente el sintetizador lo que coges
  • 00:17:33
    allá dentro del
  • 00:17:34
    dispositivo dentro del PLD dentro del
  • 00:17:37
    fpga el toma un mu del fpga y coloca la
  • 00:17:41
    tabla
  • 00:17:42
    ahí entonces fíjese que cuando esto sea
  • 00:17:46
    00 estoy conectando esto con esto y voy
  • 00:17:48
    a tener uno cuando sea 0 1 esto con esto
  • 00:17:51
    cuando sea 10 esto con esto y cuando sea
  • 00:17:53
    1 1 esto con esto entonces No podemos
  • 00:17:57
    perder de de vista ese concepto
  • 00:18:01
    que el Wi Select es una eh sentencia que
  • 00:18:08
    implementa utilizando un
  • 00:18:10
    multiplexor bien miremos otro ejemplo
  • 00:18:12
    por ejemplo la Lu una unidad lógico
  • 00:18:16
    aritmética con una que tiene una entrada
  • 00:18:19
    de selección de operación de dos bits
  • 00:18:21
    tiene una entrada uno un operando uno un
  • 00:18:23
    operando dos y la salida Aquí está el
  • 00:18:27
    comportamiento de es luud Y entonces le
  • 00:18:31
    decimos con cel haga salida igual a
  • 00:18:33
    entrada un más entrada 2 cuando sea 00
  • 00:18:36
    es decir cuando sea 00 quiero que sume
  • 00:18:38
    cuando c sea 01 quiero que reste cuando
  • 00:18:41
    c sea 10 quiero que haga laor y cuando
  • 00:18:45
    sea los demás o sea un un que es el
  • 00:18:47
    único que queda haga la si yo sintetizo
  • 00:18:50
    eso y le digo al Software que me
  • 00:18:54
    interprete qué fue lo que él entendió
  • 00:18:57
    que yo le había dicho él me va a votar
  • 00:18:59
    Este gráfico en la descripción rtl y
  • 00:19:01
    como podemos ver ese gráfico pues es un
  • 00:19:05
    multiplexor cuya entrada de selección es
  • 00:19:08
    cel y en la cuando cel sea 00 podemos
  • 00:19:13
    ver que lo que hay es una suma cuando
  • 00:19:16
    sea 0 1 lo que direccion es la resta
  • 00:19:19
    cuando sea 10 la or y cuando sea 1 1 la
  • 00:19:23
    básicamente es eso en este video lo que
  • 00:19:26
    hemos hecho es ver una introducción muy
  • 00:19:28
    básica lo que es
  • 00:19:30
    vhdl hemos descrito Cuáles son las dos
  • 00:19:33
    los dos principales principales
  • 00:19:36
    componentes de una descripción en bhl
  • 00:19:38
    que son la entidad y la
  • 00:19:41
    arquitectura hemos aprendido Cómo se
  • 00:19:43
    hacen las entidades de manera cómo se
  • 00:19:45
    describen las entidades de manera
  • 00:19:48
    correcta y como en la
  • 00:19:54
    arquitectura Cómo hacer arquitecturas de
  • 00:19:56
    circuitos combinacional
  • 00:19:59
    mediante la instrucción
  • 00:20:01
    with y básicamente eh lo que se quiere
  • 00:20:06
    recordar es que cuando hacemos una
  • 00:20:08
    implementación con wiset estamos
  • 00:20:11
    implementando el circuito utilizando un
  • 00:20:14
    multiplexor Eso es todo por esta vez y
  • 00:20:19
    muchas
  • 00:20:23
    gracias
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