Одно из интересных применений ПЗУ - реализация произвольных логических функций. Для этого входные переменные подаются на адресные входы, а в соответствующие ячейки ПЗУ записываются значения функций. Так на ПЗУ с организацией 2K*8 можно реализовать восемь функций от десяти и менее аргументов, причем не требуется минимизировать функции. Сводная таблица истинности заданных функций и является картой заполнения ПЗУ.
Использовать ПЗУ целесообразно, когда преобразованию подлежат почти все комбинации входных переменных, а общее число переменных больше шести - восьми. Если в заданных для реализации функциях используется сравнительно малая доля всех возможных входных комбинаций, то рациональнее применять программируемые логические матрицы (ПЛМ).
Программируемые логические матрицы.
ПЛМ имеет n входов, k элементов “И”, каждый из которых имеет 2n входов, которыми он связан с линиями входных сигналов и их инверсий. В линии связи включены специальные перемычки, которые можно выборочно разрушать (“пережигать”). Таким образом могут быть получены k конъюнкций входных переменных или их инверсий. Каждая конъюнкция может быть подана на входы m элементов “ИЛИ”, выходы которых подключены к управляемым инверторам, т. е. элементам, которые, по желанию пользователя, могут или инвертировать входной сигнал, или повторять его. Выходы этих элементов являются выходами самой ПЛМ. Элементы “ИЛИ”, так же имеют на входах выжигаемые перемычки.
Порядок подготовки функций к реализации на ПЛМ следующий:
для всех функций получают минимальные ДНФ и вычисляются все конъюнкции, входящие в состав ДНФ всех функций;
программируется слой элементов “И”, т.е. получаются все необходимые конъюнкции;
программируется слой “ИЛИ”, т.е. набираются все ДНФ, при этом если значение функции равно “0” на меньшем половины числе входных комбинаций, выгоднее реализовать инверсию функции, а затем инвертировать ее с помощью выходного управляемого инвертора.
Типичный диапазон числа входов ПЛМ - 8-16, различных конъюнкций -24- 96, выходов -4-12. Примером ПЛМ является микросхема К556РТ1 с n=16, k=48, m=8 совместимая по питанию и сигналам с ТТЛ сериями.
Последовательностные схемы
Последовательностные схемы или цифровые автоматы (ЦА) с памятью составляют другой, более сложный класс преобразователей дискретной информации. В отличие от КС они имеют некоторое конечное число различных внутренних состояний. Выходные сигналы ЦА в данном такте определяются в общем случае входными сигналами, поступившими на вход ЦА в этом такте, и внутренним состоянием автомата, которое явилось результатом воздействия на автомат входных сигналов в предыдущие такты.
Комбинация входных сигналов и текущего состояния ЦА в данном такте определяет не только выходные сигналы, но и то состояние, в которое автомат перейдет к началу следующего такта.
Функции перехода и выходов могут задаваться в форме таблиц или с помощью графов. При задании в виде графов состояния автомата представляют вершинами, а переходы из состояния в состояние – дугами. На дугах указываются значения входных сигналов, вызывающих соответствующие переходы.
Примерами простейших конечных ЦА являются триггеры.
1.17.
Триггеры
RS-триггер
Триггером (Т) называют логическую схему с положительной обратной связью, имеющую два устойчивых состояния, которые называются единичным и нулевым и обозначаются 1 и 0. Перевод триггера в единичное состояние путем воздействия на его входы называют установкой (set) триггера, а устанавливающий сигнал и вход, на который он воздействует, обозначают S (от set). Перевод триггера в нулевое состояние называют сбросом (reset), а соответствующий сигнал и вход обозначают R.
Схема простейшего триггера (рис.4.1,а) получается, если включить кольцом два элемента И-НЕ. Такой триггер имеет два входа R и S, два выхода Q и называется RS-триггером. Его обозначение на функциональных схемах показано на рис. 4.1, б.
а) б) в)
Рис.4.1. RS-триггер на элементах И-НЕ
Пока на обоих управляющих входах R и S уровни сигналов не активны, в данном случае R=S=1, триггер находится в каком-либо одном из двух устойчивых состояний. Если значение сигнала на выходе Q равно 1, то, как видно из схемы, этот единичный сигнал, поступая по цепи обратной связи на вход элемента 2, вызывает появление на выходе сигнала с нулевым уровнем. В свою очередь нулевой уровень выхода, поступая на вход элемента 1, поддерживает Q в состоянии 1. Иначе говоря, при входных сигналах R и S, равных 1, появившаяся по любой причине на выходе Q единица по цепи обратной связи будет сама себя поддерживать сколь угодно долго. Когда на прямом выходе Q сигнал равен 1, говорят, что триггер находится в состоянии 1 или что он установлен.
В силу симметрии схемы она будет столь же устойчива в своем противоположном - нулевом состоянии, когда Q =0, а =1. В этом случае говорят, что триггер сброшен. Режим RS-триггера, когда оба управляющих сигнала R и S неактивны, называют режимом хранения.
На рис. 4.1,в показана временная диаграмма переходных процессов в схеме при подаче на нее управляющих сигналов. Исходное состояние триггера - нулевое, на его входы поступают по очереди сначала сигнал S, затем, после его окончания - сигнал R.
Из диаграммы видно, что после окончания входного сигнала триггер способен сохранять свое новое состояние также сколь угодно долго. Говорят, что триггер запоминает входной сигнал. Это специфическое и очень важное свойство триггера, отличающее его от всех рассмотренных ранее схем, не имевших обратных связей: после исчезновения входного сигнала выходной сигнал в тех схемах также исчезал.
Если на входы R и S подать одновременно нулевые сигналы, то на обоих выходах Q и появятся единицы. Если теперь одновременно снять нули со входов R и S, то оба элемента начнут переключаться в нулевое состояние, каждый стремясь при этом оставить своего партнера в состоянии 1. Какой элемент одержит в этом поединке победу, будет зависеть от скоростей переходных процессов и ряда других неизвестных заранее факторов. Для разработчика схемы результирующее состояние триггера оказывается неопределенным, неуправляемым. Поэтому комбинация R=S=0 считается запрещенной, и в обычных условиях ее не используют. Такую комбинацию допустимо применять, лишь когда обеспечено не одновременное, а строго поочередное снятие R и S-сигналов.
Основное назначение триггеров в цифровых схемах - хранить выработанные логическими схемами результаты. Для отсечения еще не установившихся, искаженных переходными процессами результатов между выходом логической схемы и входом триггера можно включить конъюнкторы, управляемые синхросигналом. Это решение оказалось очень эффективным, быстро стало типовым и побудило изготовителей триггеров ввести конъюнкторы в состав триггера. Так появились синхронные триггеры, которые переключаются в состояние, предписываемое управляющими входами, лишь по сигналу синхронизации, поступающему на вход С триггера.
а) б)
Рис. 4.2. Синхронный RS-триггер
Схема простейшего синхронного RS-триггера показана на рис.4.2,а. При С=0 триггер 3-4 отключен от управляющих S и R входов и находится в режиме хранения ранее полученной информации. При С=1 схема функционирует как обычный RS-триггер. Условное изображение синхронного RS-триггера показано на рис.4.2,б. Синхровход С может в принципе иметь и активный низкий уровень; в этом случае он, как обычно, помечается кружочком. Характерной особенностью схемы является то, что в течение всего отрезка времени, когда синхросигнал равен 1, как сами потенциалы на управляющих S и R входах, так и любые их изменения тут же передаются на выход.
О такой схеме можно сказать, что она прозрачна по S - и R - входам при C=1. Не все схемы синхронных триггеров обладают этим свойством.
4.1.2. D - триггер типа «защелка»
D-триггером называют синхронный триггер, имеющий два входа: вход данных D и вход синхронизации С. Этот тип триггера исключительно широко используется в цифровых устройствах. Другие его названия: прозрачная защелка (transparent latch), D-триггер, управляемый уровнем синхросигнала. D-триггер переключается только по сигналу на С-входе и притом в состояние, предписываемое D-входом. Условное обозначение D-триггера показано на рис. 4.3, а.
а) б)
Рис.4.3. D – триггер
На рис. 4.3, б показан универсальный способ построения D-триггера из синхронного RS-триггера: с помощью инвертора 1 однофазный вход данных D превращается в парафазный и подается на S- и R -входы.
Изменения D-входа при С= 0 никак не влияют на состояние выхода Q: триггер заперт по С-входу и находится в режиме хранения. Фронт С-сигнала вызывает переключение триггера в то состояние, которое было к этому моменту на входе D. При С=1 защелка прозрачна: любое изменение D-входа вызывает изменение выхода Q. По спаду синхросигнала триггер – защелка фиксирует на выходе то состояние, которое было на D-входе непосредственно перед этим моментом. Следующее изменение Q будет возможно только по фронту следующего синхроимпульса. Если на С-вход подать постоянный единичный уровень, то свойство запоминания у защелки проявляться никак не будет и она будет выполнять функции обычного буферного усилителя мощности в тракте передачи данных.
Чтобы процесс фиксации состояния D-входа прошел без сбоев, т. е. был бы однозначно предсказуемым, переходной процесс в схеме защелки, вызванный срезом С-сигнала, не должен накладываться на переходной процесс, вызванный переключением D-входа. Это значит, что всякие изменения состояния D-входа должны прекратиться за некоторое время до среза С-сигнала, называемое временем подготовки (setup time), и могут снова начинаться после среза С-сигнала не ранее чем через время выдержки (удержания) (hold time).
Необходимость введения и нормирования интервалов подготовки и выдержки характерна не только для защелки, но и для всех функциональных узлов, имеющих вход синхронизации. Кроме того, для защелки, как и для любого синхронного узла, существует минимально допустимая длительность синхроимпульса, обеспечивающая отсутствие сбоев из-за наложения переходных процессов от фронта и среза этого импульса.
Для триггеров-защелок, выпускаемых в виде микросхем, временные характеристики приводятся в справочниках. Примерами выпускаемых промышленностью D-триггеров-защелок могут служить интегральные микросхемы (ИМС) К155ТМ5, К155ТМ7, К561ТМЗ, которые содержат по четыре триггера с объединенными С-входами.
Двухступенчатые триггеры
На рис. 4.4, а показана схема, состоящая из двух последовательно включенных синхронных RS-триггеров, первый из которых называется ведущим или М-триггером (от master - хозяин), а второй— ведомым или S-триггером (от slave - раб). Благодаря общему синхросигналу С вся схема функционирует как единое целое и называется двухступенчатым или MS- триггером.Из временной диаграммы (рис. 4.4, б) видно, что информация, задаваемая уровнями на входах S и R, по фронту С-сигнала принимается в М-триггер, но в течение всего •времени, пока С-сигнал равен 1, не проходит в S-триггер, поскольку его входные конъюнкторы 5 и 6 в это время перекрыты инверсией С-сигнала. Они откроются лишь при С==1, т.е. на спаде С-сигнала, и только тогда S-триггер примет состояние М-триггера. Сказанное иллюстрирует очень важное отличие MS-триггера от триггера-защелки: MS-триггер, собранный по схеме рис.4.4,а, непрозрачен по управляющим R и S входам ни при С=0, ни при С=1. Каждая ступень его сама по себе прозрачна, но включены ступени последовательно, и какая-нибудь одна из них всегда оказывается запертой - или синхросигналом, или его отсутствием. Таким образом, в этом MS-триггере при С = 1 (и тем более при С=0) никакое изменение на управляющем входе не может само по себе, без переключения С-сигнала, проникнуть на выход. Триггер может изменить состояние выхода только по спаду С-сигнала. В зарубежной литературе непрозрачные триггеры называют flip-flop в отличие от прозрачных D-триггеров, за которыми укрепился термин latch.
а) б)
Рис. 4.4; Двухступенчатый RS-триггер
Управляющие S- и R-сигналы могут обновляться по спаду того же синхроимпульса, который управляет триггером, и триггер при этом всегда будет воспринимать лишь предыдущее, еще не обновленное состояние S и R сигналов. На этом свойстве держится вся идеология однофазной синхронизации.
Свойство непрозрачности MS-триггера использовано для построения широко применяемого JK-триггера, схема которого показана на рис.4.5,а
Рис.4.5. JK – триггер
JK-триггер-это непрозрачный триггер, выходы которого петлями обратных связей накрест заведены на входные конъюнкторы 1 и 2. Внешние входы самого триггера при этом принято называть уже не S и R, а J и К.
При J= K=0 С-сигнал не может открыть входные элементы 1 и 2, и триггер находится в режиме хранения. При J=1, К =0 синхросигналом может быть открыт лишь элемент 1 и только при условии, что перед поступлением С-сигнала на выходе триггера был 0 (Q =0). Тогда по спаду синхросигнала триггер переключится в «1». Если же триггер до синхросигнала был в «1», то он так и останется в «1». Таким образом, J-вход выполняет функции синхронизированного S-входа. В силу симметрии схемы легко показать, что K-вход выполняет функции синхронизированного R-входа, переводя триггер в «0». Таким образом, при разных уровнях на J- и К-входах JK-триггер ведет себя как синхронный непрозрачный RS-триггер.
Существенно отличным от RS-триггера является поведение JK-триггера при J=K=1. Для RS-триггера такое сотояние входов запрещено. Диаграмма работы JK-триггера в этом режиме показана на рис. 4.5,б. При любом состоянии триггера сигналы обратной связи открывают для С-сигнала именно тот входной конъюнктор, пройдя через который, С-сигнал переведет триггер в противоположное состояние. Таким образом, при J=K=1 по спаду каждого С-сигнала JK-триггер меняет состояние своих выходов на противоположное. Это так называемый счетный режим, или Т-режим работы триггера (от toggle— кувыркаться).
Кратко функционирование JK-триггера описывается табл. 4.1. Новым символом в таблице является символ спада синхроимпульса, который изображается направленной вниз стрелкой. Таблица отражает тот факт, что для JK-триггера переключающей сущностью синхроимпульса является не уровень его, а перепад уровня.
Таблица 4.1.
| Режим | С | Jt | Kt | Qt+1 |
| Хранение | X | 
| ||
| Сброс | ¯ | |||
| Установка | ¯ | |||
| Инверсия предыдущего состояния | ¯ | 
|
|
