Последовательностные цифровые устройства

Цифровое устройство называется последовательност-ным (ЦПУ), если его выходные сигналы Y зависят не толь-ко от входных сигналов X в данный момент времени, но и от значений входных сигналов, поступивших в предшест-вующие моменты времени.

 

Лек11

Последовательностные цифровые устройства.

Цифровое устройство называется последовательност-ным (ЦПУ), если его выходные сигналы Y зависят не толь-ко от входных сигналов X в данный момент времени, но и от значений входных сигналов, поступивших в предшест-вующие моменты времени.

Иными словами, ЦПУ должно отслеживать последова-тельность поступления сигналов для формирования резу-льтата на своем выходе. Отсюда очевиден термин «после-довательностный». В ЦПУ предыстория поступления вхо-дных сигналов обязательно фиксируется с помощью спе-циальных запоминающих элементов. Элемент памяти по-мимо входных и выходных сигналов характеризуется сос-тоянием, которое может изменяться в дискретные момен-ты времени под воздействием сигналов на его входе.

Структура ЦПУ представлена на рисунке:

Простейший элемент памяти может принимать одно из двух состояний – логическую единицу или логический нуль. Это состояние может сохраняться до тех пор, пока не будет заменено на новое. ЦПУ называют еще конеч-ными автоматами или автоматами с памятью.

ЦПУ состоит из комбинационного цифрового устройства (КЦУ) и за-поминающего устройства (ЗУ), представляющее собой совокуп-ность простейших элементов памя-ти (Тk), на которые воздействуют сигналы U. Под воздействием сиг-нала U элемент Т может перейти в одно из двух состояний: логичес-кого нуля или логической единицы, которое отображается сигналом Z.

ЦПУ работает под воздействием входных сигналов Х. В момент времени t = 0 ЦПУ находится в начальном состоя-нии, сигналы Z принимают некоторое начальное значение. При поступлении в моменты времени сигналов Хi(t) в ПЦУ формируются выходные сигналы Yi(t), воздействую-щие на запоминающие элементы. В результате ПЦУ пере-ходит в некоторое состояние Z(t) и тем самым фиксирует-ся воздействие входных сигналов X(t) в момент времени t.

Триггеры.

Триггер представляет собой устройство с двумя устой-чивыми состояниями. В соответствии с функциональной классификацией различают RS-, D-, T- и JK-триггеры.

RS-триггер является логическим устройством с двумя устойчивыми состояниями, имеющим два информацион-ных входа R и S, такие, что при S = 1 и R = 0 триггер при-нимает единичное состояние (Q = 1), а при S = 0, R = 1 – нулевое (Q = 0). Вход S называют единичным, а R – нуле-вым.

Работа асинхронного RS-триггера определяется только значениями сигналов R и S. Асинхронный RS-триггер мо-жно построить на логических элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

В качестве самостоятельных уст-ройств асинхронные RS-триггеры находят ограниченное примене-ние, но являются базовыми схема-ми для более сложных триггерных устройств.

В устройствах цифровой обработки находят примене-ние тактируемые RS-триггеры, которые называют синх-ронными. Эти триггеры кроме входов установки R и S имеют вход разрешения записи С. Срабатывание синхрон-ного триггера происходит только при наличии активного сигнала на этом входе.

D-триггер относится к одновходовым триггерам. Аси-нхронный D-триггер имеет один вход D, прямой и инверс-ный выходы Q и. С помощью D-триггера осуществляет-ся задержка входного сигнала. Асинхронный D-триггер практического применения не имеет, поскольку его функ-ции может выполнять схема из последовательного соеди-нения двух инвертеров. Наибольший интерес представ-ляет тактируемый (синхронный) D-триггер. Структурная схема синхронного D-триггера на базе элементов И-НЕ может быть представлена совокупностью двух каскадов. Первый выполняет функцию формирования сигналов и, а второй – асинхронного RS-триггера.

Т-триггер (или счетный триггер) является одновходо-вым устройством с двумя устойчивыми состояниями, из-меняющимися каждый раз на противоположные при пода-че на вход Т управляющего сигнала. Характерной его осо-бенностью является то, что частота изменения потенциала на его выходах в два раза меньше частоты сигналов на входе Т. Это свойство используется при построении двои-чных счетчиков.

JK-триггер относится к двухвходовым устройствам и функционирует по правилам, похожим на правила функ-ционирования RS-триггера. Отличие состоит в том, что в JK-триггере все состояния являются определенными. Наи-большее распространение получили тактируемые, или синхронные JK-триггеры.

Триггеры JK-типа относятся к разряду универсальных, поскольку на его основе можно получить схемы, выполня-ющие функции RS-, D- и Т-триггеров.

Для этих устройств необходимо, чтобы информацион-ные сигналы оставались неизменными на протяжении действия импульса синхронизации, что значительно усло-жняет схемы устройств.

Для устранения указанного недостатка используется принцип динамического управления. Согласно этому прин-ципу активным считается не статический уровень напря-жения логической единицы или логического нуля, а про-цесс перехода из одного уровня в другой. Этот процесс представляет собой передний или задний фронт тактирую-щего импульса и, следовательно, характеризуется малым временным промежутком. Поэтому задача синхронизации значительно упрощается и представляет собой фиксацию входных информационных сигналов в строго определен-ный момент подачи или снятия импульса синхронизации.

Счетчики.

Счетчики представляют собой последовательностные цифровые устройства и предназначены для выполнения операций счета и хранения кода числа подсчитанных им-пульсов. Счетчики бывают с естественным и произволь-ным порядком счета. В первых значение кода каждого по-следующего состояния счетчика отличается на единицу от кода предыдущего состояния.

В счетчиках с произвольным порядком счета значения кодов соседних состояний могут отличаться более чем на единицу. Простые счетчики подразделяются на суммиру-ющие и вычитающие. В суммирующих счетчиках код пос-ледующего состояния имеет большее значение, чем код предыдущего состояния, а в вычитающих - меньшее зна-чение. Реверсивные счетчики могут работать как в режиме суммирования, так и в режиме вычитания.

Основными параметрами счетчика являются:

- модуль счета, или коэффициент пересчета К_сч;

- быстродействие счетчика.

Двоичные счетчики. Для их построения можно испо-льзовать различные типы триггеров. Наиболее удобным является триггер Т-типа (счетный триггер), который осу-ществляет подсчет импульсов по модулю 2. Для упроще-ния процесса управления счетным триггером обычно вме-сто двух входов «+» и «-» используется только один из этих входов. Сигнал второго входа формируется через ин-вертор. В счетчиках срабатывание триггеров происходит поочередно один за другим, т.е. последовательно.

Такие счетчики называются асинхронными. Их недоста-ток состоит в том, что увеличивается общее время устано-вления t_уст с увеличением числа триггеров. Для устране-ния этого недостатка используются счетчики, у которых все триггеры срабатывают одновременно. Такие счетчики получили название синхронных счетчиков. Срабатывание всех триггеров в этом случае происходит одновременно по общему сигналу синхронизации С, который является счет-ным импульсом для всего счетчика. Такая структура назы-вается счетчиком с параллельным переносом, поскольку сигналы на все элементы счетчика подаются одновремен-но в параллельном виде. В исходном состоянии на выхо-дах всех триггеров присутствуют логические нули.

Другой вариант структуры синхронного счетчика – это структура со сквозным переносом. В ней перенос форми-руется только из единичных результатов соседних разря-дов. Для этих целей достаточно использовать только двух-входовые элементы И при любой разрядности счетчика. Перенос между разрядами осуществляется через каждый элемент И в их последовательной структуре.

Лек12

Регистры.

Регистрами называются последовательностные цифро-вые устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации. Информация в регистре хранится в виде двоичного кода, т.е. представлена комбинацией сиг-налов логического нуля и логической единицы. Каждому разряду кода, записанному в регистр, соответствует свой разряд регистра, как правило, на основе триггеров RS-, D- или JK-типа. По способу записи информации или кода чи-сла в регистр различают регистры следующих типов:

- параллельные;

- последовательные;

- последовательно-параллельные.

Параллельный регистр используется для кратковремен-ного хранения чисел, переданных в параллельном двоич-ном коде. Поэтому параллельные регистры называются еще регистрами памяти. Время ввода числа в регистр па-раллельного типа равно времени ввода одного разряда.

Последовательный регистр (или регистр сдвига) пред-назначен для кратковременного хранения информации, но в отличие от параллельного регистра в нем осуществляет-ся логическая операция сдвига кода хранимого числа на любое число разрядов. Ввод информации в последовате-льный регистр осуществляется по одному последователь-ному каналу. Сдвиг кода числа происходит с помощью синхронизирующих импульсов, в результате подачи кото-рых осуществляется сдвиг всех разрядов кода числа со входа к выходу или наоборот. Отсюда последовательные регистры называют еще регистрами сдвига. Информация выводится из триггера по одному выходу.

Последовательно-параллельные регистры получили широкое распространение в преобразователях кодов из последовательного в параллельный и из параллельного в последовательный. Чтобы реализовать ввод информации как в последовательном, так и в параллельном виде, мож-но использовать D-триггеры с асинхронной установкой в нуль или единицу.

Если выход последнего триггера соединить с входом пе-рвого, то получится кольцевой регистр сдвига. Записанная в его разряды информация под воздействием сдвигающих импульсов будет циркулировать по замкнутому кольцу. Кольцевой регистр еще называется кольцевым счетчиком.