Логические функции и логические элементы

   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	0	0
Сброс	¯	0	1	0
Установка	¯	1	0	1
Инверсия предыдущего  состояния	¯	1	1

 

Схема, близкая к показанной на рис. 4.5, а, лежит в основе триггера К155ТВ1. Эта микросхема имеет тройные конъюнктивные входы J и K, т.е. сам двухступенчатый триггер получает J или K сигнал лишь при совпадении единиц на всех трех J или K входах микросхемы. Условное обозначение двухступенчатого JK триггера, имеющего тройные входы, показано на рис. 4.5, в. Две буквы Т указывают на наличие двух ступеней. Вход С, реагирующий не на уровень потенциала С, а на его отрицательный перепад, выделен специальным значком. Вход, реагирующий именно на перепад, иногда называют динамическим.

4.1.4. Асинхронные входы триггеров

Непрозрачные триггеры кроме штатных  входов - синхровхода С и управляющих входов D, J, K часто дополняют независимыми от них R и S входами. При этом схема строится так, что R и S входы имеют приоритет в своем воздействии на триггер по отношению к штатным входам, т. е. R или S входы устанавливают диктуемое ими состояние триггера независимо от сигналов, поступающих в это время на штатные входы, в том числе и на вход С. Поэтому такие R и S входы называют асинхронными. По окончании асинхронного сигнала установленное им состояние сохраняется вплоть до очередного активного фронта С-сигнала. По этому фронту триггер сработает уже в соответствии с этим установленным состоянием и с действующими в данный момент уровнями на штатных управляющих входах. Как правило, асинхронные входы имеют активный низкий уровень.

19. 4.2. Регистры

4.2.1. Параллельные регистры

Параллельные регистры - это устройства, предназначенные для записи, хранения и выдачи информации, представленной в виде двоичных кодов. Для хранения каждого двоичного разряда в регистре используется одна триггерная ячейка.

Для запоминания многоразрядных слов необходимое число триггеров  объединяют вместе и рассматривают  как единый функциональный узел-регистр. Если регистр построен на триггерах-защелках, то его называют регистр-защелка. Типовыми внешними связями регистра являются информационные входы D;, вход сигнала записи (или загрузки) С, вход гашения R, выходы триггеров Q. В упрощенном варианте регистр может не иметь входа гашения и инверсных выходов.

На рис. 4.6 показана схема четырехразрядного регистра, выполненного на ИМС  К155ТМ5  и  К155ЛИ1.

При подаче управляющего сигнала у1=1 информация по входам X1—Х4 записывается одновременно в соответствующие разряды четырех D-триггеров. При y1=y2=0 информация  хранится  в регистре  памяти, а  при y2=1 происходит параллельное  считывание  информации.

Рис.4.6.  Четырехразрядный параллельный регистр

Условным изображением регистра по рис. 4.7, а пользуются тогда, когда  на схеме необходимо показать каждый вход и выход данных. Если же тракт данных рассматривается как единое, укрупненное понятие - шина данных, то пользуются обозначением, показанным на рис 4.7, б.

  а)       б)

Рис. 4.7. Условное обозначение регистра

 

Выпускаемые промышленностью регистры иногда объединяют на кристалле микросхемы с другими узлами, в паре с которыми регистры часто используются в схемах цифровой аппаратуры. Пример такого комплексного узла - микросхема многорежимного буферного регистра (МБР) К589ИР12, основу которой составляет 8-разрядный регистр-защелка с входами DO—D7, С, R и восемью выходами Q0—Q7, снабженными усилителями мощности (буферами) с тремя состояниями выхода. Кроме того, в состав микросхемы входят несколько элементов управления. Усилители с тремя состояниями выхода имеет и 4-разрядный регистр К155ИР15, построенный на непрозрачных триггерах без свойств захвата или проницаемости, т. е. управляемых строго фронтом.

4.2.2. Регистровая память

Существуют  микросхемы, в которых регистр  объединен с входным мультиплексором, позволяющим принимать входные данные с двух и более направлений, выбираемых сигналами на адресных входах микросхемы. Объединяют регистр и с выходным демультиплексором, позволяющим передавать содержимое регистра на различные направления.

Сразу несколько регистров содержат микросхемы регистровой памяти (register memory, register file, сверхоперативная память). Входы Di регистров подключены к общей входной шине данных (data in). Вход загрузки требуемого регистра выбирается дешифратором записи на основании поступающего на его вход адреса записи (write address), т. е. кода номера загружаемого регистра. Запись данных, присутствующих на шине, происходит в момент поступления сигнала разрешения записи (write enable).

Выходы регистров мультиплексором  подключаются к выходной шине (data out). Номер регистра, с которого происходит чтение, определяет код адреса чтения (read address). Выдачу данных разрешает сигнал разрешения чтения (read enable).

Поскольку дешифрация адреса записи и адреса чтения производится двумя  независимыми узлами, имеющими автономные адресные входы, регистровая память может одновременно записывать число в один из регистров и читать число из другого.

 Микросхемы регистровой памяти  легко наращиваются по разрядности  и допускают наращивание по  числу регистров. Они разработаны  для построения блоков регистров общего назначения (РОН) и других специализированных блоков памяти небольшого объема, предназначенных для временного хранения исходных данных и промежуточных результатов в цифровом устройстве.

По мере увеличения числа регистров  памяти разработчики отказываются от независимой адресации регистров при записи и чтении. Остается лишь один комплект адресных входов и один дешифратор адреса, которые используются и при записи, и при считывании. Такую схему регистровой памятью уже не называют. По ЕСКД она обозначается RAM (random access memory, т. е. память с произвольным доступом). Используются также термины: запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), оперативная память, а иногда - просто память. В микросхемах ЗУПВ ввод и вывод данных при записи и чтении могут осуществляться через одни и те же выводы корпуса за счет использования в тракте считывания элементов с тремя состояниями выхода или с открытым коллектором. Режимы работы микросхемы запись, чтение и хранение задаются комбинациями сигналов на ее входах управления. Если для ввода данных при записи и вывода их при чтении используются различные выводы корпуса (входы D_i и выходы Q_i), то режим хранения может быть совмещен с режимом чтения.

Микросхемы  ОЗУ малой емкости часто выпускаются  в составе распространенных серий. Они имеют входы адреса А_j, входы данных D_i ; вход режима W/R: запись или чтение; выходы данных Q_i; вход (или несколько конъюнктивных входов) разрешения Е, чаще называемый выбор кристалла ВК, выбор микросхемы ВМ или CS (chip select). Такую микросхему можно рассматривать как группу регистров, дешифратор для их выборки, цепи записи в регистры и считывания с них. Примерами подобных ИМС могут служить К155РУ2 емкостью 16х4 (16 слов по 4 разряда),  К537РУ8 – 2Кх 8. Такие ОЗУ принято называть статическими. Наращивание разрядности и числа хранимых слов производится, как и в случае ПЗУ.

Микросхемы ЗУПВ большей емкости  выпускают уже в составе определенных серий БИС памяти. Часто такие  микросхемы имеют временную диаграмму с большим числом регламентированных интервалов, адрес может подаваться по частям, есть микросхемы, требующие регенерации хранимых данных (динамические ОЗУ - раздел 5).

4.2.3. Сдвигающие регистры

Сдвигающий, или сдвиговый регистр (shift register) это регистр, содержимое которого при подаче управляющего сигнала СДВИГ может сдвигаться в сторону старших или младших разрядов. Схема сдвигающего регистра из цепочки непрозрачных триггеров показана на рис. 4.8, а,  а условное обозначение на рис.4.8, б.

а)        б)

Рис.4.8. Сдвигающий  регистр

 

Пусть на рисунке триггер Q0 – младший , Qm-1 – старший;  вход каждого триггера (кроме Q0) подключен к выходу соседнего младшего триггера. Когда на все С входы триггеров поступает активный спад сигнала Shift, выход каждого триггера принимает состояние своего младшего соседа и, таким образом, информация, содержащаяся в регистре, сдвигается на один разряд в сторону старших разрядов, влево. Триггер Q0 принимает при этом состояние последовательного входа DS (data serial). Информация, поступившая на вход DS во время какого-либо такта, появится на выходе Qm-1 через m тактов.

Существенно, что в  схеме использованы именно непрозрачные триггеры. Если поставить прозрачные защелки, то при активном уровне сигнала Shift  все триггеры становятся прозрачными, и сигнал DS успеет пройти столько триггеров, сколько позволит  длительность сигнала Shift .

Часто требуются более  сложные регистры: с параллельной синхронной записью информации, реверсивные, с параллельно-последовательной записью. Такие регистры называются универсальными. Примером такого регистра служит ИМС  К155ИР11. Регистр может работать в четырех режимах: параллельное занесение данных, сдвиг влево, сдвиг вправо, хранение данных.

Применения сдвиговых регистров очень разнообразны.

В арифметике сдвиг числа  на один разряд влево соответствует  умножению его на 2, сдвиг вправо – делению пополам.

 В аппаратуре передачи  данных универсальные регистры  преобразуют параллельный код  в последовательный и обратно.  Передача данных последовательным кодом по сравнению с передачей параллельным существенно экономит число линий связи. Это покупается ценой увеличения времени обмена.

20. 4.3. Счетчики

4.3.1. Общие понятия

Счетчик - это устройство для подсчета числа входных сигналов.

Как операционный элемент счетчик  реализует преобразование число- импульсного кода в позиционный по некоторому основанию системы счисления. В ЭВМ счетчики используются для образования последовательности адресов команд, для счета количества циклов выполнения операций и т.д.

С точки зрения теории автоматов, счетчик - это цифровой автомат, внутреннее состояние которого является функцией количества поступивших входных  сигналов.

Количество переключающих сигналов, которое надо подать на вход счетчика для того чтобы счетчик вернулся в исходное состояние, равное числу состояний счетчика, называется коэффициентом пересчета или модулем счетчика – К_сч . Счетчик называется двоичным, если К_сч = 2^m, где т - целое число, m>0, и десятичным, если К_сч  = 10^p , где р - целое число, р > 0. Счетчики чаще всего строятся на триггерах различных типов, которые являются элементарными счетчиками с модулем  2.

Состояние счетчика в любой момент времени определяется кодом Q , который зафиксирован на его триггерах. Задать правила работы счетчика - значит тем или иным способом определить функцию  Q_n, = f(n), при п =0,1,2 ... К_сч   , где Qn - состояние счетчика после n-го входного переключающего сигнала, n -номер входного переключающего  сигнала.  Очевидно,  что Qp = Qp + К_сч  при любом  n .

Любой счетчик с модулем  К_сч  может быть использован как делитель частоты входных сигналов с коэффициентом деления К_сч .

По порядку изменения состояний  могут быть счетчики с естественным и произвольным порядком счета. В  первых счетчиках значение кода каждого последующего состояния отличается на 1 от кода предыдущего состояния.

По способу переключения триггеров  во время счета счетчики делятся  на асинхронные и синхронные. Первые называются еще счетчиками с последовательным переносом, т.к. переход каждого триггера из одного состояния в противоположное происходит последовательно во времени. Входной переключающий сигнал непосредственно воздействует лишь  на первый триггер, и каждый триггер вырабатывает переключающий сигнал для следующего соседнего триггера.