Transcript Układy sekwencyjne

Układy sekwencyjne
M@rek Pudełko
Urządzenia Techniki Komputerowej
Podział układów logicznych
Układy Logiczne
Układy kombinacyjne
Układy sekwencyjne
Stan wyjściowy zależy tylko
i wyłącznie od stanów
wejściowych
Stan wyjściowy zależy
zarówno od stanów
wejściowych jak i
poprzednich stanów
wyjściowych
2
Układy sekwencyjne
• Układy sekwencyjne to układy, których stan
wyjściowy zależy zarówno od bieżących stanów
wejściowych jak i poprzednich stanów
wyjściowych.
• Układy sekwencyjne to układy kombinacyjne z
elementami pamięciowymi.
3
Podział układów sekwencyjnych
Układy sekwencyjne
Układy asynchroniczne
Układy synchroniczne
układ dla którego w dowolnym
momencie stan wejść
oddziałuje na stan wyjść
układ dla którego stan wejść
wpływa na stan wyjścia
jedynie w określonych
odcinkach czasu
4
Układy asynchroniczne
• Układ asynchroniczny zmienia swój stan wyjść
bezpośrednio po zmianie stanu wejść.
5
Praca układu synchronicznego
• W układzie synchronicznym wejście oddziałuje
na wyjście wyłącznie w wybranych odcinkach
czasu pracy.
– Czas czynny – czas gdy istnieje możliwość wpływu na
stan układu
– Czas martwy – czas gdy stan układu pozostaje
niewrażliwy na zmiany
• Odcinki czasu czynnego i martwego wyznaczane
są przez podanie specjalnego przebiegu
zwanego przebiegiem zegarowym (taktującym)
na wejście zegarowe (taktujące).
6
Taktowanie układu
Czas
martwy
Czas
czynny
Czas
czynny
Czas
martwy
Czas
martwy
7
Układ sekwencyjny
Wejście informacyjne układu
X
Y
Wyjście układu
Wejście zegarowe
Wejście zegarowe
Wejście
Wyjście
0
Blokada układu
1
Praca układu
8
Przerzutniki
9
Przerzutnik
• Przerzutnik to element sekwencyjny
zapamiętujący jeden bit informacji.
• Stanowi najprostszy element pamięciowy.
• Przerzutnik ma co najmniej dwa wejścia i z reguły
dwa wyjścia.
10
Wejścia przerzutnika
• Wejścia mogą być:
– Informacyjne,
– Programujące,
– Zegarowe CK (ang. Clock), zwane inaczej synchronizującymi albo
wyzwalającymi,
• Wejścia programujące są zawsze wejściami
asynchronicznymi (niezależne od sygnału zegarowego).
• Jeśli przerzutnik ma wejście synchronizujące jest
nazywany przerzutnikiem synchronicznym, jeśli nie ma
asynchronicznym.
• Przerzutnik synchroniczny reaguje na stan wejścia
informacyjnego tylko dla sygnału zegarowego.
11
Wejścia przerzutnika
Wejścia przerzutnika
Ustawiające
Zerujące
S (Set) lub P (Preset)
Wprowadza nową wartość
sygnału do układu
R (Reset) lub C(Clear)
Kasuje aktualny stan na
wyjściu
12
Opis działania przerzutnika
• Działanie przerzutników najczęściej opisuje się za
pomocą tablicy stanów. Zawiera ona stany na
wejściach informacyjnych układu oraz
odpowiadające im stany na wyjściu(ach) układu.
• Wyjścia przerzutników oznaczane są zazwyczaj
symbolami Q i ~Q .
– W tablicy stanów zazwyczaj prezentuje się stan
wyjścia Q pomijając wyjście ~Q ,które jest jego
negacją.
13
Schemat przerzutnika
Wejście informacyjne
(zerujące)
R
Wyjście układu
Q
Zanegowane
wyjście układu
CLK
Wejście zegarowe
Wejście programujące
(ustawiające)
Q
S
14
Rodzaje przerzutników
Przerzutniki
Asynchroniczne
Przerzutnik RS
asynchroniczny
Synchroniczne
Przerzutnik RS
synchroniczny
Przerzutnik D
Przerzutnik T
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK - MS
15
Asynchroniczny przerzutnik RS
R
0
S
0
Qn-1
0
Qn
0
Qn
1
0
0
0
1
1
X
1
0
0
1
1
0
X
1
0
1
1
X
Qn=Qn
Qn-1
Qn
stan poprzedni
stan aktualny
Qn
X
N
stan zanegowany
stan dowolny
stan niedozwolony
16
Asynchroniczny przerzutnik RS
• Składa się z dwóch połączonych ze sobą bramek NAND lub NOR.
Ma dwa wejścia informacyjne/programujące R i S oraz dwa
wyjścia Q i Q’ . Wyjścia Q i Q’ mają przeciwne wartości.
• Jeżeli na wejściach mamy 2 zera – układ działa jak pamięć –
zachowuje poprzedni stan.
• Gdy wejścia są różnowartościowe, na wyjściu Q mamy stan z S, a
na stan Q’ z R.
• Gdy na wejściu są dwie jedynki, przerzutnik wchodzi w stan
niedozwolony – na Q i Q’ mamy te same wartości.
R
0
S
0
Qn
Qn-1
0
1
1
0
0
1
1
1
N
17
Synchroniczny przerzutnik RS
RS
clk
Qn-1
0
0
1
0
1
0
1
1
00
N
N
0
1
Qn-1
Qn
X
N
01
0
0
0
1
10
1
1
0
1
11
0
1
0
1
stan poprzedni
stan aktualny
stan dowolny
stan niedozwolony
Podkreślono stany stabilne tzn.
takie dla których Qn= Qn-1
18
Synchroniczny przerzutnik RS
• Składa się z dwóch połączonych ze sobą bramek NAND lub NOR,
które realizują funkcję pamięci. Ma również dwie dodatkowe
bramki przygotowawcze na wejściu układu.
• Jeżeli wejście zegarowe jest niewłączone, układ pracuje jak
asynchroniczny przerzutnik RS.
• Jeżeli wejście zegarowe jest włączone, przerzutnik zapamiętuje
stan poprzedni.
• Gdy na wejściu są dwa zera, przerzutnik wchodzi w stan
niedozwolony – na Q i Q’ mamy te same wartości.
RS
clk
00
01
10
11
0
1
N
Qn-1
0
Qn-1
1
Qn-1
Qn-1
Qn-1
19
Przerzutnik D
clk
0
0
1
D
0
1
0
Qn+1
Qn
Qn
0
1
1
1
Qn+1
Qn
X
stan w następnym kroku
stan aktualny
stan dowolny
20
Przerzutnik D
• Przerzutnik D jest nazywany zatrzaskiem (latch).
• Jeżeli wejście zegarowe jest niewłączone, aktualny stan
układu zostaje przesłany na wyjście w następnym
takcie zegarowym.
• Przerzutnik D działa więc jak pamięć (lub linia
opóźniająca).
• Jeżeli wejście zegarowe jest włączone, przerzutnik
zapamiętuje stan poprzedni.
• Przerzutnik D nie ma stanu zabronionego – osiągnięto
taką sytuację łącząc jedno z wejść bramką NOT.
21
Przerzutnik JK
J
0
0
1
K
0
1
0
Qn+1
Qn
0
1
1
1
Qn
Qn+1
Qn
stan w następnym kroku
stan aktualny
22
Przerzutnik JK
• Przerzutnik JK ma dwa wejścia.
• W przeciwieństwie do RS nie ma stanu zabronionego.
Osiągnięto to poprzez dodatkowe połączenie wyjścia z
wejściem.
• Przy wejściach różnowartościowych w następnym
kroku mamy stan z wejścia J.
• Przy podaniu dwóch zer mamy zapamiętanie sygnału.
• Przy podaniu dwóch jedynek wyjście zmienia stan na
przeciwny (negacja).
23
Przerzutnik T
Clk
0
1
0
T
0
0
1
Qn+1
Qn
Qn
1
1
1
0
Qn+1
Qn
stan w następnym kroku
stan aktualny
24
Przerzutnik T
• Przerzutnik T ma jedno wejście.
• Po podaniu zera na wejście T przerzutnik zapamiętuje
poprzedni stan.
• Po podaniu jedynki na wejście T przerzutnik zmienia
stan na przeciwny dla każdego cyklu sygnału
zegarowego.
T
0
1
Qn+1
Qn
Qn
25
Rejestry
26
Rejestr
• Rejestr to układ cyfrowy do krótko terminowego
przechowywania niewielkich ilości danych lub do
zmiany ich postaci z równoległej na szeregową
albo odwrotnie.
27
Podział rejestrów
Wejście równoległe (Parallel In)
PIPO
PISO
Wyjście równoległe (Parallel Out)
SIPO
Wyjście szeregowe (Serial Out)
SISO
Wejście szeregowe (Serial In)
28
Wejście równoległe
• Wejściem równoległym nazywamy wejście
umożliwiające wprowadzenie do układu
cyfrowego wszystkich bitów słowa w jednym
takcie zegarowym.
• Ilość zacisków wejściowych musi być równa
ilości bitów wprowadzanych w słowie.
• Jeżeli wprowadzamy, wyprowadzamy lub
przesyłamy wszystkie bity słowa w jednym
takcie zegarowym, to taką informację
nazywamy równoległą.
29
Rejestr równoległy
30
Wejście szeregowe
• Wejściem szeregowym nazywamy wejście
umożliwiające wprowadzanie do układu bit po
bicie.
• Ilość potrzebnych taktów zegara jest równa ilości
bitów słowa.
• Jeżeli wprowadzamy, wyprowadzamy lub
przesyłamy bit po bicie na jeden takt zegarowym
to taką informację nazywamy szeregową.
31
Rejestr szeregowy
32
Liczniki
33
Liczniki
• Liczniki to rejestr umożliwiający zliczanie
impulsów.
• Praktyczna realizacja polega na połączeniu ze
sobą kaskady przerzutników D lub JK.
• Przerzutniki mogą być dzielnikami częstotliwości
przez 2. Połączenie n takich jednostek
elementarnych daje licznik zliczający w kodzie
dwójkowym o pojemności 2n.
34
Działanie licznika
• Na wejściu zliczającym licznika pojawia się
zakodowana liczba impulsów następnie zliczona
przez licznik.
• Podstawowymi parametrami licznika:
– pojemność
• Pojemność określa maksymalną ilość impulsów którą
może zliczyć licznik. Po jej przekroczeniu licznik zaczyna
zliczanie impulsów od początku
– kod w którym jest podawana ilość zliczanych
impulsów.
35
Licznik D
36