andrey

Путь к Файлу: /Организация ЭВМ / Дополнительно / 4 - Комбинационные устройства.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   0
Пользователь:   andrey
Добавлен:   13.01.2015
Размер:   138.0 КБ
СКАЧАТЬ

 «Элементы цепей: комбинационные устройства»

 

1. Триггеры

Триггер (Trigger) – Это устройство с двумя устойчивыми состояниями (логические единица и нуль на соответствующих выходах). Эти состояния триггера при бесперебойном питании и при отсутствии существенных помех и наводок могут сохранятся сколь угодно долго. Под действием управляющих сигналов триггер способен переключаться из одного состояния в другое. Основное назначение триггера – хранение двоичной информации. Например, в персональных компьютерах триггера используются для построения статической кэш-памяти 1-го и 2-го уровня.

Простейшим триггером является RS-триггер, который может быть выполнен на основе элементов И-НЕ (см. рис.1) или ИЛИ-НЕ (см.рис.2).

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.1: Асинхронный RS-триггер на элементах И-НЕ.

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.2: Асинхронный RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ.

 

Поведение триггера при различной комбинации управляющих сигналов описано в таблице истинности (таблица состояний). Вход R (Reset) – активным уровнем переводит триггер в состояние лог.0 на прямом выходе Q. Вход S (Set) – устанавливает триггер в состояние лог.1 на прямом выходе Q. Для триггера этого типа существует так называемая “запрещённая комбинация” провоцирующая неправильную работу триггера (см. таблицу состояний).

Триггер является асинхронным (asynchronous) т.е. в произвольный момент времени изменение состояния любого из его входов приводит к изменению состояния триггера, согласно таблице состояний.

Рассмотренный RS-триггер при наличии помех работает часто работает ненадёжно. Например, короткие импульсные помехи, попадающие на управляющие входы, могут изменить состояния триггера. Для повышения помехоустойчивости и для устранения эффекта “гонок” сигналов используют RS-триггер с дополнительным синхронизирующим входом. Такой триггер называется синхронным (synchronous), а сигнал помечается как С-вход (Clock).

В свою очередь синхронные триггеры делятся на статические (управляемые уровнем синхросигнала) и динамические (управляемые фронтом синхросигнала или его спадом).

Пример синхронного статического триггера приведён на Рис.3:

4 - Комбинационные устройства

Рис.3

 

И действительно при наличии на С-входе импульса уровня логической единицы на входы R’ и S’ непосредственно триггера передаётся соответствующие R и S состояния входов элемента.

При наличии на С-входе уровня логического нуля, независимо от состояний входных сигналов на R и S входах триггер будет находиться в режиме хранения (см. таблицу состояния на Рис.2).

В таких триггерах иногда вводят дополнительные асинхронные установочные входы (SA и RA), для установки триггера в некоторое начальное состояние.

Рассмотренный выше RS-триггер является простейшим (одноступенчатым) синхронным триггером. Существуют так называемые двухступенчатые триггеры, состоящие из двух синхронных одноступенчатых RS-триггеров и дополнительного инвертора НЕ (См.Рис.4):

4 - Комбинационные устройства

Рис.4

 

При подаче входных управляющих сигналов и синхросигнала производится запись информации в первый RS-триггер. При этом второй триггер не изменяет своего состояния, так как на его C-вход с инвертора подаётся логический нуль. Только по окончанию записи в первый триггер при изменении значения синхросигнала с High -> Low производится запись во второй триггер двухступенчатой системы. Таким образом, можно сказать, что запись в данный двухступенчатый триггер производится по фронту, а выдача информации - по спаду синхросигнала. До появления спада С-сигнала второй триггер системы удерживает на своих выходах предыдущее состояние. Данная реализация системы синхронизации триггера называется динамической.

Помимо RS-триггера часто используется также D-триггер (Delay – задержка, иногда также называемый как триггер данных). На Рис.5 показано УГО (справа) этого триггера и его логическая реализация (слева).

4 - Комбинационные устройства

Рис.5

 

Обычно D-триггер строится на двухступенчатом RS-триггере, поэтому они является триггерами с динамическим управлением. В зависимости от реализации схемы управления динамические D-триггеры делятся на: триггеры, управляемые фронтом (Рис.6-А), и триггеры, управляемые спадом синхросигнала (Рис.6-Б). Существуют также статические D-триггеры, в которых схема синхронизации полностью аналогична одноступенчатым RS-триггерам. Статический С-вход также может быть прямым или инверсным (Рис.6-В и 6–Г соответственно):

4 - Комбинационные устройства

Рис.6

 

Временная диаграмма работы всех 4-х разновидностей D-триггера представлена на Рис.7:

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.7

 

На данной диаграмме приняты следующие обозначения сигналов:

 Data – вход данных у D-триггера;

 Clock – вход синхросигнала триггера;

 QRISE – прямой выход у динамического D-триггера, управляемого фронтом сигнала;

 QFALL - прямой выход у динамического D-триггера, управляемого спадом сигнала;

 QDIR - прямой выход у статического D-триггера, с прямым С-входом;

 QINV - прямой выход у статического D-триггера, с инверсным С-входом.

 

Как известно, триггер – элемент, запоминающий состояния, поэтому, простейшая ячейка памяти может быть построена, например, на двухступенчатом или одноступенчатом D-триггере (Рис.8):

4 - Комбинационные устройства

Рис.8

 

2. Регистры

Если объединить N ячеек памяти (или D-триггеры) по общему С-входу – получим N-разрядный регистр (Рис.9):

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.9

 

Таким образом, регистром называется совокупность триггеров, предназначенная для хранения двоичного слова. В регистре, изображенном на Рис.9 ввод и вывод кода происходит параллельно, поэтому регистры такого типа называют параллельными.

В последовательном регистре, называемым также сдвиговым регистром, вводимый код подаётся поразрядно, начиная со старшего разряда (См. рис.10). Синхронизирующий импульс поступает на все триггеры регистра одновременно. При этом в каждом последующем триггере запоминается выходной сигнал, поступающий от предыдущего.

Если сдвиговый регистр содержит N триггеров, то для сохранения N-разрядного слова потребуется N синхронизирующих импульсов.

Вывод хранимого кода можно производить либо параллельно, либо последовательно с выходного (последнего) триггера регистра при подаче дополнительных синхроимпульсов. Важно также отметить, что сдвиг двоичного содержимого регистра влево эквивалентно делению на 2, а сдвиг вправо – умножению на 2.

4 - Комбинационные устройства

Рис.10

 

Таким образом, регистры широко используются в вычислительных машинах в качестве элементов памяти и при построении арифметико-логических устройств микропроцессоров.

 

3. Счетный триггер. Счетчики.

Счетный Т-триггер – динамический D-триггер, инверсный выход которого заведён на его вход (См. рис.11).

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.11

 

Как видно из временной диаграммы (Рис.11, справа) функционально при помощи триггера данного типа происходит деление входной частоты. При этом используемый в структуре Т-триггера D-триггер обязательно должен быть динамическим, т.к. смена состояния на выходе триггера происходит почти мгновенно.

Объединив группу таких триггеров последовательно, получим простейший счетчик (см. рис.12).

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.12

 

Для формирования начального состояния счётчика триггеры, составляющие его основу, могут быть оснащены дополнительными асинхронными установочными RS-входами.

На Рис.13 приведена временная диаграмма работы такого счётчика. Из временной диаграммы видно, что каждый последующий разряд Qi+1 изменяет своё значение только через полный период импульса Qi.

Время (или количество импульсов входного сигнала T), требуемое счётчику для перебора всех комбинаций соответствует 2N тактов, где N – число разрядов счётчика.

Если всем состояниям комбинации сигналов (по данным из временной диаграммы) присвоить логические цифровые значения (т.е. комбинацию 0 и 1 в зависимости от их состояния), то увидим, что происходит обычный перебор всевозможных двоичных комбинаций. Отсюда и название у данного устройства - счётчик.

4 - Комбинационные устройства

Рис.13

 

Рассмотренный выше счетчик является асинхронным. Это означает, что i+1 триггер сработает только после того, как на выходе i-го триггера появится результат. Так как триггеры, как и логические элементы, не идеальны, т.е. существует некоторый промежуток времени между поступлением сигнала на вход и появлением его выходе, то изменение сигнала на входе элемента требует некоторого времени, чтобы установить новое состояние сигнала на его выходе. Такие циклические временные сдвиги (или “гонки” сигналов) могут спровоцировать неправильное восприятие данных.

Если предположить, что сигнал на вход триггера подаётся в момент времени t1, а на его выходе устанавливается новое значение в момент t2, то время распространения сигнала (время задержки на одном элементе) составляет время, численно равное величине 4 - Комбинационные устройства:

4 - Комбинационные устройства

Если рассматривать счётчик как цепочку последовательно соединённых триггеров, то задержка между входным и выходным сигналом равна:

4 - Комбинационные устройства, где n – разрядность счётчика.

4 - Комбинационные устройства

Рис.14

 

На Рис.14 показана временная задержка между выходным сигналом первого элемента Q1 и последнего QN.

Для уменьшения проблем связанных с эффектом “гонок” используются синхронные счётчики (или счётчики с цепями одновременного переноса, см. Рис.15).

4 - Комбинационные устройства

Рис.15

 

4. Селекторные комбинационные устройства:

Мультиплексор (MUX) – относится к классу селекторных устройств, осуществляет коммутацию одного из нескольких своих входов к выходу. Мультиплексор имеет несколько информационных входов D1..Dn, адресные входы A1..Ak, входы для подачи стробирующих сигналов и один выход Q.

На Рис.16 показан общий вид УГО мультиплексора. Каждому информационному входу присваивается номер, называемый его адресом.

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.16

 

При наличии соответствующих стробирующих сигналов, поступающий на адресные входы мультиплексора код является адресом, на основании которого происходит выборка информационного канала и его коммутация с выходом. В соответствии с этим число информационных входов (DN) зависит от числа адресных входов (Ak) как:

4 - Комбинационные устройства

Таким образом, подавая на адресные адреса’ различных информационных входом, можно передавать цифровые сигналы с этих входов на выход Q.

Демультиплексор (DMX) – коммутационное устройство, семантически противоположное мультиплексору и осуществляет коммутацию входа к одному из выходов. Каждому выходу принадлежит адрес (номер), однозначно определяющий этот выход.

Общий вид УГО DMX устройства показан на Рис.17, внутреннее его устройство на Рис.18:

4 - Комбинационные устройства

Рис.17

 

4 - Комбинационные устройства

Рис.18

 

5. Преобразователь кодов (DC):

 

Дешифратор (DeCoder, DC) – устройство, преобразующее поступающий в него двоичный код в унарный код. Количество выходов дешифратора (QN) зависит от числа его входов (DK):

4 - Комбинационные устройства

При поступлении на вход DC двоичного кода, на его выходе появится активный логический уровень только на одном из выходов (унарный код), который однозначно определяется на основании входной двоичной комбинации.

В дешифраторе помимо информационных входов (которые могут рассматриваться как адресные входы) присутствуют и управляющие входы, которые формируют условие работы дешифратора. При определённой комбинации на этих входах (запрещенная комбинация) происходит блокировка дешифратора, в результате чего он не реагирует на входную двоичную комбинацию, а на его выходах устанавливаются не активные значения сигналов. Общий вид УГО дешифратора приведён на Рис.19:

4 - Комбинационные устройства

Рис.19

Дешифраторы часто используются в вычислительной техники как селекторные устройства, производящие выборку определённого блока некоторой схемы при поступлении на его входы кода, однозначно идентифицирующего этот блок. Также дешифраторы применяются в качестве преобразователя BCD (двоично-десятичного) кода для отображения числа на мультисегментном дисплеи.

Пример работы 4-х разрядного дешифратора описывается его таблицей состояний (См. Табл.1), при условии, что комбинация на его управляющих входах удовлетворяет “рабочему режиму” дешифратора:

 

A1

A2

Q1

Q2

Q3

Q4

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

Табл.1

Если на его управляющих входах установлена “запрещённая комбинация”, то в зависимости от конкретного дешифратора его выходы Q1-QN могут находиться либо в Z-состоянии, либо держать на всех выходах неактивные уровни сигналов (например, все нули, при условии что выходы не являются инверсными).

 

6. 4 - Комбинационные устройстваКанальный приёмо-передатчик (Буфер шины)

Канальный приёмо передатчик может работать в нескольких режимах и является усилителем сигналов шин.

Режим работы зависти от комбинации сигналов BS и CS#.

 

Режимы работы:

A->B при CS#=(LOW State) и BS=(HIGH State)

B->C при CS#=(LOW State) и BS=(LOW State)

сост.Z при CS#=(HIGH State) и BS=(X State)

 

Может использоваться как двунаправленный повторитель сигнала (усилитель из “шины в шину”). Для этого входная шина (A) и выходная шина (С) соединяются параллельно.

Сигнал BS (Bus Select) – определяет вектор перемещения данных (коммутирует входную A0-A3 или выходную шину C0-C3 с двунаправленной B0-B3). А сигнал CS# определяет буфер “включен” или находится в Z состоянии (отключенном от шин).

 

Дополнительно используемая литература:

 

1. Схемотехника ЭВМ: Учебник для студентов вузов специальности ЭВМ / Под ред. Г.Н. Соловьёва.–М.: Высш. шк., 1985.-391 с., ил.

 

2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.-М.:Радио и связь, 1988.-352 с.: ил. – (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1111).

 

 

 

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика