|
|
|
|
1
|
1
|
|
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
Неопределённое
состояние
|
Не разрешается
одновременная подача напряжения низкого уровня на оба входа -триггера. Триггер типа RS, как и -триггер, "запоминает", на какой из двух входов (R или
S) поступил последний сигнал: если на вход R, триггер находится в нулевом
состоянии (Q = 0 и= 1), а
если на вход S, то в единичном состоянии (Q = 1 и= 0).
Рисунок 4.
RS-триггер: его условное графическое обозначение и схема с четырьмя логическими
элементами И-НЕ.
На рисунке 4
показана схема RS-триггера, выполненного на логических элементах И-НЕ. Она
отличается от схемы -триггера
тем, что к каждому входу добавлено по инвертору (DD3 и DD4), которые только
обеспечивают необходимый уровень входных сигналов. [11]
Изменение входных
сигналов от низкого уровня до высокого приводит к смене состояния триггера
(моменты t1, t2, t2 и t5; в момент t4 опрокидывания не происходит, так как
триггер уже установлен в единичное состояние в предшествующий момент - t3,
рисунок 5).
Рисунок 5.
Временная диаграмма работы RS-триггера
Все сказанное
относительно RS-триггера сохраняет силу и для -триггера. Единственное различие касается инверсии уровней входных
сигналов (R вместо и S
вместо). [15; 104]
Глава 1. Цифровые устройства
последовательного типа
Цифровые устройства
последовательного типа или цифровые автоматы с памятью - это электронные
цифровые устройства, логические значения на выходах которых определяются не
только совокупностью логических сигналов на входах в данный момент времени, но
и состоянием внутренних элементов памяти по результатам его предшествующей
работы. Запоминание предшествующих состояний выполняется при помощи триггеров и
регистров памяти.
Типичными примерами логических
автоматов с памятью являются счётчики импульсов и сдвиговые регистры [4; 113]
1.1 Общее представление о триггерах
Триггеры - это электронные
устройства, обладающие двумя устойчивыми состояниями равновесия и способные
скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое под воздействием
внешних управляющих сигналов.
Состояние называется устойчивым,
если слабое внешнее воздействие не нарушает этого состояния. Для перехода
триггера из одного состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил
пороговое значение.
Триггер снабжается двумя выходами:
прямым Q и инверсным Q. Состояние триггера определяет логический уровень на выходе Q. Триггеры могут иметь входы
различного типа:
R (от англ. RESET) - раздельный вход установки в состояние 0;
S (от англ. SET) - раздельный вход установки в состояние 1;
К - вход установки универсального
триггера в состояние 0;
J - вход установки универсального триггера в состояние 1;
V - вход разрешения;
С - синхронизирующий вход;
D- информационный вход;
Т - счетный вход
Обычно название триггера дают по
имеющимся у него входам:RS-триггер, JK-триггер, D-триггер и др. По способу записи информации триггеры
подразделяются на асинхронные и синхронные. Васинхронных триггерахсостояние на
выходе изменяется сразу же после изменения сигнала на информационных входах.
Всинхронных триггерахдля передачи сигнала с информационных входов на выходы
требуется специальный синхронизирующий импульс. Синхронные триггеры
подразделяются на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим
управлением. В триггерах с динамическим управлением передача сигнала с
информационных входов на выходы осуществляется по фронту или по спаду
синхронизирующего импульса.
Триггеры относятся к цифровым
автоматам. В отличие от комбинационных схем состояние на выходе триггера в
данный момент времени определяется не только состояниями на входах триггера в
этот же момент времени, но и предыдущим состоянием триггера. Цифровые автоматы
к которым относятся триггеры, иногда называют последовательными схемами.
Триггеры можно представить как
устройство, состоящее из ячейки памяти ЯП и логического устройства (ЛУ)
управления, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под
воздействием которых ЯП принимает одно из двух устойчивых состояний.
Информационные сигналы поступают на
входы A и В ЛУ и преобразуются в сигналы, поступающие на внутренние входы S и R
ЯП. Процесс преобразования информационных сигналов осуществляется под
воздействием сигналов, подаваемых на вход V разрешения приёма информации и вход
C синхронизации, обеспечивающей тактируемый приём информации.
Рисунок 5
Рисунок 6
а) Обобщённое устройство триггера;
б) RS-триггер с прямыми
входами;
в) Инверсными статическими входами
При наличии входа C триггер называют
синхронным, а при его отсутствии-асинхронным. Управляющие сигналы на асинхронный
триггер воздействуют непосредственно с началом своего появления на их входах, а
в синхронных - только с приходом сигнала на входе C.
Триггеры могут иметь статические или
динамические входы. Как статические, так и динамические входы могут быть прямыми
или инверсными.
Входы называются статическими, если
они имеют непосредственную связь с источником входных сигналов. Сигналом для
управления статическим триггером с прямыми статическими входами является
уровень лог «1», а для управления триггером с инверсными входами - уровень лог
«0».
Входы называются динамическими, если
они соединены с источником входных сигналов через развязывающие цепи:
магнитные, электронные или RC-цепи. Они реагируют только на перепады входных
сигналов. Если срабатывание триггера происходит при изменении входного сигнала
от «0» к «1», то входы называются прямыми, а если при изменении сигнала от «1»
к «0», то - инверсными.
Входы Ś
и Ŕ называются входами асинхронной установки триггера. Они
предназначены для подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное
состояние (0 или 1) в начале цикла работы независимо от воздействия
информационных сигналов, то есть в обход схемы управления. [9; 315]
1.2 RS-триггеры
Наибольшее применение находят
триггеры с раздельным запуском, которые называются RS-триггерами. Их условное
графическое обозначение приведено на рисунке 1. В простейшем RS-триггере
информационные сигналы подаются непосредственно на входы S и R ячейки памяти.
Входы, на которые подаются
запускающие импульсы, называются установочными. Буквой S обозначают вход, на
который подаётся сигнал, устанавливающий триггер в единичное состояние (Q=1, ). Буквой R (Reset - сброс) обозначают вход, на который подаётся
сигнал сброса, переводящий триггер в состояние «0» . Буквой Q обозначается
прямой выход, а -
инверсный.триггеры применяются как самостоятельно, так и в составе других более
сложных триггеров, а также входят в состав регистров и счётчиков.
1. RS-триггеры в аналогических
элементах.
Функционирование логических
устройств последовательного типа описывается таблицами переходов, которые
отличаются от таблиц истинности тем, что в них учитываются только
результативные переходы, когда изменение комбинации сигналов на входе приводит
к изменению выходного состояния. Однако таблица переходов может быть сведена к
таблице истинности, если состояние внутренних элементов памяти считать входными
сигналами.
Полная таблица функционирования (таблица
истинности) приведена на рисунке 2а, в которой предыдущее состояние триггера Qn
до подачи входных сигналов является одним из входных сигналов. Выходное
состояние триггера после подачи входных сигналов обозначено символом Qn+1.
Таблица переходов триггера приведена на рисунке 7
Таблица истинности позволяет
применить рассмотренную выше методику синтеза логических устройств
комбинационного типа для синтеза устройств последовательного типа, в том числе
и RS-триггеров.
Для минимизации структурной формулы
RS-триггера заполним карту Карно, приведённую на рисунке 8.
Рисунок 7. Таблица истинности; б)
Таблица переключений RS-триггера.
Рисунок 8 Карты Карно для
минимизации структурной формулы RS-триггера
В соответствии с теорией минимизации
неопределённых логических функций, для определения прямого значения функции Qn+1
неопределённые значения карты Карно «ф» (Рисунок 3,а) заменим «1»
(Рисунок 9,б), а для определения инверсного значения - заменим «0» (Рисунок 9,в). Для получения функции минимизация производится по нулям.
Минимизированные значения функций Qn+1и на элементах основного базиса имеют вид:
Рисунок 9. RS-триггеры:
а), б) - аналогических элементах
ИЛИ-НЕ,
в), г) - аналогических элементах
И-НЕ.
Для реализации триггера на элементах
ИЛИ-НЕ проинвертируем функцию
:.
Структурная схема триггера,
полученная в соответствии с этим выражением, приведена на рисунке44,а. В
структурной формуле установочные сигналы S и R представлены в прямом коде,
следовательно, исполнительными значениями сигналов являются уровни лог «1», то
есть триггер на элементах ИЛИ-НЕ имеет прямые статические входы.
Для реализации триггера на элементах
И-НЕ дважды проинвертируем функциюQn+1:
Как следует из полученного
выражения, исполнительными значениями сигналов здесь являются лог.«0», поэтому
RS-триггер на элементах И-НЕ имеет инверсные статические входы. Структурная
схема триггера и его УГО приведены на рисунках 4, в, г.[1; 211]
При разработке цифровых схем, в
которые входят RS-триггеры, необходимо учитывать наличие запрещённого состояния
входных сигналов для RS-триггеров на элементах ИЛИ-НЕ S=R=1, а для RS-триггеров
на элементах И-НЕ Условие
нормального функционирования для обеих схем RS-триггеров можно записать в
следующем виде: SR ≠ 1
Если в разрабатываемой
схеме такое сочетание входных сигналов в принципе возможно, то эту ситуацию
необходимо исключить путём включения во входную цепь <#"806398.files/image029.jpg">
Рисунок 10. Синхронные RS-триггеры:
Синхронные RS-триггеры имеют три
входа: S, R и C. Применение синхронизации не устраняет неопределённое состояние
триггера, возникающее при одновременной подаче единичных сигналов на все три
входа. Поэтому условием нормального функционирования является следующее
неравенство: SRC ≠ 1
Кроме трёх основных входов,
синхронные RS-триггеры снабжаются ещё входами асинхронной установки состояния
триггера- ŚиŔ. Они предназначены для
подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное состояние (0 или 1)
в начале цикла работы независимо от воздействия сигналов на входах S и R, то
есть в обход схемы управления.
По своему воздействию на состояние
триггера входы Ś и Ŕ являются самыми главными и поэтому на УГО отделяются от остальных
сигналов горизонтальной линией. [7; 260]
3. RS-триггеры S, R и E-типов
В отличие от обычных
RS-триггеров у триггеров S, R и E-типов комбинация
<#"806398.files/image030.gif">
Рисунок 11. RS-триггер
Е-типа
Схема работает как обычный
RS-триггер, но при подаче сигналов S=R=1 вентили D5 и D6 обеспечивают закрытое
состояние элементов D1 и D2, поэтому выходное состояние триггера Q остаётся без
изменения.
Если исключить из схемы Рисунка6
элемент D6, то при подаче на вход сигналов S=R=1 блокируется только элемент D2,
на выходе которого устанавливается «1», а на выходе D1 формируется «0». Эти
сигналы устанавливают триггер в состояние Q=1, или подтверждают его, если до
подачи сигналов S=R=1 триггер находился в состоянии Q=1. Такой триггер
называется RS-триггером S-типа.
Если исключить из схемы Рисунка 6
элемент D5, оставив элемент D6, то при подаче на вход сигналов S=R=1
блокируется только элемент D1, поэтому триггер устанавливается в состояние Q=0
или подтверждают его, если до подачи сигналов S=R=1 триггер находился в
состоянии Q=0. Такой триггер называется RS-триггером R-типа. [12]
Глава 2. Регистр, как устройство выполнения
функции приема, хранения и передачи информации
Основным классификационным признаком
регистров являются способ записи двоичного кода в регистр и его выдача, т.е.
различают параллельные, последовательные (сдвигающие) и
параллельно-последовательные регистры. Параллельный регистр выполняет операцию
записи параллельным кодом. Последовательный регистр осуществляет запись
последовательным кодом, начиная с младшего или старшего разряда, путем
последовательного сдвига кода тактирующими импульсами.
Параллельно-последовательные
регистры имеют входы как для параллельной, так и для последовательной записи кода
числа. Кроме того, сдвигающие регистры делятся на одно- и
двунаправленные(реверсивные). Однонаправленные регистры осуществляют сдвиг кода
влево или вправо, а двунаправленные - и влево, и вправо.
Основой построения регистров
являются синхронные RS-триггеры или, предпочтительнее, В-триггеры. Принцип
построения простейшего параллельного т-разрядного регистра показан на рисунке
12.
Рисунок 12. Параллельный регистр
В параллельном регистре цифры кода
подаются на D-вход соответствующих триггеров. Запись осуществляется при подаче
логической единицы на вход С. Код снимается с выходов Q. Параллельные регистры
служат только для хранения информации в виде параллельного двоичного кода и для
преобразования прямого кода в обратный и наоборот.
Последовательные регистры, помимо
хранения информации, способны преобразовывать последовательный код в
параллельный и наоборот. При построении последовательных регистров триггеры
соединяются последовательно путем подключения выхода Q i-го триггера ко входу D
i-го триггера, как это показано на рисунке 13. [15; 96]
Рисунок 13. Последовательный регистр
В последовательных регистрах
принципиально необходимо, чтобы новый сигнал на выходе Q i-го триггера возникал только после
окончания синхросигнала. Для выполнения этого условия в последовательных
регистрах необходимо применять двухступенчатые триггеры.
При действии каждого очередного
тактового импульса код, содержащийся в регистре, сдвигается на один разряд. Для
схемы, приведенной на рисунке 2, сдвиг кода происходит вправо (в сторону
младших разрядов). Действительно, сигнал выхода Q i+1-го триггера действует на
вход D i-го триггера, а сигнал выхода Q i-го триггера действует на вход D
i-1-го триггера. При действии синхросигнала i-й триггер примет состояние
i+1-го, а i-1-й - состояние i-го триггера, т.е., произойдет сдвиг кода вправо
на один разряд.
Параллельный двоичный код
одновременно снимается с выходов Q триггеров. Для сдвига кода влево необходимо,
чтобы сигнал с выхода Q i-1-го триггера подавался на вход Q i-го (старшего)
триггера.
Реверсивные регистры должны
содержать логические схемы управления, обеспечивающие прохождение сигнала с
выхода Q i-го триггера на вход D i-1-го триггера при сдвиге кода вправо и
прохождение этого же сигнала на вход D i+1-го при реализации сдвига кода влево.
Схема построения реверсивного регистра приведена на рисунке 14.
Рисунок 14. Реверсивный регистр
Направление сдвига кода определяется
подачей требуемых сигналов управления на соответствующие входы. Так, в схеме,
показанной на рис. 210, при подаче на вход S0 напряжения логической единицы
сдвиг кода будет происходить влево (в сторону старших разрядов), поскольку
логическая схема управления 2И - 2И - 2ИЛИ будет разрешать прохождение сигналов
с выходов Q i-го триггера на вход D i-го триггера, и наоборот, при подаче на
вход S1 напряжения логической единицы будет разрешено прохождение сигнала с
выхода Q i-го триггера на вход D i1-го триггера - будет реализовываться сдвиг
кода вправо (в сторону младших разрядов).
Условно-графическое обозначение
параллельного, сдвигового и реверсивного регистров приведено на рисунке 15. [2;
115]
Рисунок 15. УГО параллельного,
сдвигового и реверсивного регистров.
Выводы микросхем, показанных на
рисунке 4, следующие: D1-DN - входы D-триггеров соответствующих разрядов при
записи информации в параллельном коде; Q1-QN - прямые выходы Q-триггеров; С -
вход тактовых импульсов; R - вход обнуления; S0,S1 - входы управления
направлением сдвига; VR - вход последовательного кода при сдвиге вправо (R - от
англ. Right), при сдвиге кода влево применяется обозначение VL - (Left).
Основную массу регистров,
применяемых на практике, представляют регистры сдвига, т.к. помимо операции
хранения они могут осуществлять преобразование параллельного кода в
последовательный и наоборот, прямого кода - в обратный и наоборот, выполнять
арифметические и логические операции, временную задержку и деление частоты. [4;
100]
Заключение
триггер регистр
микросхема цифровой
Одним из ведущих
направлений развития современной микроэлектронной элементной базы являются БИС
(большие интегральные микросхемы) памяти, которые служат основой для построения
запоминающих устройств в аппаратуре различного назначения. Номенклатуру
микросхем памяти отечественного производства характеризует большое разнообразие
конструктивно-технологических и схемотехнических исполнений, функциональных
возможностей, электрических характеристик, областей применения.
Для хранения
небольших объёмов информации широко применяют регистры. Номенклатура микросхем
регистров хорошо развита и разнообразна. По принципу построения различают
регистры хранения и сдвига. Важнейшими характеристиками регистров являются разрядность и
быстродействие. Разрядность определяет число разрядов двоичной кодовой
комбинации, которая может быть записана в регистр. Быстродействие характеризует
максимальную частоту, с которой может производиться запись и чтение информации.
Регистры хранения служат для записи, хранения и считывания информации. Для
хранения информации могут использоваться RS- или D-триггеры, причем число
триггеров должно быть равно числу разрядов кодовой комбинации. Такие регистры
представляют собой совокупность последовательно соединенных триггеров, как
правило, двухступенчатых. Число триггеров, определяется разрядностью
записываемой кодовой комбинации. [4; 112]
По направлению
сдвига информации различают регистры со сдвигом вправо (т.е. в сторону младшего
разряда), со сдвигом влево (в сторону старшего разряда) и реверсивные,
допускающие сдвиг в обе стороны. [7; 279]
Литература
1.
Бабич Н.Л., Жуков И.А. Основы цифровой схемотехники: Учебное пособие. - С-П.,
2007. - 402с.
2.
Балашов Е.П., Григорян В.М. Микро- и мини ЭВМ., Л., -1984. - 376с.
3.
Бухгалтерский учет: Учеб. пособие. 3-е изд., перераб. и доп. /О.А. Левкович,
И.Н. Бурцева. - Мн.: Амалфея, 2005. - 800 с.
4.
Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М: Телеком,
2000. - 100-122с.
5.
Куракин В.Л. Свободные регистры сдвига. I. - В сб.: Труды по дискретной
математике. Т. 9. - М.: Гелиос-АРВ, 2006. - 232с.
6.
Ланских В.Г. Основы схемотехники. - К., 2002. - 78с.
7.
Морисита И. Аппаратные средства ЭВМ. Пер. с япон., - М.: Мир, 1988. - 279с.
8.
Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. - М.,
2001. - 379с.
.
Новиков Ю.В. Схемотехника. - М., 2002. - 384с.
10.
Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. - М.: Энергоатомиздат. -
1988. - с.87-96, 102-107.