5. Цифровий логічний рівень архітектури: пам’ять, мікропроцесори

5.1. Защіпки

Щоб створити один біт пам'яті, необхідна схема, яка деяким чином “запам'ятовує” попередні вхідні значення. Таку схему можна сконструювати з двох вентилів НЕ-АБО, як показано на рис. 5,1, а. Аналогічні схеми можна побудувати з вентилів НЕ-І.

А	В	НЕ-АБО
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

а) б) в)

Рис. 5.1 - Защіпка НЕ-АБО в стані 0 (а); защіпка НЕ-АБО в стані 1 (б); таблиця істинності для функції НЕ-АБО (в)

Схема, зображена на рис. 5.1 а, називається SR-защіпкою. У неї є два входи: S (setting – установка) і R (resetting – скидання). В ній є також два комплементарних (додаткових) виходи: Q і . На відміну від комбінаційної схеми, вихідні сигнали защіпки не визначаються поточними вхідними сигналами.

Розглянемо приклад. Нехай, S=0 і R=0 (вони дорівнюють 0 більший час). Припустимо також, що Q=0. Так як Q повертається у верхній вентиль НЕ-АБО й обидва входи цього вентиля дорівнюють 0, то його вихід дорівнює 1. Одиниця повертається в нижній вентиль, у якого в підсумку один вхід дорівнює 0, а інший – 1, а на виході виходить Q=0 (рис. 5.1, а).

Уявимо, що Q=l, a R і S усе ще дорівнюють 0. Верхній вентиль має входи 0 і 1 і вихід (тобто 0), що повертається в нижній вентиль. Така ситуація зображена на рис. 5.1 б. Стан, коли обидва виходи дорівнюють 0, неможливий, оскільки в цьому випадку обидва вентилі мали б на вході два нулі, що привело б до одиниці на виході, а не до нуля. Так само неможливо мати на обох виходах 1, оскільки це привело б до вхідних сигналів 0 і 1, що викликає на виході 0, а не 1. Висновок простий: при R=S=0 защіпка має два стабільних стани, які будемо називати 0 і 1 у залежності від Q.

Розглянемо дію вхідних сигналів на стан защіпки. Припустимо, що S приймає значення 1, у той час як Q=0. Тоді вхідні сигнали верхнього вентиля будуть 1 і 0, що приведе до вихідного сигналу =0. Ця зміна робить обидва входи в нижній вентиль рівними 0 і, отже, вихідний сигнал рівним 1. Таким чином, установка S на значення 1 переключає стан з 0 на 1. Установка R на значення 1, коли защіпка знаходиться в стані 0, не викликається змін, оскільки вихід нижнього вентиля НЕ-АБО дорівнює 0 і для входів 10, і для входів 11.

Використовуючи подібну аргументацію, доводиться, що установка S на значення 1 при стані защіпки 1 (тобто при Q=1) не викликає змін, але установка R на значення 1 приводить до зміни стану защіпки. Таким чином, якщо S приймає значення 1, то Q буде дорівнювати 1 незалежно від попереднього стану защіпки. Подібним чином перехід R на значення 1 викликає Q=0. Схема «запам'ятовує», який сигнал був останнім: S або R. Використовуючи цю властивість, можна конструювати комп'ютерну пам'ять.

5.2. Синхронні sr-защіпки

Зручно зробити так, щоб защіпка змінювала свій стан тільки у визначені моменти. Щоб реалізувати це, шляхом модифікації основної схеми можна одержати синхронну SR-защіпку (рис. 5.2).

Ця схема має додатковий синхронізуючий вхід, який, як правило, дорівнює 0. Якщо цей вхід дорівнює 0, то обидва виходи вентилів І дорівнюють 0 незалежно від S і R, і защіпка не змінює стан. Коли значення синхронізуючого входу дорівнює 1, дія вентилів І зникає і стан защіпки стає залежним від S і R. Для позначення того факту, що синхронізуючий вхід дорівнює 1 (тобто стан схеми залежить від значень S і R), часто використовується термін стробувати.

Рис. 5.2 - Синхронна SR-защіпка

Якщо і R, і S повертаються до 0, схема стає недетермінованою. Єдиний можливий стан при S=R=1 – це Q= =0, але як тільки обидва входи повертаються до 0, защіпка повинна перейти в один із двох стабільних станів. Якщо один із входів приймає значення 0 раніше за інший, той що залишився в стані 1 “перемагає”, внаслідок того, що коли один із входів дорівнює 1, він керує станом защіпки. Якщо обидва входи переходять до 0 одночасно (що малоймовірно), защіпка переходить в один зі своїх станів випадково.