1.6.3. Буферный регистр
Регистром называется совокупность одинаковых элементов, управляемых одновременно. Условно графическое изображение буферного регистра представлено на рис. 6.6.
Буферные регистры так же, как и шинные формирователи, работают на магистраль, но его особенностью является возможность запоминать свое состояние, т. е. они могут выполнять временную буферизацию данных, что составляет важнейшую функцию портов. Буферные регистры, построенные на выходных каскадах с тремя состояниями, позволяют портам отключаться от магистрали под действием управляющих сигналов, а также обеспечивают необходимую нагрузочную способность.
Внутренне буферный регистр можно представить как последовательное соединение D-триггера и однонаправленный трехстабильный каскад (рис. 6.7).
Работу схемы поясняет диаграмма, показанная на рис. 6.8.
В исходном состоянии вход OE активен, поэтому состояние внутреннего регистра триггера передается на выход. После того как вход STB (вход STB разрешает или запрещает прием данных в буфер) переходит в активное состояние (1), состояние входной шины перемещается во внутренний регистр триггера (2), поэтому изменение состояния этой шины с некоторой задержкой передается на выход (3). После перехода управляющего входа STB в пассивное состояние (4) содержимое внутреннего регистра триггера и выходной шины измениться не может, поэтому изменение состояния входной шины никак не отражается на выходе (5). При переходе входа OE в пассивное состояние (6) с некоторой задержкой выходная шина переходит в третье состояние (7). Выход OE переходит в активное состояние (8), возвращая выход в активное состояние (9).
В цифровой схемотехнике помимо выхода с тремя состояниями используются еще два типа выходов:
выход с открытым коллектором;
выход с открытым эммитером. Элементы с открытым коллектором или с открытым стоком строятся на ТТЛШ- или КМОП-структуре соответственно.
Выходная цепь этих элементов заканчивается одиночным транзистором, коллектор которого не соединен с какими-либо цепями внутри микросхемы (рис. 6.9).
В случае с КМОП-структурой элемент имеет выходную цепь в виде одиночного МОП- транзистора, сток которого разомкнут.
Транзистор может находиться в насыщенном (открытом) или запертом состоянии. Насыщенное состояние трактуется как логический нуль, запертое - как логическая единица. Насыщение транзистора в схеме с открытым коллектором обеспечивается на выходе напряжением UКЭН (малое напряжение коллектор - эммитер). При запирании транзистора выход имеет неизвестный потенциал, так как он не подключен к каким-либо цепям. В связи с этим для формирования высокого уровня напряжения при запирании транзистора к выходу элемента с открытым коллектором или открытым стоком подключают нагрузочные резисторы, соединенные с источником питания.
В
ыходы
элементов с открытым коллектором можно
соединять параллельно, при этом можно
получить режим поочередной работы
элементов на общую линию (активный
только один элемент) или режим монтажной
логики, реализующей операцию «Логическое
И» (если активны несколько элементов).
Условно графическое изображение элементов с открытым коллектором или открытым стоком показано на рис. 6.10.
Положительной чертой этих элементов является возможность одновременной работы нескольких элементов, выходы которых соединены параллельно, что исключает возможность выхода элемента из строя из-за ошибок управления, а также дополнительная возможность реализации операций монтажной логики.
Недостатком объединения нескольких элементов на один провод является низкая скорость передачи информации, обусловленная затягиванием переднего фронта и, как следствие, большой задержки переключения с 0 на 1. Это связано с тем, что при переключении выходная емкость шины заряжается сравнительно малым током резистора R. Величину этого сопротивления невозможно уменьшить меньше некоторого предела, определяемого напряжением низкого уровня, который определяется, в свою очередь, допустимым током потребления всей схемы в целом. Временная диаграмма напряжения на шине с общим коллектором приведена на рис. 6.11.
Выход с открытым эммитером характерен для элементов типа ЭСЛ (эммитерно-связанная логика). Возможность соединения выходов элементов дает возможность реализовать дополнительные операции монтажной логики ИЛИ.
Условно графическое изображение элементов с открытым коллектором или открытым стоком показано на рис. 6.12.