Дешифратор и шифратор

В о многих электронных устройствах, в том числе в ЭВМ, используются кодированные сигналы, или коды. Кодом называется система электрических сигналов, используемая для передачи сообщений. В ЭВМ используются двоичные, восьмиричные, шестнадцатиричные, двоично-десятичные и другие коды, причем сигналы передаются в виде логических 0 и 1.

Устройства, преобра-зующие одну разновид-ность кода в другую, называются преобразо-вателями кодов. Например, существуют устройства, преобра-зующие прямой двоичный код в обратный и дополнительный коды. К преобразователям также относятся шифраторы и дешифраторы, осуществ-ляющие кодирование и декодирование сигналов.

Дешифратором или декодером называется устройство, позволяю- Рис.11. Дешифратор К1555ИД3 щее “узнавать” одну вполне определенную кодовую комбинацию из некоторого множества кодовых комбинаций. Дешифратор выдает сигнал на выходе при определенной входной комбинации.

Шифратор, называемый также кодером и кодирующим устройством, осуществляет кодирование, т.е. шифратор и дешифратор выполняют противоположные операции.

В работе изучается дешифратор - демультиплексор К155ИД3,обозначение которого представлено на рис.11. Входы W0 и W1 играют роль стробирующих, на них должен подаваться логический ноль. Если хотя бы на одном из стробирующих входов присутствует логическая единица на всех выходах устанавливается высокий уровень, не зависимо от состояния входов 1-2-4-8. При демультиплексировании входы 1-2-4-8 являются селектирующими. Соответствующий код на этих входах позволяет сигналу проходить от информационного входа к выбранному выходу. Роль информационного входа в этом случае играет один из входов W0 или W1. Второй вход используется как стробирующий. При высоком уровне на стробирующем входе сигнал с информационного входа будет блокирован.

Мультиплексор и демультиплексор

Часто бывает необходимо подключиться к одной из нескольких входных линий, передающих информацию в двоичных кодах. Такое подключение осуществляется с помощью устройства, называемого мультиплексором. Мультиплексор подключает одну из входных линий к единственной выходной линии с помощью цифровой команды, называемой адресом, Управление переключением - выбор информационной входной линии -осуществляется подачей на адресные линии адресного кода. При изменении адресного кода двоичная информация на выходную линию поступает с информационной линии, определяемой этим кодом.

Обратная задача решается с помощью демультиплексора, подключающего единственную входную информационную линию к одной из нескольких выходных информационных линий. Пример работа демультиплексора на микросхеме К155ИД3 рассмотрен выше.

Триггеры на логических элементах

Логические элементы и функциональные устройства из логических элементов, рассмотренные в предыдущих разделах, относятся к классу комбинационных схем.

Комбинационными называют схемы, не обладающие памятью. Логическое состояние выходов комбинационных схем однозначно определяется комбинацией логических сигналов на их входах в данный момент времени и не зависит от логических сигналов, которые подавались ранее. Другой класс схем - схемы с памятью. Такие схемы относятся к классу последовательностных схем. Логическое состояние последовательностных схем зависит не только от комбинации входных сигналов в заданный момент времени, но и от комбинации сигналов в предшествующие моменты времени. Например, простейший триггер на двух транзисторах с перекрестными обратными связями по постоянному току - бистабильная ячейка - обладает памятью и относится к классу последовательностных схем. Рассмотрим ряд триггеров, образованных из логических элементов. Напомним, что триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и сохраняющее любое из них сколь угодно долго после снятия внешнего сигнала, вызвавшего переход триггера из одного состояния в другое. Поэтому говорят, что триггер обладает памятью. Он способен хранить 1 бит информа­ции: 0 или 1, до тех пор, пока не придет новый управляющий сигнал и есть напряжение питания.

Различают асинхронные (нетактируемые) и синхронные (тактируемые) триггеры. Синхронизация осуществляется подачей на специальные входы триггеров прямоугольных тактовых импульсов. Они используются по-разному. В одних случаях тактовые импульсы играют роль разрешающего сигнала и изменение состояния триггера может произойти в любой момент па протяжении действия тактового импульса. В других случаях схема триггера строится таким образом, что изменения состояния триггера могут происходить лишь в моменты перехода тактового импульса от нуля к единице или от единицы к нулю (момент фронта или спада тактового импульса). Такие триггеры называются триггерами с динамическим входом синхронизации или с динамическим управлением.

Асинхронный RS-триггер. На рис.12 показана схема RS-триггера на логических элементах. Название триггера происходит от английских слов reset - сброс, set - установка; RS-триггер имеет два сигнальных входа R и S и два сигнальных выхода Q и . Если на сигнальных входах R и S имеется сигнал 0, т. е. R=S=0, то в этом случае схема может находиться сколь угодно долго в одном из двух устойчи­вых состояний:

Q=1 ( 0) или 2) Q=0 ( 1).

Рис.12.Схема RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ и его условное обозначение.

Предположим, что схема на­ходится в нулевом состоянии (Q=0). Чтобы перевести схему из второго устойчивого состояния в первое, необходимо задать S=1 и R=0. При этом Q станет равным 1. Вход S называется установочным, так как подача на него 1 устанавливает Q равным 1.

Чтобы перевести схему из первого состояния во второе, нужно задать S=0 и R=1. Вход R называют входом сброса, так как при S=0, R=1 Q станет равным 0. Подачи сигнала 1 на оба входа избегают и считают ее запрещенной, так как при этом схема на­ходится в неопределенном состоянии.

На рис.13 представлена схема тактируемого (синхрон

ного) RS-триггера. На вход С подаются тактовые импульсы. Синхронный RS-триггер подобен RS-триггеру на элементах ИЛИ-НЕ с той разницей, что он активен лишь тогда, когда имеются тактовые импульсы.

Рис.13.Тактируемый RS-триггер

Т аблицей состояний синхронного RS-триггера. является следующая.

В ней через Rn и Sn обозна-чены входные величины R и S, действующие во время при­хода n-го тактового импульса, причем предполагается, что тактовый импульс С является коротким положительным импульсом, за время действия которого величины R и S не изменяются. Через Qn обозначено состояние схемы до прихода тактового n-го импульса, а через Q_n+1 - состояние схемы сразу после окончания п-го импульса, сохраняющееся до прихода (n+1)-го тактового импульса.

Х отя таблицы состояний полностью характеризуют действие триггеров, на рис.14 приведены временные диаграммы работы синхронного RS- триггера. Достаточно рас- смотреть момен-ты, когда имеют-ся тактовые им-пульсы. В момент прихода t₁ схема уже находится в нулевом состоянии, которое и остается.

Рис.14.Временные диаграммы

синхронного RS-триггера.

Переключение в единичное состояние происходит в момент t₂. В момент tз схема не переключается в единичное состояние, так как она уже в нем находится, а в момент t₄ S=R=0 и схема остается в предыдущем состоянии. Переключение происходит лишь в момент t₅ когда приходит тактовый импульс. Обычно взаимодействие отдельных элементов цифровых устройств согласуется по времени с помощью тактовых импульсов. Синхронный RS-триггер позволяет осуществлять такое согласование. Если построить RS- триггер на элементах И-НЕ, то переключение асинхронного триггера будет происходить при воздействии на его вход логического нуля (при наличии логической единицы на другом входе). В этом случае R и S входы обозначаются со знаком инверсии. Подача двух логических нулей на входы не допускается.

Выпускаются более сложные триггеры, содержащие сложную входную логику, которая исключает запрещенные (недопустимые) состояния входных сигналов. Следует отметить, что эти состояния не приводят к каким – то необратимым последствиям, а лишь нарушает правильную работу триггера на время действия запрещенной комбинации входных сигналов. Триггеры типа D, J-K, Т, как правило, имеют входы асинхронной установки в ноль и единицу, срабатывающие от логического нуля.

Регистры

Элементарной ячейкой электронной памяти является триггер, способный сохранять 1 бит записанной в нем информации. Регистром называется устройство из триггеров, предназначенное для записи, хранения и выдачи информации. Каждый разряд двоичного числа записывается в своем триггере, поэтому число триггеров в регистре определяет разрядность записываемого числа. Выпускаются регистры хранения (данных), буферные регистры, регистры последовательного приближения, сдвиговые и универсальные регистры. Рассмотрим работу регистра на примере регистра сдвига.

С двиговым регистром называют цифровую схему, состоящую из последовательно включенных триггеров, содержимое которых можно сдвигать на один разряд влево или вправо подачей тактовых импульсов. На рис. 15 приведена структурная схема сдвигового регистра на синхронных JK-триггерах. Рассмотрим действие регистра при записи в него числа 0011, начиная с правого - младшего - разряда.

Рис.15. Схема регистра сдвига.

До записи числа все триггеры устанавливают в нулевое состояние. Затем на вход схемы подается серия импульсов, соответствующая записываемому числу, а на вход С подаются тактовые импульсы. Сначала на вход поступает импульс, соответствующий первому из записываемых разрядов. В конце тактового импульса он дает Q₃=1 на выходе левого триггера. В конце следующего тактового импульса информационный импульс продвигается на выход следующего триггера и т. д. Одновременно продвигаются вправо и другие цифры записываемого числа. После прихода че­тырех тактовых импульсов все число оказывается записанным в четырех триггерах, причем старший разряд числа записи в левом триггере, а младший - в правом. Чтобы записанная информация сохранилась, дальнейший сдвиг прекращается. Это осуществляется прекращением подачи тактовых импульсов.

Описанный регистр называется сдвиговым регистром с последовательным приемом информации. Выдача информации у него может быть как параллельной, так и последовательной. При параллельной выдаче информация снимается одновременно с выходов всех триггеров. Последовательная выдача осуществляется с выхода Q₀ при последующих тактовых импульсах. Параллельный прием информации может быть осуществлен подачей ее на выводы предустановки. Мы рассмотрели работу простейшего регистра, осуществляющего сдвиг в одну сторону. Существуют реверсивные сдвиговые регистры, переключаемые на сдвиг вправо и влево. Если 0 и 1 в регистре трактовать как двоичную запись числа, то сдвиг в одну сторону соответствует делению на 2, а в другую - умножению на 2.

Как известно, умножение двух десятичных чисел “столбиком” соответствует сложению частных произведений, сдвинутых поразрядно влево. Аналогично столбиком перемножаются и двоичные числа, но эта операция выполняется проще, так как частные произведения получаются умножением единиц и нулей умножаемого числа на единицы и нули множителя. Следовательно, умножение сводится к операции сложения сдвинутых поразрядно двоичных чисел. Аналогично осуществляется и деление двоичных чисел.