9.5. Висновки

В ході роботи було побудовано напівсуматора на двох входових логічних елементах «І-НІ». Були використані віртуальні прилади WG, LA В WG сформована задана послідовність тестових сигналів.

Після аналізу в програмі імітаційного моделювання «NI Multisim 12» бачимо, що при визначених вхідних сигналах схема напівсуматора потрібні значення, як і передбачає теорія.

Розділ 10

ПРАКТИЧНА ТА ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 8

Тема: Монофункціональні асинхронні і синхронні схеми пам’яті. RS-тригер. D-тригер. JK-тригер. Гонки (змагання) у автоматах

1. Теоретичні відомості

Монофункціональні схеми пам’яті

Основні поняття. У сучасний час в інтегральній схемотехніці застосовуються десятки різних схем тригерних пристроїв, які відрізняються своїми функціями, схемотехнічною реалізацією, способами запису інформації тощо. В основу класифікації потенціальних тригерів, які отримали в інтегральній схемотехніки найбільше розповсюдження, покладені два принципи: функціональний і спосіб запису інформації. При цьому за базову схему тригерів приймається схема RS-тригера. Розвиток базової схеми тригерів з’явився основою створення різних двійкових схем пам’яті.

Запам’ятовуючі двійкові елементи, що зараз використовують при канонічному методі синтезу, є елементарні автомати Мура з повною системою переходів і виходів.

Повнота системи переходів автомата визначає, що для кожної пари внутрішніх станів автомата, які зберігаються при одному e(Δ) вхідному сигналі, знайдеться вхідний сигнал х(t), який переведе автомат з одного стану в інший.

Повнота системи виходів автомата визначає, що у кожному стані автомат створює сигнал y_і, який відмінний від сигналів, які виникають в інших станах автомата.

Визначення 10.1. Монофункціональною елементарною схемою пам’яті назвемо елементарний автомат (ЕА), що володіє повною системою переходів і виходів при запам’ятовуванні усіх станів автомата тільки при одному e(Δ) вхідному сигналі.

В інтегральних схемах (ІС) зараз використовують монофункціональні елементарні автомати Мура (двійкові тригери), що володіють повною системою переходів і виходів з двома внутрішніми станами, які зберігаються при одному e(Δ) вхідному сигналі.

Базовим елементарним автоматом з двома входами і двома виходами є асинхронний RS-тригер, на основі якого проектуються тригери D-, T-, E-, D-V-, JK-типу тощо.

Застосовувані в комп’ютері пристрої по суті є тригерними схемами, які у загальному випадку містять власне тригер і комбінаційні елементи. За характером роботи тригери є асинхронні і синхронні.

У синхронних тригерах прийом інформації на вхідних вузлах і перемикання внутрішніх станів схеми здійснюється у момент дії синхроімпульсу. На тригер можуть подаватися синхроімпульси різних серій. Синхроімпульси забезпечують координацію роботи підчас дії окремих схем.

В асинхронних схемах обмін інформацією здійснюється повільно (без синхроімпульсів).

Особливістю RS-тригера є те, що запис інформації у ньому здійснюється безпосередньо з надходженням інформаційного (установчого) сигналу на його входи, кожний з яких однозначно визначає значення вихідних сигналів RS-тригера. Зберігання станів вихідних сигналів в тригерних схемах здійснюється при одному вхідному сигналі, що діє між установчими вхідними сигналами.

Синхронні двоступеневі тригерні схеми пам’яті

Розглянемо схему двоступеневого синхронного RS- тригера.

Рис. 10.1. Синхронний 2-х ступеневий RS-тригер

Двоступенева синхронна схема тригера використовується для вільного кодування автоматів Мілі та Мура. Перший ступінь здійснює перехід в новий стан під впливом синхроімпульса та сталих вхідних сигналів, що створюють установчий сигнал x(t). Другий ступень при цьому не змінює свого стану тому, що відсутній синхроімпульсу на вході тригера. Після закінчення синхроімпульсу та установчого сигналу x(t)на першу ступінь, відкривається канал прийому вихідного значення першого ступеня тригера у другий ступінь.

D-тригери затримують вхідний сигнал D на один машинний такт Т (рис. 10.2 – 10.4).

Рис. 10.2. D-тригер Рис. 10.3. Умовне зображення

D-тригера

Рис. 10.4. Двоступенева синхронна схема D-тригера

Структурна схема і умовно графічне зображення двотактного JK-тригер, що синхронізується сигналом С, подано на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Двоступенева синхронна схема JK-тригера

Синхроімпульси С забезпечують прийом сигналів J і K, що установлюють новий стан у RS-тригері Т₁, і забороняють, разом з тим, передавання інформації з виходів RS-тригера Т₁ на RS-тригер Т₂. Тому при С=1 стан RS-тригер Т2 не змінюється. RS-тригер Т₁ встановлюється у одиницю Q₁=1 при появі на вхідних вузлах C=J=1 (CJ=1; Q₁=1) або у нуль Q₁=0 – при C=К=1(CК=1; Q₁=0).

При C=0 стан у RS-тригері Т₁ не змінюється, а RS-тригер Т₂ приймає стан RS-тригер Т₁, коли RS-тригер Т₂ не був у тому самому стані до цього.

При С = 0 завжди повинно бути Q₁=Q₂, тому на комбінації кодових станів 01 і 10 переходи заборонені. JK-тригер – це автомат Мура (2-го роду).

У ланцюжках автомата можна спостерігати таке явище як гонки (змагання). Тригери автомата переключаються установчими сигналами, які залежать від значень вхідних сигналів і станів тригерів. Установчі сигнали формуються комбінаційними схемами різної довжини, затримка сигналів у яких не однакова. Самі тригери мають різний час перемикання через випадкові відхилення їх характеристик від номінальних. Коли при переході автомата із одного стану у інший повинні перемикатися декілька тригерів, між ними можна очікувати гонки. Тригер, який виграє гонки перемикається раніше інших і це може змінити сигнали на входах деяких інших тригерів раніше, ніж вони змінять свої стани. У результаті гонок тригери можуть перейти у стан, який не передбачений законом функціонування автомата.

Для коректної роботи автомата повинно виконуватися правило: вводити і знімати інформацію з тригерів можна тільки тоді, коли вони знаходяться у сталих станах, а не перемикаються.

Стійкість станів автомата можна забезпечити як схемними методами так і вибором способу кодування станів автомата.

При сусідньому кодуванні наступні стани автомата розрізняються тільки станом одного тригера. Гонки при цьому відсутні, тому що при будь-яких переходах перемикається тільки один тригер. Сусіднє кодування неможливо, коли граф автомата має цикли з непарним числом станів. Для використання сусіднього кодування при цьому можна вводити порожні стани, для яких вихідний сигнал відсутній. Апаратне забезпечення і час виконання операцій при цьому збільшується. Аналогічний недолік мають й інші способи проти гоночного кодування. Сусіднє кодування, крім того, забезпечує мінімальну частоту перемикання тригера, що відіграє суттєву роль з точки зору збільшення надійності електронних і релейно-контактних схем і зниження потужності, що використовується, для схем на приладах з різною провідністю (особливо на МОП- транзисторах ).

Для полегшення сусіднього кодування станів автомата можна використовувати діаграми Вейча або карти Карно, де сусідні клітинки відрізняються значеннями тільки однієї змінної.

Основні етапи синтезу автоматів

Синтез складних автоматів має кілька етапів.

1. Етап блочного синтезу.

2. Етап абстрактного синтезу.

3. Етап структурного синтезу.

4. Кінцевий етап надійного синтезу.

В наш час при синтезі автоматів використовують канонічний метод синтезу, що використовує елементарні автомати двох класів: елементарні автомати без пам’яті (автомати з одним внутрішнім станом) – комбінаційні схеми або логічні елементи, і елементарні автомати з пам’яттю – запам’ятовуючі елементи.