2.8. Счетчики

В предыдущем разделе рассказывалось о применении триггеров для создания сдвиговых регистров. Кроме того, триггеры используются в схемах счетчиков. Пожалуй, не нужно объяснять, для чего в цифровых компьютерах нужны счетчи­ки. Но здесь речь идет не только об аппаратном механизме для выполнения обыч­ных счетных функций — с их помощью можно также генерировать управляющие и тактирующие сигналы. Счетчик, управляемый высокочастотным тактовым сиг­налом, может использоваться для выдачи более редких сигналов кратной часто­ты. Такие счетчики называются делителями частоты.

Простейший трехступенчатый (или 3-разрядный) счетчик конструируется на основе Т-триггера (рис. 2.34). Напомним, что когда на вход Т подается значе­ние 1, триггер действует как переключатель, то есть его состояние изменяется при подаче каждого тактового импульса. Два последовательных тактовых импульса приводят к изменению выхода Q₀ — из состояния 1 в состояние 0 и опять в со­стояние 1 или же из состояния 0 в состояние 1 и опять в 0. Таким образом, частота изменения выходного сигнала Q₀ будет вдвое меньшей, чем частота входного так­тового сигнала. А в связи с тем, что второй триггер тактируется сигналом Q₀, час­тота изменения его выходного сигнала Q₁ будет вдвое меньшей, чем частота Q₀, и вчетверо меньшей, чем частота исходного тактового сигнала. В данном примере предполагается тактирование всех трех триггеров положительным фронтом.

Рис. 2.34. 3-разрядный счетчик прямого счета: схема (а); временная диаграмма (б)

Такой счетчик называют счетчиком со сквозным переносом или волнообразным счетчиком (ripple counter), поскольку входной тактовый сигнал волнообразно распространяется по его схеме. Например, положительный фронт импульса 4 ме­няет сигнал 1 на выходе Q₀ на 0. Это изменение на выходе Q₀, в свою очередь, вы­зывает изменение сигнала на выходе Q₁ — из 1 в 0, что опять-таки, изменяет сиг­нал Q₂ — из 0 в 1. Если в каждом триггере происходит некоторая задержка ∆, то задержка перед установкой сигнала на выходе Q₂ составляет уже З∆. Если от счетчика требуется очень высокая скорость работы, подобная задержка может вызывать проблему. Однако время задержки по сравнению с тактовой частотой, как правило, очень мало, поэтому им можно пренебречь.

Добавив еще несколько логических вентилей, можно сконструировать син­хронный счетчик, в котором все ступени будут управляться общим тактовым сиг­налом, так что состояния всех триггеров будут изменяться одновременно. Такие счетчики способны функционировать с очень высокой скоростью, поскольку об­щее время задержки на распространение сигнала в них существенно сокращено. В противоположность им счетчики такой конструкции, как на рис. 2.34, называ­ются асинхронными.

2. 9. Дешифраторы

Значительная часть информации хранится и обрабатывается в компьютерах в за­кодированном виде. Например, если речь идет о машинной команде, то для ее хранения может использоваться n-битовое поле, вмещающее один из 2ⁿ различ­ных кодов операций. Но прежде чем выполнить требуемую операцию, закодиро­ванная команда должна быть декодирована. Схема, которая способна принять входное значение, состоящее из n разрядов, и сгенерировать соответствующий выходной сигнал на одной из 2ⁿ выходных линий, называется дешифратором (или декодером). Простейший пример дешифратора с двумя входами и четырьмя выходами показан на рис. 2.35. Одна из четырех выходных линий выбирается на основании значений на входах x₁ и х₂. На выбранный выход подается логическое значение 1, а на оставшиеся выходы — логическое значение 0.

Рис. 2.35. Дешифратор с двумя входами и четырьмя выходами

Существуют и другие полезные типы дешифраторов. Так, при использовании двоично-десятичных данных обычно требуются декодирующие схемы, в которых четыре входные переменные, представляющие двоично-кодированное десятич­ное число, используются для выбора одного из 10 возможных выходов.