Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
4К.2С.ЗФО-ИСТ / Схемотехника ЭВМ / Схемотехника ЭВМ ч.3.doc
Скачиваний:
229
Добавлен:
10.04.2015
Размер:
24.89 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное агентство по образованию

ПСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

С.Н. Лехин

СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ

Учебное пособие

Часть 3

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом

Псковского государственного политехнического института

Псков

ППИ

2005

УДК 681.3.06

ББК 32.973.26

Рецензенты: доцент, к.т.н, О.И. Григорьев, С.Н. Ильин

Лехин С.Н.

Схемотехника ЭВМ: Учебное пособие. Часть 3.

ППИ, 2005 – 172 с.:ил.

Учебное пособие (часть 3) по дисциплине «Схемотехника ЭВМ» (СД. 03) предназначено для студентов Псковского государственного политехнического института специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» очной, очно-заочной и сокращенной форм обучения.

В пособии рассмотрены принципы построения и работы последовательностных цифровых устройств: триггеров, регистров, счетчиков и узлов на их основе, а также полупроводниковые запоминающие устройства.

Учебное пособие может использоваться учащимися и студентами других специальностей и специализаций, интересующихся вопросами схемотехники узлов цифровых вычислительных машин.

УДК 681.3.06

ББК 32.973.26

© Псковский государственный политехнический институт

© Лехин С.Н.

1. Последовательностные устройства

1.1 Триггера.

Простейшим представителем последовательностных устройств является триггер, обобщенная структура которого имеет вид, а функция, описывающая состояние выхода вi-тый момент времени выглядит следующим образом.. Здесь- входное воздействие, представляющее собой набор сигналов. Таким образом, выходное состояние триггера зависит как от входного воздействия, так и от его предшествующего состояния. Как следует из структуры, в состав триггера входит комбинационное устройство и узел памяти, кроме того присутствует цепь обратной связи.

Приведенная выше функция называется функцией возбуждения и обычно записывается в форме , которая представляет состояние триггера после воздействия. Часто состояниеобозначается.

При поступлении управляющих сигналов триггер может переходить в одно из двух возможных состояний, а вследствие наличия узла памяти сохранять любое из них до следующего воздействия.

Простейший триггер представляет собой систему с двумя входами управления, обозначаемымиR(от словаReset) иS(Set), выходомQи, как функциональный элемент, обозначается на схемах следующим образом. Работу такогоRSтриггера можно описать, определив его реакцию на входные воздействия. Под воздействием понимается любая комбинация сигналов наRиSвходах, то есть 0 0, 0 1, 1 0 и 1 1.

Пусть при триггер сохраняет свое предыдущее состояние, то есть, еслипереходит в единичное, а когда- в нулевое. Последнее означает, что,, независимо от того в каком состоянии до воздействия триггер находился. Данный алгоритм характерен для большинства разновидностей триггеров, которые отличаются друг от друга лишь по реакции на комбинацию сигналов. Возможны следующие варианты:,,,и наконец эту комбинацию можно считать запрещенной, то есть не подавать ее на входы управления. Формально при ее наличии состояние триггера будет неопределенным, так как не подавая данную комбинацию нельзя ничего сказать и о выходном состоянии.

Первый вариант триггера называется триггером, второй -, третий -, четвертый, а последний -триггером, который является простейшим в этом классе. Функции возбуждения этих триггеров должны описываться соотношениями вида. То, что состояние таких устройств зависит от комбинации входных сигналови, следует из заданного алгоритма работы. Однако, так как сохранение комбинации сигналов к следующему моменту времени формально может считаться новым воздействием, то при переходеостанется равным, следовательно в общем случае можно записать, что. Таким образом предложенный алгоритм описывает работу некоторого последовательностного устройства.

Упрощенная таблица функционирования вариантов триггеров выглядит следующим образом. Для их синтеза в состав переменных необходимо ввести значения. Тогда длятриггера она примет такой вид.

Воспользовавшись картой Карно, получим. Отсюда следует, что в состав такого триггера должны входить элементы И и ИЛИ, соединенные следующим образом. Здесь управляющие воздействияипоступают извне, а сигналсоответствует выходному в предшествующий момент времени, поэтому он должен сниматься с выхода триггера и подаваться на вход в виде сигнала обратной связи.

Если проинвертировать сигнал , то схема триггера примет вид. Так как здесь используется два логических элемента, то у такого устройства будет и два выходаи, сигналы на которых совпадают. Анализ реакции данной схемы на воздействие комбинаций входных сигналов показывает, что они соответствуют реакциямтриггера.

При поступлении сигналов управленияэлемент 2ИЛИ перейдет в единичное состояние, а так как на выходе инвертора присутствует логическая единица, то таким же будет и сигнал на выходе, который формируется элементом 2И. Смена входных сигналов на нулевые значения не вызовет изменения состояния схемы, так как сигнал логической единицы, присутствующий на выходебудет поддерживать единичное состояние элемента 2ИЛИ независимо от значения. Появление комбинациивызовет принудительную установку схемы 2И в нулевое состояние, что приведет к переходу в такое же состояние и элемента 2ИЛИ.

При разработке и проектировании цифровых устройств их удобнее реализовывать на однотипных элементах. Преобразовав функцию возбуждения,триггер можно представить в виде следующей структуры. Здесь для получения сигналав схему потребуется добавить инвертор. Так как операция логического ИЛИ и последующая инверсия могут быть выполнены на элементе ИЛИ-НЕ, то схему триггера можно трансформировать таким образом, что для ее реализации потребуется два однотипных элемента и инвертор, требуемый для получения выходного сигнала.

Однако так как сигналыисовпадают, то инвертор в схеме становится излишним, и для реализациитриггера потребуется лишь два элемента 2ИЛИ-НЕ. При этом в дополнение к прямому у такого триггера имеется выход.

Если все же подать на его входы запрещенную комбинацию , то на обоих выходах сформируются сигналы логических нулей. При этом формально нарушится логика работы схемы, так как прямой и инверсный выходные сигналы примут одинаковые значения. Реально это происходит потому, что сигнал на выходеописывается функциейи ее значения совпадают сна всех наборах сигналов, кроме единичных. Это подтверждает необходимость считать данную комбинацию запрещенной.

Имеется еще одна причина, по которой данную комбинацию подавать на входы управления такого триггера не рекомендуется. Пусть притриггер находился в единичном состоянии (), тогда при поступлении логических единиц на входыина выходахисигналы станут нулевыми, а после перехода управляющих воздействий в исходное состояние в схеме возникнет процесс периодической смены выходных сигналов.

Это связано с тем, что после смены единичной комбинации входных сигналов нулями, на оба входа элементов ИЛИ-НЕ поступят сигналы низкого уровня, что вызовет их переход в единичное состояние. Сигналы логических единиц, поступив по цепям обратной связи на входы логических элементов, приведут к формированию на их выходах логических нулей и т.д.

Однако, вследствие того, что реальные логические элементы реагируют на изменения входных сигналов с задержками и, кроме того даже у однотипных устройств они всегда отличаются, то единичный сигнал на одном из выходов установится раньше, чем на другом и заблокирует его работу. То есть после снятия запрещенной комбинации, схема перейдет в одно из устойчивых состояний, зависящих от соотношения задержек логических элементов. Но так как оно заранее неизвестно и они могут меняться при изменении температуры, то заранее предсказать в какое состояние перейдет триггер невозможно. Поэтому считают, что в данной ситуации его состояние будет неопределенным, что подтверждает необходимость запрета комбинации .

Работу триггера можно описать различными способами: путем анализа функции возбуждения, временных диаграмм и графа переходов. Функция возбуждения дает возможность аналитически определить реакцию триггера на входные воздействия с учетом его предыдущего состояния. Временные диаграммы отражают состояния выходов при изменяющихся во времени входных сигналах и для триггера выглядят следующим образом.

Представив уровни сигналов значениями логического нуля и единицы, данную диаграмму можно отобразить в виде некоторой таблицы, аналогичной таблице переключениятриггера.

Граф переходов представляет собой условное изображение процедуры смены состояний системы при определенных наборах воздействий. Ее устойчивые состояния отображаются в замкнутых контурах, а дуги со стрелками показывают направление их смены при соответствующих комбинациях входных сигналов. Граф переходов длятриггера выглядит следующим образом. Замыкание дуги на исходное состояние говорит о том, что при данном воздействии оно сохраняется. Комбинация сигналовздесь не рассматривается, так как является запрещенной.

Временные диаграммы процесса переключения триггера с учетом задержек элементов выглядят следующим образом. Поступление единичного сигнала навход при нулевом состоянии триггера, вызовет формирование через время задержкилогического нуля на выходе нижнего элемента 2ИЛИ-НЕ (). Этот сигнал поступит на соответствующий вход верхнего элемента и еще черезон перейдет в единичное состояние.

Активное (единичное) значение сигналаподается на вход верхнего плеча триггера и черезпосле прихода логической единицы на выходесформируется нулевой уровень. Он поступит на верхний вход нижнего плеча триггера и, так как значение сигналаравно нулю, вызовет с задержкойпереход соответствующего элемента ИЛИ-НЕ в единичное состояние.

Из временных диаграмм следует, что триггер переключится в новое устойчивое состояние не ранее чем через после подачи определенной комбинации сигналов. При этом длительности импульсов на прямом и инверсном выходах триггера будут отличаться друг от друга также на. Очевидно, что длительность единичных сигналов на входахине может быть меньше, а интервал между ними -. В противном случае элементы триггера могут не успеть переключиться в новое состояние, и его работа будет ненадежной. Отсюда следует, что максимальная частота смены входных воздействий (частота переключения триггера) определяется из соотношением.

Преобразовав функцию возбуждения,триггер можно реализовать на элементах 2И-НЕ. При этом. Активными уровнями управляющих напряжений здесь будут сигналы логических нулей, а запрещенной для такого триггера является комбинация. Факт управления сигналом логического нуля, а также наличие инверсных выходов обозначается введением соответствующего значка (окружности) у символов входов и выходов.

Синтез триггеров, у которых отсутствуют запрещенные комбинации управляющих сигналов в принципе не отличается от рассмотренной процедуры для триггера типа. Таблица переключения, карта Карно и функция возбуждениятриггера, сохраняющего исходное состояние при комбинациивыглядят следующим образом.

Для реализации такого устройства на элементах, выполняющих операцию логического сложения, данное выражение можно преобразовать к виду и схема Е триггера будет иметь вид.

Всостав такого устройства входиттриггер и дополнительный узел, трансформирующий входные управляющие сигналыив,. Его работу можно описать таблицей. Все комбинации, кроме запрещенной преобразуются в аналогичные, апереходит впри которой состояниетриггера сохраняется. Это позволяет без всяких ограничений использовать в качестве прямого выхода триггера выход. Граф переходов Е триггера имеет следующий вид.

Трансформировать исходныйтриггер в любой из рассмотренных вариантов можно используя соответствующий преобразователь сигналов управления, который превращает запрещенную комбинацию в требуемую.

Особое место среди рассмотренных ранее вариантов занимает триггер, который при единичных значениях управляющих сигналов меняет свое состояние на противоположное. Вход выполняет функции, а-входа на комбинациях, разрешенных длятриггера. Упрощенная и полная таблицы его функционирования выглядят следующим образом, а полученная после минимизации функция возбуждения имеет вид.При этом структура такого устройства получается достаточно простой.

Однако на практике оно оказывается неработоспособным, так как привырождается в схему, представляющую собой инвертор, в цепь обратной связи которого включены элемент И, и повторитель, выполняющие роль неинвертирующего узла задержки. В такой схеме возникает генерация, то есть самопроизвольная смена состояний. Нулевой сигнал на выходе устройства вызовет появление логической единицы на входе элемента 2И, формирование единичного сигнала на его выходе, поступление с некоторой задержкой логической единицы на вход, появление нуля на выходе и т.д.

Это связано с тем, что задача была поставлена некорректно. Из таблиц следует, что при единичных сигналах управления должен реализоваться переход . Однако, когда он произойдет, то станет исходным состоянием, которое должно будет перейти в противоположное, то есть ви т. д. Правильная постановка задачи состоит в следующем – при поступлении комбинациитриггер переходит в противоположное состояние и сохраняет его до очередного аналогичного воздействия. Однако перед этим сигналы должны возвратиться к нулевым значениям.

Для реализации этого потребуется при запоминать текущее состояние триггера, чтобы при переходе управляющих сигналов к единичным значениям использовать эти данные для перевода схемы в противоположное. Это можно осуществить с помощью вспомогательноготриггера и соответствующего преобразователя сигналов управления. Один из вариантов такоготриггера имеет следующую структуру.

Здесь при нулевых сигналах на входах управленияиработа первого триггера заблокирована, так как на выходах элементов 2И формируются сигналы логических нулей. Наивходы второго триггера при этом поступают противофазные сигналы с выходов первого и поддерживают его текущее состояние.

С приходом единичных значений и, хотя бы на один из входов элементов 3И поступит логических ноль, при этом сформируются нулевые сигналы на входах второго триггера, что переведет его в режим хранения. Выходныеисигналы через схемы 2И поступят в качестве управляющих на входы первого триггера и переведут его в состояние противоположное, зафиксированному выходным триггером. При поступлении на входыинулей первый триггер перейдет в режим хранения, а второй под воздействием выходных сигналов первого изменит свое состояние.

триггер данной структуры переключается при переходе единичных значений сигналов управления к нулевым. Аналогичным образом он реагирует на воздействия и. Его временные диаграммы работы имеют вид. Если выходные сигналы снимать с первого триггера, то смена состояний будет происходить при поступлении соответствующих входных воздействий.

Структура такого триггера называется двухступенчатой или MS(от словmaster–slave, хозяин – раб). На принципиальных схемах он обозначается следующим образом.

Если входыирассмотренного выше триггера объединить, то получится счетный, или Т триггер, имеющий один вход и меняющий свое состояние каждый раз с приходом спада управляющего сигнала. Его функция возбуждения может быть получена из соответствующей функциитриггера и имеет вид. Такой триггер отображается на принципиальных схемах следующим образом и является основой для построения счетчиковых структур. Так как его состояние меняется на противоположное после каждого воздействия, то формально функция возбуждения Т триггера может быть записана в виде.

Все вышерассмотренные триггера относятся к классу асинхронных. Их особенность состоит в том, что они реагируют на изменения управляющих сигналов непосредственно в момент их поступления. В ряде ситуаций, особенно при построении сложных цифровых устройств, различие в моментах прихода таких сигналов на разные триггера приведет к неодновременности их переключения, что может вызвать нарушение работы связанных с ними устройств, в частности вследствие возникновения состязаний.

Эта проблема может быть решена при использовании синхронных или синхронизируемых триггеров, которые реагируют на входные воздействия лишь после прихода специального управляющего сигнала, синхронизации. Соответствующий вход триггера обозначается буквойС. Синхронный триггер можно представить как совокупность асинхронного и некоторого устройства синхронизации, подключаемого к его входам.

Таблица, описывающая работу одного из вариантов триггера (синхронизируемого по положительному значению сигналаС) выглядит следующим образом. При любых уровнях внешних сигналовитриггер сохраняет свое состояние, для чего управляющие сигналыдолжны быть нулевыми. КогдаСстановится равным единице, внешние воздействия поступают на входытриггера и определяют его состояние.

Так как сигналы управления меняются независимо друг от друга, то устройство синхронизации должно содержать два идентичных узла, работу каждого из которых можно описать с помощью такой таблицы. Они могут быть выполнены на элементах 2И, и схема синхронизируемоготриггера будет иметь вид.

Аналогичным образом можно подойти к синтезу синхронных триггеров других типов. На принципиальных схемахтриггер, синхронизируемый положительным потенциалом, отображается следующим образом.

Синхронизация может осуществляться отрицательным потенциалом, для чего необходимо проинвертировать сигналС.В обозначении триггера это отражается введением окружности у символа входа синхронизации.

Только в классе синхронных триггеров имеется разновидность, которая называетсяDтриггер (от словаdelay– задержка). Он имеет информационный входDи вход синхронизации С. Таблица его функционирования и временные диаграммы работы выглядят следующим образом, а функция возбуждения приимеет вид, что означает тождественность состояния выхода значению входного сигнала.

Вклассе асинхронных устройств это эквивалентно работе повторителя, который не относится к последовательностным узлам. Для синхронногоDтриггера данная запись говорит о том, что установление состояния выхода произойдет лишь после прихода сигнала синхронизацииС, то есть с некоторой задержкой.

Если сравнить функционирование синхронныхиDтриггеров, то можно сделать вывод, что при подаче на входпрямого, а наинверсного значения сигналаD,триггер трансформируется вD вариант.

Часто такой триггер называют триггером-защелкой. Аналогичную процедуру трансформации асинхронного триггера в синхронный можно провести и с другими их вариантами.

Вклассе синхронных триггеров имеется еще одна разновидность – синхронизируемые фронтом.

Их отличие от синхронизируемых потенциалом состоит в том, что реакция на внешние сигналы управления возникает лишь при поступлении фронта сигнала синхронизации. На принципиальных схемах такие триггера обозначаются обычным образом, но у символа входа синхронизации вводится значок в виде наклонной черты.

Вариант триггера, синхронизируемого положительным фронтом, может быть создан на основе системы из двух триггеров, синхронизируемых потенциалом, и имеет следующий вид. ПриС=0 и комбинации управляющих сигналовпервый триггер переходит в нулевое состояние. Работа второго триггера при этом заблокирована присутствием логического нуля на входе синхронизации. С появлением положительного фронта сигналаС блокируется работа первого триггера (на его входе синхронизации появляется нулевой уровень), а второй переходит в состояние, определяемое комбинацией выходных сигналов первого. При поступлении отрицательного фронта синхронизирующего сигнала, система возвращается в исходное состояние. Для построения триггера, синхронизируемого отрицательным фронтом инвертор необходимо перенести в цепь синхронизации второго триггера.

Рассмотренный триггер имеет двухступенчатую структуру и относится к классу триггеров типа . На принципиальных схемах он обозначается следующим образом. Временные диаграммы работы трех вариантовтриггера имеют вид. Существуют и другие структурыитриггеров, синхронизируемых фронтом, одна из которых приведена на рисунке.

Кроме простейших вариантов, промышленностью выпускаются так называемые универсальные или комбинированные триггеры, представляющие собой устройства, способные выполнять функции нескольких типов триггеров. Примером является комбинированныйDтриггер, имеющий такую внутреннюю структуру и обозначаемый на схемах следующим образом.

Он выпускается в составе серий ТТЛ и ТТЛШ микросхем, в частности микросхема К1533ТМ2 содержит в одном корпусе два таких устройства.

Комбинация сигналовявляется для него запрещенной, прион функционирует какDтриггер, синхронизируемый положительным фронтом, а в остальных случаях, как асинхронныйтриггер. Таблица, описывающая его работу имеет вид. Звездочками здесь обозначены произвольные состояния сигналов управления, а символом Н – неопределенные.

Еще один вариант комбинированного триггера – микросхема К155ТВ1. Он может функционировать как синхронизируемый отрицательным фронтомтриггер, либо асинхронный. У такого триггера к соответствующим входам подключены логические элементы 3И.

Для ряда триггеров вид реализуемой ими функции можно менять схемотехнически, вводя соответствующие связи между входами и выходами.

К примеру синхронизируемый триггер, можно превратить в счетный, подав на входыисигналы логических единиц. Преобразовав для данной ситуации функцию возбуждения, получим, то есть состояние такого устройства будет меняться каждый раз с приходом синхронизирующего сигнала.

Аналогичным образом можно трансформировать в счетный,триггер, синхронизируемый фронтом. Так как, а, то для реализации функциипотребуется соединить инверсный выходD триггера с его информационным входом.

Область применения триггеров не ограничивается запоминанием результата воздействий управляющих сигналов. Их, в частности, можно использовать в схемах делителей частоты следования цифровых сигналов. Если группу из счетных триггеров соединить, как показано на рисунке, то период следования прямоугольных импульсов на выходе первого триггера окажется в два раза больше, чем период тактирующего, у сигнала с выходав два раза больше, чем у снимаемого си т.п.

При этомна выходах всех триггеров будут формироваться симметричные последовательности импульсов (меандры), независимо от скважности входных сигналов. Если в такую цепочку объединитьтриггеров, то период выходного сигнала у последнего из них будет равен, а частота -.

Триггера могут применяться в устройствах для формирования цифровых сигналов от различных датчиков. На практике достаточно часто возникает необходимость управления логическими элементами от механических переключателей - кнопок, тумблеров и т. п. В приведенной схеме сигнал логической единицы на выходе инвертора формируется при замыкании подвижного контакта переключателя с корпусом, а логический ноль появится, когда подвижный контакт окажется соединенным с положительным полюсом источника питания.

Однако вследствие упругости материалов механических контактов, при их переключении возникает дребезг, проявляющийся в том, что после замыкания подвижного контакта с неподвижным он на короткое время отходит от него и зависает в нейтральном положении. Затем возвращается к неподвижному, после чего может опять отойти и т. д. Этот процесс является затухающим и через определенное время подвижный контакт окажется постоянно соединенным с неподвижным.

Количество колебаний подвижного контакта определяется множеством факторов (силой нажатия, упругостью материалов контактов и т. п.) и является случайной величиной. Интервал, в течение которого проявляется дребезг, может достигать десятков миллисекунд.

Если такой сигнал подать на ТТЛ инвертор, то в моменты зависания подвижного контакта вход вентиля окажется ни к чему не подключенным, что будет восприниматься, как присутствие сигнала логической единицы и на его выходе появится низкий уровень напряжения.

В этом случае, вместо появления четкого перепада 0 →1, сформируется пачка импульсов, количество которых является случайным. При возврате переключателя в исходное состояние его дребезг не повлияет на работу вентиля, так как на входе формально будет поддерживаться сигнал логической единицы.

Использование КМОП вентилей может привести к возникновению пачек импульсов при изменении состояния подвижного контакта переключателя в одну и в другую сторону Это связано с тем, что неподключенные входы очень чувствительны к разного рода наводкам.

Данный эффект устраняется различными способами, один из них заключается в запоминании ситуации после первого касания подвижным контактом соответствующего неподвижного и сохранении ее до момента перехода переключателя в исходное состояние. Для этой цели возможно использованиетриггера, включенного следующим образом.

Когда переключатель находится в исходном состоянии, на вход поступает сигнал логической единицы, а входоказывается подключенным к общей шине через соответствующий резистор и на нем присутствует сигнал логического нуля. В этом случае на выходе триггера формируется нулевой уровень напряжения.

При изменении положения подвижного контакта комбинация сигналов на входах триггера меняется на противоположную, что вызывает его переход в единичное состояние. В процессе дребезга, когда подвижный контакт зависает, на оба входа триггера через резисторы поступают сигналы логических нулей и его состояние сохраняется. При повторном замыкании, комбинация управляющих сигналов будет соответствовать состоянию триггера после переключения.

В момент перехода переключателя в исходное состояние, комбинация управляющих сигналов меняется на противоположную и на выходе триггера формируется низкий уровень напряжения. Он будет поддерживаться в течение всего времени дребезга.

триггер может быть использован в качестве формирователя импульсов, схема которого выглядит следующим образом, а временные диаграммы работы имеют вид. В отсутствие входного сигнала на вход поступает напряжение логического нуля и если триггер находится в нулевом состоянии, то оно будет устойчивым.

Сприходом короткого положительного импульса, триггер переключается и под действием выходного напряжения логической единицы начинается процесс заряда конденсатора через резистор. Когда сигнал навходе достигнет порога переключения, то есть уровня, воспринимаемого как логическая единица, триггер перейдет в нулевое состояние, конденсатор станет разряжаться и схема вернется в исходное положение.

Длительность формируемого таким устройством импульса определяется соотношением .