1
Классификация цифровых структур.
Информативным параметром сигналов в
цифровых устройствах являются интервалы времени, в пределах которых логическое состояние сигнала удерживается на уровне 1 или 0.
Информативным параметром сигналов в аналоговых устройствах является амплитуда сигнала в каждый момент времени.
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
2
Базовые логические элементы
Физика компьютеров 2011
Л.А.Золоторевич
3
Базовые
логические
элементы
Физика компьютеров 2011
Л.А.Золоторевич
4
Альтернативные
обозначения
элементов
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
|
|
|
|
Классификация цифровых структур. |
5 |
||
|
|||
Устройства комбинационного типа- это такие |
|
||
|
|
|
|
устройства, состояния выходов которых |
|
|
|
определяется состоянием входных сигналов в |
|
||
данный момент времени.
Комбинационная схема реализует систему из m булевых
функций, |
2,… |
входные |
переменные, |
,y2, |
. |
В вычислительной технике из всего множества комбинационных схем широко используются несколько типов, имеющих свои собственные названия: шифратор, дешифратор, мультиплексор, демультиплексор, комбинационный сумматор и т.д.
Вкомбинационной схеме значения функций зависят от одних
итех же переменных и комбинация значений переменных на выходах однозначно определена
комбинациейФизиказначенийкомпьютеровпеременных2011 на входах. При
реализации функций,Л.А.Золоторевичзависящих от одних и тех же
6
Устройства комбинационного типа
ПРИМЕРЫ:
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
7
Устройства последовательностного типа
Устройства последовательностного типа (иначе- устройства с обратными связями, или устройства с памятью)- это такие устройства, состояния выходов которых определяется не только состоянием входных сигналов в данный момент времени, но и от внутреннего состояния устройства, предистории входных состояний
ПРИМ |
|
|
Q |
|
|
1 |
|
||
|
1 |
|
||
R |
1 |
N |
||
1 |
||||
|
|
Q |
||
|
|
|
||
S |
|
|
|
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
|
|
|
|
|
|
8 |
Практическая реализация конечного |
||||||
автомата: |
|
|
|
|
||
Не устойчиваяx1 |
реализацияz1 |
|
|
|||
|
Тривиальный |
|
|
|
||
асинхроннойxk |
модели)zL |
|
|
|||
|
автомат – |
|
|
|
||
|
комбинационная |
|
|
|
||
y1 |
|
схема |
|
Y1 |
|
|
yM |
|
|
|
YM |
|
|
|
|
Рис |
|
|
|
|
x1 |
|
|
|
: |
z1 |
Для |
Устойчивая |
Т ривиальны й |
zL |
||||
xk |
|
автомат – |
|
|
||
обеспечения |
|
|
|
|
||
|
ком бинационная |
|
|
|||
y1 |
|
схем а |
|
Y 1 |
|
|
yM |
|
|
|
Y M |
|
|
|
|
|
|
устойчивости |
|
|
устройства |
|
|
|
|
||
|
|
Физика компьютеров 2011 |
|
|||
применяют синхронную модель. |
|
|||||
|
|
|
|
Л.А.Золоторевич |
|
|
9
Классификация элементов ЭВМ:
По своему назначению элементы делятся на:
–Логические
–Запоминающие
–Формирующие
К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители- формирователи и т.п.
Логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с логическими функциями.
Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (1 или 0).
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
10
Функциональные блоки компьютера. 1)Элементы памяти
По особенностям логического функционирования бывают
Триггеры с раздельной установкой состояний 0, 1.
Это RS – триггеры.
Триггеры задержки (защелки) с одним входом - D-
триггер.
Триггер с одним счетным входом - Т- триггер.Универсальные триггеры с раздельной установкой
состояний.
JK- триггер.
Комбинированные, в которых совмещаются
несколько типов.
Зачастую триггером называют последовательностную схему, в которой выходные сигналы изменяются только в моменты времени, задаваемые тактовым
сигналом. Физика компьютеров 2011
Последовательностную схему, выходы которой
Л.А.Золоторевич
11
Асинхронный RS-триггер (RS-защелка) на
логических элементах ИЛИ-НЕ
Асинхронный RS-триггер на логических элементах ИЛИ-НЕ (с прямыми входами) имеет следующее условное графическое обозначение, функционально логическую схему и функционирует согласно таблице состояний:
Разобраться, какая
таблица более точно отражает функционирование защелки!!!
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
12
Асинхронный RS-триггер (RS-защелка) на
логических элементах ИЛИ-НЕ (прдлж).
Перевод триггера в единичное состояние
путем воздействия на входы называется установкой – Set. Соответствующий вход
обозначают буквой S.
Перевод триггера в нулевое состояние
называется сбросом или гашением – Reset. Соответствующий вход обозначают буквой R.
Выход триггера Q называют прямым
выходом (условно). Состояние триггера связывают с состоянием данного выхода. Выход NQ называют инверсным выходом триггера.
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
13
Асинхронный RS-триггер (RS-защелка) на
логических элементах И-НЕ:
Асинхронный RS-триггер на логических элементах И-НЕ (с инверсными входами) имеет следующее условное графическое обозначение, функционально логическую схему и функционирует согласно таблице состояний:
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
14
Асинхронный D-триггер на логических
элементах И-НЕ
Асинхронный D-триггер (от англ. Delay-задержка) на логических элементах И-НЕ имеет один информационный вход (D-вход) и предназначен для задержки сигнала, поданного .
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
15
Синхронный RS-триггер (защелка) на
элементах И-НЕ
С(t) |
S(t) |
R(t) |
Q(t-1) |
NQ(t-1) |
Q(t) |
NQ(t) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
1 |
1 |
0 |
* |
* |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
* |
* |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
* |
* |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
X |
X |
0 |
* |
* |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
* |
* |
1 |
1 |
X |
X |
0 |
* |
* |
0 |
1 |
0 |
1 |
Таблица
функциониров ания триггера, учитывающая возможность появления критических состязаний входных сигналов.
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
16
Синхронный RS-триггер (защелка) на
элементах И-НЕ
Таблица
функциониро
вания триггера, не учитывающа
я
возможность
появления
критических
состязаний
входных
сигналов.
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
17
Синхронный RS-триггер (защелка) на |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
элементах И-НЕ |
|
|
Q(t) |
NQ(t) |
|
|||
С(t) |
S(t) |
R(t) |
Q(t-1) |
NQ(t-1) |
|
|
Таблица |
|
|
|
|
|
|
функциониров |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
* |
|
* |
1 |
0 |
ания триггера, |
1 |
0 |
1 |
* |
|
* |
0 |
1 |
учитывающая |
1 |
1 |
1 |
* |
|
* |
1 |
1 |
возможность |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
появления |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
критических |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
1 |
X |
X |
состязаний |
0 |
* |
* |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
входных |
0 |
* |
* |
1 |
|
1 |
X |
X |
сигналов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
0 |
* |
* |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
функциониров |
|
|
|
|
|
|
|
|
ания триггера, |
|
|
|
|
|
|
|
|
не |
|
|
|
|
|
|
|
|
учитывающая |
|
|
|
|
|
|
|
|
возможность |
|
|
|
|
|
|
|
|
появления |
|
|
|
|
|
|
|
|
критических |
|
|
|
|
|
|
|
|
состязаний |
|
|
|
Физика компьютеров 2011 |
входных |
||||
|
|
|
сигналов. |
|||||
|
|
|
|
Л.А.Золоторевич |
|
|||
18
Синхронный RS-триггер (защелка) на
элементах И-НЕ
Хочу обратить ваше внимание на то, что любой триггер может быть реконструирован путем добавления комбинационной логики управления на его входах R и S. Пример такой схемы на основе синхронного RS – триггера. Здесь входы R и S триггера являются выходами соответствующих конъюнкторов и
поэтому |
|
дополнительными |
|
||
управляющими |
. |
|
|
|
|
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
19
Синхронный D-триггер (D-защелка) на элементах И-НЕ
Физика компьютеров 2011
Л.А.Золоторевич
Триггеры с динамическим управлением |
20 |
По способу управления синхронные триггеры |
|
делятся на |
|
Синхронные триггеры со статическим управлением
записью.
Триггеры этого типа принимают информационные сигналы все время пока действует синхросигнал. Вполне возможно многократное переключение триггера за время
действия синхросигнала. У таких триггеров вход С – статический.
Синхронные триггеры с динамическим управлением.
Триггер принимает информационные сигналы, которые
были на входах в момент перепада синхросигнала (на
переднем фронте – подъем -
0 1 или
В другие моменты
сигналы.
Таким образом, быть прямым
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
Триггеры с динамическим управлением |
21 |
|||
|
|
|||
|
Таким образом, вход динамического управления |
|
|
|
может быть прямым, когда триггер переключается |
|
|
||
во время переднего фронта сигнала синхронизации |
|
|
||
или инверсным: |
|
|
||
─ |
прямой – триггер реагирует на перепад |
|
|
|
|
тактового сигнала с “0” 1”, |
|
|
|
|
инверсный |
– триггер реагирует на перепад |
|
|
|
тактового |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример |
синхросигнал |
а |
Физика компьютеров 2011 |
Л.А.Золоторевич |
Триггеры с динамическим управлением22
По количеству каскадов триггеры
делятся на одноступенчатые и двухступенчатые.
В одноступенчатом триггере информация записывается за один такт. Поступление соответствующего сигнала разрешает переключение
в новое состояние.
Вдвухступенчатом триггере для записи информации требуется два такта работы схемы.
Двухступенчатые триггеры проектируются в виде
последовательного соединения двух триггеров с элементами синхронизации.
Запись в первую ступень производится с появлением синхроимпульса; вторая ступень в это время
закрыта.
Запись во вторую ступень из первой происходит по
следующемуФизикасигналукомпьютеровсинхронизации2011 .
Следовательно двухступенчатыеЛ.А.Золоторевич триггеры
23
Синхронный D-триггер на элементах И-НЕ, переключающийся по прямому входу (положительному фронту)
В данной схеме опрос входа D и изменение выходных сигналов происходит только в моменты времени, задаваемые нарастающим фронтом синхросигнала CLK. Первая защелка называется ведущей (master); при значении CLK, равном 0, она открыта и ее выходной сигнал повторяет входной сигнал D. Когда CLK становится равным 1, ведущая защелка запирается и ее выходной сигнал переписывается во вторую защелку, называемую «ведомой» (slave). Ведомая защелка открыта в течение всего времени, пока CLK равно 1, но изменение
в самом начале этого заперта и сигнал на ее на протяжении всего этого
отрезка времени.
Треугольник на УГО указывает на срабатывание
триггера по фронту |
|
сигнала и называется |
|
«указатель динамического |
|
входа» |
Физика компьютеров 2011 |
Л.А.Золоторевич |
|
Триггеры с динамическим управлением |
24 |
Синхронный D-триггер на элементах И-НЕ, переключающийся по прямому входу (положительному фронту) (прдлж)
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
25
Синхронный D-триггер на элементах И-НЕ,
переключающийся по положительному фронту (прдлж)
Заметим, что сигнал QM (выходной сигнал ведущей защелки) изменяется только при CLK, равном 0. Когда CLK становится равным 1, текущее значение QM записывается в ведомую
защелку , а изменение сигнала QM невозможно, пока
CLK опять не станет равным 0.
У D - триггера есть интервалы времени- время
установки и время удержания, - в течение
которых информационный сигнал на входе D не должен изменяться. Этот интервал находится в
окрестности переключающего фронта сигнала CLK. Время установки- это интервал времени между приходом
информационного сигнала на вход D триггера и временем поступления разрешающего сигнала синхронизации. Время
удержания – это интервал времени от прихода
Физика компьютеров 2011
разрешающего сигналаЛ.А.Золоторевичсинхрон зации до возможного
26
Синхронный D-триггер на элементах И-НЕ,
переключающийся по отрицательному фронту
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
Триггер со счетным входом. Т- |
27 |
Характерная особенность T- триггера: |
|
Имеет один информационный вход.
Переключается в противоположное состояние с приходом каждого очередного входного импульса (Т=1). То есть при Т=0 триггер сохраняет свое состояние. При Т=1 изменяет
свое состояние. |
|
|
||
Таблица переходов T- |
|
|||
триггера |
Состояние |
|
||
Входные |
Состояние |
Режим |
||
сигналы T |
Q(t) |
Q(t+1) |
||
|
||||
0 |
0 |
0 |
Хранение |
|
0 |
1 |
1 |
||
|
||||
1 |
1 |
0 |
Инверсия |
|
1 |
0 |
1 |
||
|
||||
Отсюда легко получить характеристическое уравнение
Т-триггера. Физика компьютеров 2011
Q(t+1) = Q(t)Л.А.*Золоторевич^T(t) + ^Q(t) * T(t) = Q(t)
Триггер со счетным входом. Т- |
28 |
||
Одноступенчатый асинхронный Т-триггер |
|
||
Т-триггер на RS - |
Условное |
Т-триггер на |
|
триггере |
обозначение |
D - триггере |
|
Временные диаграммы |
|
|
|
|
|
Второе |
|
|
|
название |
|
|
|
Т- |
|
|
|
триггера – |
|
Физика компьютеров 2011 |
делитель |
|
|
|
Л.А.Золоторевич |
частоты |
|
Триггер со счетным входом. Т- |
29 |
На практике схемы одноступенчатых триггеров не нашли широкого применения.
Основной недостаток – это ненадежность
выходного состояния.
Какой выход?
Вводят вторую ступень.
Уменьшают скважность управляющего сигнала, и вход статический заменяют на вход динамический.
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
30
Асинхронный Т-триггер на RS-триггерах на
элементах И-НЕ
Т-триггер может быть построен на элементах И-НЕ с |
|
использованием двух RS-триггеров на элементах И-НЕ, |
|
первый T1 из которых служит элементом задержки для |
|
обеспечения надежности |
|
выполняет роль Т-входа, |
. |
перекрестными |
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
31
Синхронный Т-триггер на элементах И-НЕ
Синхронный Т-триггер отличается от асинхронного Т- триггера наличием С-входа для синхронизирующего сигнала, который подается через элементы И-НЕ1, И-
НЕ2 на первый RS-триггер. Синхронный Т-триггер
имеет следующее условное графическое обозначение, функционально логическую состояний входов-выходов:
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
32
Асинхронный JK-триггер на элементах И-НЕ
Асинхронный JK-триггер отличается от асинхронного T-триггера наличием двух информационных входов J и K (вместо T-входа), где вход J эквивалентен входу S, а вход K - входу R, и функционирует в соответствии с таблицей состояний RS-триггера. При условии J(t)=K(t)=1 JK-триггер изменяет свое состояние на противоположное, т.к. работает в режиме T-триггера. Таким образом, JK-
триггер отличается запрещенных
.
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
33
Синхронный JK-триггер на элементах И-НЕ
Физика компьютеров 2011 Л.А.Золоторевич
34
Особенность JK-триггера
JK-триггер является универсальным, т.к. на его основе с помощью внешних соединений выводов схемы можно получить триггеры других видов, RS-, D-, T- триггеры и др.
JK-триггер будет работать как RS
если наложить ограничения на комбинацию входных сигналов J(t)=K(t)=1 (эта комбинация не должна появляться на входах триггера).
JK-триггер будет работать как D-триггер,
если его вход J(t) подключить через инвертор ко входу K(t). В этом случае вход J(t) выполняет функцию входа D(t), а
схема реализует |
состояний D-триггера. |
T-триггер |
условии объединения входов |
|
|
J(t) и K(t): |
|
Физика компьютеров 2011
JK-триггеры находят применениеЛ.А.Золоторевичпри построении счетных