 |
Перечень узлов-автоматов цифровых устройств
|
|
|
|
1. Одиночный триггер (иногда говорят, флажок) – это элемент памяти с двумя устойчивыми состояниями, поэтому способен хранить значения (о или 1) одного бита. Фиксатором значения бита во всех типах триггеров (D, T, JK, MS) является R-S- триггер(Reset-Set: сбросить-установить (или выключить-включить)). Электромеханическим аналогом его является выключатель домашнего освещения.
В регистрах данных передатчиков и приемников информации обычно используется триггер задержки D-триггер (delay – задержка), способный задержать значение входного бита 
на один такт и держать его значение на выходе 
, где 1 – это один такт, t – текущий такт, 
– следующий такт. Такт задается синхроимпульсом СИ. Логическая формула D-триггера самая простая:
,
где 
– выходной сигнал, отождествляемый с состоянием триггера, т.е. значением напряжения (ВУ 
«1» – высокий уровень, или НУ – «0» низкий уровень) на его прямом выходе Q.
D-триггеры бывают двух типов:
1) D-триггер – защелка, прием информации разрешен в течение всего импульса синхронизации, поэтому обладает свойством транзитной передачи со входа на выход значения входного бита (пока стоит импульс синхронизации СИ все изменения входного сигнала на входе D передаются на выход Q);
2) D-триггер с динамическим способом приема информации, прием разрешен в течение очень короткого времени – при переходе синхросигнала от паузы к импульсу (прием по фронту), либо по переходу от импульса к паузе (прием по спаду).
УГО D-триггеров
| D-триггер – защелка | D-триггер с динамическим способом приема информации |
| 
|
В регистрах данных используются D-триггеры с динамическим способом приема информации (т.е. значения бита ).
Временные диаграммы поясняют принцип работы.
|
|
|
| D-триггер – защелка | D-триггер с динамическим способом приема информации |
| 
|
2. Регистр – это группа триггеров обычно D-типа, имеющие один адрес (выбираются одним сигналом CS – cheep select – выбор кристалла), запись во все триггеры регистра разрешается одним синхроимпульсом СИ, и считывание со всех триггеров регистра осуществляется одновременно.
Триггеры в регистре располагаются так же, как цифры двоичного кода в разрядной сетке: используется равномерный двоичный стандартный код с весами (ценами) разрядов …-8-4-2-1. Например, 4-х битный регистр.
Функциональная схема 4-хбитового регистра на D-триггерах
Различают регистры хранения и сдвиговые регистры.
На приведенном выше рисунке приведен регистр хранения данных. Его операции: прием (параллельно, т.е. одновременно по всем разрядам-битам), хранение и выдача кода.
Сдвиговый (вправо) регистр получается, если выход 
соединить со входом 
, 
с 
, 
с 
, как показано пунктиром на рисунке.
Если выход 
подсоединить ко входу ПРД на линию связи, то за четыре такта содержимое регистра передается в линию связи. Различают сдвиги вправо и влево (если выход младшего разряда соединить с входом старшего – получим схему для левого сдвига). Регистр, который может сдвигать и влево, и вправо, называется реверсивным.
Импульс СИ формируется по логической формуле в соответствии со следующей функциональной схемой и временной диаграммой:
Строб-импульс – это одиночный рабочий импульс, выделенный из тактовой последовательности.
Различают сдвиги: логические (в коде нет знакового разряда) и арифметические (в коде левый старший разряд – знаковый). В логическом сдвиге сдвигаются все разряды, в арифметическом – только значащие (знаковый остается на своем месте). Циклический логический сдвиг вправо возникает, если выход 
соединить с входом 
, а влево, если сделать реверс и соединить выход с входом 
. Т. о., в сдвиговом регистре кроме обычных регистровых операций (прием, хранение и выдача кода) добавлены операции сдвига.
|
|
|
3. Ячейки памяти организуются также, как рассмотренные выше регистры хранения, только в больших объемах.
4. Счетчики – это регистры, в которых аппаратно (по логическим уравнениям) реализована функция счета (прибавления – для прямого счета, или вычитание – для обратного счета), т.е. счетчик кроме регистровых операций (прием, хранение и выдача кода) имеет операцию прибавления единицы к старому содержимому или вычитание единицы.
Арифметическая рабочая формула суммирующего рекурсивного счетчика:
(новое значение кода в счетчике)=(старое значение)+1, что коротко записывают так: n=n +1 (под n в ПК подразумевают адрес регистра или ячейки памяти).
Эта запись четко поясняет принцип рекурректности Чёрча о возможности алгоритмизации задачи: для задачи можно построить алгоритм ее решения, если удастся найти четкую последовательность действий (шагов, тактов, актов), где каждое очередное действие вытекает (и может быть выполнено) из предыдущего.
Например, если счетчик – это счетчик минут, то 39 минута может быть отсчитана, если до этого была отсчитана 38 минута. С точки зрения теории вероятностей операция счета – это детерминированный (четкий, со 100% вероятностью поступления очередного действия) процесс.
Операцию счета можно реализовать на асинхронном арифметическом счетчике (моделирующем операцию сложения – вычитания в «столбик») и на синхронном автомате. В арифметическом счетчике формируются межразрядные переносы (из младшего в старший при сложении) и межразрядные заемы (из старшего в младший при вычитании).
Структура арифметического суммирующего двухразрядного (двухбитового) счетчика и временные диаграммы
В нем обычно используются счетные Т-триггеры (счет по mod 2, обозначают ТТ – триггер-таймер).
Как видно из диаграмм, с выхода Q снимается импульсная последовательность с периодом 4T, т.е. двухбитовый счетчик делит входную (тактовую) частоту в 4 раза. Поэтому счетчик обычно используется в синтезаторах частот для деления основной частоты в целое число раз.
Модуль пересчета (говорят просто «модуль») – это максимальное целое число раз, в которое может делить конкретный счетчик входную частоту. Если число разрядов n, то модуль пересчета 
, при n=2, 
.
|
|
|
Напоминание (из машинной арифметики):
дополнительный код отрицательного числа как раз и есть дополнение (прямого кода отрицательного числа) до модуля (разрядной сетки).
Максимальное число, которое можно представить n двоичными разрядами, равна 
. Дополнение до 
прямого кода отрицательного числа называется обратным кодом.
При вычислениях на АЛУ используется дополнительный код.
Недостаток арифметического счетчика: старшие разряды кода n появляются с запаздыванием из-за задержки на триггерах младших разрядов. Счетчик на синхронном автомате (изучается в курсе «Теория автоматов»).
Счетчик, реализованный как синхронный автомат, лишен недостатка арифметического счетчика: все триггеры (во всех разрядах) переключаются одновременно по одному синхроимпульсу СИ, который подается на синхровход триггеров после окончания всех переходных процессов в цепях обратной связи и вентилях комбинационной части счетчика.
В синхронном автомате можно выделить две части: память на явно выделенных триггерах (удобнее всего D-триггеры) и комбинационная часть на вентилях, на выходе которой формируются функции возбуждения 
триггеров памяти. Память организована в виде регистра: все триггеры управляются одними и теми же служебными сигналами (для записи – строб записи, для считывания – строб считывания, для установки исходного состояния счетчика – строб сброса (reset).
Напоминание: строб-импульс – это одиночный импульс, обычно формируется из тактовой последовательности для выполнения определенной операции в узле.
По этой причине синхронные автоматы называют регистровыми цифровыми схемами. Из них строят узлы (регистры, счетчики), а из узлов строят устройства, например, РАЛУ – регистровое арифметико-логическое устройство.
|
|
|
