1.2 Цифрові Пристрої з пам’яттю

Цифрові пристрої з пам'яттю відносяться до класу послідовнісних пристроїв в яких значення вихідних сигналів визначаються як значеннями вхідних сигналів в даний момент часу, так і передісторією зміни вхідних сигналів. Для цих пристроїв характерним є те, що при одних і тиx же значеннях вхідних сигналів вихідні сигнали можуть мати різні значення. До основних типів таких пристроїв відносяться трігери і більш складні пристрої, що реалізовуються на їх основі: ретистры, лічильники, розподільники, запам'ятовуючі пристрої та ін.

1.2.1Тригери. До трігерів відноситься великий клас пристроїів загальною властивістю яких є здатність тривало залишатися в одному з двох можливих стійких станів і стрибком змінювати їх під впливом зовнішніх сигналів. [3]

Тригери відрізняються великою різноманітністю типів і схемних рішень, визначуваних їх функціональним призначенням і способом запису в них інформації.

Функціональне призначення тригерів визначається залежністю значень їх виходів від значень вхідних сигналів. Як правило, тригер має два взаємоінверсних виходи Q і PQ= і один або два інформаційні входи, що позначаються буквами Т або D для одновходовых та R і S чи, J і K — для двохвходових тригерів Для тригера з одним входом, який може приймати два значення (0 і 1), і двома виходами, кожен з яких може приймати п'ять значень (0, 1, Q, Q, ∅), принципово можливо отримати 52 різних типи трігерів, з яких практичне застосування знайшли Т- і D трігери. Їх принцип роботи ілюструється таблицею переходів (табл. 4).

Таблиця 1.2

Інфрмаційні входи	Тип тригера і значення його виходів Qt
D(T)	D	Т
0	0	1tQ−
1	1	1tQ−

Для тригера з двома входами і двома виходами можна отримати 54 різновидів трігерів, з яких практичне застосування знайшли RS, R, S-, Е-, JK трbгери, принцип роботи яких ілюструється таблицею переходів

Таблиця 1.3

Інфрмаційні входи					Тип тригера і значення його виходів Qt
R(K)	S(J)	RS	R	S		Е	JK
0	0	1tQ−	1tQ−	1tQ−		1tQ−	1tQ−
0	1	1	1	1		1	1
1	0	0	0	0		0	0
1	1	∅	0	1		1tQ−	1tQ−

Окрім перелічених інформаційних входів, трігери можуть мати входи керування, що визначають порядок перемикання тригера.

Bхід С називають синхронізуючім (тактувальним) або виконавчім входом дозволу приймання інформації, а вхід V — подготовчім входом дозволу приймання інформації. Функціональна класифікація є найбільш загальною і характеризує стан входів і виходів тригера у момент часу до його спрацьовування і (t - 1) і після його спрацьовування (t).

Класифікація трігерів за способом запису інформації характеризує хід процесу перемикання тригера. За цією класифікацією трігери розділяють на асинхронні і синхронні. Запис інформації в асинхронні трігери здійснюється безпосередньо з надходженням інформаційних сигналів (такі трігери не мають тактуючих входів С) Синхронні трігери мають тактуючі входи, і перемикання трігера відбувається тільки за наявності відповідних сигналів на них. Якщо число цих входів m то формування нового стану тригера завершується після надходження m-го тактуючого сигналу. Найчастіше використовуються однотактні синхронні тригери, оскільки вони мають вищу швидкодію і не вимагають m-фазних генераторів тактуючих імпульсів. Такі тригери діляться на схеми, керовані рівнем тактового сигналу, і схеми з внутрішньою затримкою.

Трігери першого типу при появі тактуючого сигналу на вході С (С = 1) перемикаються відповідно до таблиці переходів стільки разів, скільки разів змінюються інформаційні сигнали, тобто сигнали на виходах Q і Q трігерів можуть неодноразово змінюватися, поки рівень тактуючого сигналу на вході С = 1. Їх також називають тригерами із статичним керуванням.

Узагальнена функціональна схема тригера із статичним керуванням складається з запам'ятовуючого елементу ЗЕ (комірки пам’яті) і схеми керування СУ, х1, хn — інформаційні входи, С1, … Сn — тактуючі входи, f1 і f2 — функції збудження ЗЕ.

У тригерах другого типу вихідні сигнали, відповідні новому стану трігера, з'являються тільки у момент переходу тактуючого сигналу з 0 в 1 (по передньому фронту) або, навпаки, з 1 в 0 (по задньому фронту). Такі тригери називаються також тригерами з динамічним керуванням. Їх відмінність полягає в тому, що від кожного тактуючого імпульсу незалежно від його тривалості і числа перемикань інформаційних сигналів протягом тактуючого імпульсу, вони перемикаються тільки один раз. Найширше на практиці застосовуються тригери з динамічним керуванням по задньому фронту тактуючого імпульсу, звані також трігерами з внутрішньою затримкою. Можливість затримки моменту перекидання тригера на якийсь час, рівне тривалості тактового імпульсу, ефективно використовується при обробці інформації, дозволяючи проводити по передньому фронту тактових імпульсів читання інформації, а по задньому фронту — запис.

На практиці використовують два основні способи побудови трігерів з внутрішньою затримкою по М - S-схемі і по схемі трьох трігерів.

Перший спосіб полягає у використанні для побудови тригера двох ЗЕ основного (М-тригера) і допоміжного (S-триггера), де М і S — абревіатури англійських слів master і slave (господар і раб, або ведучій і ведений). Перший ступінь — «ведучий» — служить для проміжного запису інформації, а друга — «ведений» — для подальшого запам'ятовування і зберігання. Запис інформації в М-тригер тактується сигналом С, а в S-триггер — сигналом F. Передача інформації з М-тригера в S-тригер здійснюється через вентилі В. [1]

Тригери на дискретних елементах використовуються значно рідше і переважно в нестандартній апаратурі систем автоматичного керування і контролю виробничих процесів, в ядерній фізиці та інших областях, де потрібні підвищені значення напруг і струмів. Основною схемою є симетричний насичений тригер з колекторно-базовими зв'язками. Його основу складають два логічні інвертори (ключа), навантажених один на одного. Керування тригером здійснюється або роздільно (несиметрично) по двох базах або коллекторах (як і в RS-трігері) або симетрично (по лічильному входу) по базах або колекторах (як в Т-трігері). В цьому випадку для запобігання багатократному перемикання тригера протягом вхідного імпульсу вводиться затримка за допомогою прискорювальних конденсаторів С1, С2 в схемі з некерованим лічильним запуском або розділових конденсаторів С3, С4 в схемі з керованим лічильним запуском.

Розрахунок тригера на транзисторах здійснюється з умов забезпечення закритого стану одного транзистора і відкритого стану іншого.

1.2.2 Регістри. Регістри призначені для зберігання і перетворення багаторозрядних двійкових чисел. Вони є впорядкованою послідовністю тригерів і використовуються як пристрої, що керують і запам'ятовують, генератори і перетворювачі кодів, лічильники, дільники частоти, вузли тимчасової затримки і тому подібне.

Елементами структури регістрів є асинхронні і синхронні D-, RS- або JK-тригери з динамічним або статичним керуванням та допоміжні логічні елементи. Число розрядів в регістрі називається його довжиною. У n-розрядний регістр можна записати 2n розрядних слів, тобто регістр може знаходитися в 2n різних станах.

Занесення інформації в регістр називають операцією введення або запису. Видача інформації до зовнішніх пристроїв характеризує операцію виведення або читання.

Всі регістри залежно від функціональних властивостей підрозділяється на дві категорії: накопичувальні (регістри пам'яті, зберігання) і зсувні. У свою чергу зсувні регістри діляться:

за способом введення і виведення інформації на паралельні, послідовні і комбіновані (паралельно-послідовні і послідовно-паралельні).

по напрямком переди (зсуву) інформації на односпрямовані і реверсивні.

Узагальнена функціональна схема регістра складається з тригерів ТТ і комбінаційної схеми КС. Входи y1…ym — сигнали мікрооперацій; xn і zn — інформаційні входи і виходи регістра; А і В — інформаційні входи тригерів; C — тактувальні входи.

1.2.3 Лічильники Лічильником називається пристрій, сигнали на виході якого в певному коді відображають число імпульсів, що надійшли на його вхід. Число дозволених станів лічильника називають його модулем або коефіцієнтом лічби Kлч. [3]

Основними часовими характеристиками лічильників є максимальна частота надходження рахункових імпульсів fлч і час переходу з одного стану в інший.

По характеру операцій лічби лічильники діляться на додавальні, віднімальні і реверсивні.

Залежно від основи системи числення, в якій здійснюється лічба, вони можуть бути двійковими, двійково-десятковими, двійково-п’ятірковими та ін.

За схемними ознаками лічильники можуть бути асинхронними і синхронними.

У асинхронних лічильниках на тактові входи синхронних тригерів або на інформаційні входи асинхронних тригерів інформація надходить з виходів сусідніх тригерів, тому тригери в таких схемах спрацьовують не одночасно, а послідовно, один за одним. В синхронних лічильниках всі тригери перемикаються одночасно під дією загального синхронізуючого сигналу, що надходить на тактові входи всіх тригерів одночасно.

За способом організації ланцюгів перенесення вони діляться на схеми з послідовним, паралельним і груповим переносом.

У лічильниках з послідовним переносом перенесення в сусідній старший розряд формується тільки після перемикання тригера в попередньому розряді Їх швидкодія визначається сумою часів встановлення (затримки) тригерів всіх розрядів.

В лічильниках з паралельним переносом аргументами функції перенесень для кожного розряду є тільки сигнали на виходах тригерів відповідних розрядів, причому переноси для всіх розрядів лічильника формуються одночасно. Їх швидкодія визначається часом встановлення одного тригера і однієї комбінаційної схеми незалежно від числа розрядів лічильника.

Ланцюги наскрізного перенесення організовуються так, щоб функція перенесення і-го розряду лічильника була аргументом функції перенесення (і + 1)-го розряду. В цьому випадку сигнали переносів для кожного розряду формуються по черзі, починаючи з молодших розрядів лічильника. Лічильники з крізним перенесенням потребують меншого числа логічних елементів для організації ланцюгів переносу, але поступаються лічильникам з паралельним перенесенням в швидкодії. Їх швидкодія визначається у гіршому разі перемиканням n логічних схем в ланцюгах крізного переносу і одного тригера (n — число розрядів лічильника).

У лічильниках з груповим перенесенням розряди лічильника розбиваються на групи. В межах однієї групи зазвичай організовується паралельний перенос, а між групами — послідовний або наскрізний.

Якщо лічба виконується в канонічній двійковій системі числення (у однорідній позиційній двійковій системі числення з природним порядком ваг), то такий лічильник називається з природним порядком лічби. Коефіцієнт рахунку при цьому може бути , але незалежно від його значення лічба виконується від 0 до Kлч.

Якщо рахунок виконується в неканонічних системах (наприклад, символічних, з штучним порядком ваг та ін.), то порядок лічби вважається штучним (довільним).

У лічильниках і довільним порядком лічби найчастіше застосовуються 2nлчK≠схеми з примусовим нарахуванням і з початковим встановленням.

Найбільш простими є схеми лічильників з природним порядком лічби, побудовані на основі тригерів з лічильним входом (Т- і JК-тригерів).

Узагальнена функціональна схема синхронного лічильника на Т-тригерах,де КС — комбінаційна схема, що формує сигнали переносів fi, які надходять на лічильні входи i-x тригерів. В JК-григгерах лічильні входи організовуються з'єднанням входів J і K. Для отримання T-тригера з синхронного D-тригера слід його інверсний вихід з'єднати з входом D, а як Т-вхід використовувати вхід з D-триггера.

Лічильники, виконані у вигляді окремих функціональних вузлів, є у складі багатьох серії мікросхем. Номенклатуру лічильників відрізняє велике різноманіття. Багато які з них мають універсальні властивості і дозволяють керувати коефіцієнтом і напрямом лічби, вводити до початку циклу початкове число, припиняти по команді лічбу, нарощувати число розрядів і тому подібне.

Проте, у ряді випадків, може виникнути необхідність в лічильнику з нетиповими характеристиками. Такі лічильники синтезуються з окремих тригерів і логічних елементів.