ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ κεφαλαιο 2

PLH21-P_Kef02.pdf
574 KB
[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτόν το σύνδεσμο.]


ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ............................................................................................................ 3 ΕΝΟΤΗΤΑ 2.1. ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ..................... 6
2.1.1. ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΧΩΡΙΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΕΙΣΟ∆ΟΥΣ ΚΑΙ ΕΞΟ∆ΟΥΣ ................. 6
2.1.2. ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΕΙΣΟ∆ΟΥΣ..........................................11
2.1.3. ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΕΙΣΟ∆ΟΥΣ ΚΑΙ ΕΞΟ∆ΟΥΣ....................13
ΕΝΟΤΗΤΑ 2.2. ΣΧΕ∆ΙΑΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ......................... 18
2.2.1. ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕ Α∆ΙΑΦΟΡΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ........................................... 26
ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ........................................................................................................................... 37
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ......................................................................................................................................... 38
ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΑΥΤΟΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ......................................................................... 39
ΑΠΟ∆ΟΣΗ ΑΓΓΛΙΚΩΝ ΟΡΩΝ ΣΤΗΝ ΕΛΛΗΝΙΚΗ.............................................................................. 46
1
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ
Σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι η μελέτη των σύγχρονων ακολουθιακών κυκλωμάτων. Τα κυκλώματα αυτά αποτελούνται από FFs, των οποίων η λειτουργία συγχρονίζεται από τους παλμούς ενός και μόνο ρολογιού. Η ανάλυση της λειτουργίας, καθώς και η σχεδίαση τέτοιων κυκλωμάτων, είναι ένας ουσιώδους σημασίας τομέας της ψηφιακής σχεδίασης.
Προσδοκώμενα αποτελέσματα:

Μετά τη μελέτη του κεφαλαίου, θα είστε σε θέση να:
• αναλύετε οποιοδήποτε σύγχρονο ακολουθιακό κύκλωμα με ή χωρίς εξωτερικές
εισόδους ή εξόδους

• σχεδιάζετε κυκλώματα, που παράγουν συγκεκριμένες ακολουθίες παλμών
• σχεδιάζετε σύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα με ή χωρίς εξωτερικές εισόδους ή
εξόδους

Έννοιες – Κλειδιά:
• Σύγχρονο ακολουθιακό κύκλωμα
• Απαριθμητής / Μετρητής
• ∆ιάγραμμα καταστάσεων
• Πίνακας καταστάσεων
• Γεννήτρια ακολουθιών
2

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ

Στο προηγούμενο κεφάλαιο μελετήσαμε όλους τους τύπους των FFs (SR, D, JK, T). Η μελέτη αυτή περιορίστηκε στην ανάλυση του τρόπου λειτουργίας καθενός FF ξεχωριστά. Τι γίνεται όμως στην περίπτωση που περισσότερα από ένα FFs συνδέονται μεταξύ τους και λειτουργούν συγχρονισμένα με βάση τους παλμούς κάποιου ρολογιού; Τι γίνεται αν σ’ ένα τέτοιο κύκλωμα επιδρούν κάποιες εξωτερικές είσοδοι για τον έλεγχο αυτού; Και τέλος, τι θα κάναμε αν μας ζητούσαν να σχεδιάσουμε ένα ακολουθιακό κύκλωμα αποτελούμενο από ένα ή περισσότερα FFs που να λειτουργεί σύμφωνα με κάποιες προδιαγραφές;

Με ποιo τρόπο θα τα συνδυάζαμε αυτά;

Όλα αυτά είναι προβλήματα που παρουσιάζονται πάρα πολύ συχνά στην πράξη και θα πρέπει να είμαστε σε θέση να τα αντιμετωπίζουμε. Όπως στην περίπτωση των συνδυαστικών κυκλωμάτων μπορούμε να αναλύουμε ή να σχεδιάζουμε ένα οποιοδήποτε κύκλωμα χρησιμοποιώντας πύλες, έτσι και στην περίπτωση των ακολουθιακών κυκλωμάτων θα πρέπει να είμαστε σε θέση να αναλύουμε ή να σχεδιάζουμε οποιοδήποτε κύκλωμα με FFs.

Αν όλα τα FFs του κυκλώματος χρονίζονται με το ίδιο ρολόι (clock), τότε αυτό ονομάζεται σύγχρονο ακολουθιακό κύκλωμα. Αυτού του είδους τα κυκλώματα θα μελετήσουμε στο παρόν κεφάλαιο. Θα εξετάσουμε τον τρόπο ανάλυσης και σχεδίασής τους. Πρόκειται για δύο διαδικασίες, που η μία είναι αντίστροφη της άλλης. Η ανάλυση ενός κυκλώματος αφορά στην περίπτωση που μας δίνεται το όλο κύκλωμα και μας ζητείται να προσδιορίσουμε τον ακριβή τρόπο λειτουργίας του. Η σχεδίαση είναι η αντίστροφη διαδικασία. Εδώ μας δίνεται ο επιθυμητός τρόπος λειτουργίας του κυκλώματος και μας ζητείται να βρούμε ποιo είναι το κατάλληλο κύκλωμα που συμπεριφέρεται σύμφωνα με αυτόν. Στην ενότητα 2.1 ασχολούμαστε με την ανάλυση σύγχρονων ακολουθιακών κυκλωμάτων, ενώ στην ενότητα 2.2 παρουσιάζουμε τον τρόπο σχεδίασης αυτών.

Πριν όμως ασχοληθούμε διεξοδικά με την ανάλυση και σχεδίαση ΣΑΚ, ας επιχειρήσουμε να διευκρινίσουμε ορισμένες έννοιες σχετικά με την κατάσταση και την έξοδο ενός ΣΑΚ, καθώς και των μοντέλων που υπάρχουν για την μελέτη αυτών, ανάλογα με τον τρόπο που επιδρούν οι τυχόν εξωτερικές είσοδοι του κυκλώματος.

3

Είναι γνωστό ότι για να προσδιορίσουμε την έξοδο ενός συνδυαστικού κυκλώματος σε κάθε χρονική στιγμή απαιτείται να γνωρίζουμε την είσοδο καθώς και την λογική που υλοποιούν οι πύλες του κυκλώματος, δηλαδή τον τρόπο διασύνδεσής τους.

Σ’ ένα ακολουθιακό κύκλωμα, όμως, για να βρούμε την έξοδο, πρέπει να γνωρίζουμε την παρούσα κατάσταση των FFs, καθώς και την εξωτερική είσοδο. Με τον όρο κατάσταση (state) εννοούμε όλες τις εξόδους των FFs στη συγκεκριμένη χρονική στιγμή.

Αν ένα κύκλωμα αποτελείται από Ν FFs, θα έχει το πολύ 2Ν διαφορετικές καταστάσεις. Παρατηρούμε ότι οι είσοδοι, όπως και το ρολόι, δεν συμπεριλαμβάνονται στον ορισμό της κατάστασης.
Επιπλέον, η κατάσταση δεν είναι το ίδιο πράγμα με την έξοδο του κυκλώματος.

Μερικές ή και όλες οι έξοδοι των FFs μπορεί να οδηγούνται κατευθείαν στην έξοδο, αλλά γενικά η έξοδος ενός ΣΑΚ είναι ένας συνδυασμός των εξόδων (καταστάσεων) των FFs, όπως δείχνεται στο Σχήμα 2.1α.

Σημειώστε ότι η έξοδος του κυκλώματος αλλάζει μόνο, όταν παρουσιαστεί η ενεργός ακμή του ρολογιού. Ένα τέτοιο κύκλωμα, στο οποίο η έξοδος αλλάζει σε συμφωνία με τους ωρολογιακούς παλμούς ονομάζεται κύκλωμα Moore.

Αν στο ΣΑΚ προσθέσουμε κάποιες εξωτερικές εισόδους (εκτός του ρολογιού), τότε και πάλι το κύκλωμα αυτό εξακολουθεί να είναι ένα κύκλωμα Moore, υπό την προϋπόθεση ότι η έξοδος του κυκλώματος λαμβάνεται από τις εξόδους των FFs και άρα οι οποιεσδήποτε αλλαγές στην έξοδο συμβαίνουν μόνο κατά τις αλλαγές των ωρολογιακών παλμών.

Αν όμως η εξωτερική είσοδος μπορεί να επηρεάσει την έξοδο του κυκλώματος σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, χωρίς να είναι απαραίτητο να συγχρονιστεί με τους ωρολογιακούς παλμούς (βλ. Σχήμα 2.1β), τότε το κύκλωμα αυτό ονομάζεται κύκλωμα Mealy. ∆ηλαδή σ’ ένα τέτοιο κύκλωμα η έξοδος εξαρτάται από την εσωτερική κατάσταση καθώς και από τις εξωτερικές επιρροές (εξωτερικές εισόδους).

Οι έξοδοι των FFs αποτελούν και πάλι την εσωτερική κατάσταση.
Οι είσοδοι δεν παρεμβαίνουν άμεσα στην κατάσταση, αλλά επηρεάζουν την έξοδο του κυκλώματος μέσω του συνδυαστικού κυκλώματος, και μάλιστα σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή.