ΗΜΥ 2: Λογικός Σχεδιασµός, Εαρινό Εξάµηνο 25 ΗΜΥ-2: Λογικός Σχεδιασµός Εαρινό Εξάµηνο 25 Κεφάλαιο 6-i: Ακολουθιακά Κυκλώµατα Μανδαλωτές (Latches) και Flip-Flops Ακολουθιακά Κυκλώµατα Συνδυαστική Λογική: Η έξοδος εξαρτάται µόνο από την τρέχων (current) είσοδο Μπορεί να εκτελέσει χρήσιµες λειτουργίες (πρόσθεση/αφαίρεση/πολλαπλασιασµό/ ) Χρειάζεται διαδοχή πολλών δοµών Ακριβό και άκαµπτο (inflexible) Πανεπιστήµιο Κύπρου Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών MKM - 2 Ακολουθιακά Κυκλώµατα (συν.) Ακολουθιακή Λογική: Η έξοδος εξαρτάται όχι µόνο από την τρέχων (current) είσοδο αλλά από τις προηγούµενες τιµές στις εισόδους Φυλάει πληροφορίες µεταξύ λειτουργιών (δεν χρειάζεται διαδοχή) Χρειάζεται κάποιου είδους µνήµη για να µπορεί να κρατά τις προηγούµενες τιµές των εισόδων Ακολουθιακά Κυκλώµατα (συν.) Κυκλώµατα που µάθαµε µέχρι τώρα Κυκλώµατα που αποθηκεύουν πληροφορίες Καταστάσεις Χρόνου MKM - 3 MKM - 4 Ακολουθιακή Λογική: Έννοια Τα κυκλώµατα ακολουθιακής λογικής κρατούν στην µνήµη τους την προηγούµενη κατάσταση του κυκλώµατος και τις προηγούµενες τιµές στις εισόδους. Οι έξοδοι του συστήµατος χρησιµοποιούνται σαν οι νέες τιµές στις εισόδους (συνήθως µε κάποια καθυστέρηση). Τα στοιχεία αποθήκευσης µπορούν να αποθηκεύουν δυαδικές πληροφορίες : µνήµη. Σύγχρονες vs. Ασύγχρονες µηχανές Υπάρχουν 2 τύποι ακολουθιακών κυκλωµάτων: Σύγχρονο (latch mode) ακολουθιακό κύκλωµα: µπορούµε να ορίσουµε την συµπεριφορά του κυκλώµατος από την γνώση που έχει το κύκλωµα σε διακριτές τιµές χρόνου. Αυτού του είδους τα κυκλώµατα πετυχαίνουν συγχρονισµό χρησιµοποιώντας σήµα χρόνου το ρολόι. Ασύγχρονο (fundamental mode) ακολουθιακό κύκλωµα: η συµπεριφορά του κυκλώµατος εξαρτάται από την σειρά των αλλαγών του σήµατος στις εισόδους συνεχώς, και οι έξοδοι µπορούν να αλλάξουν ανά πάσα στιγµή (clockless). MKM - 5 MKM - 6 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώµατα Μανδαλωτές και Flip-Flops
ΗΜΥ 2: Λογικός Σχεδιασµός, Εαρινό Εξάµηνο 25 Σήµα Ρολογιού Σύγχρονα Ακολουθιακά Κυκλώµατα: Φλιπ-Φλοπ (Flip flops) για καταστάσεις µνήµης Γεννήτρια Ρολογιού: Περιοδικό σήµα από παλµούς ρολογιού ιαφορετικοί κύκλοι MKM - 7 Τα flip-flops έχουν σαν εισόδους σήµατα από το συνδυαστικό κοµµάτι του κυκλώµατος καθώς και σήµα από ένα ρολόι που οι παλµοί του εµφανίζονται περιοδικά µε την ίδια χρονική περίοδο. MKM - 8 Στοιχεία Μνήµης SR latch (από NOR) -- SR: set-reset, δισταθή στοιχείο µε 2 εισόδους; Προσέξτε την «ακαθόριστη» τιµή για S=R=. Buffers εν µπορούν να αλλάξουν την Αποθηκευµένη τους τιµή! Inverters -- ιαβάστε την λογική: Q = (R+Q ) ; P = (S+Q) MKM - 9 MKM - R=S=?? Latch (από NAND) Ακαθόριστη έξοδος γιατί Όταν S=R=, και οι 2 έξοδοι είναι. Εάν και οι 2 έξοδοι είναι, η κατάσταση του SR flip flop εξαρτάται από την είσοδο που παραµένει περισσότερο πριν γίνει. Άρα είναι όντως, ακαθόριστη κατάσταση. ΠΡΕΠΕΙ να αποφευχθεί. Q Q Q Q Set MKM - MKM - 2 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώµατα Μανδαλωτές και Flip-Flops 2
ΗΜΥ 2: Λογικός Σχεδιασµός, Εαρινό Εξάµηνο 25 Latch (από NAND) Latch (από NAND) Q Q Q Q Set Hold Q Q Q Q Set Reset Hold MKM - 3 MKM - 4 Latch (από NAND) Latch (από NAND) Q Q Q Q Set Reset Hold Hold Q Q Q Q Disallowed Set Reset Hold Hold MKM - 5 MKM - 6 SR Latches Προσοµοίωση SR Latch MKM - 7 MKM - 8 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώµατα Μανδαλωτές και Flip-Flops 3
ΗΜΥ 2: Λογικός Σχεδιασµός, Εαρινό Εξάµηνο 25 SR Latch µε Ρολόι SR Latch µε Ρολόι (συν.) S Q CLK R Q Το Latch είναι ευαίσθητο σε αλλαγές στις εισόδους ΜΟΝΟ όταν το C= S R CLK Q Q Q Q Store Reset Set Disallowed X X Q Q Store MKM - 9 MKM - 2 D Latch D Latch (συν.) Ένας τρόπος να αποφεύγουµε τις ανεπιθύµητες ακαθόριστες καταστάσεις στο RS flip flop είναι η εξασφάλιση ότι ποτέ δεν θα έχουµε στις εισόδους S και R ταυτόχρονα. Αυτό επιτυγχάνεται µε ένα D latch: D S CLK R Q Q D CLK Q Q X Q Q S R CLK Q Q Q Q Store Reset Set Disallowed X X Q Q Store MKM - 2 MKM - 22 D Latch µε πύλες µετάδοσης C= το TG κλείνει και τοtg2 ανοίγει Q =D και Q=D C= το TG ανοίγει και το TG2 κλείνει Hold Q και Q 2 Flip-Flops Τα Latches είναι διαυγή (= οποιαδήποτε αλλαγή στις εισόδους παρατηρείται και στις εξόδου την ίδια στιγµή). Αυτό προκαλεί προβλήµατα συγχρονισµού! Λύση: χρησιµοποίησε latches για την δηµιουργία των flip-flops που µπορούν να ανταποκριθούν (update) ΜΟΝΟ σε ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΕΣ χρονικές στιγµές (όχι ανά πάσα στιγµή). MKM - 23 MKM - 24 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώµατα Μανδαλωτές και Flip-Flops 4
ΗΜΥ 2: Λογικός Σχεδιασµός, Εαρινό Εξάµηνο 25 Εναλλακτική λύση στην επιλογή FF Τύποι FF RS D JK Τύποι ενεργοποίησης Μη-ενεργοποιήσιµα (ασύγχρονα) Ενεργοποίηση-επιπέδων (C=) Ενεργοποίηση-ακµής (rising ή falling ακµή του C) Master-Slave διαµόρφωση FF χρησιµοποιώντας SR latches επιτρέπει την συµπεριφορά ενεργοποίηση-επιπέδων MKM - 25 MKM - 26 Master-Slave διαµόρφωση FF χρησιµοποιώντας SR latches (συν.) S R CLK Q Q Q Q Store Reset Set Disallowed X X Q Q Store Όταν C=, ο master ενεργοποιείται και φυλάει νέα δεδοµένα, και ο slave αποθηκεύει παλιά δεδοµένα. Όταν C=, η κατάσταση του master ενεργοποιεί τον slave (Q=Y), και δεν νοιάζεται ο master για νέα δεδοµένα. Master-Slave J-K Flip-Flop MKM - 27 MKM - 28 Flip-Flops Ενεργοποίησης-Ακµής Συνδέουµε τα ενεργοποίησης-επιπέδων D µε ενεργοποίησης-επιπέδων SR, χρησιµοποιώντας συµπληρωµατικά ρολόγια. Τύπου D Θετικής Ενεργοποίησης-ακµής FF: J-K FF Θετικής Ενεργοποίησης-Ακµής MKM - 29 MKM - 3 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώµατα Μανδαλωτές και Flip-Flops 5