Разработка микропроцессорного устройства

     

6 Цифровые устройства, входящие в состав  процессора

6.1 Триггеры 

     Триггер – это логическая схема, имеющая два устойчивых состояния, которые называются единичным и нулевым и обозначаются 1 и 0.

     Триггер предназначен для хранения значения одной логической переменной. В соответствии с этим триггер имеет два состояния: одно из них обозначается как состояние 0, другое – как состояние 1. Воздействуя  на входы триггера, его устанавливают в нужное состояние.

     Триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный`Q.

     Классификация триггеров

     1). По типам входов бывают SR-триггеры, JK-триггеры, D-триггеры и Т-триггеры. Эти типы триггеров являются основными.

     2). По характеру реакции на входные сигналы триггеры бывают асинхронные и синхронные.

     Асинхронные триггеры имеют только информационные (логические) входы. В таком триггере входные сигналы воздействуют на состояние триггера непосредственно с момента их подачи на вход.

     Синхронные триггеры имеют дополнительный вход, который обозначается С. Вход С называется дополнительным, управляющим или синхронизирующим. Синхронный триггер срабатывает только при подаче синхронизирующего сигнала на управляющий вход С. 

     

     Принцип работы триггеров

     Каждый  тип триггера характеризуется таблицей переходов. Таблица переходов – это форма таблицы истинности, описывающая принцип работы устройства. Обратим внимание на то, что хотя триггер всегда имеет два выхода: прямой Q и инверсный`Q, в таблице переходов принцип работы триггера описывается только при помощи прямого выхода Q.  

 

      Первая таблица переходов соответствует  работе SR-триггера. Здесь Q₀ – текущее состояние триггера (т. е. состояние до подачи на вход активного сигнала). Активными являются сигналы, соответствующие логической единице. Первая строка – активных сигналов на входе нет (S и R равны нулю), поэтому на выходе сохраняется текущее состояние. Во второй и в третьей строке на входе появляются активные сигналы (во второй R = 1, а в третьей S = 1). Эти активные сигналы переводят триггер в другое состояние: R – в состояние 0, а S – в состояние 1. В последней строке звёздочкой отмечено запрещённое состояние входных сигналов триггера (так как оба входа активны, а одновременный переход в противоположные состояния невозможен). Дело в том, что если на RS-триггер подать одновременно оба входных сигнала, то обоих выходах появятся нули. Если одновременно снять единицы с входов, то оба элемента начнут переключаться в единичное состояние, стремясь оставить другой элемент в нулевом состоянии. Какой из элементов победит, зависит от скоростей переходных процессов, коэффициентов усиления и других факторов. Поэтому, комбинация R = S = 1 считается запрещённой.

     Вторая  таблица переходов соответствует  работе JK-триггера. JK-триггер имеет входы установки (J) и сброса (K), подобные входам RS-триггера. В отличие от последнего, допускает одновременную подачу сигналов J и K и при J = К = 1 он устанавливается в состояние, противоположное текущему`Q₀. JK-триггер называется универсальным.

     Рассмотрим  таблицы переходов  для D-триггеров и Т-триггеров.  

 

     У D-триггера сигналы на выходе такие же, как и на входе. Такой триггер называется информационным.

     Т-триггер  отличается тем, что если входной  сигнал пассивен (т. е. Т = 0), то на выходе сохраняется текущее состояние. Если входной сигнал активен (Т = 1), то на выходе триггер переключается в состояние, противоположное текущему. Такой триггер называют счётным.

       

     Асинхронный RS-триггер показан на рисунке 1.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6.2 Регистры

     Регистр – это цифровое устройство для хранения одного многоразрядного числа.

     Регистр является наиболее распространённым узлом  цифровой техники и строится в  виде набора триггеров, каждый из которых  предназначается для хранения цифр определённого числа. Таким образом, регистр для хранения n-разрядного двоичного числа должен содержать n триггеров. Чаще всего регистры строятся на основе синхронных RS-триггеров или D-триггеров. В отдельных случаях регистры могут быть реализованы на базе JK-триггеров.

     Классификация регистров:

     По форме представления вводимых чисел регистры бывают:

• параллельные;
• последовательные.

     В параллельный регистр число подаётся одновременно всеми разрядами. Простейший вариант выглядит так: на вход регистра подаётся парафазный код числа, т.е. само число и его инверсия. Очевидно, что необходим триггер, имеющий два входа. Такие регистры обычно строятся на основе простейших синхронных RS-триггеров. Условное обозначение параллельного регистра показано на рисунке 2. Здесь буквами RG показано, что это регистр. Видно, что регистр состоит из двух триггеров, входы первого обозначены S₀ и R₀, выходы – Q₀ и`Q<sub>0</sub>. Для второго соответственно входы S<sub>1</sub> и R<sub>1</sub>, выходы – Q<sub>1</sub> и`Q₁. Вход С – это вход сигнала записи (или синхронизирующий, управляющий вход).

     

      Последовательный  регистр отличается от параллельного тем, что число подаётся последовательно, разряд за разрядом. На вход подаётся однофазный код числа (без подачи инверсных значений цифр разрядов), следовательно, RS-триггеры не могут быть использованы, нужны триггеры с одним входом, поэтому обычно применяют D-триггеры. Условное обозначение последовательного трёхразрядного регистра показано на рисунке 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

6.3 Счётчики

     Счётчик – это функциональное устройство, предназначенное для счёта поступающих на его вход сигналов. Счётчики строятся на основе триггеров, следовательно, n-разрядный счётчик содержит n триггеров, при этом количество сигналов, которое может подсчитать счётчик, определяется из выражения N = 2ⁿ - 1, где n – число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчёта принимается 0. Таким образом, чтобы подсчитать число элементарных автоматов (триггеров), необходимых  для  построения счётчика, нужно из формулы выразить  n:  n = log₂N.

     Классификация счётчиков

     Счётчики  можно классифицировать по следующим  признакам:

     1). По основанию системы  счисления счётчики  делятся на:

  а) двоичные;

  б) десятичные (или двоично-десятичные);

     Большинство счётчиков работают в двоичном коде, то есть считают от 0 до (2ⁿ - 1). Например, 4-х разрядный счётчик будет считать от 0 (код 0000) до 15 (код 1111), а 8-ми разрядный – от 0 (код 0000 0000) до 255 (код 1111 1111). После максимального значения кода счётчик по следующему входному импульсу переключается опять в 0, то есть работает по кругу.

     4-х  разрядный двоично-десятичный счётчик  будет считать от 0 (код 0000) до 9 (код 1001), а 8-ми разрядный двоично-десятичный  счётчик будет считать от 0 (код  0000 0000) до 99 (код 1001 1001). Двоично-десятичные  счётчики применяются реже обычных двоичных счётчиков.

      Принцип работы простейшего 3-х разрядного счётчика показан в таблице 1. Сигнал переноса возникает после появления в счётчике последней комбинации 111 и исчезает при установлении в счётчике состояния 000. 

      

Таблица 1 –  Таблица состояний 3-х разрядного счётчика

 

     2). По направлению  переходов счётчики  принято подразделять  на:

  а) суммирующие (когда счёт идет на увеличение);

  б) вычитающие (счёт идет на уменьшение);

  в) реверсивные (счётчик может переключаться  в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот).

      3). По способу организации  счёта счётчики  подразделяют на:

  а) асинхронные (или последовательные);

  б) синхронные (или параллельные).

      Асинхронные счётчики строятся из простой цепочки триггеров, каждый из которых работает в счётном режиме. Выходной сигнал каждого триггера служит входным сигналом для следующего триггера. Поэтому все разряды (выходы) асинхронного счётчика переключаются последовательно (отсюда название – последовательные счётчики), один за другим, начиная с младшего и заканчивая старшим.

     Синхронные счётчики характеризуются тем, что все их разряды в пределах одной микросхемы переключаются одновременно, параллельно. Это достигается существенным усложнением внутренней структуры микросхемы по сравнению с простыми асинхронными счётчиками. Синхронные счётчики гораздо быстрее асинхронных. Управление работой синхронного счётчика гораздо сложнее, чем в случае асинхронного счётчика, а количество разрядов синхронных счётчиков обычно не превышает четырех. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

6 Шифраторы, дешифраторы

          Шифратор или кодер – это логическое  устройство, осуществляющее преобразование десятичных чисел в двоичную систему счисления. Классический шифратор имеет m входов и n выходов, при этом между количеством входов и выходов шифратора существует связь:  m = 2ⁿ. Шифратор с таким количеством входов и выходов называется полным, но используются такие шифраторы достаточно редко, так как в большинстве случаев достаточно меньшего количества входов, т.е. m << 2ⁿ.

      Шифраторы используются для преобразования в  двоичную систему счисления относительно небольших десятичных чисел. Шифраторы  широко используются в разнообразных  устройствах ввода информации, например, в клавиатуре, каждая клавиша которой связана с определённым входом шифратора. При нажатии на клавишу подаётся сигнал на соответствующий вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.