3.6. HAGYOMÁNYOS SZEKVENCIÁLIS FUNKCIONÁLIS EGYSÉGEK

Átírás

1 3.6. AGYOMÁNYOS SZEKVENCIÁIS FUNKCIONÁIS EGYSÉGEK A fenti ismertető alapján elvileg tetszőleges funkciójú és összetettségű szekvenciális hálózat szerkeszthető. Vannak olyan szabványos funkciók, amelyek rendelkezésre állnak: gyártják őket MSI áramkörként vagy VSI áramkörök belső egységeiként. Az alábbi pontokban hagyományos szekvenciális funkcionális egységekkel ismerkedünk meg: A REGISZTEREK A regiszterek viszonylag kis számú bit tárolására alkalmas egységek. A tárolást elemi memóriákkal valósítjuk meg. A memória áramkörök mellett, a regiszter tartalmaz még bizonyos segédáramköröket. A működés módja szerint megkülönböztetünk közönséges (stacionárius) regisztereket, léptető regisztereket és gyűrűs regisztereket. A közönséges regiszterben az elemi memóriák (flip- flop vagy latch) egymás mellé vannak állítva és az órajel bemeneteik össze vannak kötve. Az ábrán a P A...P D vonalakon érkező logikai szinteket az órajel felfutó élére beírjuk az egyes flip- flopokba. A tartalom folyamatosan kiolvasható a Q A...Q D vonalakon. Gyártanak sokféle stacionárius regisztert MSI áramkörként. A következő ábra ezek közül a 74x374 típust mutatja be. A második regiszter típus a léptető regiszter (shift register). Ebbe ugyanúgy történhet beírás párhuzamos módon, de a beírt tartalom átírható a szomszédos elemi memóriába (léptethető). Az ábra egy olyan léptető regisztert mutat, amely jobb irányba tudja léptetni a beírt tartalmat.

2 Az alábbi ábra a 74x164 típusú nyolcbites MSI léptető regiszter belső szerkezetét és lábkiosztását mutatja. Ennek a léptető regiszternek nincs párhuzamos bemenete. A léptető regiszter tovább bonyolítható azzal, hogy lehetővé tesszük a jobbra tolás mellett a balra tolást, a párhuzamos beírást és a korábbi érték megtartását is, az így kapott áramkört univerzális regiszternek nevezzük. A léptető regiszter soros kimenete visszacsatolható a soros bemenetre így kapjuk a gyűrűs regisztereket (nevezik gyűrűs számlálónak is. Az ábra egy négybites gyűrűsregiszter mutat. a a SET jellel a megfigyelés kezdetén egyest írunk az első flip- flopba (aszinkron szet) és nullát a fennmaradt háromba, a tartalom az alábbi ábra szerint fog keringeni:

3 A gyűrűs regiszter egy különleges esetét kapjuk, ha a soros kimenetet negáltját csatoljuk vissza a soros bemenetre. Az így kapott áramkör a Johnson féle számláló. Az áramkör érdekessége, hogy a kimeneti értékek sorozata nem n (n a flip- flopok száma), hanem 2n órajel periódus alatt ismétlődnek: A SZÁMÁÓK Számláló alatt minden olyan sorrendi hálózatot értünk, amely periódikusan ugyanazon az állapotsoron halad keresztül: Az állapotok számát a számláló modulusának nevezzük. Egyes esetekben a modulus a kettes szám egész számú hatványa: m=2 n, ilyenkor a számláló végig halad az összes lehetséges állapoton (n a flip- flopok száma). Más esetekben m<2 n, ilyenkor létezik 2 n m állapot, amely nincs használatban. A számlálókat aszinkron és szinkron módon szokásos megvalósítani. A szinkron működtetésnél az egyes flip- flopokra ugyanazt az órajelet vezetjük. Az aszinkron működtetés adja a legegyszerűbb hálózatot, de az egyes flip- flopok nem egyidejű állapotváltása időzítési problémákhoz vezethet. Az aszinkron számlálókat T flip- flopokból szokták megépíteni: Külső órajelet csak az első flip- flopra vezetünk, a többiek az előző flip flop kimenetét fogadják. Tekintettel arra, hogy az alkalmazott T flip- flop az órajel minden lemenő élére váltja az állapotát, a diagramon bemutatott működést kapjuk:

4 Táblázatba írva az egyes órajel periódusokban kapott kimeneti értékeket, a következő eredményt kapjuk: A számláló természetes bináris kódban számlál, 2 4 =16 órajel perióduson keresztül. 74x393 típusjelzéssel gyártanak aszinkron számlálót (MSI áramkörök). Ennek belső szerkezetét és lábkiosztását az ábrán láthatjuk: A szinkron számlálók megépítéséhez, a flip- flopok mellett, szükséges bizonyos kombinációs hálózat, amely előkészíti az új állapotot. Ez a hálózat a sorrendi hálózatok tervezésére ismertetett módszerrel tervezhető meg. Az alábbi ábra négy bites szinkron számláló logikai rajzát mutatja. A memória elemek D típusú flip- flopok. A kiegészítő kombinációs hálózat mindig akkor engedélyezi a magasabb helyi értéken levő flip- flopba egyes beírását, ha az előző órajel periódusban minden kisebb helyi értéken egyes volt.

5 A bemutatott megoldás rendelkezik egy engedélyező jellel (CNTEN). Számos MSI számláló áramkört gyártanak sorozatban. Példaként tekintsük a 74x163- as típust, ennek belső kapcsolását és lábkiosztását az alábbi ábrán áthatjuk: Ez a kapcsolás állandó engedélyezés mellett az alábbi ábrán látható idődiagramokat hozza létre. Fontos megjegyezni, hogy a számláló frekvenciaosztást végez: a Q0 kimeneten megjelenő négyszögjel frekvenciája fele az órajel frekvenciájának, a Q1- en négyszeres a leosztás stb. A számlálás mellett ebbe az eszközbe végezhetünk párhuzamos beírást is. Az ENT és ENP bemenetek a számláló bővítéséhez használatosak. Az alábbi ábra két egység összekapcsolását mutatja nyolcbites számlálás céljából.

6 Egyes alkalmazásokban szükséges a számlálónak egyszer előre, máskor hátra lépkednie. Ez úgy érhető el, hogy megfelelő kombinációs hálózatok előkészítik a beírandó új értékeket mindkét esetre, majd egy multiplexerrel eldöntjük, hogy mely értékek legyenek beírva. Ilyen előre/hátra számláló a 74x169- es MSI áramkör. A 2 n modulusú számlálók mellett más számlálók is használatosak, leginkább BCD számlálók. A négybites BCD számláló nem 0- tól 15- ig, hanem 0- tól 9- ig lépteti az állapotokat. MSI áramkörökkel való tervezésnél a 2 n - nél kisebb modulust megfelelő visszacsatolásokkal érjük el. Az alábbi példában 145- ös modulust valósítunk meg két darab négybites számlálóval. Először is két áramkör összekapcsolásával 256- os modulusú számlálót hozunk létre majd ezt csökkentjük 145- re. A csökkentést végző visszacsatolás lehet aszinkron jellegű, mint az alábbi ábrán: Q A Q B Q C Q D Q E Q F Q G Q & CR OAD ENT ENP CK A B C D CR OAD ENT ENP CK A B C D RCO QA QB QC QD RCO QA QB QC QD IN Itt a ÉS kapuval detektáljuk a 145. állapot megjelenését és reszeteljük a számlálót. A 145- ös állapot rövid megjelenése aszinkron működést eredményez. A szinkron megoldást az alábbi ábra szemlélteti. Ugyanúgy ÉS kapuval detektáljuk az utolsó (144.) állapotot és az órajel következő periódusában beírjuk a 0 állapotot. Q A Q B Q C Q D Q E Q F Q G Q & CR OAD ENT ENP CK A B C D CR OAD ENT ENP CK A B C D RCO QA QB QC QD RCO QA QB QC QD IN

7 A INEÁRIS VISSZACSATOÁSÚ ÉPTETŐ REGISZTER (FSR) A bináris számlálók rendszerint természetes (növekvő vagy csökkenő) bináris sorrendben számlálnak. A lineáris visszacsatolású léptető regiszterek (linear feedback shift register FSR) látszólag szabálytalan sorrendben generálják a bináris kódokat, de mindig azonos sorozatot ismételnek. A sorozat 2 n - 1 kódból áll, a tisztán nullákból álló kód nem szerepel. A lineáris visszacsatolású léptető regiszter elvi rajzát az alábbi ábrán láthatjuk: Soros bemenettel és párhuzamos kimenettel ellátott léptető regiszterre kell visszacsatolást alkalmazni. Bármilyen hosszúságú regiszterre létezik legalább egy olyan visszacsatolás, amellyel elérhető, hogy mind a 2 n - 1 állapot ki legyen használva. Az alábbi táblázatban megadtuk néhány esetre a visszacsatoló hálózat logikai függvényét: Amint látható, viszonylag kis számú KIZÁRÓ- VAGY kapuval megoldható a visszacsatolás. Négy bitre az ábrán bemutatott visszacsatolással hozható létre az FSR:

8 Az FSR hálózatok előnye a közönséges számlálókhoz képest az, hogy az egyszerű visszacsatoló hálózatnak köszönhetően, kicsik a hálózat késései, így nagyon nagy órajel frekvencián tud működni a regiszter. A nagy frekvencia elengedhetetlen a gyors és nagy felbontású PWM (impulzus- szélesség modulált) jelek képzésénél. Egy másik fontos alkalmazás a látszólag véletlen (pseudo random) digitális jelsorozat generálása.