DIGITÁLIS TECHNIKA II

Átírás

1 DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 7. ELŐADÁS AZ ELŐADÁS ÉS A TANANYAG Az előadások Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése ( old.) Tieze U., Schenk Ch: Analóg és digitális áramkörök ( old.) Zsom Gyula: Digitális technika I és II Rőmer Mária: Digitális rendszerek áramkörei Gál Tibor: Digitális rendszerek I és II, Benesóczky Zoltán: Funkcionális elemek 2004 (28-46 old.) Benesóczky Zoltán: Digitális tervezés funkcionális elemekkel és mikroprocesszorral, 2008, (22-33 old.) Kovács Cs. Digitális elektronika old. 1 c. könyvein, jegyzetein alapulnak. 2 SZINKRON SZÁMLÁLÓK TERVEZÉSE A szinkron számlálók tervezése a next-state módszer alapján történhet. A tervezés menete: 1. Állapotkódolás megválasztása illetve megadása. 2. Állapotgráf és állapotátmeneti táblázat (minden egyes ütemben a flip-flopok n+1 ütembeli állapotai a flip-flopok n ütembeli állapotai és a vezérlés (fel/le) függvényében) megszerkesztése. 3. Megvalósitó flip-flop típusának kiválasztása v. megadása, és a flip-flop vezérlési táblázatának felírása. 4. Az egyes flip-flopok vezérlőbemenetei logikai függvényeinek meghatározása és minimalizálás. 5. A visszacsatoló kombinációs hálózat realizálása. FLIP-FLOPOK VEZÉRLÉSI TÁBLÁZATA Q n Q n+1 S R J K D T x 0 x x x x 0 x BITES SZINKRON BINÁRIS ELŐRESZÁMLÁLÓ TERVEZÉSE A számlálót alakítsuk ki T típusú master-slave flip-flop al. Ekkor az egyes tárolók T bemeneteire kell csatlakoztatni az állapotvezérlő jeleket. Ekkor az állapotváltozók kódolását abból a feltételből írjuk fel, hogy 1 szint engedélyezi a flip-flop billentését, 0 szint pedig nem. KÓDOLT ÁLLAPOTTÁBLÁZAT Q n Q n+1 T Átvitel (carry): akkor jelenik meg az 1-es szint, ha a számláló a legnagyobb tárolható számot tartalmazza (1111). Ezzel a jellel további fokozatok működtethetők. 1

2 Számláló szimbolikus jele A számláló kapacitását további flip-flop -okkal növelni lehet. az i. flip-flop vezérlőfüggvényének általános alakja: T i = Q 0 Q 1 Q 2... Q i-1 T i = Q 0 Q 1 Q 2... Q i-1 két bemenetű ÉS kapuk állítják elő a vezérlőjeleket A függvény alapján megállapíthatjuk, hogy a kapacitásbővítéshez - az újabb flip-flop mellett - mindig 1-gyel több bemenetű ÉS kapu kell. Ezt a megoldást nevezzük párhuzamos átvitelűnek. Ezt az áramköri megoldást nevezzük soros átvitelűnek. t pd t dek t k SZINKRON SZÁMLÁLÓ: MAXIMÁLIS FREKVENCIA - terjedési késleltetés (propagation delay), - dekódolási idő, - ÉS kapu késleltetése 1 f max = t pd + t k + t dek A szinkron számlálok, több fokozat esetén, lényegesen gyorsabbak mint az aszinkron számlálók. SZINKRON ÉS ASZINKRON: ÖSSZEHASONLÍTÁS A ripple counter (aszinkron) requires less circuitry than a synchronous counter. No logic gates are used at all in the example above. Although the asynchronous counter is easier to construct, it has some major disadvantages over the synchronous counter. First of all, the asynchronous counter is slow. In a synchronous counter, all the flip-flops will change states simultaneously while for an asynchronous counter, the propagation delays of the flip-flops add together to produce the overall delay

3 SZINKRON ÉS ASZINKRON: ÖSSZEHASONLÍTÁS Secondly, there are certain "risks" when using an asynchronous counter. In a complex system, many state changes occur on each clock edge and some ICs respond faster than others. If an external event is allowed to affect a system whenever it occurs (unsynchronised), there is a small chance that it will occur near a clock transition, after some IC's have responded, but before others have. This intermingling of transitions often causes erroneous operations. And the worse this is that these problems are difficult to foresee and test for because of the random time difference between the events. MSI SN SZINKRON 4 BITES SZÁMLÁLÓ -Párhuzamos adatbemenet -Párhuzamos adatkimenet -Soros átvitel kimenet -A carry kimeneten, RCO, megjelenő jelek az átviteli értékek (segítségével lehet egy másik számlálót az IChez kapcsolni, kaszkádosítani). - Ha az engedélyezés, a ENP és ENT bemenetek (számlálást vezérlik) 1-es szinten vannak, a számláló leszámolja a CLK bemenetre érkező jeleket. - A párhuzamos beírás engedélyezését a LOAD bemenet végzi. 13 MODULO FOGALMA A számláló áramkörök mindegyike periodikus működésű, a pillanatnyi állapotukat bizonyos számú léptetés után ismét felveszik. Azt az órajel számot, ami után a pillanatnyi állapot ismétlődik a számláló modulo értékének nevezzük. A modulo érték azt mutatja meg, hogy hány különféle állapotot tud felvenni a számláló. 3 bites számláló 2 3 állapotot vehet fel, így a számláló modulusa 8 4 bites számlálónál ez az érték 2 4 = 16. SHIFT REGISZTER (SHR) MINT SZÁMLÁLÓ GYŰRŰS SZÁMLÁLÓ A gyűrűs számlálónál a visszacsatoló kombinációs hálózat egy darab drót. Kódolás: Qa Qb Qc Qd N bites SHR eseten a modulusa: N 16 JOHNSON SZÁMLÁLÓ A visszacsatoló hálózat egyetlen inverter. Így 0 kezdeti érték mellet a számláló először feltölti magát egyesekkel, majd nullákkal. Kódolás: ÁLVÉLETLENSZÁM GENERÁTOR =1 Qa, Qb, Qc, Qd: 0000, 1000, 1100, 1110, 1111, 0111, 0011, 0001 Modulusa N bites SHR eseten: 2N 17 A B C D Szekvencia: (1) 0001, (8) 1000, (4) 0100, (2) 0010, (9) 1001, (12) 1100, (6) 0110, (11) 1011, (5) 0101, (10) 1010, (13) 1101, (14) 1110, (15) 1111, (7) 0111, (3) Modulusa N bites SHR és maximális ciklushosszú visszacsatolás eseten: 2 N -1 3

4 SZÁMLÁLÓ MODULUSÁNAK CSÖKKENTÉSE Csökkenteni szeretnénk a számláló állapotainak számát. Ez a módszer frekvenciaosztásra használható MODULUS CSÖKKENTÉSI ELJÁRÁSOK A leosztandó frekvenciát a számláló órajel bemenetére vezetik. A leosztott frekvenciájú jel a legnagyobb helyi értéken áll elő Cl: törlés Ld: betöltés Cy: carry Max/min: felle számláló végállapotai SZÁMLÁLÓ MODULUSÁNAK NÖVELÉSE Aszinkron számlálók kaszkádosításánál az egyik számláló legmagasabb helyi értékű kimenetét rávezetjük a másik bemenetére. SZÁMLÁLÓK KASZKÁDOSÍTÁSA (MODULUS NÖVELÉS) Aszinkron kaszkádosítás az egyik számláló legmagasabb helyi értékű kimenetét rávezetjük a másik bemenetére Szinkron számlálók - ha kaszkádosíthatók - külön kaszkádosító bemenettel és kimenettel rendelkeznek. RCO: ripple clock A kaszkádosított számlálók modulusai összeszorzódnak. TTL SZINKRON, BINÁRIS UP-DOWN, PRESET SZÁMLÁLÓ KASZKÁDOSÍTÁSA (74193) SZINKRON SZÁMLÁLÓ KASZKÁDOSÍTÁSA átvitel, CO (Carry Output) Szinkron kaszkádosítás carry-vel áthozat, BO (Borrow Output) Szinkron kaszkádosítás RCO-val külön kaszkádosító bemenettel és kimenettel rendelkeznek 24 4

5 SZINKRON BINÁRIS SZÁMLÁLÓK TERVEZÉS - ISMÉTLÉS 3-BITES GRAY KÓDÚ SZINKRON SZÁMLÁLÓ C 1 2 A B 26 FLIP-FLOPOK VEZÉRLÉSI TÁBLÁZATA Q n Q n+1 S R J K D T x 0 x x x x 0 x ÁLLAPOT TÁBLÁZAT n A B C n+1 A B C JAKA JBKB JCKC a b /X 0/X 1/X b c c d e f g h a X/1 0/X 0/X FLIP-FLOP VEZÉRLÉSI EGYENLETEI _ JA = B C _ JB = A C JC = A B + A B KC = A B + A B KA = B C KB = A C 29 OPTIMIZING THE FEEDBACK CIRCUIT The JA, KA, JB, and KB control functions are implemented by four AND gates in one package. The JC and KC control function can be implemented in various ways. The simplest one would be using two antivalency (XOR) gates and one inverter. However in a twolevel system the simplest solution is the use of six NAND gates. Circuit complexity: Gate count: 10 Pin count:

6 3-BIT GRAY CODE UP-COUNTER: CIRCUIT LAYOUT