IGITÁLIS TECHNIKA II r. Lovassy Rita r. Pődör Bálint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 4. ELŐAÁS AZ ELŐAÁS ÉS A TANANYAG Az előadások Arató P.: Logikai rendszerek tervezése (171-189 old.) Tieze U., Schenk Ch: Analóg és digitális áramkörök (174-175 old.) Zsom Gy.: igitális technika I és II Rőmer M.: igitális rendszerek áramkörei Gál T.: igitális rendszerek I és II, Benesóczky Z.: Funkcionális elemek 2004 (23-27 old) Kovács Cs. igitális elektronika 61-67 old. c. könyvein, jegyzetein alapulnak. 1 2 MASTER-SLAVE (KÉTFOKOZATÚ) TÁROLÓ A gyakorlatban elterjedt flip-flopok leggyakrabban az ún. master-slave (úr-szolga) elv alapján működnek. KÉTÜTEMŰ (MASTER-SLAVE) TÁROLÓ A két kapcsoló ellenétes ütemben nyit és zár! A master-slave tárolók két tárolócellából állnak, az egyik a master, a másik a slave tároló. - Ha K1 záródik a bementi információ a mester tárolóba kerül, mivel a K2 nyitva van az információ nem jut el a szolga tárolóba. -Ha K1 nyit a mester tárolóba nem lehet információt bevinni, mivel K2 zár az információ a mesterből átíródik a szolga tárolóba és megjelenik a kimeneten. 3 4 KÉTÜTEMŰ (MASTER-SLAVE) SR TÁROLÓ KÉTÜTEMŰ (MASTER-SLAVE) SR TÁROLÓ impulzus vezérelt Az S=R=1 tiltott jelkombináció a bemenetekre kapcsolt AN kapuk segítségével szüntethető meg. 5 1
MASTER-SLAVE J-K TÁROLÓ MASTER-SLAVE TÁROLÓ A fázisok elkülönítése érdekében a mester az órajel aljában, 0-s szinten olvassa a bemeneteket, a szolga pedig a lefutó él megjelenésekor helyezi a kimenetekre az új értékeket A JK típusú működést biztosító visszacsatolás Slave kimenetei és a Master vezérlőbemenetei közt van! J-K KÉTFOKOZATÚ FLIP-FLOP: IŐIAGRAM MASTER-SLAVE ÉLVEZÉRELT TÁROLÓ Amikor C = 0 a mester FF tartja az órajel impulzus utolsó pillanatában felvett állapotot. Míg C = 1, a mester billenésszerűen követi az J és K által meghatározott állapotot. 9 Master egység a felfutó élre, a Slave pedig a lefutó élre lép működésbe. Ilyen típusú tárolót könnyedén készíthetünk, mégpedig oly módon, hogy egy hagyományos élvezérelt flip-flop mögé kötünk egy másik, az órajel negáltjával működő élvezérelt tárolót 2 független flip-flop: MSI V cc 14 13 12 11 10 9 8 FLIP-FLOPOK A GYAKORLATBAN PR PR 11 1 2 3 4 5 6 7 GN 12 2
Közös CK-val vezérelt 8 bites flip-flop: regiszter V cc 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 BISTABIL BILLENŐKÖR S-R TÁROLÓ (FLIP-FLOP) _ S R L L nincs változás L H L H H L H L H H (L) (L) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 GN 13 A tárolás feltétele az áramkör működését biztosító tápfeszültség megléte. 15 Ha az S bemenetre pozitív feszültséget adunk, akkor T1 kinyit, kollektorfeszültsége lecsökken. Emiatt T2 bázisárama csökken és kollektorfeszültsége nő. Ez a növekedés visszahat az R1 ellenálláson keresztül T1 bázisára és annak bázisáramát növeli. A kapcsolás az állandósult állapotot akkor éri el, ha T1 kollektorfeszültsége a telítési értékre csökkent. Ha az R bementre pozitív impulzust adunk a bistabil billenőkapcsolás visszabillen. Ha mindkét bement feszültsége 0, akkor a tároló megtartja az előző állapotát információtárolásra használják. Ha mindkét bementre egyidejűleg H szintet adunk, mindkét tranzisztor kinyit. A bázisáramok ekkor kizárólag csak a vezérlőfeszültségektől függnek és függetlenek a szomszédos tranzisztortól, mert mindkét kollektorfeszültség kicsi. Emiatt ez az állapot nem stabil. 3
FLIP-FLOPOK IGITÁLIS ÁRAMKÖRÖKBEN TTL, CMOS áramkörcsaládok: JK és flip-flopok állnak rendelkezésre. PLA, PL: csak flip-flop (!), a JK flip-flop kiegészítő áramkörökkel valósítandó meg. A TTL és a CMOS áramkörcsaládokban nincs T flip-flop. FLIP-FLOP: CMOS A CMOS technológiával egy teljesen más elvi felépítésű flip-flop kialakításra nyílik lehetőség, melynél nem a szokásos logikai kapukkal kötik az órajelet a master és a slave részegységekhez, hanem ún. transzfer kapukkal (transfer gate) mely a CMOS alapú áramkörök sajátos eszköze. SR flip-flop: TTL-ben NAN kapus, CMOS-ban NOR kapus megvalósítás. 20 CMOS STATIC S-R FLIP-FLOP CLOCKE CMOS FLIP-FLOP Set and Reset: with pull-down transistors. Flipping occurs by brute force. PERGÉSMENTESÍTÉS Az áramkör azonban nem tökéletes: a kapcsoló nyitásánál illetve zárásánál ugyanis apró szikrák jelennek meg az elváló vagy egymáshoz közelítő felületek között. Ezek olyan nagy energiájú impulzusokat okoznak, hogy az élvezérelt eszközök tévesen többszöri ki-bekapcsolást érzékelnek. A jelenséget pergésnek vagy prellezésnek nevezzük. 23 S-R tárolóval megszelídítjük : már az első impulzus átbillenti a flip-flopot, így a többinek már nincs hatása a tároló működésére, ezért nem juthatnak el a kimenetig. 24 4
FREKVENCIAOSZTÁS FREKVENCIAOSZTÁS 25 26 FREKVENCIAOSZTÁS REGISZTEREK 1. Időzítési alapfogalmak 2. Tároló regiszterek 3. Léptető regiszterek 4. Regiszterek alkalmazási példái a beérkező órajel minden felfutó élekor a negáltjára vált a flip-flop kimenete Benesóczky, 19-33 old. Zsom II, 64-89 old. Rőmer, 116-122 old. Példatár, 50-55 old., 124-129 old. Grosz: Élő igitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) 27 28 SORRENI FUNKCIONÁLIS ELEMEK IŐZÍTÉSEK Különféle regiszterek és számlálók. Sorrendi (szekvenciális) működésű aritmetikai elemek, soros összeadó, szorzó. A helyes működés szempontjából fontos az előírt időzítések betartása (katalógusok előírásai szerint). Időzítések megadása: tipikus, minimális, maximális értékek, az esetektől függően 29 Felfutási idő: 10 % 90 % jelszint (rise time) Lefutási idő: 90 % 10 % jelszint (fall time) Késleltetés: 50 % -os jelszintek (propagation delay) Impulzus szélesség: 50 % -os jelszintek (pulse duration, width) 30 5
KÉSLETETÉSI (TERJEÉSI) IŐ FÉLVEZETŐS REGISZTEREK: BEVEZETÉS A bemeneti jel változását csak kissé késve követi a kimeneti jel esetleges változása. Ennek mérőszáma a késleltetési vagy terjedési idő (propagation delay). A késleltetési idő nagyságát a kimenetre kapcsolt impedancia Funkciójuk több bitnyi, rövid ideig rendelkezésre álló információ tárolása (tároló regiszterek). A flip-flopok 1 bit információ tárolására alkalmasak, tehát egy n bit információ tárolásra alkalmas regiszter n db flip-flopból áll. Az információt csak folyamatos, megadott tűréshatáron belüli tápfeszültség érték mellett tudják megőrizni. (főként kapacitás) is befolyásolja. 31 32 A nagy tárolási kapacitás és a rövid hozzáférési idő általában ellentmondó követelmény. Abban az esetben, amikor csak kevés információ tárolására (100 bites nagyságrend) és gyors hozzáférésre van szükség (10-20 ns), akkor a feladat megvalósítására flip-flopos tárolók alkalmazhatók. A regiszterek olyan szekvenciális hálózatok,amelyekbe az adatok az órajel segítségével sorosan és/vagy párhuzamosan beírhatók. Az adatokkal relatív helyváltoztatást tudnak elvégezni (shift-léptetés), és az adatok belőlük sorosan és/ vagy párhuzamosan kiolvashatók. A regiszterrel elvégzendő műveletet pl.: beírás, léptetés, rotálás, stb. A regiszterek megvalósításához általában átlátszó, vagy élvezérlésű vagy J-K tárolókat használnak. BEÍRÁS ÉS KIOLVASÁS MÓJAI (1) BEÍRÁS ÉS KIOLVASÁS MÓJAI (2) párhuzamos beírás és kiolvasás soros-párhuzamos bemenet, soros kimenet Soros bemenet illetve kimenet: az információ helyértékről helyértékre továbbítódik, így a szomszédos helyértékek között áramköri kapcsolat van. 35 soros beírás, párhuzamos kiolvasás soros bemenet és kimenet soros-párhuzamos bemenet és soros-párhuzamos kimenet A beírandó, illetve a kiolvasandó információt kapuzni is lehet: 36 kapuzott be-, illetve kimenetű regiszter. 6
REGISZTER, LATCH A regiszterek többnyire közös órajelű és törlő (clear) bemenetű vagy -G flip-flopokból (MSI IC: 4 vagy 8 db) állnak. flip-flop: regiszter, -G flip-flop: latch. REGISZTER, LATCH Regiszter és latch: adattárolás. A latch működése egy lényeges pontban eltér a regiszterétől, mivel G = 1 esetén átlátszó. Az IC építőelemek katalógusaiban magát az aszinkron -G flip-flopot gyakran latch-nak nevezik és a G bemenetet C- vel jelölik. Gyakran félreértést okoz, hogy a flip-flop bemeneteit is általában -vel és C-vel (clock) jelölik. Regiszter Latch A latch csak tárolási célra használható, mert a G = gate (kapu) jel aktív állapota alatt, a bemenete és a kimenete logikailag nincs elválasztva, ezért külső elemmel nem visszacsatolható. (ugyanis rezgést, oszcillációt (közös órajel) (közös G bemenet) 37 38 kapnánk.) REGISZTEREK Ha két latch-et kötünk egymás után, amelyeket a mintavevő jel ellenkező szintjével (fázisával) mintavételezünk, kapjuk a Master-Slave tárolót, vagy más néven flip-flopot. Kapu szint Write (WR) CLK Enable (EN) 3 2 1 0 Az így kialakított, akár élvezéreltnek is tekinthető ( típusú tárolónál a két fajta módon felépített eszköz használatában nincs különbség, míg az összes két bemenetű tárolónál van) flip-flop a fő alkotó eleme a regisztereknek. Chip szint WR 3 3 2 2 1 0 1 0 A CMOS kapcsolástechnikában könnyű gyárthatósága miatt rendszerint ebből a realizációból alakítják ki a többi flip-flop-ot is. EN 3 2 1 0 40 ENGEÉLYEZHETŐ REGISZTER REGISZTER ALKALMAZÁS Adatbeírás buszról több regiszterbe. Először a dekóder címét és az adatot kell beállítani, majd a tranziensek lezajlása után a dekóder engedélyező bementére egy impulzust kell adni. Ez megjelenik a megcímzett regiszter órajel bementén és beírja az adatot. A típusú tároló bemenetére multiplexert építve jutunk az általánosan használható, párhuzamos beírású, soros léptetést is megvalósító un. univerzális shift regiszterekhez. 42 7