Глава 4. Последовательностные устройства

Рассмотренные на данный момент комбинационные устройства не обладают «памятью» в том смысле, что значение их выходов зависит только от состояния входов в данный момент времени и совершенно не зависит от предыдущих событий, имевших место на входах. Такие же логические схемы, как защелки, счетчики, регистры и оперативная память (допускающая как чтение, так и запись), относятся к классу последователъностных схем. Состояние выходов таких схем зависит не только от текущего состояния входов, но и от предыстории сигналов на этих входах.

Возьмем обыкновенную кнопку, которая используется в дверном звонке. Звонок звонит, когда вы нажимаете на нее, и прекращает звонить, когда вы ее отпускаете. Такой ключ не обладает памятью.

Сравним эту кнопку с не менее обыкновенным выключателем. Вы нажимаете на него и свет загорается. Более того, он продолжает гореть даже тогда, когда вы убираете управляющее воздействие (палец). Чтобы выключить свет, вы должны перевести выключатель в выключенное состояние, и опять же, он останется в этом состоянии даже при отсутствии входного воздействия. Ключи такого типа называются бистабилъными, поскольку они имеют два устойчивых состояния. Каждый такой ключ ведет себя как 1-битная ячейка памяти, которая может запоминать либо включенное, либо выключенное состояние.

RS-триггер

В микросхемах оперативной памяти, таких как K537РУ17 (Рис. 3.23), каждая бистабильная ячейка формируется с помощью двух перекрестно включенных транзисторов.

Здесь мы не будем касаться конкретной реализации этих ячеек. Вместо этого рассмотрим два логических элемента ИЛИ-НЕ, объединенных перекрестными обратными связями (Рис. 4.1). Вспомним, что при появлении лог. 1 на каком-либо входе элемента ИЛИ-НЕ на его выходе появляется лог. 0 независимо от состояния остальных входов. Вооружившись этим знанием, попытаемся проанализировать схему:

• Если на вход S подать 1, то выход Q’ переключится в 0. На обоих входах верхнего элемента появится 0, что приведет к появлению 1 на выходе Q. Если теперь на входе S снова появится 0, то нижний элемент останется в 0 (поскольку на входе обратной связи с выводаQприсутствует1)и состояние верхнего элемента также не изменится. Таким образом, триггер устанавливается при подаче положительного импульса на вход S.

д) электронная кнопка

Рис. 4.1. RS- триггер и его использование

• Если на вход R подать 1, то выход Q переключится в 0. На обоих входах нижнего элемента появится 0, что приведет к появлению 1 на выходе Q^’ Если теперь на входе R снова появится 0, то верхний элемент останется в 0 (поскольку на входе обратной связи с вывода Q^’ присутствует 1) и состояние выхода нижнего элемента также не изменится. Таким образом, триггер сбрасывается при подаче положительного импульса на вход R.

При нормальном функционировании (предполагается, что оба входа не могут быть активными в один и тот же момент времени) оба выхода дополняют друг друга, что отражено на условном графическом изображении триггера (Рис. 4.1, б).

Существует много различных реализаций бистабильных ячеек. Например, замена элементов ИЛИ-НЕ на элементы И-НЕ приведет к образованию RS-триггера, в котором активным входным сигналом является лог. 0. В схеме, приведенной на Рис.4.1, такой триггер используется для подавления дребезга контактов механического переключателя.

Переключатели часто используются для управления входами логических схем. Однако большинство металлических контактов не могут замыкаться мгновенно, и при нажатии происходит их многократное размыкание/замыкание в течение нескольких десятков миллисекунд. То есть при использовании механического ключа, скажем, для прерывания работы компьютера/микроконтроллера результат будет совершенно непредсказуем.

В схеме на Рис.4.1. установка триггера происходит при переводе ключа в верхнее положение. При размыкании контактов состояние триггера не меняется, благодаря чему пульсации на выходе схемы отсутствуют. При переводе ключа в нижнее положение схема работает аналогичным образом, только триггер при этом сбрасывается.

D-триггер

Дальнейшим развитием RS-триггера является D-защелка. В этом элементе выходной сигнал (Q) повторяет входной (D), если на входе управления С присутствует активный уровень (в данном случае — ВЫСОКИЙ), и сохраняет предыдущее значение при неактивном уровне на входе управления. Таким образом, D-защелку можно рассматривать как 1 -битную ячейку памяти, запоминающую значение, которое присутствует на ее входе на момент завершения импульса управления.

На Рис.4.2, б взаимное влияние входов D и С обозначается символами «С1» и «1D». Префикс «1» у D указывает на то, что этот вход зависит от любого сигнала, в обозначении которого имеется суффикс «1», в данном случае — от входа С. То есть фиксация значения 1D происходит по сигналу С1.

D-триггер тоже представляет собой 1-битную ячейку памяти, однако в нем данные передаются на выход только по активному фронту сигнала на управляющем (тактовом) входе.D-триггер, таблица истинности которого приведена на Рис. 4.2, в, переключается по нарастающему фронту (в таблице истинности это обозначается символом «↑»), однако часто встречаются и триггеры, переключающиеся по спадающему фронту. Импульсный вход на условном обозначении триггера обозначается символом >, как показано на Рис. 4.2, г.

Микросхема малой степени интеграции К555ТМ2 показанная на Рис. 4.2, содержит два D-триггера. Каждый триггер имеет входы сброса R^’ и установки S^’, которые являются асинхронными, т.е. их функционирование не зависит от тактового сигнала. Среди микросхем средней степени интеграции встречаются наборы из 4, 6 и даже 8 триггеров, имеющих общий тактовый вход.

Рис. 4.2. D-защелка и Dтриггер

Микросхема К555ИР27 показанная на Рис. 4.2, состоит из восьми D-триггеров, тактируемых одним сигналом С, который, в свою очередь, управляется сигналом G^’. То есть 8 бит данных 8D,..., 1D защелкиваются по нарастающему фронту на входе С при НИЗКОМ уровне на входе G^’.

На условном обозначении микросхемы, приведенном на Рис. 4.2, б, эта зависимость обозначена как G1^’ —> 1С2 —>1D, т.е. вход G^’ разрешает работу тактового входа С, который, в свою очередь, воздействует на входы данных.