DE, Kísérleti Fizika Tanszék
F1301 Bevezetés az elektronikába
Digitális elektronika alapjai Szekvenciális hálózatok
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
SZEKVENCIÁLIS LOGIKAI HÁLÓZATOK A kimenetek állapota nem csak a bemenetek állapotainak kombinációjától függ, hanem a kimenetek előző állapotától is. Emiatt hagyományos igazságtáblázattal nem írható le a működés. Tárolók (flip-flop-ok = bistabil billenőkörök) RS tároló (RS flip-flop): S 1 bit tárolására alkalmas S R – RESET S – SET
R
≥1
Q
S R
Q
Q
0 0 Q-1 Q-1
≥1 S
Q
0 1
0
1
1 0
1
0
1 1
(0)
(0)
&
&
R R
S R
Q
Q
Q
Q
0 0 Q-1 Q-1 0 1
0
1
1 0
1
0
1 1
(1)
(1)
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
RST tároló (RST flip-flop), órajelvezérelt RS tároló:
T S R
&
&
0 0 1 Q-1 Q-1
Q
&
&
R
0 1 0 Q-1 Q-1
S Q T R Q
T Q
0 1 1 Q-1 Q-1 1 0 0 Q-1 Q-1
D tároló (D flip-flop): Q
Q
0 0 0 Q-1 Q-1
S
C D
Q
Q
D
0 0 Q-1 Q-1
&
D &
0
1
1 1
1
0
0
1
1 1 0
1
0
1 1 1
(1)
(1)
&
Q
&
Q
&
Q
D Q
0 1 Q-1 Q-1 1 0
1 0 1
C
C Q &
&
Q C
&
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Közbenső tárolású tárolók: Csak az állapot beállítása és reteszelődése után adják ki az adatot a kimeneten. Felépítés: két tároló (mester-szolga), pl. két sorba kötött RST flip-flop komplemens órajellel
Működés: az órajel felfutó élénél (0→1) a mester billen, a lefutó élénél (1→0) a szolga tároló billen, miközben a másik flip-flop reteszelve marad. Élvezérelt D tároló (master-slave D flip-flop): Amíg a C=0, addig a D bemeneti adat beíródik a mester flip-flopba (Q’-be), ugyanekkor a kimenet őrzi előző állapotát. Amikor az órajel 0-ról 1-re vált (felfutó él) a mester flip-flop reteszelődik és Q’ adat a szolga tárolóba íródva megjelenik a Q kimeneten. mester
D
&
&
szolga
Q’
&
&
Q
D Q Q
C
&
&
&
&
Q
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Példa: Élvezérelt D flip-flop alkalmazása golyós egérben a résekkel ellátott tárcsa A forgásirányának meghatározására. balra
jobbra
B B
D Q
A
Q
⎧0 =⎨ ⎩1
Két fénysorompót (A és B) használnak minden tárcsához, a résekhez képest más-más helyzetben. Jobb és bal forgásiránynál különböző lesz az A és B impulzussorozatok fel- és lefutó éleinek egymáshoz viszonyított helyzete. Az egyik impulzussorozatot az órajelbemenetre, a másikat adatbemenetre kötve a D tároló kimenete a forgásirányt jelzi.
balra A
t
jobbra A
B Q
t
B 1 0
Q
1 0
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Mester-szolga RS tároló (master-slave RS flip-flop): Először az órajel felfutó élénél billenhet a mester tároló. Amíg az órajel 1, a pillanatnyi R és S állapotoknak megfelelő állapotba billen a mester flip-flop (Q’), ugyanekkor a (Q) kimenetek őrzik előző állapotukat, vagyis a szolga tároló reteszelt. Amikor az órajel 1-ről 0-ra vált (lefutó él) a mester flip-flop reteszelődik és az utolsó Q’ állapotnak megfelelő új Q állapotba billenhet azonnal a szolga flip-flop. S
mester
&
&
szolga
&
Q’
&
Q S Q
T R
T &
&
Q’
&
&
Q
Az S=1, R=1 bemeneti kombináció továbbra sem megengedett.
R Q
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Mester-szolga JK tároló (master-slave JK flip-flop): A mester-szolga RS tároló átalakított változata. A bemeneti NEM-ÉS kapukra visszavezetett (különböző) kimeneti állapotok a J=1, K=1 bemeneti kombinációnál megakadályozzák, hogy a mester tároló mindkét kimenetén 1-et állítson elő a szolga flip-flop számára. A keresztirányú visszavezetéssel ilyen esetben a szolga (RS) tároló aktuális állapotával ellentétes állapotát eredményező kombinációt ad tovább a mester tároló, vagyis a lefutó órajelnél a kimenet ellentétes állapotba billen át. J
&
mester
&
C K
&
Q’
szolga
&
C
Q
J Q
T &
&
Q’
&
&
K Q Q
A JK flip-flop a J=K=1 bemenetek esetén az órajel frekvenciáját képes felezni:
C Q
J K
Q
1→0 0 0
Q-1
1→0 0 1
0
1→0 1 0
1
1→0 1 1
(Q-1)
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Számlálók A bemenetre beérkezett impulzusok számát jelenítik meg a kimenetek.
Bináris számlálók A kimenetek kettes számrendszerbeli (bináris) számokat jelenítenek meg. Aszinkron bináris előreszámláló
C Q0 Q1 Q2 Q3
Q2
Q1
Q0
DEC
0
0
0
0
=0
0
0
0
1
=1
0
0
1
0
=2
0
0
1
1
=3
J Q0
J Q1
J Q2
J Q3
0
1
0
0
=4
0
1
0
1
=5
K Q0
K Q1
K Q2
K Q3
0
1
1
0
=6
0
1
1
1
=7
1
0
0
0
=8
1
0
0
1
=9
1
0
1
0
=10
1
0
1
1
=11
1
1
0
0
=12
1
1
0
1
=13
1
1
1
0
=14
1
1
1
1
=15
C 1
Q3
1
1
1 1 0
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Aszinkron bináris hátraszámláló
Q3
Q2
Q1
Q0
DEC
1
1
1
1
=15
1
1
1
0
=14
1
1
0
1
=13
1
1
0
0
=12
1
0
1
1
=11
1
1
0
1
0
=10
0
1
0
0
1
=9
1
0
0
0
=8
0
1
1
1
=7
Q1
0
1
1
0
=6
Q2
0
1
0
1
=5
0
1
0
0
=4
0
0
1
1
=3
0
0
1
0
=2
0
0
0
1
=1
0
0
0
0
=0
J Q0
J Q1
J Q2
J Q3
C K Q0 1 C Q0
Q3
K Q1 1
K Q2 1
K Q3 1
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Szinkron bináris előreszámláló Közös órajellel vezérelve a flip-flopokat a billenésük egyszerre következik be. Q3
Q2
Q1
Q0
DEC
0
0
0
0
=0
0
0
0
1
=1
0
0
1
0
=2
0
0
1
1
=3
0
1
0
0
=4
0
1
0
1
=5
0
1
1
0
=6
0
1
1
1
=7
1
0
0
0
=8
1
0
0
1
=9
Q1
1
0
1
0
=10
Q2
1
0
1
1
=11
1
1
0
0
=12
1
1
0
1
=13
1
1
1
0
=14
1
1
1
1
=15
&
J Q0 K Q0
J Q1 K Q1
&
J Q2 K Q2
&
átv.
J Q3 K Q3
1 C
C Q0
Q3
1 0
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
BCD számlálók (pl. 7490) A kimenetek BCD (binárisan kódolt decimális) számokat jelenítenek meg. Aszinkron BCD előreszámláló A BCD számlálónak a 10. órajelimpulzusra újra 0-ra kell visszaállnia. A 10. impulzusra egyrészt Q1 nem válthat 1-re, másrészt Q3-nak vissza kell váltani 0-ra. A B C D &
D
C
B
A
DEC
0
0
0
0
=0
0
0
0
1
=1
0
0
1
0
=2
0
0
1
1
=3
0
1
0
0
=4
J Q0
J Q1
J Q2
J Q3
0
1
0
1
=5
0
1
1
0
=6
K Q0
K Q1
K Q2
K Q3
0
1
1
1
=7
1
0
0
0
=8
1
0
0
1
=9
1
0
1
0
--
1
0
1
1
--
1
1
0
0
--
B
1
1
0
1
--
C
1
1
1
0
--
1
1
1
1
--
CLK
CLK A
D
1 0
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Léptetőregiszter (Shift-register) A léptetőregiszterben a flip-flopok által tárolt információ az órajelimpulzus hatására 1 flip-floppal (1 helyiértékkel/bittel) jobbra vagy balra tolódik el. Alkalmasak soros→párhuzamos és párhuzamos→soros átalakításra illetve késleltetésre. párhuzamos kimeneti vonalak pl. Din soros bemenet
J Q0 K Q0
J Q1 K Q1
J Q2 K Q2
J Q3 K Q3
Dout soros kimenet
C
Állandó 1-es állapotú bemenet esetén 4. lépésben a 4 bites a fenti léptetőregiszter négy 1-sel lesz feltöltve:
C Din
lépés
Q3
Q2
Q1
Q0
-
0
0
0
0
1.
0
0
0
D1
2.
0
0
Q1
D1
D2
3.
0
D1
D2
D3
Q2
4.
D1
D2
D3
D4
Q0
Q3
1 0
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
FÉLVEZETŐ TÁRAK Többfajta gyártástechnológiájú (MOSFET, bipoláris), tárolási módszerű (sztatikus, dinamikus, végleges) és címelérésű tároló típus létezik. Az elemi tárolócellák felépítésétől függően különböző típusokba sorolják a tárolókat: Félvezető tárak RAM sztatikus
ROM dinamikus
PROM
EPROM
EEPROM
PLA
- RAM írható-olvasható tároló (Random Acces Memory) - sztatikus (nincs szüksége frissítésre), pl. flip-flop-os tárolók - dinamikus (periodikus időközönként frissíteni kell a tartalmát), töltéstároló elem a tároló
- ROM (Read Only Memory)= csak olvasható tár - PROM (Programable ROM)= (csak egyszer) programozható tár - EPROM (Electronically PROM)= elektronikusan programozható és UV fénnyel törölhető - EEPROM (Ereasable EPROM) = elektronikusan programozható és törölhető - PLA (Programmed Logic Array) = (átkötések beiktatásával csak egyszer) programozható kombinációs logikai hálózat
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Leggyakrabban a tárolócellákat mátrix alakban rendezik el, de a cellák címzése (kiválasztása) folyamatossá tehető sor- és oszlopcímdekódolók alkalmazásával. pl. 64×1 bites tárolómátrix címzése:
a0 a1 a2
(8-ból 1 dekódoló)
x1 sorcímdekódoló
a5a4a3a2a1a0 000000 000001 000010 000011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 010111 011000
x0
A kiválasztott sor és oszlopvezeték kereszteződési pontjában levő cella adata írható be vagy olvasható ki. A cellák adatkimeneteinek VAGY kapcsolata adja a kimeneti adatot.
x2 x3 x4 x5 x6 x7 y0
y1
y2
y3
y4
y5
oszlopcímdekódoló (8-ból 1 dekódoló)
a3
a4
a5
y6
y7
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
A tárolócellák helyén több bites tárolók is elhelyezhetők, ekkor egy címmel egyszerre érhető el a mátrixpozícióban tárolt több bites adat.
RAS/CAS
x0,…,x127
(128-ból 1 dekódoló)
a6a5a4a3a2a1a0 0 0 0 0 0 0 0 – oszlopcím 0 0 0 0 0 0 0 – sorcím 0 0 0 0 0 0 0 – oszlopcím 0 0 0 0 0 0 1 – sorcím . . . . . . . . . . . .
a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6
ax1 ax2 ax3 ax4 ax5 ax6
sorcímdekódoló
Példa: multiplexelt címzésű 16k×1 bites tároló:
demultiplexer
Nagyszámú címvonal esetén csökkenthető a vonalak száma, ha demultiplexert alkalmaznak a címdekódolók előtt, de ekkor viszont csak 2 lépésben (sorcím, we oszlopcím) címezhető dout din ax0 meg egy cella. 16384×1 bit tárolómátrix
y0,…,y127 oszlopcímdekódoló (128-ból 1 dekódoló)
ay0 ay1 ay2 ay3 ay4 ay5 ay6
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
Digitális rendszerekben egyszerre több tároló integrált áramkör is alkalmazható, ha további címvonalakat az IC-k kiválasztására használják fel. pl. 4 db 16k×1 bites tároló IC címzése: a8a7a6a5a4a3a2a1a0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 – 0. IC legelső tárrekesze 0 1 0 0 0 0 0 0 0 – 1. IC legelső tárrekesze 1 0 0 0 0 0 0 0 0 – 2. IC legelső tárrekesze 1 1 0 0 0 0 0 0 0 – 3. IC legelső tárrekesze
IC kiválasztás
címvonalak
R/W a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8
(4-ból 1 dekódoló)
d
IC0
IC1
IC2
IC3
CS
CS
CS
CS
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
A közös adatvonalra csak speciális 3 állapotú kimenettel ellátott áramkör köthető. pl. háromállapotú NEM-KAPU (inverter) felépítése és rajzjele: +5V
EN
&
EN x
T2
y
x
&
T1
EN
x
EN
y
y
0
0 nagyimp.
0
1 nagyimp.
1
0
1
1
1
0
Az EN engedélyező vonal 0 állapotánál a kimenet nagyimpedanciás (3.) állapotba kerül és így leválik a további áramkörökről.
F1301 Bev. az elektronikába
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
PLA (Programmed Logic Array) felépítése: A ROM teljes tartalmát leíró (cím-tárolt adat) lista igazságtáblázatként is tekinthető. Ha ebben az igazságtáblázatban a kimeneti oldalon csak kevés 1-es van, akkor egyszerű a logikai függvény diszjunktív normálalakja is. Ekkor gazdaságosabb a logikai függvény megépítése, mint az összes adatot tárolómátrixban tárolni. A logikai függvény az előre kialakított alapon átkötésekkel megvalósítható. pl.:
x2 x1 x0
y
0
0
0
0
0
0
1
1
Általánosan:
0
1
0
0
Az áramkör megvalósításához n db
0
1
1
0
bemeneti változó és N db kimeneti
1
0
0
0
1-es esetén, N db n bemenetű ÉS
1
0
1
0
kapu és egy N bemenetű VAGY kapura van szükség.
1
1
0
1
1
1
1
0
x0 x1 x2
&
&
≥1
y
