Среднее Заочное отделение / 4 семестр / Цифровые и микропроцессорные устройства / Электронный конспект лекций (ЦиМПУ)

Схема ПЛМ на вентильном уровне показана на рисунке 2.27. Крестики в пересечениях горизонтальных и вертикальных линий обозначают программируемые точки связей (ПТС).

Матрица элементов И

Рисунок 2.27 – Схема ПЛМ на вентильном уровне

В первой ситуации незапрограммированная ПЛМ имеет соединения во всех пересечениях, а при ее программировании часть соединений удаляется. Как видно из схемы, в этом случае в исходном состоянии все термы и функции независимо от входных переменных имеют нулевые значения, так как на входы схем И подаются одновременно прямые и инверсные значения аргументов, а Xi ∙ Xi = 0. Элементами связей в матрице И служат диоды, соединяющие горизонтальные и вертикальные шины, как показано на рисунке 2.28, а, изображающем цепи выработки терма ti.

До программирования все перемычки целы и диоды размещены во всех узлах матрицы И. При программировании в схеме оставляют только необходимые элементы связи, а ненужные устраняются пережиганием перемычек. Вы-

121

сокий уровень на выходе конъюнктора (рисунок 2.27) появится при наличии высоких напряжений на всех входах (все диоды заперты). Если же хотя бы на одном входе низкий уровень напряжения, то фиксируется низкий уровень напряжения (диод открыт).

Элементами связи в матрице ИЛИ служат транзисторы (рисунок 2.28,б), включенные по схеме эмиттерного повторителя относительно линий термов и образующие схему ИЛИ относительно горизонтальной линии выхода ПЛМ. В данном случае схема ИЛИ реализована за счет параллельного соединения эмиттерных повторителей.

При изображении запрограммированных матриц наличие элементов связей (целые перемычки) отмечается точкой в соответствующем узле.

Рисунок 2.28 – ПЛМ схемотехники ТТЛШ. Элементы связей в матрицах И (а) и ИЛИ (б)

Во второй ситуации все соединения отсутствуют, входные сигналы в схему не поступают. Значения термов и функций определяются внутренними цепями ПЛМ, как правило, они единичны. При программировании формируются необходимые термы, из которых и составляются требуемые функции.

Переменные x1, x2, …, xm подаются через БВх (рисунок 2.26) на входы элементов И. В матрице И формируются термы, число которых равно числу конъюнкторов, т. е. числу выходов матрицы И. Далее термы подаются на входы матрицы ИЛИ, т. е. на входы дизъюнкторов, формирующих выходные функции. Число дизъюнкторов равно числу вырабатываемых функций n.

Таким образом, ПЛМ реализует ДНФ воспроизводимых функций. ПЛМ спо-

собна реализовать систему n логических функций от m аргументов, содержащую не более k термов, т. е. представляет собой усеченное ПЗУ.

Например, однократно программируемая БИС ПЛМ К556РТ1 выполнена по схемотехнике ТТЛШ. Эта микросхема реализует восемь функций от шестна-

122

дцати переменных, общее число конъюнкций (термов) для всех функций не должно превышать 48.

В программируемых матрицах логики по сравнению с ПЛМ программиру-

ются только термы, т. е. конъюнкции переменных для СДНФ. Элементы ИЛИ зафиксированы и имеют, как правило, семь-восемь входов.

Контрольные вопросы и задачи к теме 2.1

1 Поясните причину возникновения «опасных состязаний» в цифровых устройствах и укажите способы исключения их воздействия.

2 Укажите способы схемотехнической реализации логических функций и поясните принцип построения программируемых логических матриц.

3 Какой вид дешифратора называется десятичным? Подсчитайте аппаратные затраты при реализации десятичного дешифратора одноступенчатого типа.

4 Какой вид шифратора называется приоритетным?

5 Укажите достоинства и недостатки первого подхода построения ПК.

6 Укажите достоинства и недостатки структурированного варианта схемы мультиплексора.

7 Подсчитайте требуемое число мультиплексоров и разрядность адреса для построения схемы мультиплексорного дерева на 256 входов на основе мультиплексоров на 16 входов. Укажите адрес входа X255.

8 Поясните, как на основе демультиплексора построить дешифратор?

9 Укажите достоинства и недостатки многоразрядных двоичных сумматоров последовательного действия.

10 Сколько инверторов и дизъюнкторов содержит ПЛМ, если она реализует восемь логических функций от шестнадцати аргументов?

11 Какие элементы связи используются в матрице И ПЛМ? Начертите схему и поясните принципы работы.

123

Тема 2.2 Триггерные устройства

2.2.1 Общие сведения о триггерах

Триггером называется ПЦУ, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояние в другое.

Одно состояние называется единичным, а второе – нулевым. В общем случае триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный , поскольку логическое состояние одного выхода всегда инверсно логическому состоянию другого. Состояние триггера определяется логическим уровнем на прямом выходе. Если, например, на прямом выходе высокий уровень, соответствующий лог. 1, то триггер находится в единичном состоянии или установлен (при этом на инверсном выходе уровень, соответствующий лог. 0). Если на прямом выходе низкий уровень, соответствующий лог. 0, то триггер находится в нулевом состоянии или сброшен (и при этом уровень на инверсном выходе соответствует лог. 1).

Триггеры классифицируются по следующим признакам.

По функциональному признаку, т. е. по виду характеристического уравнения, связывающего логические переменные на входах и выходах триггера в момент срабатывания tn и после срабатывания tn+1, различают RS-, D-, T-, JK-триггеры и др.

По способу записи информации триггеры делятся на асинхронные (не тактируемые) и синхронные (тактируемые). В асинхронных триггерах запись информации происходит под действием изменений входных сигналов с момента подачи их на информационные входы. В синхронных триггерах запись информации происходит только при подаче сигнала синхронизации.

Синхронные триггеры в свою очередь подразделяются на три категории в зависимости от того, какие параметры синхросигнала используются для записи информации:

-со статическим управлением (тактируемые уровнем);

-двухступенчатые, управляемые синхроимпульсом;

-с динамическим управлением (тактируемые фронтом);

Синхронный триггер со статическим управлением воспринимает инфор-

мационные сигналы, когда синхросигнал достигает своего активного уровня.

124

Характерной особенностью этого типа триггеров является то, что смена информационного сигнала в течение времени действия импульса синхронизации вызывает новое срабатывание триггеров, т. е. синхронные триггеры со статическим управлением при активном уровне синхросигнала ведут себя подобно асинхронным. При окончании действия синхроимпульса триггер «защелкивает» последнее значение информационного сигнала, т. е. переходит в режим хранения.

Асинхронные триггеры и синхронные триггеры со статическим управлением имеют ограниченное применение. Например, эти триггеры не могут использоваться в счетчиках или регистрах сдвига. В зарубежной литературе такие триггеры относятся к Latch типу (от англ. Latch – защелка). Двухступенчатые триггеры, управляемые импульсом, и триггеры с динамическим управлением являются более универсальными и относятся к FF типу (от англ. Flip-Flop).

Двухступенчатые триггеры, управляемые импульсом, воспринимают информационные сигналы, когда синхросигнал изменяет свое состояние с низкого на высокое, а затем снова на низкое, т. е. управляются импульсом. В двухступенчатых триггерах переход в новое состояние происходит после окончания действия синхроимпульса, т. е. при низком уровне на входе синхронизации С.

Синхронный триггер с динамическим управлением воспринимает инфор-

мационные сигналы только в момент действия положительного перехода (переход 0 1 = ↑) или в момент действия отрицательного перехода (переход от 1 0 = ↓) синхроимпульса. Вход триггера C называется прямым динамическим, если переключение триггера осуществляется положительным перепадом импульса синхронизации. Если же переключение триггера осуществляется отрицательным перепадом импульса синхронизации, то вход триггера С называется инверсным динамическим. Характерной особенностью триггеров с динамическим управлением является то, что в остальное время импульса синхронизации триггер не реагирует на информационные сигналы и остается в предыдущем состоянии независимо от уровня синхросигнала.

В таблице 2.7 показаны УГО различных типов входов синхронизации С в синхронных триггерах, а также временные диаграммы процессов переключения.

125

Рисунок 2.29 – Определение параметров предустановки и выдержки для синхронных триггеров

ние времен предустановки и выдержки обеспечивает правильное восприятие триггером входной информации.

Ряд других временных параметров триггеров непосредственно связан с задержкой сигнала при прохождении через триггер и не требует специальных пояснений.

2.2.2 Асинхронные RS-триггеры

Асинхронный RS-триггер – это ПЦУ с двумя устойчивыми состояниями, имеющее вход установки S (от англ. Set – установка), вход сброса R (от англ. Reset – сброс) и два выхода Q и . УГО асинхронного RS-триггера (рисунок

T Q

S

Q

R

Рисунок 2.30 – Условное графическое обозначение асинхронного RS-триггера

2.30) представляет собой прямоугольник с аббревиатурой T во внутреннем поле (от англ. Trigger – спусковой крючок). Асинхронный RS-триггер функционирует в соответствии с таблицей состояний (таблица 2.8).

127

Таблица 2.8 – Таблица состояний асинхронного RS-триггера

состояние, т. е. триггер хранит один бит информации.

Если Sn = 1 и Rn = 0, то независимо от предыдущего состояния Qn следующее состояние триггера будет единичным, т. е. Qn+1 = 1.

Если Sn = 0 и Rn = 1, то независимо от предыдущего состояния Qn следующее состояние триггера будет нулевым, т. е. Qn+1 = 0.

Комбинация входных сигналов Sn = Rn = 1 является запрещенной, поскольку триггер после воздействия на входе активных уровней может равновероятно перейти как в нулевое, так и в единичное состояние. Поэтому одновременная подача активных уровней на входы S и R не допускается.

Из таблицы 2.8 следует, что входные и выходные переменные триггера в

где Sn, Rn – состояние информационных входов;

Qn – значение выходного сигнала триггера в момент времени tn; Qn+1 – значение выходного сигнала триггера в момент времени tn+1.

Эта зависимость называется характеристическим уравнением триггера. Для получения характеристического уравнения асинхронного RS-триггера на основании таблицы 2.8 заполним карты Карно для прямого Q и инверсного

128

выхода . В последнем случае значения функции на карте Карно следует считать инверсными (рисунок 2.31).

Рисунок 2.31 – Карты Карно для минимизации выходных функций асинхронного RSтриггера в ДНФ.

Выполним необходимые объединения на картах Карно с учетом неопределенностей и запишем логические функции в МДНФ.

Выражения (2.18) и (2.19) могут быть использованы для построения RSтриггера в базисе ИЛИ-НЕ, а также в базисе И-НЕ.

Используя свойства инверсии и правило де Моргана преобразуем выражения (2.18) и (2.19) в базис ИЛИ-НЕ.

Реализация асинхронного триггера в базисе ИЛИ-НЕ по выражениям (2.20) и (2.21) показана на рисунке 2.32, а и б.

Обычно логическая схема асинхронного RS-триггера изображается с расположением элементов ИЛИ-НЕ как показано на рисунке 2.32, в.

При анализе работы RS-триггера, при синтезе других триггеров используется таблица переходов RS-триггеров (таблица 2.9), которая определяет комбинации входных сигналов необходимых для того или иного перехода.

129

1 Q

S в)

Рисунок 2.32 – Логические схемы асинхронного RS-триггера в базисе ИЛИ-НЕ

Таблица 2.9 – Таблица переходов RS-триггера

На рисунке 2.33 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы асинхронного RS-триггера (рисунок 2.32, в).

Для устойчивого функционирования триггера длительность сигнала на входах S и R должна быть не меньше времени переключения триггера 2tзд.лэ (рисунок 2.33). Информационные сигналы должны поступать на входы поочередно и только после окончания переходных процессов в триггере, тогда максимальная частота переключения триггера будет равна:

[Гц]. (2.22)

130