3 października 2012
Wojciech Kucewicz
1
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
1
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
2
Cyfrowe
układy
sekwencyjne
Cyfrowe
układy
sekwencyjne
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
3
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne to takie układy logiczne, których stan
wyjść zależy nie tylko od aktualnego stanu wejść, lecz
również od poprzednich stanów wejść i wyjść.
Układy sekwencyjne pamiętają historię stanów systemu,
czyli posiadają pamięć.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
4
Opis układów
sekwencyjnych
Opis układów
sekwencyjnych
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
5
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne
Układ sekwencyjny składa się z logicznego
układu
kombinacyjnego
i
rejestru
, który zapamiętuje stan systemu.
Combinational
Logic Unit
Register
Q D
Inputs
Outputs
Next State
Current State
Clock
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
6
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne
Ze względu na sposób funkcjonowania rozróżniamy:
synchroniczne
układy sekwencyjne
, które reagują na zmianę stanu wejściowego
tylko w dyskretnych chwilach czasowych, określonych przez
okresowy sygnał zewnętrzny zwany sygnałem zegarowym. Sygnał ten
doprowadzony jest do rejestru (bloku pamięciowego).
Każdy kolejny stan wewnętrzny jest wytwarzany synchronicznie z
impulsami zegarowymi.
Combinational
Logic Unit
Register
Q D
Inputs
Outputs
Next State
Current State
Clock
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
7
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne
Combinational
Logic Unit
Register
Q D
Inputs
Outputs
Next State
Current State
Clock
Synchroniczny układ sekwencyjny
Clock
Input
Output
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
8
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne
Ze względu na sposób funkcjonowania rozróżniamy:
asynchroniczne
układy sekwencyjne
, które reagują natychmiast na zmianę stanu
wejściowego. Układy asynchroniczne nie mają wejścia zegarowego
Combinational
Logic Unit
Register
Q D
Inputs
Outputs
Next State
Current State
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
9
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne
Combinational
Logic Unit
Register
Q D
Inputs
Outputs
Next State
Current State
Asynchroniczny układ sekwencyjny
Input
Current
Output
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
10
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne
Układy sekwencyjne mogą reagować w dwojaki sposób na sygnały
wejściowe:
Jeżeli układ reaguje na poziomy sygnałów wejściowych to taki układ
określa się jako
statyczny (wyzwalany poziomem)
.
Jeżeli układ reaguje na zmiany poziomów sygnałów wejsciowych to
taki układ nazywamy
dynamicznym (wyzwalany zboczem)
.
Combinational
Logic Unit
Register
Q D
Inputs
Outputs
Next State
Current State
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
11
Przerzutniki
Przerzutniki
Cyfrowe układy sekwencyjne
Cyfrowe układy sekwencyjne
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
12
Przerzutniki
Przerzutniki
Podstawowymi układami sekwencyjnymi są przerzutniki.
Symbolem graficznym przerzutnika jest prostokąt posiadający
wejścia informacyjne (np. S, R, J, K, D, T) i sterujące (CLK) oraz
wyjścia stanowiące komplementarną parę (Q i Q’).
Istnieją cztery zasadnicze typy przerzutników:
SR, JK, T, D
Definicje przerzutników opisuje norma IEC 617 - 12
T Q’
Clk Q
Res
D Q’
Clk Q
Res
R Q’
S Q
Res
Clk
J Q’
K Q
Res
Clk
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
13
Rodzaje przerzutników
Rodzaje przerzutników
Przerzutniki
Asynchroniczne
Synchroniczne
Wyzwalane
poziomem sygnału
Wyzwalane
zboczem sygnału
Wyzwalane
poz. wysokim
Wyzwalane
poz. niskim
Wyzwalane
zboczem dodatn.
Wyzwalane
zboczem ujemn.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
14
Rodzaje przerzutników
Rodzaje przerzutników
Przerzutniki
Asynchroniczne
Synchroniczne
Wyzwalane
poziomem sygnału
Wyzwalane
zboczem sygnału
Wyzwalane
poz. wysokim
Wyzwalane
poz. niskim
Wyzwalane
zboczem dodatn.
Wyzwalane
zboczem ujemn.
Zatrzaski (SR)
Zatrzaski
Bramkowane (SR, D)
Przerzutniki
flip-flop(SR, D, JK, T)
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
15
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem
wysokim
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem
wysokim
Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy wysokim poziomie sygnału
zegarowego (transparent mode). Przy niskim poziomie sygnału zegarowego stan
wyjścia pozostaje bez zmian (hold mode)
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem wysokim
Clock
D
Q
D Q’
Clk Q
Res
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
16
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem
niskim
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem
niskim
Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy niskim poziomie sygnału
zegarowego (transparent mode). Przy wysokim poziomie sygnału zegarowego stan
wyjścia pozostaje bez zmian (hold mode)
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem niskim
Clock
D
Output
D Q’
Clk Q
Res
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
17
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany
zboczem dodatnim sygnału zegarowego
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany
zboczem dodatnim sygnału zegarowego
Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy przejściu sygnału zegarowego
ze stanu 0 do 1.
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany zboczem dodatnim
Clock
D
Output
Master
Slave
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
18
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany
zboczem ujemnym sygnału zegarowego
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany
zboczem ujemnym sygnału zegarowego
Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy przejściu sygnału zegarowego
ze stanu 1 do 0.
Przerzutnik synchroniczny wyzwalany zboczem ujemnym
Clock
D
Output
Master
Slave
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
19
Parametry
przerzutników
Parametry
przerzutników
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
20
Parametry przerzutników
Parametry przerzutników
Zmiana stanu przerzutnika następuje zawsze z pewnym opóźnieniem
względem chwili osiągnięcia wartości progowej napięcia przez zbocze impulsu
inicjującego zmianę stanu.
Dlatego definiuje się parametry dynamiczne przerzutnika:
• czas propagacji sygnałów od wejścia zegarowego do wyjść Q i
nQ,
• czasy propagacji sygnałów od wejść asynchronicznych do wyjść
Q i nQ,
• czas ustalania t
s
(setup time)
• czas przetrzymywania t
h
(hold time)
• minimalny czas trwania określonych sygnałów t
w
• maksymalna częstotliwość przebiegu synchronizującego
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
21
Parametry przerzutników
Parametry przerzutników
Czas ustalania t
s
jest to minimalny czas , w którym sygnał wejściowy musi być obecny
na wejściach informacyjnych (synchronizowanych) przerzutnika przed nadejściem
wyzwalającego zbocza impulsu
Czas przetrzymywania t
h
jest to minimalny czas, w którym sygnał wejściowy musi
pozostać na wejściu informacyjnym po wystąpieniu wyzwalającego zbocza sygnału
zegara
Minimalny czas trwania sygnału t
w
jest to czas, w którym sygnał nie zmienia swego
stanu
D
Clk
50%
50%
t
s
t
h
t
w
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
22
Zatrzask
SR
Zatrzask
SR
Zatrzask SR
Zatrzask SR
R
S
Q
nQ
0
0
1
1
1
0
1
0
Not used
Not used
0
1
0
0
0
1
Q
nQ
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
23
Zatrzask SR ma dwa wejścia: S (set-ustawianie), R (reset- zerowanie).
Gdy wejście S = 0 i R = 1 wówczas na wyjściu Q jest stan 0
Gdy wejście S = 1 i R = 0 wówczas na wyjściu Q jest stan 1
Gdy wejście S = 0 i R = 0 wówczas na wyjściu Q utrzymany jest stan poprzedni
Stany logiczne S = 1 i R = 1 są zabronione ze względu na sprzeczność w opisie wyjść
Zatrzask SR
Zatrzask SR
R
S
Q
nQ
0
0
1
1
1
0
1
0
Not used
Not used
0
1
0
0
0
1
Q
nQ
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
24
Zatrzask SR
R
S
Q
Not used
Stan wysoki wyjścia Q jest utrzymywany do zresetowania przerzutnika
Zatrzask SR
Zatrzask SR
t
t+
R
S
Q
+
nQ
+
0
0
1
1
1
0
1
0
Not used
Not used
0
1
0
0
0
1
Q
nQ
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
25
SR
Q
00
01
11
10
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
Q
+
= SR’ + R’Q =R’(S + Q)
Q
+
= S + QR’
Przy założeniu, że SR=0 Q
+
= R’S + RS + R’Q
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
26
Zastosowanie zatrzasku SR
Zastosowanie zatrzasku SR
R
S
Q
nQ
0
1
1
0
1
0
0
1
Generator sygnałów zegarowych do rejestru przesuwnego
Clock
n
n
Clock
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
27
Zatrzask SR
Zatrzask SR
R
S
Q
nQ
Przerzutnik SR ma dwa wejścia: S (set-ustawianie), R (reset- zerowanie).
0
0
1
1
1
0
1
0
Not used
Not used
0
1
0
0
0
1
Q
nQ
Gdy wejście S = 0 i R = 1 wówczas na wyjściu Q jest stan 0
Gdy wejście S = 0 i R = 0 wówczas na wyjściu Q utrzymany jest stan poprzedni
Gdy wejście S = 1 i R = 0 wówczas na wyjściu Q jest stan 1
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
28
Zatrzask SR bramkowany
Zatrzask SR bramkowany
Dla synchronizacji przełączania przerzutnika stosuje się dodatkowe wejście
synchronizujące (Clock).
Jeżeli sygnał zegarowy jest w stanie 0 to bez względu na stan wejść R i S oba wejścia
przerzutnika S’ i R’ są w stanie 1, czyli wyjścia Q i nQ nie zmieniają stanu.
Jeżeli sygnał zegarowy jest w stanie 1 to stany wejść R i S są na wejściach
przerzutnika S’ i R’ zaprzeczone - przerzutnik może zmieniać stany wyjść Q i nQ
Stan R = S = 1 jest zabroniony.
Q
nQ
Clock
S
R
S’
R’
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
29
Zatrzask SR bramkowany
Zatrzask SR bramkowany
Dla synchronizacji przełączania przerzutnika stosuje się dodatkowe wejście
synchronizujące (Clock).
Jeżeli sygnał zegarowy jest w stanie 0 to bez względu na stan wejść R i S oba wejścia
przerzutnika S’ i R’ są w stanie 1, czyli wyjścia Q i nQ nie zmieniają stanu.
Jeżeli sygnał zegarowy jest w stanie 1 to stany wejść R i S są na wejściach
przerzutnika S’ i R’ zaprzeczone - przerzutnik może zmieniać stany wyjść Q i nQ
Stan R = S = 1 jest zabroniony.
Clock
S
R
nQ
Q
S Q
R Q’
CLK
R
S
Q
nQ
0
x
x
Q
nQ
1
0
0
Q
nQ
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
30
Zatrzask SR bramkowany
Zatrzask SR bramkowany
Przerzutnik SR
Clock
R
S
Q
Not used
Q
nQ
Clock
S
R
Q
nQ
Clock
S
R
Q
nQ
Clock
S
R
Q
nQ
Clock
S
R
Q
nQ
Clock
S
R
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
31
Zatrzask SR bramkowany
Zatrzask SR bramkowany
CLK
R
S
Q
nQ
0
x
x
Q
nQ
1
0
0
Q
nQ
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
Clock
S
R
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
S
R
nQ
Q
S Q
R Q’
Clk
SR
QC
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
0
1
1
11
1
0
1
1
10
1
1
1
1
Q
+
= C(S + QR’) +C’Q
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
32
SR Clocked Latch
SR Clocked Latch
Q
S
et
R
eset
notQ
CLK
CLK
V
SS
V
DD
CLK
R
S
Q
nQ
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
Q
nQ
0
0
1
Q
nQ
0
1
0
Q
nQ
0
0
0
Q
nQ
Only 8 transistors
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M8
M7
The output can only change state while the CLK input is a logic 1.
When CLK is a logic 0, the S and R inputs will have no effect.
Slave
Master
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
33
Przerzutnik SR wyzwalany zboczem
opadającym
Przerzutnik SR wyzwalany zboczem
opadającym
Przerzutnik SR flip-flop zbudowany jest z dwóch bramkowanych zatrzasków SR,
które są sterowane przez komplementarne stany sygnału zegarowego Clock.
Pierwszy zatrzask od strony wejścia nosi nazwę Master, a drugi Slave.
Jeżeli zatrzask Master jest w stanie aktywnym (transparent mode) to zatrzask Slave
jest nieaktywny (hold mode) i odwrotnie.
Ten stan realizuje się poprzez odwracanie na inwerterze stanu logicznego zegara
jednego z zatrzasków.
Slave
Master
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
34
Przerzutnik SR wyzwalany zboczem
opadającym
Przerzutnik SR wyzwalany zboczem
opadającym
Przerzutnik SR
Clock
R
S
Q
Not usedNot used
Slave
Master
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
35
Przerzutnik SR wyzwalany zboczem
narastającym
Przerzutnik SR wyzwalany zboczem
narastającym
Clock
S
R
S Q
R Q’
Clk
nQ
Q
S Q
R Q’
Clk
Jeżeli sygnał zegarowy jest bezpośrednio podawany na zatrzask SR
Master, a zanegowany na zatrzask Slave to przerzutnik wyzwalany jest
zboczem opadającym.
Jeżeli sygnał zegarowy podawany na zatrzask SR Master jest zanegowany,
a na zatrzask Slave niezanegowany to przerzutnik wyzwalany jest
zboczem narastającym.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
36
Przerzutnik
JK
Przerzutnik
JK
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
37
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK
Przerzutnik typu JK ma wejścia informacyjne (J i K), zegarowe (C), wyjście proste
(Q) i jego negację (nie Q), może też mieć wejście kasujące (restartu) (R) i ustawiające
(S).
Przerzutnik jest przerzutnikiem synchronicznym, co oznacza, że zmienia stan przy
zmianie stanu wejścia zegarowego z niskiego na wysoki (0 na 1)-wyzwalanie zboczem
narastającym lub przy zmianie stanu wejścia zegarowego z wysokiego na niski (1 na 0)-
wyzwalanie zboczem opadającym .
Nazwa przerzutnika JK pochodzi od imienia i nazwiska Jacka Kilby, inżyniera
amerykańskiego, wynalazcy układów scalonych.
J Q’
K Q
Res
Clk
Set
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
38
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK jest zaprojektowany w taki sposób, że nie ma stanów zabronionych.
Wejściowe bramki NAND są 3 wejściowe. Na dodatkowe wejścia doprowadzony jest
sygnał z wyjść Q i nQ. Ponieważ wyjścia Q i nQ mają zawsze różne stany, więc
niemożliwe jest wystąpienie na obu bramkach wejściowych samych 1 (stan
zabroniony).
Wejścia informacyjne
J i K
, odpowiadają wejściom
S i R
przerzutnika SR.
Clock
J
K
Q
nQ
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
39
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK
Clock
J
K
Q
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
40
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK
J
K
Q
nQ
0
0
Q
nQ
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
nQ
Q
W przypadku jednoczesnego podania sygnałów 1
na wejścia J i K, jego stan będzie się zmieniał po
każdym impulsie zegara.
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
Clock
J
K
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
41
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK
J
n
K
n
Qn
00
01
11
10
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
Q
n+1
= Q’
n
J
n
+ Q
n
K’
n
Funkcję realizowaną przez przerzutnik JK można wyznaczyć z tablicy Karnaugh
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
42
Przerzutnik
D
Przerzutnik
D
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
43
Zatrzask bramkowany D
Zatrzask bramkowany D
CLK
D
Q
nQ
0
x
Q
nQ
1
1
1
0
1
0
0
1
Aby wyeliminować stan zabroniony (R=1, S=1) synchronicznego
przerzutnika SR można na wejście wprowadzić dodatkowy inwerter zapewniający
warunek R = S’.
Taki przerzutnik ma jedno wejście i nazywany jest synchronicznym
przerzutnikiem typu D lub zatrzaskiem D bramkowanym.
Q
nQ
Clock
D
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
44
Zatrzask bramkowany D
Zatrzask bramkowany D
CLK
R
S
Q
nQ
0
0
1
Q
nQ
0
1
0
Q
nQ
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
Przerzutnik D
Clock
D
Q
Stan wejścia D jest przenoszony na wyjście tylko przy wysokim (1) stanie zegara
Q
nQ
Clock
D
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
45
Zatrzask bramkowany D
Zatrzask bramkowany D
Przerzutnik D
realizuje funkcję przepisywania informacji z wejścia D na wyjście
Q
z opóźnieniem jednego impulsu taktującego. Nazwa pochodzi od angielskiego słowa
Delay = opóźnienie
Funkcję realizowaną przez przerzutnik D można wyznaczyć tablicy Karnaugh:
D
n
Qn
0
1
0
0
1
1
0
1
Q
n+1
= D
n
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
46
Zatrzask bramkowany D
Zatrzask bramkowany D
Górna bramka NAND daje na wyjściu zanegowany sygnał D.
Wobec tego schemat układu przerzutnika D można uprościć zastępując inwerter
połączeniem wyjścia tej bramki z jednym z wejść bramki dolnej.
D’
Q
nQ
Clock
D
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
47
Przerzutnik D wyzwalany zboczem impulsu
Przerzutnik D wyzwalany zboczem impulsu
Przerzutnik D wyzwalany zboczem można zrealizować łącząc szeregowo dwa
przerzutniki D typu zatrzask sterowane dopełniającymi się sygnałami zegarowymi.
Gdy sygnał zegarowy jest w stanie 1 stan wejścia D jest przenoszony na wyjście
przerzutnika Master, a przy przejściu zegara ze stanu 1 na 0 sygnał jest przeniesiony
na wyjście Q. Przerzutnik jest wyzwalany zboczem opadającym.
Master
Slave
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
48
Przerzutnik D wyzwalany zboczem
impulsu
Przerzutnik D wyzwalany zboczem
impulsu
Przerzutnik D
Clock
D
Q
M
Q
Master
Slave
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
49
Przerzutnik D wyzwalany zboczem
impulsu
Przerzutnik D wyzwalany zboczem
impulsu
Aby przerzutnik był wyzwalany zboczem narastającym należy odwrócić fazę zegara.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
50
The D Flip-flop (Edge Trigged Latch)
The D Flip-flop (Edge Trigged Latch)
notQ
D
ata
C
lock
Q
D flip-flop
Clock
Reset
Data
notQ
Q
R
eset
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
51
The D Flip-flop (Edge Trigged Latch)
The D Flip-flop (Edge Trigged Latch)
notQ
D
ata
C
lock
Q
D flip-flop
Clock
Reset
Data
notQ
Q
R
eset
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
52
Przerzutnik T
Przerzutnik T
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
53
T Flip-flop
T Flip-flop
Przerzutnik T
Clock
Q
T (Clk)
1
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
T (Clk)
1
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
T (Clk)
1
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
T (Clk)
1
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
T (Clk)
1
S Q
R Q’
nQ
Q
S Q
R Q’
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
54
Liczniki
Liczniki
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
55
Licznik
Licznik
Liczniki są sekwencyjnymi układami cyfrowymi, które zliczają impulsy podane
na ich wejście.
Budowane są z n przerzutników synchronicznych odpowiedni ze sobą
połączonych.
W licznikach dwójkowych n oznacza liczbę bitów licznika, czyli liczbę
znaków w liczbie binarnej, reprezentującej stan licznika.
Liczbę stanów przyjmowanych przez licznik w jednym pełnym cyklu nazywa
się długością cyklu (pojemnością licznika).
Jeśli licznik ma p różnych stanów, przez które przechodzi cyklicznie, to
określa się go jako licznik modulo p.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
56
Licznik
Licznik
Ze względu na długość cyklu liczniki możemy podzielić na:
liczniki o stałej długości cyklu
liczniki o programowalnej długości cyklu
Jeżeli kolejne liczby reprezentujące stan licznika wzrastają w trakcie
liczenia impulsów to takie liczniki nazywamy licznikami zliczającymi w przód
W przeciwnym razie, gdy stany licznika maleją, nazywamy je licznikami
zliczającymi wstecz.
Liczniki mogące zliczać w przód i wstecz nazywa się licznikami
dwukierunkowymi lub rewersyjnymi.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
57
Licznik
Licznik
Jednym z kryterów podziału liczników może być sposób oddziaływania
impulsów zliczanych na stan przerzutników licznika. Liczniki wg tej
klasyfikacji dzielimy na:
synchroniczne,
asynchroniczne,
asynchroniczno-synchroniczne.
W liczniku synchronicznym impulsy zliczane sa podawane na wejścia
zegarowe wszystkich przerzutników.
W liczniku asynchronicznym oraz asynchroniczno-synchronicznym impulsy
zliczane podaje się tylko na jedno lub niektóre z wejść zegarowych
przerzutników licznika.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
58
Licznik
Licznik
Liczniki charakteryzuje się w oparciu o następujące parametry:
szybkość działania,
czas ustalania zawartości licznika
Szybkość działania określa się przez podanie maksymalnej dopuszczalnej
częstotliwości f
max
impulsów zliczanych.
Czas ustalania zawartości licznika jest to czas w którym nastąpią zmiany
stanów wszystkich przerzutników ( maksymalnie jest to suma czasów
propagacji wszystkich przerzutników).
W licznikach synchronicznych wejścia zegarowe wszystkich przerzutników są
połączone, co zapewnia jednoczesność zmian stanów przerzutników.
Sposób działania tych liczników zależy od realizacji funkcji przełączających
dla wejść informacyjnych.
Rozróżnia się:
liczniki synchroniczne z przeniesienia równoległymi (parallel carry)
liczniki synchroniczne z przeniesieniami szeregowymi (ripple carry)
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
59
Liczniki
asynchroniczne
Liczniki
asynchroniczne
D Q’
Clk
Q
Res
CLK
Q
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
60
Licznik asynchroniczny z przerzutników D
Licznik asynchroniczny z przerzutników D
Licznik asynchroniczny
Clock
R
D
Q
Asynchroniczny licznik dwójkowy można zrealizować tworząc
szeregowy łańcuch przerzutników D, przy czym każdy ma
wyjście nQ połączone z wejściem D oraz wyjście Q jednego
jest połączone z wejściem CLK następnego.
1
0
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
61
Licznik asynchroniczny
Licznik asynchroniczny
Clock
X0
X1
X2
X3
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
Przerzutnik D przełącza się przy
opadającym zboczu sygnału na wejściu
zegarowym
X0
X1
X2
X3
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
62
Licznik asynchroniczny liczący w przód
Licznik asynchroniczny liczący w przód
Clk
Res
X0
X1
X2
X3
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 0
1 1
0
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0
1 1
1 1
0
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1
1 1
1 1
1 1
0
X0
X1
X2
X3
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
63
Licznik asynchroniczny liczący wstecz
Licznik asynchroniczny liczący wstecz
Clk
Res
X0
X1
X2
X3
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1
X0
X1
X2
X3
Aby licznik złożony z
przerzutników D zliczał
wstecz wystarczy
podłączyć wyjścia do
zanegowanych wyjść
przerzutników
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
64
Licznik asynchroniczny modulo n
Licznik asynchroniczny modulo n
Licznik złożony z n przerzutników
liczy od 0 do 2
n
– 1. Aby uzyskać
inny zakres licznika należy
zastosować sprzężenie zwrotne,
resetujące licznik po wymaganej
ilości stanów. Np. Można
zbudować licznik dziesiętny.
Zanim licznik zostanie
wyzerowany pojawia się kawałek
następnego - 10 impulsu.
Clk
X0
X1
X2
X3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D Q’
Clk
Q
Res
CLK
D Q’
Clk
Q
Res
D Q’
Clk
Q
Res
D Q’
Clk
Q
Res
Res
X0
X1
X2
X3
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
65
Licznik asynchroniczny modulo n
Licznik asynchroniczny modulo n
Problem można rozwiązać
stosując na wyjściu resetującym
przerzutnik, który zresetuje
liczniki dopiero przy opadającym
zboczu zegara
Clk
X0
X1
X2
X3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
X0
X1
X2
X3
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
66
Liczniki
synchroniczne
Liczniki
synchroniczne
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
67
Liczniki synchroniczne
Liczniki synchroniczne
Clk
D nQ
Clk Q
R
Reset
D nQ
Clk Q
R
D nQ
Clk Q
R
X0
X1
X2
D nQ
Clk Q
R
X3
Liczniki synchroniczne charakteryzują się tym, że zliczane impulsy są
podawane równocześnie na wszystkie wejścia zegarowe Clk przerzutników.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
68
Licznik pierścieniowy
Licznik pierścieniowy
Clk
D nQ
Clk Q
R
Reset
D nQ
Clk Q
R
D nQ
Clk Q
R
X0
X1
X2
D nQ
Clk Q
R
X3
Licznik pierścieniowy (ring counter) jest licznikiem synchronicznym.
Powstaje w wyniku utworzenia rejestru przesuwnego, w którym wyjście Q
ostatniego przerzutnika jest połączone z wejście D pierwszego
przerzutnika.
Jeżeli w rejestrze zostanie wpisany stan początkowy np. 1000 to będzie on
w kolejnych cyklach zegarowych przesuwany wzdłuż rejestru.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
69
Licznik pierścieniowy
Licznik pierścieniowy
Clk
D nQ
Clk Q
R
Reset
D nQ
Clk Q
R
D nQ
Clk Q
R
X0
X1
X2
D nQ
Clk Q
R
X3
Clk
Res
X0
X1
X2
X3
Na każdym wyjściu licznika
pierścieniowego jest generowany
w różnym czasie tylko jeden
impuls (1) o czasie trwania
równym okresowi sygnału
zegarowego.
Te impulsy mogą być
wykorzystane do sterowania np.
wewnętrznych bloków komputera.
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
70
Licznik Johnsona (pseudopierścieniowy)
Licznik Johnsona (pseudopierścieniowy)
Clk
D nQ
Clk Q
R
Reset
D nQ
Clk Q
R
D nQ
Clk Q
R
X0
X1
X2
D nQ
Clk Q
R
X3
Licznik Johnsona jest specyficznym licznikiem synchronicznym, realizowanym przy
użyciu rejestru przesuwnego.
Cechą charakterystyczną licznika Johnsona jest użycie n przerzutników połączonych w
kaskadę i połączenia wyjścia nQ (przeciwnie niż w liczniku pierścieniowym) ostatniego
przerzutnika z wejściem D pierwszego przerzutnika. Pozostałe wyjścia są połączone z
wejściami następnych przerzutników.
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
71
Licznik Johnsona (pseudopierścieniowy)
Licznik Johnsona (pseudopierścieniowy)
Clk
D nQ
Clk Q
R
Reset
D nQ
Clk Q
R
D nQ
Clk Q
R
X0
X1
X2
D nQ
Clk Q
R
X3
Clk
Res
X0
X1
X2
X3
Impulsy zegarowe wpisują kolejne
jedynki do chwili, gdy rejestr
uzyska stan 1111.
Od tej chwili na wejściu
pierwszego przerzutnika pojawia
się stan 0 i następne impulsy
wyzwalające powodują kolejne
zerowanie przerzutników. Po
wypełnieniu rejestru zerami cykl
powtarza się.
1 2 3 4 1 2 3 4
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
3 października 2012
Wojciech Kucewicz
72
Licznik Johnsona (pseudopierścieniowy)
Licznik Johnsona (pseudopierścieniowy)
Clk
D nQ
Clk Q
R
Reset
D nQ
Clk Q
R
D nQ
Clk Q
R
X0
X1
X2
D nQ
Clk Q
R
X3
Bardzo istotną cechą licznika Johnsona jest to, że
zbocze każdego kolejnego impulsu zegara powoduje
przełączenie tylko jednego przerzutnika. Jeżeli
następuje zmiana stanu licznika na następny to opóźnienie
w przerzutnikach nie spowoduje przejściowego
wystąpienia innej kombinacji, jak mogłoby się zdarzyć,
gdyby więcej niż jedno wyjście zmieniało swój stan przy
przejściu od jednego stanu wyjściowego do następnego.
Licznik Johnsona jest licznikiem synchronicznym z
przeniesieniami równoległymi, nie wymagający stosowania
żadnych dodatkowych funkcji przełączających na
wejściach programujących przerzutników.
D
X0
X1
X2
X3
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
2
1
1
0
0
3
1
1
1
0
4
1
1
1
1
5
0
1
1
1
6
0
0
1
1
7
0
0
0
1
8
0
0
0
0