Układy sekwencyjne

M@rek Pudełko

Urządzenia Techniki

Komputerowej

Podział układów logicznych

2

Układy Logiczne

Układy
kombinacyjne

Stan wyjściowy zależy
tylko i wyłącznie od
stanów wejściowych

Układy
sekwencyjne

Stan wyjściowy zależy
zarówno od stanów
wejściowych jak i
poprzednich stanów
wyjściowych

Układy sekwencyjne

• Układy sekwencyjne to układy, których

stan wyjściowy zależy zarówno od
bieżących stanów wejściowych jak i
poprzednich stanów wyjściowych.

• Układy sekwencyjne to układy

kombinacyjne z elementami
pamięciowymi.

3

Podział układów

sekwencyjnych

4

4

Układy
sekwencyjne

Układy
asynchroniczne

układ dla którego w
dowolnym momencie stan
wejść oddziałuje na stan
wyjść

Układy
synchroniczne

układ dla którego stan
wejść wpływa na stan
wyjścia jedynie w
określonych odcinkach
czasu

Układy asynchroniczne

• Układ asynchroniczny zmienia swój

stan wyjść bezpośrednio po zmianie
stanu wejść.

5

Praca układu

synchronicznego

• W układzie synchronicznym wejście

oddziałuje na wyjście wyłącznie w
wybranych odcinkach czasu pracy.

– Czas czynny – czas gdy istnieje możliwość

wpływu na stan układu

– Czas martwy – czas gdy stan układu pozostaje

niewrażliwy na zmiany

• Odcinki czasu czynnego i martwego

wyznaczane są przez podanie specjalnego
przebiegu zwanego przebiegiem
zegarowym (taktującym) na wejście
zegarowe (taktujące).

6

Taktowanie układu

7

Czas

martwy

Czas

martw

y

Czas

martw

y

Czas

czynny

Czas

czynny

Układ sekwencyjny

8

Wejście informacyjne

układu

Wejście
zegarowe

Wyjście układu

X

Y

Wejście

zegarowe

Wejście

Wyjście

0

Blokada układu

1

Praca układu

Przerzutniki

9

Przerzutnik

• Przerzutnik to element sekwencyjny

zapamiętujący jeden bit informacji.

• Stanowi najprostszy element pamięciowy.
• Przerzutnik ma co najmniej dwa wejścia i

z reguły dwa wyjścia.

10

Wejścia przerzutnika

• Wejścia mogą być:

– Informacyjne,
– Programujące,
– Zegarowe CK (ang. Clock), zwane inaczej

synchronizującymi albo wyzwalającymi,

• Wejścia programujące są zawsze wejściami

asynchronicznymi (niezależne od sygnału
zegarowego).

• Jeśli przerzutnik ma wejście synchronizujące jest

nazywany przerzutnikiem synchronicznym,
jeśli nie ma asynchronicznym.

• Przerzutnik synchroniczny reaguje na stan wejścia

informacyjnego tylko dla sygnału zegarowego.

11

Wejścia przerzutnika

12

Wejścia
przerzutnika

Ustawiające

S (Set) lub P (Preset)
Wprowadza nową wartość
sygnału do układu

Zerujące

R (Reset) lub C(Clear)
Kasuje aktualny stan na
wyjściu

Opis działania przerzutnika

• Działanie przerzutników najczęściej opisuje

się za pomocą tablicy stanów. Zawiera
ona stany na wejściach informacyjnych
układu oraz odpowiadające im stany na
wyjściu(ach) układu.

• Wyjścia przerzutników oznaczane są

zazwyczaj symbolami Q i ~Q .

– W tablicy stanów zazwyczaj prezentuje się

stan wyjścia Q pomijając wyjście ~Q ,które
jest jego negacją.

13

Schemat przerzutnika

14

Wejście

informacyjne

(zerujące)

Wejście
zegarowe

Wyjście układu

R

Q

Wejście

programujące

(ustawiające)

S

CLK

Zanegowane
wyjście układu

Q

Rodzaje przerzutników

15

Przerzutniki

Asynchroniczne

Synchroniczne

Przerzutnik RS
asynchroniczn
y

Przerzutnik RS
synchroniczny

Przerzutnik D

Przerzutnik T
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK -
MS

Asynchroniczny przerzutnik

RS

16

R

S

Q

n-1

Q

n

Q

n

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

X

0

1

1

0

X

1

0

1

1

X

Q

n

=Q

n

Q

n-1

stan poprzedni

Q

n

stan aktualny

Q

n

stan zanegowany

X

stan dowolny

N

stan

niedozwolony

Asynchroniczny przerzutnik

RS

• Składa się z dwóch połączonych ze sobą bramek NAND

lub NOR. Ma dwa wejścia informacyjne/programujące R i
S oraz dwa wyjścia Q i Q’ . Wyjścia Q i Q’ mają
przeciwne wartości.

• Jeżeli na wejściach mamy 2 zera – układ działa jak

pamięć – zachowuje poprzedni stan.

• Gdy wejścia są różnowartościowe, na wyjściu Q mamy

stan z S, a na stan Q’ z R.

• Gdy na wejściu są dwie jedynki, przerzutnik wchodzi w

stan niedozwolony – na Q i Q’ mamy te same wartości.

17

R

S

Q

n

0

0

Q

n-1

0

1

0

1

0

1

1

1

N

Synchroniczny przerzutnik

RS

18

clk

Q

n-1

RS

0 0

0 1

1 0

1 1

0

0

N

0

1

0

0

1

N

0

1

1

1

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

Q

n-1

stan poprzedni

Q

n

stan aktualny

X

stan dowolny

N

stan niedozwolony

Podkreślono stany stabilne tzn.
takie dla których Q

n

= Q

n-1

Synchroniczny przerzutnik

RS

• Składa się z dwóch połączonych ze sobą bramek NAND

lub NOR, które realizują funkcję pamięci. Ma również
dwie dodatkowe bramki przygotowawcze na wejściu
układu.

• Jeżeli wejście zegarowe jest niewłączone, układ pracuje

jak asynchroniczny przerzutnik RS.

• Jeżeli wejście zegarowe jest włączone, przerzutnik

zapamiętuje stan poprzedni.

• Gdy na wejściu są dwa zera, przerzutnik wchodzi w stan

niedozwolony – na Q i Q’ mamy te same wartości.

19

clk

R S

0 0

0 1

1 0

1 1

0

N

0

1

Q

n-1

1

Q

n-1

Q

n-1

Q

n-1

Q

n-1

Przerzutnik D

20

clk

D

Q

n+1

0

0

Q

n

0

1

Q

n

1

0

0

1

1

1

Q

n+1

stan w następnym

kroku
Q

n

stan aktualny

X

stan dowolny

• Przerzutnik D jest nazywany zatrzaskiem (latch).
• Jeżeli wejście zegarowe jest niewłączone,

aktualny stan układu zostaje przesłany na
wyjście w następnym takcie zegarowym.

• Przerzutnik D działa więc jak pamięć (lub linia

opóźniająca).

• Jeżeli wejście zegarowe jest włączone,

przerzutnik zapamiętuje stan poprzedni.

• Przerzutnik D nie ma stanu zabronionego –

osiągnięto taką sytuację łącząc jedno z wejść
bramką NOT.

21

Przerzutnik D

Przerzutnik JK

22

J

K

Q

n+1

0

0

Q

n

0

1

0

1

0

1

1

1

Q

n

Q

n+1

stan w następnym

kroku
Q

n

stan aktualny

Przerzutnik JK

• Przerzutnik JK ma dwa wejścia.
• W przeciwieństwie do RS nie ma stanu

zabronionego. Osiągnięto to poprzez
dodatkowe połączenie wyjścia z wejściem.

• Przy wejściach różnowartościowych w

następnym kroku mamy stan z wejścia J.

• Przy podaniu dwóch zer mamy

zapamiętanie sygnału.

• Przy podaniu dwóch jedynek wyjście

zmienia stan na przeciwny (negacja).

23

Przerzutnik T

24

Clk

T

Q

n+1

0

0

Q

n

1

0

Q

n

0

1

1

1

1

0

Q

n+1

stan w następnym

kroku
Q

n

stan aktualny

Przerzutnik T

• Przerzutnik T ma jedno wejście.
• Po podaniu zera na wejście T przerzutnik

zapamiętuje poprzedni stan.

• Po podaniu jedynki na wejście T przerzutnik

zmienia stan na przeciwny dla każdego
cyklu sygnału zegarowego.

25

T

Q

n+1

0

Q

n

1

Q

n

Rejestry

26

Rejestr

• Rejestr to układ cyfrowy do krótko

terminowego przechowywania
niewielkich ilości danych lub do zmiany
ich postaci z równoległej na szeregową
albo odwrotnie.

27

Podział rejestrów

28

Wejście równoległe

(Parallel

In)

Wejście szeregowe

(Serial

In)

Wyjście równoległe

(Parallel

Out)

Wyjście szeregowe

(Serial

Out)

PIPO

SIPO

SISO

PISO

Wejście równoległe

•Wejściem równoległym nazywamy

wejście umożliwiające wprowadzenie do
układu cyfrowego wszystkich bitów
słowa w jednym takcie zegarowym.

•Ilość zacisków wejściowych musi być

równa ilości bitów wprowadzanych w
słowie.

•Jeżeli wprowadzamy, wyprowadzamy lub

przesyłamy wszystkie bity słowa w
jednym takcie zegarowym, to taką
informację nazywamy równoległą.

29

Rejestr równoległy

30

Wejście szeregowe

• Wejściem szeregowym nazywamy

wejście umożliwiające wprowadzanie
do układu bit po bicie.

• Ilość potrzebnych taktów zegara jest

równa ilości bitów słowa.

• Jeżeli wprowadzamy, wyprowadzamy

lub przesyłamy bit po bicie na jeden
takt zegarowym to taką informację
nazywamy szeregową.

31

Rejestr szeregowy

32

Liczniki

33

Liczniki

• Liczniki to rejestr umożliwiający zliczanie

impulsów.

• Praktyczna realizacja polega na

połączeniu ze sobą kaskady
przerzutników D lub JK.

• Przerzutniki mogą być dzielnikami

częstotliwości przez 2. Połączenie n takich
jednostek elementarnych daje licznik
zliczający w kodzie dwójkowym o
pojemności 2

n

.

34

Działanie licznika

•Na wejściu zliczającym licznika pojawia

się zakodowana liczba impulsów
następnie zliczona przez licznik.

•Podstawowymi parametrami licznika:

– pojemność

• Pojemność określa maksymalną ilość impulsów

którą może zliczyć licznik. Po jej przekroczeniu
licznik zaczyna zliczanie impulsów od początku

– kod w którym jest podawana ilość

zliczanych impulsów.

35

Licznik D

36