400 likes | 999 Views
Sekvenční logické obvody. Střední odborná škola Otrokovice. Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal
E N D
Sekvenční logické obvody Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz
Sekvenční logické obvody Obsah tématuVlastnosti sekvenčních obvodůSložení sekvenčního obvoduDělení sekvenčních obvodů- podle potřeby časovacího signálu-podle aktivní části impulzu časovacího signáluPřehled sekvenčních obvodů - základní (jednoduché) – klopné obvody typu RS, JK, D, T - složitější (posuvné registry, čítače, paměti, mikroprocesory, jednočipové mikropočítače, mikrokontroléry)
Sekvenční logické obvody Vlastnosti sekvenčního logického obvodu - chová se zčásti podobně jako kombinační logický obvod (jeho výstup je závislý na kombinaci aktuálních vstupů) - zároveň ale jeho výstup závisí na předchozích stavech (vstupů a výstupů) - aby znal předchozí stavy potřebuje paměť - jeho struktura i návrh je složitější než u kombinačních obvodů - jeho činnost se dá popsat tabulkou (jsou zde určité odlišnosti pro značení vstupních a výstupních signálů) - pojem sekvenční znamená časovou posloupnost signálů či stavů
Sekvenční logické obvody Na čem tedy závisí výstup sekvenčního logického obvodu? Současně na: - aktuálních stavech vstupů - předchozích stavech (vstupů a výstupů) - vnitřním stavu tohoto obvodu Obr. 1: Blokové schéma sekvenčního logického obvodu
Sekvenční logické obvody Sekvenční obvod je tvořen: Kombinační částí – obsahuje logické členy – kombinuje signály na vstupu se signály z výstupu Paměťovou částí – obsahuje také logické členy, ale navíc je zde zavedena zpětná vazba – tím vzniká jednoduchý paměťový člen typu bistabilní klopný obvod – ukládají se sem informace z výstupu jako stavy vnitřních proměnných – tím je dosaženo toho, že na stejné hodnoty vstupů nereaguje sekvenční obvod vždy stejnou odezvou (jako tomu bylo u kombinačních logických obvodů)
Sekvenční logické obvody I. Dělení sekvenčních obvodů podle potřeby časovacího signálu: Asynchronní – změna vstupů se okamžitě promítne do stavu výstupu – zpoždění signálu nastává pouze průchodem tohoto signálu logickými členy (v rozsáhlých obvodech dochází k různým hodnotám zpoždění – vznikají hazardní stavy, – různé rušivé impulsy) – složitá zapojení jsou proto navrhována pouze jako synchronní Příklad: klopný obvod RS, asynchronní čítač (např. typ 7490) Synchronní – vyžadují časovací signál – nemění stav na výstupu ihned po změně vstupů, ale až po změně časovacího signálu (hodinový (CLOCK, C, CLK, T) – obvod může měnit své stavy jen v určitých okamžicích podle jedné z částí časovacího signálu (některá z hran nebo úroveň) Příklad: klopné obvody RST, JK (např. typ 7472), D (typ 7474 a 7475), posuvný registr (typ 74164), synchronní čítač (např. typ 74193)
Sekvenční logické obvody Časové řízení sekvenčního obvodu: – sekvenční obvody vyžadují pro svoji řádnou činnost časové řídicí signály – obecně jde o periodické číslicové signály označované také jako časovací = taktovací = hodinové = synchronizační – značení časovacího signálu – T (takt, Time) – C = CLK (Clock) – aktivní část časovacího signálu obdélníkového průběhu – hrany impulzu – náběžná = vzestupná = přechod z nuly do jedničky – týlová = sestupná = přechod z jedničky do nuly – temene impulzu = úroveň (rozumí se úroveň logické jedničky) (obecně hrany trvají velmi krátký čas, temeno pak mnohem delší čas)
Sekvenční logické obvody II. Dělení synchronních sekvenčních obvodů podle aktivní části časovacího impulzu – hranové (obvod reaguje na stavy vstupů jen při příchodu některé z hran – viz obrázek 2., okrová = náběžná, modrá týlová = sestupná) Příklad: klopný obvod JK, varianta klopného obvodu D (typ 7474) – úrovňové (obvod reaguje na změny stavů vstupů po celou dobu trvání jedničky = temene časovacího impulzu – v obrázku 2 vyznačeno červeně) Příklad: klopný obvod RST, varianta klopného obvodu D (typ 7475) Obr. 2: Idealizovaný časovací impulz s náběžnou hranou, temenem a sestupnou hranou
Sekvenční logické obvody Obr. 3: Vstupy a výstupy sekvenčního logického obvodu
Sekvenční logické obvody III. Dělení sekvenčních obvodů podle složitosti: – Základní (jednoduché) klopné obvody typu – RS – JK – D – T – Složitější – posuvné registry – čítače – paměti – mikroprocesory, jednočipové mikropočítače a mikrokontroléry
Sekvenční logické obvody – klopné obvody RS - má dva vstupy - R: Reset = nulování (Q = 0) - S: Set = nastavení (Q = 1) - je asynchronní - realizovatelný pomocí dvou členů (NAND nebo NOR) - vykazuje neurčitý stav - použití: - nastavení výchozích stavů jiných klopných obvodů - tvoří základ dalších složitějších klopných obvodů (např. RS synchronní = RST) Obr. 4: Schématická značka klopného obvodu R-S
Sekvenční logické obvody – klopné obvody RS synchronní (RST) - má tři vstupy - R: Reset = nulování (Q = 0) - S: Set = nastavení (Q = 1) - T: Časování = Time, takt - je synchronní (řízen úrovní) - realizovatelný pomocí čtyř členů (NAND nebo NOR) - vykazuje neurčitý stav - použití: - nastavení výchozích stavů jiných klopných obvodů - vytvářejí se z něj další složitější klopné obvody (např. JK, D, T) Obr. 5: Schématická značka klopného obvodu RST
Sekvenční logické obvody – klopné obvody JK (asynchronní) - písmena J, K nevyplývají z funkce vstupů - má dva vstupy - J: Set = nastavení ( Q = 1) - K: Reset = nulování (Q = 0) - asynchronní - nevykazuje neurčitý stav - při určité kombinaci vstupů se výstup změní na opačný = překlopí se - použití: nepoužívá se Obr. 6: Schématická značka klopného obvodu JK
Sekvenční logické obvody – klopné obvody JK (synchronní) = JKT - písmena J, K nevyplývají z funkce vstupů - má tři vstupy - J (Set) - K (Reset) - T (Time, takt) - synchronní (řízen sestupnou hranou) - realizovatelný pomocí obvodů RST - nevykazuje neurčitý stav - při určité kombinaci vstupů se výstup změní na opačný = překlopí se - použití: pro konstrukci složitějších sekvenčních obvodů – např. posuvných registrů, čítačů Obr. 7: Schématická značka synchronního klopného obvodu JKT
Sekvenční logické obvody – klopné obvody D - D jako Delay (zpoždění) - vstupy: - jeden signálový (= datový vstup D) - jeden časovací (= řídicí vstup T) - synchronní řízení - vzestupnou hranou (7474) nebo - úrovní (7475) - realizovatelný pomocí obvodů RST - nevykazuje neurčitý stav - při správném stavu signálu T kopíruje stav datového vstupu na výstup Q - použití: pro konstrukci složitějších sekvenčních obvodů – např. posuvných registrů, čítačů Obr. 8: Schématická značka klopného obvodu D
Sekvenční logické obvody – klopné obvody T - T jako Trigger (spuštění, přepnutí) vstup: jeden společný vstup T signálový i časovací - synchronní řízení - sestupnou hranou nebo - vzestupnou hranou - realizovatelný pomocí obvodů synchronních obvodů JK a D (7474) - nevykazuje neurčitý stav - při správném stavu signálu T se výstup Q neustále překlápí - použití: pro konstrukci složitějších sekvenčních obvodů – např. posuvných registrů, čítačů Obr. 9: Schématická značka klopného obvodu T
Sekvenční logické obvody – složitější Složitější sekvenční obvody Posuvné registry - lze je realizovat ze synchronních klopných obvodů typu JK a D - posouvají stav datového vstupu na výstup podle řízení - lze je využít jako převodník sériového tvaru na paralelní (pro n-bitové číslo) - další využití mají jako - paměť - zpožďovací článek - dělicí a násobicí obvod pro mocniny dvojky Čítače - lze je realizovat ze synchronních klopných obvodů typu JK a D - počítají impulzy, které jim přicházejí na vstup - zároveň dělí kmitočet vstupujících impulzů zadaným číslem - používají se pro měření kmitočtu, děličky kmitočtu číslem, v časoměrných obvodech
Sekvenční logické obvody – složitější Paměti - lze je realizovat z bistabilních klopných obvodů - uchovávají informace (data) na zadané adresy pomocí řízení kombinace časování a zadání požadavku na operační režim - zápis (do paměti) - čtení (z paměti) - liší se fyzikálním principem, uchováním obsahu bez napájení, množstvím pojmutelné informace (kapacitou), rychlostí čtení a zápisu, mazatelností, cenou za uložení 1 bitu, spolehlivostí, délkou doby uchování informace, způsobem uspořádání buněk v paměti (organizace paměti)… Mikroprocesor - procesor zmenšený do jediného integrovaného obvodu, je řízen programem (je programovatelný) (jde tedy o monolitický nebo-lijednočipový procesor, příklad I 8080, Z 80)
Sekvenční logické obvody – složitější Jednočipový mikropočítač - jde o kompletní počítač (mikropočítač) zmenšený do jednoho integrovaného obvodu s vysokou hustotou integrace (LSI), obsahuje tedy tři bloky – vstup, centrální jednotku a výstup, je řízen programem (je programovatelný)Příklad: I 8048, I 8051 Mikrokontrolér- jde o jednočipový mikropočítač určený jako ústřední řídicí prvek pro nejrůznější přístroje (audiovizuální, měřicí, domácí spotřebiče, mobilní technika…) - není univerzální (menší možnosti rozšíření jeho funkcí), má vysoký výpočetní výkon (procesor s architekturou RISC) a nízkou cenu Příklad: obvody PIC od výrobce Microchip.
Sekvenční logický obvod se liší od kombinačního: Tím, že obsahuje paměť Na stejné stavy vstupů reaguje proměnlivě Má jednodušší vnitřní strukturu Kontrolní otázky Asynchronní sekvenční obvod: Vyžaduje časovací signál Reaguje bezprostředně na stavy vstupů změnou výstupu Reaguje na hranu nebo úroveň časovacího signálu 3. Úrovňový synchronní sekvenční obvod je řízen: Vzestupnou hranou časovacího signálu T Sestupnou hranou časovacího signálu T Logickou jedničkou časovacího signálu T
Sekvenční logický obvod se liší od kombinačního: Tím, že obsahuje paměť Na stejné stavy vstupů reaguje proměnlivě Má jednodušší vnitřní strukturu Kontrolní otázky – správné odpovědi – červeně Asynchronní sekvenční obvod: Vyžaduje časovací signál Reaguje bezprostředně na stavy vstupů změnou výstupu Reaguje na hranu nebo úroveň časovacího signálu 3. Úrovňový synchronní sekvenční obvod je řízen: Vzestupnou hranou časovacího signálu T Sestupnou hranou časovacího signálu T Logickou jedničkou časovacího signálu T
Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Blokové schéma sekvenčního logického obvodu Obr. 2: vlastní, Idealizovaný časovací impulz s náběžnou hranou, temenem a sestupnou hranou Obr. 3: vlastní, Vstupy a výstupy sekvenčního logického obvodu Obr. 4: vlastní, Schématická značka klopného obvodu RS Obr. 5: vlastní, Schématická značka klopného obvodu RST Obr. 6: vlastní, Schématická značka klopného obvodu JK Obr. 7: vlastní, Schématická značka synchronního klopného obvodu JKT Obr. 8: vlastní, Schématická značka klopného obvodu D Obr. 9: vlastní, Schématická značka klopného obvodu T
Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X [4] Pinker, J.,Poupa, M.: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN, Praha, 2006, ISBN 80-7300-198-5