Układy z Pamięcią

1. Przerzutnik

2. Rejestr

3. Licznik Elektroniczny

4. Dekoder

5. Koder

Przerzutnik

Przerzutnik (z ang. flip-flop) jest to podstawowy element pamiętający każdego układu cyfrowego, przeznaczonego do przechowywania i ewentualnego przetwarzania informacji. Przerzutnik współtworzy najniższe piętro struktury układu i zdolny jest do zapamiętania jednego bitu informacji. Grupa czterech lub ośmiu połączonych ze sobą przerzutników tworzy następne, wyższe piętro - tzw. rejestr, zdolny już do pamiętania jednego bajta informacji.

Przerzutniki stosuje się do przechowywania małych ilości danych, do których musi być zapewniony ciągły dostęp. Jest to spowodowane fizycznymi i funkcjonalnymi cechami przerzutników. Są one większe od pojedynczej komórki pamięci, ale pozwalają pozostałym częściom układu na bezpośredni dostęp do przechowywanych danych.

Ze względu na łatwy odczyt i zapis, przerzutniki są szczególnie często stosowane w celu:

• Pamiętania stanu układu, zobacz: Maszyna stanów skończonych (ang. FSM od Finite State Machine)

• Przechowywania obecnie przetwarzanego słowa danych, zobacz: rejestr, akumulator, ALU

• Implementacji liczników

• Implementacji rejestrów przesuwnych

• Implementacji rejestrów przesuwnych z liniowym sprzężeniem zwrotnym (ang. LFSR od Linear Feedback Shift Register)

Przerzutniki

Typy przerzutników

Wśród monolitycznych (scalonych) przerzutników wyróżnia się:

• Przerzutnik typu RS, Przerzutnik typu RS,

• Przerzutnik typu D (popularnie zwany 'latch', czyli zatrzask, ze Przerzutnik typu D (popularnie zwany 'latch', czyli zatrzask, ze względu na zatrzaskiwanie wejścia na wyjściu), względu na zatrzaskiwanie wejścia na wyjściu),

• Przerzutnik typu T, Przerzutnik typu T,

• Przerzutnik typu JK, Przerzutnik typu JK,

• Przerzutnik typu JK-MS (MS od Master i Slave).Przerzutnik typu JK-MS (MS od Master i Slave).

Wszystkie, z wyjątkiem przerzutnika typu D, mogą występować w wersji asynchronicznej (wtedy są oznaczane małymi literami, np. rs, t) oraz w wersji synchronicznej (oznaczane wielkimi literami). Przerzutniki asynchroniczne przełączają stan wyjść w momencie zmiany na wejściu, a przerzutniki synchroniczne muszą oczekiwać na zmianę sygnału doprowadzonego do ich wejścia zegarowego. W tym momencie należy wyróżnić kolejny podział na przerzutniki wyzwalane zboczem (narastającym lub opadającym) lub wyzwalane poziomem wejścia zegarowego. Za pomocą każdego przerzutnika i odpowiedniej liczby bramek logicznych można zrealizować wszystkie inne.

Przerzutniki

We wszystkich przerzutnikach synchronicznych można wyróżnić następujące wyprowadzenia:

• wejście (lub wejścia) informacyjne - np. D (ang. Data)

• wejście synchronizujące, tzw. zegarowe C (ang. Clock)

• wejścia asynchroniczne - ustawiające Set i zerujące Reset (odpowiednio: 1 i 0 na wyjściu Q)

• wyjście proste Q

• wyjście zanegowane Q

Wejścia R/S mają najwyższy priorytet i służą do wymuszenia określonego stanu wyjść niezależnie (asynchroniczne) od poziomów logicznych panujących na pozostałych wejściach informacyjnych czy zegarowych.

W rodzimej literaturze spotyka się różne określenia (a nawet oznaczenia) tego samego funkcjonalnie rodzaju wejść. Dla przykładu wejście ustawiające bywa nazywane wejściem zapalającym, a wejście zegarowe C (CP, CL, CLK, T) - synchronizującym lub taktującym.

Rejestr

RejestremRejestrem nazywamy układ służący do przechowywania i odtwarzania informacji w postaci bitów. Na każdej pozycji rejestru przechowywany jest jeden bit informacji.

Ze względu na sposób wprowadzania i wyprowadzania informacji dzielimy rejestry na :

• Szeregowe - umożliwiające szeregowe wprowadzenie i wyprowadzenie danych (tzn. bit po bicie), są to tak zwane rejestry SISO (Serial In Serial Out)

• Równoległe Rondo - umożliwiające równoległe wprowadzenie i wyprowadzenie informacji jednocześnie do wszystkich pozycji rejestru, PIPO (Parallel In Parallel Out)

• Szeregowo-równoległe - umożliwiające szeregowe wprowadzenie i równoległe wyprowadzenie informacji, SIPO (Serial In Parallel Out)

• Równoległo–szeregowe - umożliwiające równolegle wprowadzenie i szeregowe wyprowadzenie informacji, PISO (Parallel In Serial Out)

Rejestry można podzielić także na asynchroniczne i synchroniczne. Jednakże najczęściej stosowane są rejestry synchroniczne.

Parametrami charakteryzującymi rejestr są:

• Długość rejestru, równa liczbie przerzutników N

• Pojemność rejestru, równa 2N

• Szybkość rejestru; w przypadku rejestru równoległego będzie to czas wprowadzania lub wyprowadzania informacji, natomiast w przypadku rejestru szeregowego maksymalna możliwa częstotliwość impulsów przesuwających, przy której nie następuje zniekształcenie informacji. Może to być też po prostu czas propagacji zastosowanych przerzutników.

Rejestry powszechnie występują w procesorach, układach we-wy.

Licznik Elektroniczny

Licznik elektroniczny - układ cyfrowy, którego zadaniem jest zliczanie wystąpień sygnału zegarowego. Licznik złożony najczęściej z kilku przerzutników .Działanie licznika cyfrowego opiera się najczęściej na układzie dzielnika częstotliwości. Przerzutnik JK połączony podaje na wyjście Q sygnał o częstotliwości będącej połową częstotliwości zegara. Następny przerzutnik również dzieli częstotliwość o połowę, itd. Bramki AND w układzie powodują, że przełączenie przerzutnika starszego bitu następuje tylko wtedy gdy wszystkie młodsze bity będą ustawione na ‘1’. Pokazany 4-bitowy licznik można z łatwością rozszerzyć o kolejne bity. Najczęściej rzeczywiste układy cyfrowe również posiadają wyjście (przepełnienia licznika) pozwalające na połączenie kilku liczników o małej ilości bitów w kaskadowy licznik wielobitowy. Oprócz tego rzeczywisty licznik posiada najczęściej wejście ‘reset’ kasujące obecny stan licznika (ustawiające wszystkie bity licznika na 0). Niektóre liczniki posiadają odpowiednie wejście na podstawie stanu którego licznik liczy albo w górę, albo w dół.

Pod tym względem wyróżniamy:

• Liczniki liczące w przód

• Liczniki liczące w tył

• Liczniki rewersyjne (możliwość zmiany)

Liczniki dzielimy także na szeregowe i równoległe oraz na synchroniczne i asynchroniczne.

Dekoder

DekoderDekoder należy do klasy układów kombinacyjnych. Jest to układ posiadający n wejść oraz k wyjść (k=2n). Jego działanie polega na zamianie naturalnego kodu binarnego (o długości n), lub każdego innego kodu, na kod "1 z k" (o długości k). Działa odwrotnie do enkodera, tzn. zamienia kod binarny na jego reprezentację w postaci tylko jednego wybranego wyjścia. W zależności od ilości wyjść nazywa się go dekoderem 1zN.

Niektóre źródła podają, że dekoderem jest także układ, który zamienia dowolny kod cyfrowy na kod wyświetlacza siedmiosegmentowego (poprawnie taki układ powinien być nazwany transkoderem).

W elektronice cyfrowej dekodery mogą przyjąć formę multiple input, multiple output. Układ logiczny, który przekształca kodowane wejść do zakodowanego wyjścia, gdzie na wejściu i wyjściu są różne kody, np. n-do-2n, kod binarny po przejściu przez dekoder.

Przykładem układu dekodera może być bramka AND ponieważ aby uzyskać na wyjściu "1" to na wejście muszą być podane same wartości "1", takie wyjście jest nazwane jako "aktywne wyjście (1)". Jeśli zamiast bramki AND damy bramę NAND to na wyjściu wynikiem tego otrzymamy "0" wtedy gdy na wejściu będą podane same wartości "1", takie wyjście jest nazwane jako "aktywne wyjście "0".

Nieco bardziej skomplikowany będzie dekoder n-do-2n typu binarnego. Ten typ dekodera jest z układów kombinatorycznych które konwertują kod binarny z 'n' wejść na 2n unikalnych wyjść. Mówimy maksymalnie 2n wyjścia, gdyż w przypadku "n" bitów zakodowanej informacji niewykorzystane kombinacje bitów dekoder może mieć mniej niż 2n wyjścia. Możemy mieć dekodery 2 do 4, 3 do 8 lub 4 do 16. Możemy formię dekodera 3-do-8 uzyskać z dwóch dekoderów 2-do-4.

Dekoder

Dekoder schemat:

Koder

Koder należy do klasy układów kombinacyjnych. Jest to układ posiadający k wejść oraz n wyjść (k=2n).

Jego działanie polega na zamianie kodu "1 z k" na naturalny kod binarny o długości n. Służy do przedstawiania informacji tylko jednego aktywnego wejścia na postać binarną, ponieważ istnieje fizyczna możliwość aktywacji więcej niż jednego wejścia; musi istnieć możliwość uznania tylko jednego.

Jeśli na wejście strobujące (blokujące) S (ang. strobe) podane zostanie logiczne zero, to wyjścia yi przyjmują określony stan logiczny (zwykle zero), niezależny od stanu wejść x. Stosuje się do tego specjalne algorytmy, które przekształcają dane z zapisu np. analogowego na cyfrowy.

Koder schemat: