44. Триггеры: определение, общая структура кбя дбя, классификация по способу записи информации

Анализ конъюнктивной бистабильной ячейки. Изображенная на рис. 3.5 конъюнктивная бистабильная ячейка (КБЯ) имеет два управляющих входа:и. С их помощью реализуется внутреннее управление бистабильной ячейкой.

Выходами КБЯ являются сигналы и, логические значения которых равны:,. Соединенные с выходами,внутренние входы бистабильной ячейки обозначаются соответственно,.

В стационарном режиме внутренние входы ,и выходы,удовлетворяют условиям:

, . (3.6)

Рис. 3.5. Конъюнктивная бистабильная ячейка

Запишем логические уравнения выходов схемы:

. (3.7)

Составим карту Карно, с помощью которой будем анализировать переходные процессы в КБЯ. Столбцы этой карты обозначим всевозможными комбинациями независимых (входных) переменных и, а строки – комбинациями зависимых (выходных) переменныхи. В клетки этой карты запишем значения функцийи, определенные в соответствии с системой уравнений (3.7). Таким образом, в клетках будет записано двузначное двоичное число, при этом первый разряд будет соответствовать значению, а второй –.

Рис. 3.6. Таблица истинности (а) и таблица переходов (б) КБЯ

Очевидно, что состояние схемы является устойчивым, если значения функций исовпадают с обозначением соответствующей строки таблицы. Например, при пересечении столбца 01 и строки 10 находится устойчивое состояние 10, а на пересечении того же столбца и строки 11 – неустойчивое состояние 10.

Иногда таблицу истинности (рис. 3.6,а) представляют в другой форме и называют таблицей переходов (рис. 3.6,б). Здесь кружками обозначены устойчивые состояния, точками – неустойчивые, а стрелки указывают направления переходов. Рассмотрим подробнее, как осуществляется переход схемы из неустойчивого состояния в устойчивое. При этом возможны два случая:

– код неустойчивого состояния в карте Карно совпадает с кодом устойчивого состояния;

– код неустойчивого состояния не совпадает с кодом устойчивого.

В первом случае при фиксированных значениях независимых переменных ивыходные сигналыи, соответствующие неустойчивому состоянию, подаются на входы,схемы, тем самым обеспечивая переход к строке карты Карно, отображающей устойчивое состояние. Например, пересечение столбца 10 и строки 11 соответствует неустойчивому состоянию 01. Однако при подаче на входы,схемы комбинации 01 и при прежних значениях,схема переходит в уже устойчивое состояние 01.

Во втором случае при фиксированных ,выходные сигналы,обусловливают переход к новой строке карты Карно, где эти же значения,являются входными и так далее, пока не возникнет ситуация, предусмотренная первым случаем. Например, для столбца 01 и строки 00 мы имеем неустойчивое состояние 11. После поступления этих сигналов () на вход схемы возникнет неустойчивое состояние 10 (строка 11), код которого совпадает с кодом устойчивого состояния 10 (строка 10), т.е. мы пришли к первому случаю.

Таким образом, для столбцов = 00, 01, 10 бистабильная ячейка через промежуточные неустойчивые состояния в конечном итоге переходит в устойчивое состояние. Эти переходы называются некритическими состязаниями (гонками).

Иной случай можно наблюдать при =11. В этом столбце два устойчивых состоянияи. Поэтому из неустойчивых состоянийиможет начаться циклический процесс перехода из состояния 11 (строка 00) в состояние 00 (строка 11) и наоборот, т.е. могут возникнуть колебания.

Данное явление свидетельствует о наличии в схеме критических (опасных) состязаний (гонок), что недопустимо в схемах, предназначенных для запоминания информации. Кроме того, если время задержки элементов несколько отличается, то возможен переход в любое из устойчивых состояний, т.е. состояние схемы будет неопределенным. Следовательно, таблица переходов позволяет наглядно проверить логическое функционирование проектируемой структуры, в частности, установить наличие состязаний.

Для того, чтобы рассматриваемую схему можно было использовать для запоминания информации, необходимо запретить одновременное обращение в нуль и, т.е. исключить столбец карты Карно с=00, так как устойчивым состоянием в этом столбце является состояние, при котором нарушается бистабильность схемы. Состояниенеудобно тем, что после изменения независимых входных переменныхот значений 00 к значениям 11, схема может перейти в состояние 01 или 10, иначе говоря, переход будет неопределенным.

Для исключения первого столбца требуется наложить ограничительное условие

. (3.8)

На основе карты Карно запишем таблицу состояний для КБЯ (таблица 3.7).

Таблица 3.7

0	0	0	*
0	0	1	*
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

Минимизировав не полностью определенную функцию , получим (рис. 3.7):

. (3.9)

Рис. 3.7. Карта Карно для таблицы состояний 3.6

Уравнение (3.9) совместно с условием (3.8) образуют характеристические уравнения конъюнктивной бистабильной ячейки.

,

. (3.10)

Анализ дизъюнктивной бистабильной ячейки. По методике, аналогичной рассмотренной выше, проведем анализ дизъюнктивной бистабильной ячейки (ДБЯ).

Изображенная на рис. 3.8 дизъюнктивная бистабильная ячейка (ДБЯ) имеет два управляющих входа: и. С их помощью реализуется внутреннее управление бистабильной ячейкой.

Рис. 3.8. Дизъюнктивная бистабильная ячейка

Выходами ДБЯ являются сигналы и, логические значения которых равны:,. Соединенные с выходами,внутренние входы бистабильной ячейки обозначаются соответственно,.

В стационарном режиме внутренние входы ,и выходы,удовлетворяют условиям:

, . (3.11)

Запишем логические уравнения выходов схемы:

. (3.12)

Карты Карно для анализа переходных процессов в дизъюнктивной бистабильной ячейке приведены на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Таблица истинности (а) и таблица переходов (б) ДБЯ

Как следует из таблицы переходов, в третьем столбце () устойчивым является состояние, в котором, т.е. теряется бистабильность ячейки. Таким образом, необходимо ввести следующее ограничительное условие

. (3.13)

Запишем далее таблицу состояний для ДБЯ (таблица 3.8).

Таблица 3.8

0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	*
1	1	1	*

Минимизировав не полностью определенную функцию , получим (рис. 3.10):

(3.14)

Рис. 3.10. Карта Карно для таблицы состояний 3.7

Уравнение (3.14) совместно с условием (3.13) образуют характеристические уравнения дизъюнктивной бистабильной ячейки.

. (3.15)

45.Классификация триггеров по функциональному назначению: RS-триггер, JK-триггер, T-триггер, D-триггер. Их таблицы состояний, характеристические уравнения и таблицы переходов. Условные графические обозначения .

Триггеромназывается устройство, способное формировать два устойчивых значения выходного сигнала и скачкообразно изменять эти значения под действием внешнего управляющего сигнала.

В общем случае триггер содержит собственно элемент памяти и некоторую входную комбинационную схему, преобразующую входные сигналы триггера в сигналы, требуемые для управления элементом памяти (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Общая структура триггера

В качестве элемента памяти в цифровых микросхемах используется бистабильная ячейка, представляющая собой два инвертирующих логических элемента (чаще всего ИЛИ–НЕ или И–НЕ), соединенных перекрестными связями: прямой и обратной (рис. 3.2).

а) б)

Рис. 3.2. Конъюнктивная (а) и дизъюнктивная (б) бистабильные ячейки

Классификация триггеров проводится по признакам логического функционирования и способу записи информации (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Классификация триггеров

По способу записи информации различают асинхронные(нетактируемые) исинхронные(тактируемые) триггеры. В нетактируемых переход в новое состояние вызывается непосредственно изменением входных информационных сигналов. В тактируемых триггерах, имеющих специальный вход, переход происходит только при подаче на этот вход тактовых сигналов. Тактовые сигналы называют также синхронизирующими, исполнительными, командными и т.д. Обозначаются они буквой(от словаClock).

По способу восприятия тактовых сигналов триггеры делятся на управляемые уровнемиуправляемые фронтом. Управление уровнем означает, что при одном уровне тактового сигнала триггер воспринимает входные сигналы и реагирует на них, а при другом не воспринимает и остается в неизменном состоянии. При управлении фронтом разрешение на переключение дается только в момент перепада тактового сигнала. В остальное время независимо от уровня тактового сигнала триггер не воспринимает входные сигналы и остается в неизменном состоянии. Триггеры, управляемые фронтом, называются также триггерами сдинамическим управлением.

Динамический вход может быть прямыми или инверсным. Прямое динамическое управление означает разрешение на переключение при изменении тактового сигнала с нулевого значения на единичное, инверсное – при изменении тактового сигнала с единичного значения на нулевое.

По характеру процесса переключения триггеры делятся на одноступенчатыеидвухступенчатые.

В одноступенчатом триггере переключение в новое состояние происходит сразу, в двухступенчатом – по этапам. Двухступенчатые триггеры (на схемах обозначаются TTилиMS) состоят из входной и выходной ступеней. Переход в новое состояние происходит в обеих ступенях поочередно. Один из уровней тактового сигнала разрешает прием информации во входную ступень при неизменном состоянии выходной ступени. Другой уровень тактового сигнала разрешает передачу нового состояния из входной ступени в выходную.

По логическому функционированию различают триггеры типов RS,D,T,JKи др. Кроме того, используются комбинированные триггеры, в которых совмещаются одновременно несколько типов, и триггеры со сложной входной логикой (группами входов, связанных между собой логическими зависимостями).

RS-триггеримеет два управляющих входаи, с помощью которых выполняются функции установки триггера в состояние(при,) и сброса в состояние(при,). Притриггер работает в режиме хранения, т.е. сохраняет ранее установленное состояние:либо. Комбинация входных переменных(установка и сброс одновременно) являетсязапрещенной, так как может привести к неопределенному (непредсказуемому) состоянию выхода. Во избежание возникновения сбоев в цифровых системах комбинациюисключают, поэтому она являетсянереализуемой. Полная таблица состояний 3.1 представляет собой табличное описание функционированияRS-триггера. Нереализуемая комбинация входных переменныхдает два безразличных набора переменных,,, для которых значение функциине определено. Минимизировав функцию, получим характеристическое уравнениеRS-триггера:

. (3.1)

Как видно из таблицы 3.1, при (режим хранения) состояние выхода триггера не изменяется:. Поэтому полную таблицу состояний путем объединения строк и исключения столбцаможно преобразовать в более компактную форму (таблица 3.2).RS-триггеры могут быть асинхронными или синхронными, синхронизируемые уровнем либо фронтом синхросигнала.

Таблица 3.1 Таблица 3.2

0	0	0	0		0	0
0	0	1	1		0	1	1
0	1	0	1		1	0	0
0	1	1	1		1	1
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0
1	1	1

JK-триггерхарактеризуется таблицей состояний 3.3. Он отличается отRS-триггера тем, что при поступлении на входы комбинациименяет состояние выхода на противоположное:. Таким образом,JK-триггер не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов, которые следовало бы исключать при работе цифровых систем. Его характеристическое уравнение имеет вид

. (3.2)

Таблица 3.3

0	0
0	1	0
1	0	1
1	1

Так же как RS-триггер,JK-триггер может быть асинхронным, синхронизируемым уровнем или фронтом. На практике обычно используютсяJK-триггеры, синхронизируемые фронтом.

T-триггер, называемый частосчетным триггером, характеризуется таблицей состояний 3.4. Состояние его выхода меняется на противоположное при поступлении на вход счетного сигналаи сохраняется неизменным при. В соответствии с таблицей 3.4 характеристическое уравнениеT-триггера имеет вид

. (3.3)

Из таблицы 3.3 видно, что при состояниеJK-триггера, синхронизируемого фронтом, будет изменяться на противоположноепри поступлении каждого синхроимпульса. Таким образом,JK-триггер в этом случае функционирует какT-триггер при подаче счетного сигналана вход синхронизации.

D-триггеримеет таблицу состояний 3.5, в которой отсутствует состояние, соответствующее режиму хранения.D-триггеры бывают только синхронными, и в соответствии с таблицей 3.5 они после поступления синхросигнала устанавливаются в состояние

. (3.4)

Выражение (3.4) является характеристическим уравнением D-триггера.D-триггер выполняет функцию задержки информации, поступающей на управляющий вход, на один период синхросигналов (такт машинного времени). В микроэлектронной аппаратуре широко используютсяD-триггеры, синхронизируемые фронтом и синхронизируемые уровнем.

Таблица 3.4 Таблица 3.5

0			0	0
1			1	1

Согласно таблицам состояний 3.3 и 3.5 синхронный JK-триггер будет выполнять функцииD-триггера, если исключить комбинации, при которых. Это достигается соединением входовичерез инвертор. В свою очередь,D-триггер, синхронизируемый фронтом, выполняет функцииT-триггера, если соединить входс инверсным выходом.

Условные графические обозначения рассмотренных триггеров приведены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Условные графические обозначения триггеров

а – асинхронный RS-триггер; б – синхронизируемый логическим нулемRS-триггер; в –D-триггер, срабатывающий по фронту 01; г –JK-триггер, срабатывающий по срезу 10; д – двухступенчатыйJK-триггер с входами раздельной установки в нулевое (R) и единичное (S) состояния;T-триггер, срабатывающий по срезу 10; ж – синхронизируемый фронтом 10

JK-триггер с логическими элементами И на входахJиK

В комбинированныхтриггерах совмещаются несколько режимов. Например, триггер типаRST– счетный триггер, имеющий также входы установки и сброса.

Примером триггера со сложной входной логикойслужитJK-триггер с группами входови, соединенных операцией конъюнкции:

, . (3.5)

Помимо таблиц состояния и характеристических уравнений, триггеры определяются также таблицами переходов (словарями триггеров), которые представляют собой зависимость входных переменных от вида переключений . Таблицы переходов для рассмотренных выше триггеров приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6

00	*	0	0		*	0		0
01	0	1	1		*	1		1
10	1	0	*		1	1		0
11	0	*	*		0	0		1