Цифровые узлы ЭВМ. Понятие о конечных автоматах. Автоматы Мили и Мура. Синхронные и асинхронные триггеры. Регистры и счетчики

Источник: П. Хоровиц, У.Хилл, Искусство схемотехники. Часть 1.

Устройства с памятью: триггеры

С их помощью можно строить счетчики, арифметические регистры и различные «умные» схемы, которые, выполнив одну интересную функцию, начинают делать другую. Основным узлом таких схем является триггер.

Тактируемые триггеры

Триггеры, построенные на двух вентилях, обычно называют RS (от английских слов set – «установка» и reset – «сброс») или асинхронными триггерами. Путем подачи соответствующего входного сигнала они могут быть установлены в то или иное состояние. RS-триггеры удобно использовать в схемах защиты от дребезга контактов, а также во многих других случаях, однако более широкое применение получили триггеры, схема которых несколько отличается от рассмотренной. Вместо пары асинхронных входов они имеют один или два информационных входа и один тактирующий. В момент подачи тактирующего импульса выходное состояние триггера может либо измениться, либо остаться прежним, в зависимости от того, какие сигналы действуют по информационным входам.

Таблица истинности для этого триггера будет иметь вид

D-триггеры

Эти типы триггеров являются наиболее распространенными. Информация, поступившая на входные линии этого триггера к моменту возникновения перепада или «фронта» тактового сигнала, определяет, каким будет состояние выхода на последующем интервале времени. Такие триггеры выпускаются в виде недорогих ИМС и всегда используются в этом виде.

Рассмотрим D-триггер. Информация, поступившая на D-вход, будет передана на выход Q после подачи тактового импульса.

JK-триггеры

По принципу работы JK-триггер аналогичен D-триггеру, но имеет два информационных входа. Приведем таблицу истинности для JK-триггера.

Если на входах J и K действуют противоположные сигналы, то на очередном фронте тактового импульса выход Q воспроизведет значение J-входа. Если оба входа J и K имеют НИЗКИЙ уровень, то состояние выхода не измениться. И, наконец, если на обоих входах действует ВЫСОКИЙ уровень, триггер будет совершать «скачки» (менять свое состояние на каждом тактовом импульсе), т.е. работать в счетном режиме.

Синхронные тактируемые системы.

Последовательные логические схемы, в которых для управления всеми триггерами используется общий источник тактовых импульсов, обладают рядом преимуществ. В таких синхронных системах все действия происходят сразу же после возникновения тактового импульса и определяются тем состоянием, которое имело место непосредственно перед его возникновением. Общая структура подобной системы:

Все триггеры объединены в один общий регистр, представляющий собой не что иное, как набор D-триггеров, у которых соединены вместе тактовые входы, а индивидуальные D-входы и выходы Q- выведены вовне. Каждый тактовый импульс вызывает передачу уровней, присутствующих на D-входах, на соответствующие выходы Q. Блок, состоящий из вентилей, анализирует комбинацию сигналов для D-входов регистра и выходные логические уровни. Эта простая с виду схема обладает очень большими возможностями.

Деление на число, большее чем 2. (Счетчик)

С помощью каскадного соединения нескольких счетных триггеров (выход Q каждого предыдущего триггера подключен к тактовому входу последующего) легко получить «делитель на 2», или двоичный счетчик.

На рисунке показана схема четырехразрядного асинхронного счетчика и даны его временные диаграммы. Заметим, что если выход Q каждого триггера непосредственно действует на тактовый вход следующего, срабатывание триггеров должно происходить по спаду (заднему фронту) сигнала на тактовом входе.

Счетчик выполняет настолько важную функцию, что выпускается в виде большого числа модификаций, выполненных в виде однокристальных ИМС, которые могут производить счет в 4-разрядном, двоично-десятичном и многоцифровом форматах. Соединяя эти счетчики каскадно и воспроизводя из содержимое с помощью цифрового индикатора, можно легко построить схему для подсчета каких-либо событий.

Источник: Карпов Ю.Г. Теория автоматов, 2003