ΗΜΥ-210: Λογικός Σχεδιασμός Εαρινό Εξάμηνο 2005 ΗΜΥ 210: Λογικός Σχεδιασμός, Εαρινό Εξάμηνο 2005 Νοε-18 ΗΜΥ-210: Λογικός Σχεδιασμός Εαρινό Εξάμηνο 2005 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές (Latches) και Flip-Flops Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Ακολουθιακά Κυκλώματα Συνδυαστική Λογική: Η έξοδος εξαρτάται μόνο από την τρέχων (current) είσοδο Μπορεί να εκτελέσει χρήσιμες λειτουργίες (πρόσθεση/αφαίρεση/πολλαπλασιασμό/…) Χρειάζεται διαδοχή πολλών δομών Ακριβό και άκαμπτο (inflexible) Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Ακολουθιακά Κυκλώματα (συν.) Ακολουθιακή Λογική: Η έξοδος εξαρτάται όχι μόνο από την τρέχων (current) είσοδο αλλά από τις προηγούμενες τιμές στις εισόδους Φυλάει πληροφορίες μεταξύ λειτουργιών (δεν χρειάζεται διαδοχή) Χρειάζεται κάποιου είδους μνήμη για να μπορεί να κρατά τις προηγούμενες τιμές των εισόδων Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Ακολουθιακά Κυκλώματα (συν.) Κυκλώματα που μάθαμε μέχρι τώρα Κυκλώματα που αποθηκεύουν πληροφορίες “Καταστάσεις” Χρόνου Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Ακολουθιακή Λογική: Έννοια Τα κυκλώματα ακολουθιακής λογικής κρατούν στην μνήμη τους την προηγούμενη κατάσταση του κυκλώματος και τις προηγούμενες τιμές στις εισόδους. Οι έξοδοι του συστήματος χρησιμοποιούνται σαν οι νέες τιμές στις εισόδους (συνήθως με κάποια καθυστέρηση). Τα στοιχεία αποθήκευσης μπορούν να αποθηκεύουν δυαδικές πληροφορίες : μνήμη. Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Σύγχρονες vs. Ασύγχρονες μηχανές Υπάρχουν 2 τύποι ακολουθιακών κυκλωμάτων: Σύγχρονο (latch mode) ακολουθιακό κύκλωμα: μπορούμε να ορίσουμε την συμπεριφορά του κυκλώματος από την γνώση που έχει το κύκλωμα σε διακριτές τιμές χρόνου. Αυτού του είδους τα κυκλώματα πετυχαίνουν συγχρονισμό χρησιμοποιώντας σήμα χρόνου το ρολόι. Ασύγχρονο (fundamental mode) ακολουθιακό κύκλωμα: η συμπεριφορά του κυκλώματος εξαρτάται από την σειρά των αλλαγών του σήματος στις εισόδους συνεχώς, και οι έξοδοι μπορούν να αλλάξουν ανά πάσα στιγμή (clockless). Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Σήμα Ρολογιού Γεννήτρια Ρολογιού: Περιοδικό σήμα από παλμούς ρολογιού Διαφορετικοί κύκλοι Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops Στοιχεία Μνήμης Δεν μπορούν να αλλάξουν την Αποθηκευμένη τους τιμή! Inverters Buffers Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops SR latch (από NOR) -- SR: “set-reset”, δισταθή στοιχείο με 2 εισόδους; Προσέξτε την «ακαθόριστη» τιμή για S=R=1. -- Διαβάστε την λογική: Q = (R+Q’)’; P = (S+Q)’ Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops R=S=1 ?? Ακαθόριστη έξοδος γιατί Όταν S=R=1, και οι 2 έξοδοι είναι 0. Εάν και οι 2 έξοδοι είναι 0, η κατάσταση του SR flip flop εξαρτάται από την είσοδο που παραμένει 1 περισσότερο πριν γίνει 0. Άρα είναι όντως, “ακαθόριστη” κατάσταση. ΠΡΕΠΕΙ να αποφευχθεί. Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops S’R’ Latch (από NAND) S’ R’ Q Q’ S’ 1 Q 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 Set Q’ 1 R’ X Y NAND 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops S’R’ Latch (από NAND) S’ R’ Q Q’ 1 S’ 1 Q 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 Set Q’ 1 R’ 1 0 Hold X Y NAND 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops S’R’ Latch (από NAND) S’ R’ Q Q’ 1 S’ Q 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 Set 0 1 Reset 1 Q’ R’ 1 0 Hold X Y NAND 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops S’R’ Latch (από NAND) S’ R’ Q Q’ 1 S’ Q 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 Set 0 1 Reset 1 Q’ 1 R’ 1 0 Hold 0 1 Hold X Y NAND 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops S’R’ Latch (από NAND) S’ R’ Q Q’ S’ 1 Q 1 1 Disallowed 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 Set 0 1 Reset 1 Q’ R’ 1 0 Hold 0 1 Hold X Y NAND 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops SR Latches Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops Προσομοίωση SR Latch Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops SR Latch με Ρολόι Το Latch είναι ευαίσθητο σε αλλαγές στις εισόδους ΜΟΝΟ όταν το C=1 Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops SR Latch με Ρολόι (συν.) S R CLK S’ Q Q’ R’ S R CLK S’ R’ Q Q’ 0 0 1 1 1 Q0 Q0’ Store 0 1 1 1 0 0 1 Reset 1 0 1 0 1 1 0 Set 1 1 1 0 0 1 1 Disallowed X X 0 1 1 Q0 Q0’ Store Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops D Latch Ένας τρόπος να αποφεύγουμε τις ανεπιθύμητες ακαθόριστες καταστάσεις στο RS flip flop είναι η εξασφάλιση ότι ποτέ δεν θα έχουμε 1 στις εισόδους S και R ταυτόχρονα. Αυτό επιτυγχάνεται με ένα D latch: Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops D Latch (συν.) S D S’ Q CLK Q’ R R’ S R CLK Q Q’ 0 1 0 1 1 1 1 0 X 0 Q0 Q0’ D CLK Q Q’ 0 0 1 Q0 Q0’ Store 0 1 1 0 1 Reset 1 0 1 1 0 Set 1 1 1 1 1 Disallowed X X 0 Q0 Q0’ Store Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

D Latch με πύλες μετάδοσης 1 2 C=1  το TG1 κλείνει και τοTG2 ανοίγει  Q’=D’ και Q=D C=0  το TG1 ανοίγει και το TG2 κλείνει  Hold Q και Q’ Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops Τα Latches είναι “διαυγή” (= οποιαδήποτε αλλαγή στις εισόδους παρατηρείται και στις εξόδου την ίδια στιγμή). Αυτό προκαλεί προβλήματα συγχρονισμού! Λύση: χρησιμοποίησε latches για την δημιουργία των flip-flops που μπορούν να ανταποκριθούν (update) ΜΟΝΟ σε ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΕΣ χρονικές στιγμές (όχι ανά πάσα στιγμή). Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Εναλλακτική λύση στην επιλογή FF RS D JK Τύποι ενεργοποίησης Μη-ενεργοποιήσιμα (ασύγχρονα) Ενεργοποίηση-επιπέδων (C=1) Ενεργοποίηση-ακμής (rising ή falling ακμή του C) Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Master-Slave διαμόρφωση FF χρησιμοποιώντας SR latches επιτρέπει την συμπεριφορά ενεργοποίηση-επιπέδων Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Master-Slave διαμόρφωση FF χρησιμοποιώντας SR latches (συν.) S R CLK Q Q’ Όταν C=1, ο master ενεργοποιείται και φυλάει νέα δεδομένα, και ο slave αποθηκεύει παλιά δεδομένα. Όταν C=0, η κατάσταση του master ενεργοποιεί τον slave (Q=Y), και δεν νοιάζεται ο master για νέα δεδομένα. 0 0 1 Q0 Q0’ Store 0 1 1 0 1 Reset 1 0 1 1 0 Set 1 1 1 1 1 Disallowed X X 0 Q0 Q0’ Store Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Master-Slave J-K Flip-Flop Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Flip-Flops Ενεργοποίησης-Ακμής Συνδέουμε τα ενεργοποίησης-επιπέδων D με ενεργοποίησης-επιπέδων SR, χρησιμοποιώντας συμπληρωματικά ρολόγια. Τύπου D Θετικής Ενεργοποίησης-ακμής FF: Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops

Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops J-K FF Θετικής Ενεργοποίησης-Ακμής Νοε-18 Κεφάλαιο 6 -i: Ακολουθιακά Κυκλώματα – Μανδαλωτές και Flip-Flops