Przerzutniki RS i JK-MS lab. 04 Układy sekwencyjne cz. 1 PODSTAWY TECHNIKI MIKROPROCESOROWEJ 3EB KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII WWW.KEIASPE.AGH.EDU.PL AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA WWW.AGH.EDU.PL Cele ćwiczenia Zapoznanie z pakietem symulacji układów logicznych Digital Works Poznanie budowy i zasad działania przerzutników Nabycie umiejętności wykorzystania przerzutników w prostych układach sekwencyjnych Wstęp Dotychczas poznane układy logiczne bramki, układy bramek realizujące funkcje logiczne itp., były układami kombinacyjnymi. Oznacza to że stan wyjścia bramki lub układu bramek realizującego funkcję, zależał tylko od podanej kombinacji sygnałów na wejścia układu oraz jego połączeń wewnętrznych, miedzy bramkami, modułami. Układy cyfrowe sekwencyjne charakteryzują się tym, że stan na ich wyjściu (wyjściach) zależy nie tylko od podanych sygnałów wejściowych i połączeń między elementami układu, ale również od stanu w chwilach poprzednich zapamiętanych w układzie. Układy sekwencyjne dzielą się na: asynchroniczne bez modułu zegara zmiana sygnałów wejściowych X natychmiast powoduje zmianę wyjść Y (Q). W związku z tym układy te są szybkie, ale jednocześnie podatne na zjawisko hazardu i wyścigu synchroniczne z modułem zegara zmiana stanu wewnętrznego następuje wyłącznie w określonych chwilach, które wyznacza sygnał zegarowy (ang. clock). Każdy układ synchroniczny posiada wejście zegarowe oznaczane zwyczajowo symbolami C, CLK lub CLOCK. Charakterystyczne dla układów synchronicznych, jest to, iż nawet gdy stan wejść się nie zmienia, to stan wewnętrzny - w kolejnych taktach zegara - może ulec zmianie Najbardziej popularnymi układami sekwencyjnymi są: przerzutniki, rejestry, liczniki czy proste pamięci. Program ćwiczenia 1) Przerzutniki podstawowe elementy układów sekwencyjnych 2) Weryfikacja działania przerzutników RS i JK, JK-MS tabele prawdy/stanów, przebiegi czasowe Przerzutniki podstawowe informacje i symulacje Przerzutnik (ang. flip flop) jest układem cyfrowym wyposażonym w pamięć. W przypadku bramki cyfrowej stan jej wyjścia jest bezpośrednio uzależniony od stanów panujących na wejściach - opisuje to funkcja logiczna realizowana przez bramkę. W przerzutniku jest nieco inaczej - zapamiętuje on swój stan wewnętrzny. Stan ten może być zmieniony przez odpowiednie wysterowanie wejść. Typowy przerzutnik jest układem cyfrowym posiadającym kilka wejść sterujących oraz dwa wyjścia komplementarne Q i Q, na których panują zawsze przeciwne stany logiczne (z dokładnością do czasu propagacji sygnałów wewnątrz przerzutnika - zjawisko Hazardu). PRZERZUTNIK RS --- W najprostszym przerzutniku RS stan wysoki na wejściu S (ang. Set - ustawianie), wymusza przejście wyjścia Q w stan 1. Z kolei stan wysoki na wejściu R (ang. Reset - zerowanie), wymusza przejście wyjścia Q w stan 0. Stan wyjścia Q może się również zmieniać pod wpływem określonej kombinacji stanów wejść (obrazują to tabele prawdy/stanów). Widok bloku przerzutnika RS i jego schemat wewnętrzny pokazano na rysunku 1. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 1/6
Rysunek 1 Przerzutnik RS blok oraz schemat wewnętrzny na bramkach NAND Przerzutnik powstaje dzięki sprzężeniu zwrotnemu (ang. feed back) wyjść z wejściami. Sprzężenie to powoduje, iż przerzutnik utrzymuje ostatni stan wyjść Qn-1 po przejściu stanów logicznych na wejściach w stan neutralny. Przerzutnik może być wykonany z użyciem różnych bramek najczęściej NAND lub NOR patrz: rysunek 2. Rysunek 2 Przerzutniki RS i ich tabele stanów (kolor czerwony sygnałów 1 logiczna) Stany zaznaczone w tabelach na czerwono to tzw. stany zabronione w przerzutniku RS. Wówczas wynikowy stan wyjścia Q jest nieokreślony - może być równy 1 lub 0, w zależności od wewnętrznych hazardów w sieci logicznej przerzutnika - nie daje się przewidzieć. Symulacja pracy przerzutnika RS: 1. Otworzyć nowy projekt/plik w pakiecie Digital Works. 2. Zbudować układ symulacji pracy przerzutnika jak na rys. 2 (układ na NAND-ach), korzystając z elementów zadających sygnały (wejścia) i diod LED na wyjściach, poznanych na poprzednich ćwiczeniach (Interactive Input, LED). 3. Zasymulować pracę układu i zweryfikować tabelę prawdy dla RS na NAND-ach. 4. Do tego pliku dodać blok przerzutnika RS Flip-Flop z palety narzędzi i podłączyć jego wejścia do elementów zadających sygnały z poprzedniego schematu oraz na wyjścia połączyć dwie kolejne diody LED oba przerzutniki blokowy i schematowi mają działać równolegle. 5. Uruchomić symulację i obserwować pracę obu układów. 6. Możliwość: ustawić elementy Interactive Input w tryb pracy Pulse Input (tap prawy klawisz myszy na elemencie, wybrać odpowiednią opcję elementu) 7. Zanalizować i odpowiedzieć: Z jakich bramek zbudowany jest blok przerzutnika RS? Dlaczego lepiej stosować w obsłudze przerzutnika RS przyciski Push na wejściach zadających sygnały Set i Reset? 8. Zapisać plik symulacyjny na dysku komputera najlepiej pod nazwą np. PRZERZUTNIKI. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 2/6
PRZERZUTNIK JK i JK-MS --- Podstawową wadą przerzutnika RS jest oczywiście stan nieustalony. Aby wyeliminować tę niedogodność, zaproponowano w prowadzenie zegara taktującego, od którego stanu zależy reakcja przerzutnika na zmiany sygnałów Set i Reset. Taki przerzutnik nazwano RS Clocked lub JK (gdzie wejścia R i S zamieniono na J i K), a jego budowę i tabelę stanów pokazano na rysunku 3. Rysunek 3 Przerzutnik JK i jego tabela stanów (kolor czerwony sygnałów 1 logiczna) WNIOSEK: Zachowanie układu znów nie jest do końca zadowalające. Przy zadaniu R=1 i S=1 powstają na wyjściu oscylacyjne zmiany sygnału, zależne od częstotliwości zegara CLK. Aby pozbyć się kłopotów z doborem czasu trwania impulsu zegarowego (ważne tylko dla J=1 i K=1), często stosuje się układ Master/Slave, z buforowaniem zmian sygnału przez czas jednego cyklu zegarowego. W ten sposób powstaje przerzutnik JK-MS, zwykle wyzwalany zboczem sygnału zegarowego, zatem nie wystąpią w nim problemy ze wzbudzaniem się układu. Budowa i tabela stanów pokazana na rysunku 4. Rysunek 4 Przerzutnik JK-MS wyzwalany zboczem narastającym i jego tabela stanów (kolor czerwony sygnałów 1 logiczna) Przebiegi czasowe przerzutnika JK-MS wyzwalanego zboczami (Edgge triggered): W budowie wewnętrznej przerzutnika JK-MS można wydzielić dwa bloki: Master i Slave. Dla każdego z nich teoretycznie (do analizy) możliwe jest wypuszczenie sygnału wyjść Q1 i Q2 jak na rysunku 5. KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 3/6
Rysunek 5 Przerzutniki JK-MS z zaznaczeniem struktury wewnętrznej i wyjściami roboczymi Q1 i Q2 Dzięki temu możliwe jest przeanalizowanie pracy przerzutnika JK-MS i wyznaczenie dla niego przebiegów czasowych sygnału wyjściowego, zależnie od sygnałów wejściowych J i K oraz CLK. Zakłada się początkowy stan Q1 i Q2 = 0. Na przykład: Rysunek 6 Przebiegi czasowe sygnałów CLK, J i K dla przerzutnika JK-MS Do symulacji układu przerzutnika JK-MS wyzwalanego zboczami i rejestracji jego przebiegów czasowych, wykorzystany będzie pakiet Digital Works. Symulacja pracy przerzutnika JK-MS PAKIET Digital Works: 1. Otworzyć wykorzystywany dotąd plik symulacyjny (PRZERZUTNIKI) 2. Do symulacji dodać elementy: a. Przerzutnik JK b. Blok Zegara - połączyć z wejściem clock przerzutnika c. Dwie diody LED połączyć je z wyjściami przerzutnika nadać im nazwy Q i /Q (prawy klawisz myszy na diodzie LED i wpisać Text) wybrać też opcję Add to Logic History d. Dwa obiekty Sequence Generator połączyć je odpowiednio do wejść J i K przerzutnika - nadać im nazwy seq--j i seq--k (prawy klawisz myszy na obiekcie i wpisać Text) wybrać też opcję Add to Logic History 3. Do obiektów Sequence Generator wpisać sekwencję zmiany sygnałów prawy klawisz myszy Edit Sequence i wpisać słowa 8 bitowe jakie wynikają z wykresów na rysunku 6 a. Dla seq J: 11010011 Dla seq K: 01100110 4. W OPCJE symulacji ustawić szybkość symulacji na 1 Hz KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 4/6
5. Otworzyć okno LOGIC HISTORY (rysunek 7) ustawić w nim długość rejestracji przebiegów - zakres cykli zegarowych na 8 6. Uruchomić symulację i obserwować przebiegi 7. Zaproponować inne sekwencje sygnałów na wejściach J i K oraz wydłużyć czas rejestracji przebiegów do 16 cykli - obserwować przebiegi, wysnuć wnioski co do zależności sygnału wyjściwoego od zmian sygnałów na wejściach J i K 8. NA KONIEC komentarz prowadzącego zajęcia zapis tabeli stanów dla przerzutnika JK-MS różnica w wyzwalaniu poziomem i zboczami Rysunek 7 Okno rejestratora przebiegów czasowych LOGIC HISTORY PODSUMOWANIE Po zajęciach Student powinien: znać i wyjaśnić różnicę między układami kombinacyjnymi a sekwencyjnymi znać budowę, zasadę działania i tabele stanów przerzutników RS znać budowę, zasadę działania i tabele stanów przerzutników JK i JK-MS oraz narysować i przeanalizować ich przebiegi czasowe Materiały: Polecam stronę WWW: http://eduinf.waw.pl/inf/alg/002_struct/0032.php http://eduinf.waw.pl/inf/alg/002_struct/0035.php oraz pozycje zebrane w literaturze na mojej stronie WWW: http://www.kaniup.agh.edu.pl/~ozadow/str_1_el_1_mikro.html UWAGA -----!!! ---!!! ---!!! --- Nie trzeba opracowywać sprawozdania z tego ćwiczenia! Na następnych zajęciach KOLOKWIUM z zagadnień poznanych od początku semestru do zajęć związanych z tą instrukcją WŁĄCZNIE! Zagadnienia: Systemy liczbowe 2-kowy, 8-kowy, 16-kowy, 10-tny, konwersja liczb między systemami, KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 5/6
działania na liczbach binarnych (dodawanie, odejmowanie, mnożenie) i ze znakiem (dodawanie, odejmowanie), kod BCD (dodawanie), funkcje logiczne: różne sposoby zapisu, minimalizacja tab. Karnaugha, budowanie układów logicznych dla funkcji minimalnych na bramkach NAND i NOR 2 wejściowych synteza układów kombinacyjnych ze schematu do funkcji logicznej przerzutniki RS i JK-MS analiza przebiegów czasowych dla przerzutnika JK-MS wyzwalany zboczami KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I AUTOMATYKI SYSTEMÓW PRZETWARZANIA ENERGII 6/6