Circuite secventiale - aplicatii Partea I, circuite sincrone

Circuite secventiale - aplicatii

Partea I, circuite sincrone

In lucrarea precedenta au fost prezentate structurile interne si parametrii circuitelor secventiale elementare: bistabilele. Circuitele bistabile formeaza, alaturi de structurile combinationale, elementele de baza ale tuturor sistemelor digitale. In marea lor majoritate aplicatiile digitale utilizeaza prelucrari secventiale de date. Operatiile secventiale sunt implementate in toate structurile componente ale unui procesor digital; aceste unitati structurale contin, la randul lor, circuite specializate: circuite aritmetice (sumatoare, multiplicatoare, comparatoare), registre de transfer de date (serial, paralel), numaratoare si divizoare de frecventa, generatoare de semnal. Toate aceste circuite utilizeaza cele mai simple elemente secventiale - bistabilele - impreuna cu structurile combinationale aferente pentru a implementa functiile specializate pentru care au fost proiectate.

Obiective

Lucrarea propune studiul circuitelor bistabile integrate ca celule elementare in cadrul unor aplicatii care implementeaza registre de deplasare seriala si paralela a unor siruri de biti, numaratoare si divizoare de frecventa, generatoare de semnal. Un accent deosebit se pune pe verificarea functionarii circuitelor proiectate si pe necesitatile de timing (timpul de preafisare, timpul de mentinere si timpul de intarziere) intre diferitele semnale din circuitele simulate.

Fundamentarea teoretica

Registrele de deplasare

Registrele de deplasare sunt circuite specializate pentru deplasarea seriala sau paralela a sirurilor de biti. Un cuvant binar este memorat bit cu bit intr-o structura formata din mai multe bistabile conectate in cascada; fiecare bistabil este privit ca un element de memorie de 1 bit. Valoarea memorata poate fi apoi deplasata serial sau paralel intr-un alt registru aplicand comenzi corespunzatoare circuitelor bistabile.

Principiul dupa care sunt implementate registrele de deplasare este prezentat in figura F5.1. Inscrierea seriala in registru a unui cuvant de patru biti dureaza patru perioade de ceas, asa cum este evidentiat in cronogramele din figura F5.2.

Figura F5.1. Schema de principiu a unui registru de deplasare pe 4 biti.

Figura F5.2. Inscrierea cuvantului "0001" in registrul de deplasare.

Transferul serial de date

Implementarea unui circuit pentru transferul serial al cuvintelor binare este sugerata de schema de principiu anterioara. Figura F5.3 prezinta o diagrama de principiu pentru doua registre, X si Y, fiecare pe patru biti, formati din bistabile JK. Odata inscrisa informatia in registrul X, aceasta este preluata cate un bit la fiecare front pozitiv de ceas in registrul Y; inscrierea completa a registrului Y dureaza tot patru perioade de ceas.

Tabelul T5.1

Figura F5.3. Transfer serial de date intre doua registre.

Transferul paralel de date

Figura F5.4 ilustreaza transferul simultan a patru biti de date din registrul X in registrul Y la aplicarea unui front de ceas corespunzator. Aceste registre sunt implementate cu bistabile D care pot fi privite ca locatii de memorie. Cuvantul din registrul X este intact dupa transferul in registrul Y, astfel ca acest proces de transfer paralel de date poate interpretat ca fiind unul din scenariile posibile pentru a accesa cuvintele binare stocate in elemente de memorie.

Generatoare de semnal

Circuitele generatoare de semnal se implementeaza pornind de la diagrama automatului de stare care descrie semnalul de generat.

De exemplu, pentru implementarea circuitului care sa genereze secventa "0011101" se porneste de la determinarea numarului de bistabile necesare; astfel, pentru a genera un semnal care se repeta cu perioada T_s=7T_CLK avem nevoie de 3 bistabile. Iesirea unuia din bistabile genereaza sirul de biti dorit, iar celelalte doua au rolul de a face distinctie intre starile succesive prin care trece automatul de stare. Diagrama automatului de stare este prezentata in figura F5.5.

Figura F5.4. Transfer paralel de date intre doua registre.

Figura F5.5. Diagrama automatului de stare pentru un generator de semnal.

Desfasurarea lucrarii

In proiectul OrCAD asociat lucrarii anterioare implementati un circuit de deplasare seriala intre doua registre pe patru biti. Pornind de la tabelul T5.1 si figura F5.3, determinati schema electrica a circuitului. Observati procesul de incarcare (seriala) a primului registru si transferul informatiei bit cu bit in registrul al doilea.

Implementati un generator de semnal avand ca punct de plecare diagrama din figura F5.5. Utilizati bistabile D, multiplexoare MUX2:1 si porti pentru schema electrica a circuitului.

Intrebari si probleme

Care sunt dezavantajele implementarii unui registru de deplasare seriala a informatiei? Exista si avantaje asociate registrelor seriale?

Sugerati cate o aplicatie pentru fiecare din registrele serial si paralel.

Referitor la circuitul din figura F5.4, cu ce bistabile poate fi implementat registrul X?