Návrat na detail prednášky / Stiahnuť prednášku / Univerzita Konštantína Filozofa / Fakulta prírodných vied / Logické systémy počítačov

lekcia 8 (lekcia_8.doc)

Posuvné registre

Kombináciou n preklápacích obvodov, schopných zapamätať si n-bitovú informáciu, nazývame registrom. Ak spojíme výstup preklápacieho obvodu so vstupom nasledujúceho preklápacieho obvodu atď., dostávame zostavu tzv. posuvného registra. Na obr.

je typické zapojenie posuvného registra tvoreného synchronnými preklápacími obvodmi JK riadenými nábežnou hranou. Informácia zo vstupu A pri prvom synchronizačnom impulze C bude prevzatá do prvého preklápacieho obvodu. Pri nasledujúcom impulze C sa táto informácia posunie do druhého preklápacieho obvodu atď. Informácia A sa tak bude s každým impulzom posúvať o jeden preklápací obvod t.j. o jedno miesto v registri.

Z princípu činnosti je odvodený názov posuvný register. Posuvné registre sa často používajú k zapamätaniu informácií. Zápis a čítanie môžu byť prevádzané buď sériovo alebo paralelne. Preto sa posuvné registre môžu používať ako sériovo paralelné prevodníky, paralelno sériové prevodníky, alebo ako prevodníky rýchlosti (jednotlivé bity sa dajú rýchlo vložiť a potom pomalšie opäť prečítať, pričom je možná aj opačná funkcia.). Posledná vlastnosť je dôležitá pri výmene informácií medzi mechanickými a elektronickými prístrojmi.

Možnosť paralelného vstupu dát približuje obr.

Ak je na vodiči P úroveň logickej hodnoty 0, sú logické členy AND zatvorené, statické vstupy preklápacích obvodov nebudú budené a register je pripravený na sériovú prevádzku. Ak je však na P úroveň logickej hodnoty 1, sú členy AND otvorené. Ak je teda na P1 hodnota 0 a na P2 hodnota 1, nastaví sa aj výstup Q1 na hodnotu 0 a výstup Q2 na hodnotu 1 atď. V priebehu paralelného vstupu dát nemôže register pracovať sériovým spôsobom.

Čítače

Kombináciu preklápacích obvodov schopných čítať počet vstupných impulzov a vyjadriť ich počet pomocou buď binárneho alebo iného kódu, nazývame čítače.

Asynchrónny čítač vpred

Asynchrónny čítač vpred je znázornený na obr.

Pozostáva z reťazca (v našom prípade štyroch) preklápacích obvodov T. Preklápacie obvody boli vytvorené pomocou obvodu J-K pripojením oboch vstupov na logickou 1. Jednotlivé preklápacie obvody menia stav výstupu pri každej nábežnej hrane na svojom hodinovom vstupe. Preklápanie obvodov sa teda riadi v podstate dvoma pravidlami:

1. Výstup Q0 obvodu T1 mení svoj stav pri každej nábežnej hrane vstupných impulzov
2. Všetky ostatné výstupy menia svoj stav práve keď predchádzajúci preklápací obvod mení stav výstupu Q z 1 do 0.

Aplikáciou týchto pravidiel dostávame tvar signálu na výstupoch Q0-Q3 tak, ako ich uvádza obr.

Vidíme, že stav výstupov Q0-Q3 je presne binárna reprezentácia čísla, udávajúceho poradie vstupného hodinového impulzu. Takýto reťazec preklápacích obvodov číta v binárnej sústave.

Synchrónne čítače

Z rozboru funkcie asynchrónnych čítačov je zrejmé, že zmena stavu z 1 do 0 predchádzajúceho obvodu spôsobí zmenu stavu nasledujúceho obvodu. V prípade, že všetky obvody sú na logickej úrovni 1, vybuzujú postupne jeden druhý a doba potrebná k tomu, aby celý čítač vykonal odozvu na vstupný impulz, môže byť zrovnateľná s dobou medzi jednotlivými impulzmi. To je nebezpečné práve vtedy, ak je rada obvodov dlhá, lebo pokiaľ celý reťazec nedosiahne ustálený stav, nedá sa z jeho výstupov synchrónne (v jednom okamihu) odčítať a zariadenie tak stráca tak stráca zmysel. Aby sa doba odozvy čítača na vstupný impulz znížila, bola opäť trochu modifikovaná topológia zapojenia čítača tak, aby na preklápacie obvody bol privedený vstupný impulz synchrónne. V tom prípade je však treba zabezpečiť, aby menili stav iba tie preklápacie obvody, pri ktorých sa to vyžaduje. Tu a plne využíva funkcia obvodov typu T, obr.

Vratný čítač

Zariadenie, ktoré sme práve rozobrali zobrazujú počet vstupných impulzov v binárnom tvare, t.j. každý ďalší impulz spôsobí zvýšenie stavu čítača o 1. Často je potrebné, aby čítač počet impulzov odčítal. Čítač, ktorý toto realizuje, sa nazýva čítač vzad. Asynchrónny čítač vzad realizujeme tak, že miesto výstupu predchádzajúceho preklápacieho obvodu (Qn) pripojíme na hodinový vstup nasledujúceho obvodu (Qn+1) predchádzajúci negovaný vstup (Q’n). Čítače, ktoré umožňujú podľa riadiaceho povelu čítanie buď vpred alebo vzad nazývame vratnými. Asynchrónny čítač vzad realizujeme tak, že miesto výstupov Qi prepojíme s hodinovými vstupmi nasledujúcich obvodov výstupy Q’i. Ak chceme teda realizovať vratný asynchrónny čítač, musíme zostrojiť prepínač, ktorý bude prepínať do hodinových vstupov buď výstup Q alebo Q’ predchádzajúceho preklápacieho obvodu. Príklad realizácie takého prepínača je na obr.

Prevodníky kódu a zobrazovacie jednotky

Prevodníky kódu prevádzajú informáciu z jednej formy na druhú. Delíme ich na kódery a dekódery.

Doteraz v popísaných základných zapojeniach číslicovej techniky je uvádzaná informácia v dvojkovej sústave. Je to číselná sústava, ktorá nie je užívateľovi veľmi prístupná. Musíme teda použiť logické obvody, ktoré prevedú dvojkový kód na desiatkový. Na obr.

je príklad čítača, ktorý číta BCD kód na desiatkový. Zo vstupných premenných je možné pomocou logických členov NAND dekódovať jednotlivé číslice 0 až 9. K ujasneniu funkcie zapojenia si zvolíme číslicu 1. Jej dvojková reprezentácia je 0001. Nasledujúci príklad (obr.)

ukazuje, ako sa dá previesť desiatkové číslo na dvojkové. Zapojenie má význam pre zariadenie pre vstup dát napr. numerická klávesnica a pod. Ak sú vstupy otvorené, t.j. na vstupe je potenciál 0, sú na výstupoch Y1 až Y4 logické hodnoty 0. Ak stlačíme napr. tlačidlo 7 dostane sa na príslušné vstupy logických členov OR hodnota 1 a na výstupnej strane prevodníka sa nastaví nasledujúca informácia:

        Y1=1, Y2=1, Y3=1, Y4=0=1110=7.

Pri tomto zapojení musíme zaistiť, aby sa nedalo stlačiť viacero tlačidiel naraz, môžeme zadať len jednoznačnú informáciu.

Pre výstup informácie z elektronického zariadenia v tvare číslic existuje veľa možností. Najjednoduchší spôsob zobrazenia číslic spočíva v tom, že každej číslici priradíme napr. žiarovku. To znamená, že na čísla od 0 do 9 potrebujeme 10 žiaroviek, ktoré vyžadujú veľa miesta. Ďalšiu možnosť zobrazovania poskytujú sedem segmentové zobrazovacie jednotky (obr. a))

Obraz číslice je rozdelený na sedem častí – segmentov. V závislosti od vybudenia jednotlivých segmentov vzniknú svietiace číslice o 0 do 9 (obr. b)).

Sedem segmentové zobrazovacie jednotky, často nazývame sedem segmentové displeje.

Polovodičové pamäte

V súčasnej dobe sa v číslicovej technike používajú tri princípy zapamätania informácie, a to v polovodičových pamätiach, v magnetických pamätiach na feritových jadrách a v magnetických bublinových pamätiach, pričom polovodičové pamäte dosiahli najväčšieho rozšírenia. Dve najdôležitejšie vlastnosti charakterizujúce pamäť sú:

1. kapacita pamäte
2. vybavovacia doba

Kapacita pamäte je také najväčšie množstvo informácií, ktoré môžeme v jednom pamäťovom systéme uložiť. Je definovaná počtom pamäťových prvkov (bit) alebo počtom znakov (byte).

Vybavovacia doba je časový interval medzi zadaním inštrukcie na čítanie na vstupe a odobratím informácie na výstupe pamäti. U polovodičových pamätí MOS dosahuje 8 až 50 ns, bipolárne pamäte 1 až 50 ns.

Pamäte uložené (napr. posuvný register) a pamäte s ľubovoľným prístupom, kde každý obsah pamäte môžeme nájsť priamo (napr. polovodičová pamäťová matica). Názov pamäťová matica vychádza z konštrukcie pamäte, kde riadky a stĺpce sú usporiadané pravouholne (obr.)

V priesečníku každého riadku a stĺpca je pamäťový prvok, t.j. jednobitová pamäť, v ktorej je možné uložiť informáciu 0 alebo 1. K obsahu príslušného pamäťového prvku získame prístup pomocou adries (A, B, atď.) a na výstupe Q dostaneme príslušné dáta. Pamäťové matice sú organizované po bitoch alebo po slovách. Pri matici organizovanej po bitoch (viď obr. hore) sa dá každou adresou dosiahnuť jeden pamäťový prvok, zatiaľ čo v pamäti organizovanej po slovách

sú adresované pamäťové miesta vytvorené niekoľkými pamäťovými prvkami.

Typy pamätí

Rôzne typy pamätí vznikli preto, že v jednom výrobku sa nedajú zložiť vlastnosti ideálnej pamäte:

1. ľubovoľný zápis a čítanie
2. energetická nezávislosť informácie: informácia sa stratí, keď na určitú dobu odpojíme napájacie napätie
3. veľká kapacita, vysoká rýchlosť, malá spotreba a nízka cena

Statická a dynamická pamäť

Pri statickej pamäti sa informácia zapamätáva v preklápacích obvodoch. V dynamickej pamäti sa informácia uchováva v štruktúre na kapacitátoroch. Elektrické náboje sa musia periodicky obnovovať. Použitie dynamických pamätí je zložitejšie, pretože sú potrebné obvody pre obnovu informácií. Pamäť 1 bit zaberá menej miesta ako pri statických pamätiach a má menšiu spotrebu.

Pamäte RAM: Random Access Memory – pamäť s náhodným prístupom. Sú to pamäte s možnosťou čítania aj zápisu, ich obsah za neprítomnosti napätia zmizne. Pamäť RAM môže byť dynamická alebo statická.

Pamäte ROM: Read Only Memory – trvalá pamäť. Konštruktér zapíše obsah raz a navždy pri výrobe pomocou masky, čo je v podstate bitová mriežka núl a jedničiek, slúžiaca k naprogramovaniu pamäte. Tieto pamäte sa dajú iba čítať. Ich obsah sa po odpojení napätia nestráca, sú energeticky nezávislé.

Pamäte PROM: Programmable Read Only Memory – programovateľná trvalá pamäť. Sú to pamäte, ktorých bitové prvky sú tvorené tavnými poistkami a diódami, ktoré užívateľ sám naprogramuje na špeciálnom zariadení.

Pamäte EPROM: Sú to preprogramovateľné pamäte. Ich obsah si užívateľ zapíše na špeciálnom zariadení. Uchovávajú informáciu aj po odpojení od napätia. Maže sa tiež na špeciálnom zariadení.