Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Sekvenční obvody - zpoždění a zpětné vazby OB21-OP-EL-CT-JANC-M-3-001

Sekvenční logické obvody Logické obvody jsou takové elektronické obvody, u nichž mohou vstupní i výstupní proměnné v ustáleném stavu nabývat jedné ze dvou možných hodnot, logické nuly nebo logické jedničky. Podle závislosti hodnot výstupních proměnných z logického obvodu na hodnotách vstupních proměnných dělíme logické obvody na kombinační a sekvenční.

Kombinační logické obvody Kombinační logické obvody jsou takové, u kterých jsou okamžité hodnoty výstupních proměnných jednoznačně určeny jen okamžitou kombinací hodnot vstupních proměnných. Předcházející stav logického obvodu nemá vliv na hodnoty výstupních proměnných.

Kombinační logické obvody Obr.1 Kombinační logický obvod

Kombinační logické obvody Kombinační obvody považujeme za funkční celky, které se realizují: buď spojením základních logických členů nebo pomocí integrovaných obvodů se střední hustotou integrace.

Kombinační logické obvody Typickými představiteli kombinačních logických obvodů jsou: Dekodéry Multiplexory a demultiplexory Komparátory Obvody pro aritmetické operace (sčítačky, generátory přenosu apod.).

Sekvenční logické obvody Sekvenční logické obvody jsou takové, u kterých hodnoty výstupních proměnných závisí nejen na okamžité kombinaci hodnot vstupních proměnných, ale i na hodnotách z předcházejícího stavu logického obvodu. Znamená to, že sekvenční obvod musí obsahovat paměť vstupních signálů z předchozího stavu. Tyto, tzv. vnitřní signály vytváří potom spolu s novými vstupními signály nový výstupní signál.

Sekvenční logické obvody Sekvenční logický obvod se skládá z kombinačního logického obvodu a paměti. Jako paměti se používají např. klopné obvody. V paměťových prvcích uchovávají předchozí stav obvodu a reagují na něj. Obr.2 Sekvenční logický obvod

Sekvenční logické obvody Z obrázku je patrné, že sekvenční logický obvod má kombinační část, která generuje hodnoty výstupů y1, y2, …, ym a dále budící signály klopných obvodů. Dále má sekvenční část, tvořenou klopnými obvody. Na základě budících signálů generují klopné obvody vnitřní proměnné sekvenčního obvodu. Vstupní signály kombinační části jsou vstupní signály x1, x2, …, xn a vnitřní proměnné q1, q2, …, qk z výstupů paměťové části.

Sekvenční logické obvody Sekvenční část je tvořena klopnými obvody, které jsou řízeny periodickým číslicovým signálem s periodou T, který se v praxi nazývá hodinový signál nebo taktovací signál z anglického clock. Hodinový signál taktuje klopné obvody sekvenční části a definuje vnitřní stavy sekvenčního obvodu v časech t, t+1, t+2, atd.

Zpoždění v kombinačních obvodech V logických obvodech vzniká mezi jednotlivými stupni logických členů zpoždění. Toto zpoždění výstupního signálu vůči vstupnímu je dáno způsobem realizace logického obvodu. Protože spínací součástky nemají čas sepnutí a rozepnutí nulový, musí nutně dojít k časovému posunutí reakce výstupního signálu vůči vstupnímu signálu. Po ustálení hodnot na vstupech logické sítě tedy nějakou dobu trvá než se nám na výstupu objeví odpovídající správná hodnota výstupní proměnné.

Zpoždění v kombinačních obvodech Signál musí projít celou strukturou logické sítě, tj. všemi jejími stupni a až potom se na výstupu objeví správná výstupní hodnota. Toto zpoždění tedy závisí na zpoždění jednotlivých elementárních logických členů a na jejich počtu přes který signál postupuje. Jak již bylo řečeno, závisí na použité technologii realizace logické sítě a u elektronických obvodů dosahuje zpoždění jednoho členu řádově jednotky až desítky nanosekund.

Zpětné vazby v kombinačních obvodech V kombinačních logických obvodech nejsou používány zpětné vazby mezi členy. Tyto zpětné vazby zavádíme u sekvenčních logických obvodů. U sekvenčních logických obvodů tedy musí vzniknout smyčka, která připojuje výstupní signál zpět na vstup. Toto propojení nemusí být nutně realizováno přímo, ale signál může postupovat i přes několik členů.

Zpětné vazby v kombinačních obvodech Kdybychom realizovali sekvenční obvody jako asynchronní, tak by docházelo k různému zpoždění signálu při průchodu různými větvemi obvodu. Výsledek by proto mohl být náhodný, a proto obvykle sekvenční obvody navrhujeme jako synchronní, taktované synchronizačním hodinovým signálem. Zavedeme tím pro každou smyčku klidový stav. Po odeznění přechodných jevů se smyčky opět připojí k okolí.

Rozdelení sekvenčních obvodů Sekvenční obvody tedy dělíme na: Synchronní Tyto obvody jsou synchronizovány samostatnými signály, které se nazývají synchronizační, nebo hodinové a určují jednotlivé takty (časové intervaly) tj. diskretní čas. Asynchronní U asynchronních logických obvodů nastává okamžitá změna stavu na vstupu.Ze vstupních hodnot se generuje výstupní signál okamžitě, pouze se zpožděním vzniklým vlastním obvodem.

Sekvenční logické obvody Navrhování asynchronních sekvenčních sítí je složitější jako návrh synchronních sekvenčních obvodů, protože musíme vzít v úvahu chování asynchronních obvodů. Vzniká zde možnost dočasných nesprávných signálů uvnitř obvodů i na výstupech obvodů. Tyto nesprávné dočasné signály a nesprávné vnitřní stavy obvodů označujeme jako hazardy. Návrh asynchronních obvodů musí být proveden tak, aby k těmto hazardům nedocházelo.

Sekvenční logické obvody Poměrně jednoduše se dá hazardům zabránit použitím taktování v logické sekvenční síti a tím převedením asynchronního sekvenčního obvodu na obvod synchronní. Zjednoduší se tak celý návrh sekvenčního obvodu a zanedbatelné není ani hledisko ekonomické.

Sekvenční logické obvody Mezi důležité sekvenční obvody patří: klopné obvody posuvné registry čítače řadiče a řídící jednotky

Sekvenční logické obvody Můžeme tedy shrnout: Sekvenční obvody jsou tedy obvody se zpětnou vazbou (s pamětí) Musí vzniknout smyčka — připojení výstupu zpět na vstup (ne nutně přímo) U asynchronních obvodů — různá doba průchodu signálu různými větvemi — výsledek by proto mohl být náhodný Pro odstranění nahodilostí zavádíme taktování — zavedeme pro každou smyčku klidový stav Po odeznění přechodných jevů se smyčky opět připojí k okolí

Sekvenční logické obvody Funkci sekvenčních obvodů můžeme popsat dvěma rovnicemi, rovnicí pro výstupy a rovnicí pro následující vnitřní stav

Sekvenční logické obvody V rovnicích značí Yi množinu výstupů sekvenčního obvodu Yi = (y1, y2, …, ym), Xj značí množinu vstupů Xj = (x1, x2, … xn) a Qp označuje množinu vnitřních stavů Qp = (q1, q2, …, qk). Proměnné q1, q2, …, qk se nazývají vnitřní proměnné a jsou tvořeny výstupy jednotlivých klopných obvodů. Množina všech výstupů klopných obvodů v určitém čase t tvoří vnitřní stav. Indexem t rozlišujeme současný vnitřní stav Qpt a indexem t+1 následující vnitřní stav sekvenčního obvodu Qpt+1.

Sekvenční logické obvody Hodinový signál taktuje klopné obvody sekvenční části sekvenční logické sítě a definuje vnitřní stavy sekvenčního obvodu v časech t, t+1, t+2, atd. Logický obvod popsaný plně výše uvedenými rovnicemi nazýváme Mealyho sekvenčním obvodem nebo také Mealyho automatem. V případě, že výstup sekvenčního obvodu je jednoznačně určen jeho vnitřním stavem, pak takovému obvodu říkáme Moorův sekvenční obvod nebo také Moorův automat.

Sekvenční logické obvody Moorův sekvenční obvod je popsán rovnicí pro výstupy ve tvaru Obr.4 Moorův sekvenční obvod

Sekvenční logické obvody Obr.3 Mealyho sekvenční obvod

Sekvenční logické obvody Příkladem sekvenčních obvodů Moorova typu jsou klopné obvody, jejichž výstup je jednoznačně určen jejich vnitřním stavem. Rovnice pro popis vnitřních stavů je shodná pro Mealyho i Moorův sekvenční obvod.

Sekvenční logické obvody Popis funkce sekvenčního obvodu můžeme vyjádřit: časovým diagramem – popisuje časové chování obvodu. Pod sebou jsou na časové ose znázorněny okamžité hodnoty vstupních, výstupních a případně i vnitřních proměnných sekvenčního obvodu.

Sekvenční logické obvody vývojovou tabulkou – má tolik řádků, kolik má sekvenční obvod vnitřních stavů. Sloupce vývojové tabulky znázorňují přechod do následujícího vnitřního stavu pro jednotlivé kombinace vstupních proměnných.

Sekvenční logické obvody diagramem přechodů – jednotlivé vnitřní stavy sekvenčního obvodu označíme kroužky, do nichž vepíšeme aktuální vnitřní stav a hodnoty výstupů, např Q1/00. Jednotlivé kroužky vnitřních stavů jsou propojeny orientovanými větvemi, které vyznačují přechody mezi vnitřními stavy. Větve jsou opatřeny označením hodnot vstupů, které přechod vnitřního stavu způsobí.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura Antošová M, Davídek V.: Číslicová technika, KOPP České Budějovice 2008 Bernard J., Hugon J., Le Covec R.: Od logických obvodů k mikroprocesorům I, SNTL Praha 1982