background image

1

1

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Wstęp do układów sekwencyjnych

Układy logiczne

Kombinacyjne

Sekwencyjne

Asynchroniczne

Synchroniczne

Wyzwalane zboczem

Wyzwalane poziomem

Potencjałowe

Impulsowe

Pytanie 1: 

Czym różni się architektura układu sekwencyjnego

od kombinacyjnego ?

bramki impulsowe

bramki standardowe

2

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Wstęp do układów sekwencyjnych

Odpowiedź:

Występowaniem sprzężeń zwrotnych w połącze-

niach bramek

Pytanie 2:      

Jaki ma to wpływ na zachowanie układu ?

Przykład 1

t

t

x

t

y

t

x

t

y

t

t

t

y

x

y

t

=

+

0   

0    0 

- AND

0   

1    0 

stan niestabilny

1   

0    0 

- AND

1   

1    1 

- AND

Zastosowanie:

do 

zapamiętania

faktu co najmniej jednokrotnego wystąpienia 

zmiany stanu z „1” na „0” na wejściu.

0

1

1

0,1

0

Graf:

układ stabilny

pamiętanie

zerowanie

3

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Wstęp do układów sekwencyjnych

t

t

x

t

y

Przykład 2

t

x

t

y

t

t

t

y

x

y

t

=

+

0   

0    1 

stan niestabilny

0   

1    1 

- NAND

1   

0    1 

stan niestabilny

1   

1    0 

stan niestabilny

układ niestabilny dla x=

1

0

1

0

0,1

1

Graf:

ustawianie

oscylacje

Zastosowanie:

brak

3 typy zachowania układów sekwencyjnych:

• niestabilne 

(oscylacje)

• kombinacyjne 

(zerowanie, ustawianie)

• bistabilne

(pamiętanie)

4

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Wstęp do układów sekwencyjnych

Przykład układu (asynchronicznego) stosowanego w praktyce

t

x

1

t

x

2

t

y

1

t

y

2

t

t

t

y

x

y

2

1

1

1

=

+

t

t

t

y

x

y

1

2

1

2

=

+

t

x

1

t

x

2

t

y

1

1

1

+

t

y

t

y

2

1

2

+

t

y

0  0  0  0     1   1
0  0  0  1     1   1
0  0  1  0     1   1

0  0  1  1     1   1

0  1  0  0     1   1
0  1  0  1     1   1

0  1  1  0     1   0

0  1  1  1     1   0
1  0  0  0     1   1

1  0  0  1     0   1

1  0  1  0     1   1
1  0  1  1     0   1
1  1  0  0     1   1

1  1  0  1     0   1
1  1  1  0     1   0

1  1  1  1     0   0

11

10

00

01

1

2

1

2

11

10

00

01

1

2

1

2

1

2

11

10

00

01

1

2

11

10

00

01

1

2

1

2

stan następujący po

00

lub

11

nie jest 

ściśle określony

nie wolno układu wprowadzać 
w stany

y

1

y

2

00

i

y

1

y

2

11

nie wolno podawać na wejście
stanu

x

1

x

2

00

5

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Wstęp do układów sekwencyjnych

Przy tych założeniach (                ) funkcję układu można opisać przy 
użyciu tablicy charakterystycznej:

1

2

y

y

=

t

x

1

t

x

2

1

1

+

t

y

t

y

1

0  0  0

?

0  0  1

?

0  1  0

1

0  1  1

1

1  0  0

0

1  0  1

0

1  1  0

0

1  1  1

1

stan niedozwolony

ustawianie

zerowanie

pamiętanie

1

+

t

t

Q

Q

R

S

skróconej tablicy charakterystycznej:

1

+

t

Q

R

S

0  0   ?
0  1   1
1  0   0
1  1   Q

t

lub równania stanu:

1

,

1

=

+

+

=

+

R

S

S

R

Q

Q

t

t

R

S Q

Q

asynchroniczny
przerzutnik SR (RS)

6

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne synchroniczne

Wniosek:

nawet proste obwody asynchroniczne są trudne do analizy.

O wiele prościej analizuje się i projektuje układy synchroniczne, których stan
może zmieniać się tylko chwilach czasu, określonych przez tzw. 

wejście zegarowe.

negacja powoduje zmianę
sygnału aktywnego na wejściach
na 1.

1

+

t

Q

R

S

0  0   Q

t

0  1   0
1  0   1
1  1   ?

Jest to synchroniczny przerzutnik RS wyzwalany poziomem wysokim 
(„

zatrzask

”, ang.

latch

)

stan przerzutnika może się zmienić 
tylko przy wysokim poziomie 
logicznym na wejściu CK (CK = 1)

R

S

CK

Q

Q

Zmodyfikujmy układ przerzutnika RS:

background image

2

7

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne synchroniczne

Typy przerzutników:

D

Q

Q

CK

Przerzutnik typu D

1

+

t

Q

D

0   0
1   1

0

1

1

1

0

0

D

Q

t

=

+1

Przerzutnik typu T

T

Q

Q

CK

1

+

t

Q

T

0   
1

t

Q

t

Q

0

1

0

1

1

0

T

Q

T

Q

T

Q

Q

t

t

t

t

=

+

=

+1

8

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne synchroniczne

Przerzutnik typu JK

K

J

Q

Q

CK

1

+

t

Q

K

J

0  0   
0  1   0
1  0   1
1  1   

t

Q

t

Q

0

1

00,10

JK=10,11

01,11

01,00

J

Q

K

Q

Q

t

t

t

+

=

+1

Przerzutnik typu RS

R

S

Q

Q

CK

1

+

t

Q

R

S

0  0   
0  1   0
1  0   1
1  1   

?

t

Q

0

1

00,10

SR=10

01

01,00

0

,

1

=

+

=

+

RS

R

Q

S

Q

t

t

9

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne synchroniczne

Każdy przerzutnik może dodatkowo posiadać 
asynchroniczne wejścia ustawiające
przerzutnik w stan Q=1 (

PRESET

) oraz Q=0 

(

CLEAR

), aktywne w stanie niskim lub 

wysokim

Synchroniczne układy sekwencyjne są zbudowane wyłącznie 

przerzutników

bramek

oraz 

generatora sygnału zegarowego

.

Y=f(S,X) 

→ automat Mealy’ego

Y=f(S)    

→ automat Moore’a

D

Q

CK

CLEAR

PRESET

Q

UK- układ kombinacyjny

UK

Pamięć

Zegar

X

S

Z

Y

10

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Sposoby wyzwalania przerzutników:

Układy sekwencyjne synchroniczne

Sposobem wyzwalania nazywa się warunek, który musi wystąpić na linii CK, aby
przerzutnik mógł zmienić swój stan.

wyzwalane zboczem

(narastającym lub opadającym) - ang.

flip-flop

Przykład:

Przerzutnik RS typu „zatrzask” - slajd 6. 

Wada:

zmiana stanu na wejściach RS lub wystąpienie zakłóceń przy CK=1 może 

powodować asynchroniczną zmianę stanu przerzutnika.

2 podejścia:

1. Układy różniczkujące zbocze
2. Architektura Master-Slave

Jak zbudować przerzutniki, których stan może się zmieniać tylko na zboczu impulsu
zegarowego ?

wyzwalane poziomem

(niskim lub wysokim) - przerzutniki typu „zatrzask”, ang.

latch

11

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne synchroniczne

)

(t

CK

dt

CK

d

)

(

Układy różniczkujące zbocze

CK

Q

Q

F

F

CK

Q

F

F

~10ns

D

Q

Q

CK

dt

d

12

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne synchroniczne

Idea: 2 przerzutniki typu „zatrzask” tworzą przerzutnik wyzwalany zboczem

Architektura Master-Slave

M

1

Q

1

Q

S

2

Q

2

Q

CK

D

S

R

D

Q

Q

CK

D

1

Q

Q

t

M,S:

background image

3

13

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Podział układów sekwencyjnych 

(automatów)

Podział funkcjonalny:

liczniki

rejestry

sterowniki

generatory sekwencji

detektory sekwencji

układy arytmetyczno-logiczne

............................

Ze względu na architekturę:

automaty Moore’a

automaty Mealy’ego

Y=f(S)

Y=f(S,X)

Ze względu na sposób pracy:

iteracyjne 

(iterowanie w czasie !)

standardowe (nie iteracyjne) 

Formy opisu układów sekwencyjnych

graf

tablica przejść-wyjść (tablica charakterystyczna, tablica stanów)

równanie charakterystyczne (równanie stanu)

przebiegi czasowe

14

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne - Liczniki

Licznik rewersyjny

może zliczać wprzód i wstecz, zależnie od stanu linii sterującej.

Najczęściej spotykane liczniki zliczają w NKB (również modulo n) i BCD. 

S

0

/Y

0

.  .  .  .  .  .  .

S

1

/Y

1

S

2

/Y

2

S

3

/Y

3

S

k

/Y

k

S

4

/Y

4

1

1

S

0

/Y

0

.  .  .  .  .  .  .

S

1

/Y

1

S

2

/Y

2

S

3

/Y

3

S

k

/Y

k

S

4

/Y

4

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

jest to licznik NKB 

asynchroniczny

zbudowany z przerzutników 
synchronicznych 

0

T

0

Q

0

Q

CK

1

T

1

Q

1

Q

CK

T

2

Q

2

Q

CK

1

1

1

we

Licznik:

automat typu Moore’a, który zmienia stan po każdym impulsie wejściowym.

Graf licznika stanowi zamknięty pierścień stanów, bez pętli własnych.

15

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne - Rejestry

D

Q

Q

D

Q

Q

D

Q

Q

D

Q

Q

X

3

X

2

X

1

X

0

IR

SR
SL

LD

IL

CK

Y

2

Y

1

Y

3

Y

0

Rejestrem uniwersalnym

nazywamy rejestr, który oprócz operacji wpisywania 

może wykonywać operacje przesuwania swojej zawartości w lewo i w prawo.

Tryby pracy

SR SL LD Operacja

0    0    1   wpis równoległy
0    1    0   przesuw w lewo
1    0    0   przesuw w prawo
0    0    0          ?
0    1    1          ?
1    1    0          ?
1    0    1          ?
1    1    1          ?

uzupełnić samodzielnie

Rejestrem 

nazywamy grupę przerzutników służącą do przechowywania informacji.

16

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Układy sekwencyjne - Rejestry jako liczniki

0000

1010

0010

0101

0001

1111

1000

0100

1101

1110

0111

1011

1101

1010

1011

0101

0010

1001

0100

0110

Narysować brakujące podgrafy !

n  n-1....  0

UK

...

schemat ogólny

R

F

Narysować wszystkie
podgrafy, jeśli UK realizuje
następującą funkcję Y
wyjść komórek 4-bitowego
rejestru R:

3

2

1

0

R

R

R

R

F

=

3   2   1   0

licznik pierścieniowy

3   2   1   0

licznik pseudopierścieniowy

17

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Analiza układów sekwencyjnych synchronicznych

3-bitowy licznik synchroniczny NKB

Y=f(S)

→ automat Moore’a

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

Q

D

Q

Q

Q

D

Q

Q

Q

Q

D

Q

0

0

1

0

0

1

1

1

1

0

1

2

2

1

2

)

(

=

=

=

=

=

=

+

+

+

1

0

1

1

1

2

0

1

2

+

+

+

t

t

t

t

t

t

Q

Q

Q

Q

Q

Q

0   0  0        0       0       1    
0    0    1        0       1       0
0    1    0        0       1       1
0    1    1        1       0       0
1    0    0        1       0       1
1    0    1        1       1       0
1    1    0        1       1       1
1    1    1        0       0       0

111

000

110

001

101

100

011

010

CK

t

Y

1

Y

0

Y

2

000  001    010      011     100     101     110    111

2

D

2

Q

2

Q

1

D

1

Q

1

Q

0

D

0

Q

0

Q

CK

Przykład 1

Y

2

Y

1

Y

0

18

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

0

1

1

0

1

0

1

0

1

,

,

Q

x

Q

y

Q

x

K

Q

x

J

x

K

Q

x

J

+

=

+

=

+

=

=

=

y

Q

Q

K

J

K

J

Q

xQ

t

t

t

t

1

0

1

1

0

0

1

1

0

1

+

+

0  0  0    1  1      1  1     1     1     1
0  0  1    0  1      1  1     0     0     0
0  1  0    1  1      1  1     0     1     1
0  1  1    0  1      1  1     0     0     0
1  0  0    0  0      1  0     0     1     1
1  0  1    1  0      1  0     1     1     1
1  1  0    0  0      0  1     1     0     1
1  1  1    1  0      0  1     1     0     0

00

11

10

01

1/1

x/y=

0/1

0/0

1/1

0/0

0/1

1/1

1/0

Analiza układów sekwencyjnych synchronicznych

Y=f(X,S)

→ automat Mealy’ego

1

K

1

J

1

Q

1

Q

CK

0

K

0

J

0

Q

0

Q

x

y

Przykład 2

00

)

0

(

Q

Q

0

1

=

=

t

CK

t

x

y

00

11

10

01

Q

1

Q

0

background image

4

19

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

Kolejne etapy projektowania:

Opis funkcjonalny

Graf układu

Tablica przejść-wyjść

Synteza UK

Schemat połączeń

zgodnie z ogólnym schematem układu sekwencyjnego
synchronicznego: UK i przerzutniki spięte pętlą sprzężenia
zwrotnego, wyraźne określenie wejść i wyjść układu,
włącznie z wejściem zegarowym

1

2

3

4

5

zrozumienie sposobu działania układu, określenie liczby 
wejść, wyjść, stanów (przerzutników), schemat blokowy

określenie typu automatu (Moore, Mealy),rysunek grafu 
z uwzględnieniem stanów niewykorzystywanych

wybór typu przerzutników, konstrukcja tablicy na 
podstawie grafu i tablic wzbudzeń przerzutników

zgodnie z tablicą przejść-wyjść realizowane są funkcje
sterujące przerzutnikami i funkcje wyjściowe

20

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

Przykład 1

Zaprojektować rewersyjny licznik binarny modulo 7

Etap 1:

licznik modulo 7 zlicza:

0-1-2-3-4-5-6-0-1

.... Potrzebne są więc 3 linie wyjściowe. Liczba 

wykorzystywanych stanów=7, więc potrzebne są 3 przerzutniki Q

2

Q

1

Q

0. 

Potrzebne są 2 wejścia

zegarowe (CK)i trybu zliczania (MODE) - w przód (MODE=

0

) i wstecz (MODE=

1

).  

MODE

CK

y

2

y

1

y

0

Etap 2:

automat typu Moore’a. Przy naturalnym zakodowaniu stanów, wyjścia 

przerzutników mogą stanowić wyjścia układu:

→(000), 1 → (001), 2 → (010), 3 → (011), 4 → (100), 5 → (101), 6 → (110) 

.

001

000

010

011

110

100

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

111

101

0,1

1

0

Stan niewykorzystywany:

→ (111)

należy włączyć do grafu, np. skierować

je do stanu 

0

.

21

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

Wybieramy przerzutniki T

Etap 3:

Zbiorcza tablica wzbudzeń przerzutników:

Q

t

Q

t+1

D  T  RS  JK

0   0      0  0   x0   0x
0   1      1  1   01   1x
1   0      0  1   10   x1
1   1      1  0   0x   x0

0

1

2

1

0

1

1

1

2

0

1

2

T

T

T

Q

Q

Q

Q

Q

Q

M

t

t

t

t

t

t

+

+

+

0  0   0   0       0    0   1    

0  0  1

0   0   0   1       0    1   0 

0  1  1

0   0   1   0       0    1   1       0  0  1
0   0   1   1 

1    0   0          1  1  1

0   1   0   0       1    0   1          0  0  1  
0   1   0   1       1    1   0          0  1  1
0   1   1   0       0    0   0          1  1  0
0   1   1   1       0    0   0          1  1  1
1   0   0   0       1    1   0          1  1  0
1   0   0   1       0    0   0          0  0  1
1   0   1   0       0    0   1          0  1  1
1   0   1   1       0    1   0          0  0  1
1   1   0   0       0    1   1          1  1  1
1   1   0   1       1    0   0          0  0  1
1   1   1   0       1    0   1          0  1  1
1   1   1   1       0    0   0          1  1  1

wejścia UK

wyjścia UK

st. następne

M

Q

Q

M

Q

Q

M

Q

Q

Q

Q

Q

T

t

t

t

t

t

t

t

t

t

0

1

0

1

1

2

0

1

2

2

+

+

+

=

t

t

t

t

Q

Q

M

Q

M

Q

T

1

2

0

0

1

+

+

=

M

Q

M

Q

Q

Q

Q

T

t

t

t

t

t

1

2

1

2

0

0

+

+

+

=

0 0 1

0

1

0

0

00  01  11  10

0

00

01

11

10

1 1 1 0
0 1 0 0

T

2

:

t

t

t

Q

Q

MQ

0

1

2

Etap 4:

22

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

Etap 5:

Schemat układu

2

T

2

Q

1

T

1

Q

1

Q

0

T

0

Q

0

Q

2

Q

UK

M

CK

Y

2

Y

1

Y

0

w celu minimalizacji kosztu
układu do UK powinny być
doprowadzone sygnały
negacji stanów automatu
z przerzutników:

0

1

2

,

,

Q

Q

Q

Narysować przykładowe
przebiegi czasowe !

23

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

Przykład 2

Zaprojektować układ, którego graf przedstawiono na schemacie. (JK)

0

1

10/00
11/10
00/01

10/10

01/01

11/11
01/01
00/11

CK

x

1

x

0

y

1

y

0

2 stany 

→ 1 przerzutnik (Q)

x

1

x

0

Q

t

Q

t+1

JK y

1

y

0

0   0     0     0       0  x   1   1
0   0     1 

1       x  0   0   1

0   1     0 

0       0  x   0   1

0   1     1 

0       x  1   0   1

1   0     0 

1       1  x   1   0

1   0     1 

1       x  0   0   0

1   1     0 

0       0  x   1   1

1   1     1     1       x  0   1   0

0

1

x

x

J

=

0

1

x

x

K

=

0

0

1

1

x

Q

x

x

y

t

+

=

0

1

0

x

Q

x

y

t

+

=

K

J Q

Q

CK

x

1  

x

0

y

1

y

0

24

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

Przykład 3 (iterowanie w czasie)

Zaprojektować iteracyjny układ sekwencyjny sumatora n-bitowego

Ogólna idea:

pojedyncza komórka realizuje operacje dla kolejnych bitów

a

n-1

a

n-2

....    a

0

b

n-1

b

n-2

....    b

0

s

0

s

s

2

....  s

n-1

a

b

i

D

Q

Q

c

i

c

i+1

CLEAR

s

i

0

0

CK

CK

A

B

S

Algorytm pracy:

1

A.load=

1

, B.load=

1,

CK

2.

A.sr=

1

, B.sr=

1

.

3.

S.sl=

1

4.

CLEAR = 

-

0

5.

(n+1) 

× CK 

Samodzielnie zaprojektować komparator
2 liczb n-bitowych !

• obliczone w -tej iteracji przeniesienie C

i+1

jest zapamiętywane

w przerzutniku i służy do obliczenia S

i+1

i C

i+2

background image

5

25

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Przykład 4 (detektor sekwencji bitowej)

Zaprojektować układ wykrywający pojawienie się na wejściu sekwencji 1-0-1

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

CK

w

y

2. wykrywający także nakładające się sekwencje (ang.

overlapped

)

2 typy architektury układu:

2 typy funkcjonalne układu:

1. wykrywający tylko nie nakładające się sekwencje (ang.

nonoverlapped

)

automat Moore’a

automat Mealy’ego

CK

t

Y

1

w

Y

2

1

0

0

0

0

1

1

26

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych

S

1

=00

S

2

=01

S

3

=10

S

4

=11

stan początkowy

S

1

/0

S

4

/1

S

3

/0

S

2

/0

0

1

0

1

1

0

0

1

Automat Moore’a (overlapped) 

t

t

Q

Q

y

0

1

=

w

D

=

0

t

t

t

Q

wQ

Q

w

D

0

1

0

1

+

=

0 0 0     0    0    0
0 0 1     1    0    0
0 1 0     0    0    0
0 1 1     1    0    1
1 0 0     0    1    0
1 0 1     0    1    0
1 1 0     1    1    0
1 1 1     0    1    1

0

1

1

0

1

1

0

1

D

D

y

Q

Q

Q

wQ

t

t

t

t

+

+

0

D

0

Q

0

Q

CK

1

D

1

Q

1

Q

y

w

t

t

t

Q

wQ

Q

w

0

1

0

+

27

Dr inż.. Piotr Dębiec „Układy Logiczne” DM, sem. 3

S

1

/0

S

4

/1

S

3

/0

S

2

/0

0

1

0

1

1

0

0

1

stan początkowy

Automat Moore’a (nonoverlapped) 

Automat Mealy’ego (overlapped)  = 

?

Automat Mealy’ego (nonoverlapped) 

S

1

S

3

S

2

0/0

1/0

0/0

0/0

1/0

1/1

stan początkowy

S

4

x/0

Synteza układów sekwencyjnych synchronicznych