計算機原理介紹:鎖存器篇

數字電路中,除了需要具有邏輯運算和算數運算功能的組合邏輯電路外,還需要具有存儲功能的電路。組合電路與存儲電路結合構成時序邏輯電路,這就是平時所說的時序電路,本文着重討論兩種邏輯單元電路:鎖存器和觸發器,詳細介紹各自的工作原理與電路結構,以及實現的功能。

基本雙穩態電路

將兩個非門接成交叉耦合形式,則構成最基本的雙穩壓電路。

如圖所示的電路關係可知,若Q=0,經非門G2反相,則Q¬=1。Q¬反饋到G1輸入端,又保證了Q=0,由於兩個非門首尾相接的邏輯鎖定,因而電路能夠自行保持在Q=0,Q¬=1的穩定狀態。反之,兩個信號對調,也會形成第二種穩定狀態。在兩種穩定狀態中,輸出的兩個信號都是互補的。

可以定義Q=0爲整個電路的0狀態,Q=1則是一狀態,信號進入其中任何一種邏輯狀態都能夠長期保存下去,並可以通過Q端電平檢測出來。所以,基本雙穩態電路具有儲存一位二進制數據的功能。

SR鎖存器

SR鎖存器是各種觸發器最基本的構成部件,是一種最簡單的觸發器,而鎖存器與觸發器的區別在於,鎖存器不需要觸發信號,輸入信號直接完成0或1操作,觸發器則需要一個觸發信號,我們稱爲時鐘信號,只有輸入信號有效時,才按輸入信號完成0或1操作。

時鐘概念,稍微解釋下。時鐘就是一個高低電平振盪器,叫晶振,時鐘週期也稱爲振盪週期,定義爲時鐘頻率的倒數。時鐘週期是計算機中最基本、最小的時間單位。在一個時鐘週期內,CPU僅完成一個最基本的動作。時鐘週期是一個時間的量。更小的時鐘週期就意味着更高的工作頻率,時鐘信號就是時鐘電平高低震盪產生的信號,也就是高低電平的變化。

上面是電路結構圖,是一個由或非門組成的邏輯電路,Q和Q′爲互補輸出端,正常工作時,輸出狀態相反。通常用Q的狀態表示觸發器的狀態,即: Q = 0,Q′ = 1時,稱爲觸發器的“0”態。Q = 1,Q′ = 0時,稱爲觸發器的“1”態。由此可見,Q和Q’爲互補輸出端。

當RD=0,SD=1時,Q=1,Q’=0,鎖存器爲1態,RD=1,SD=0時,Q=0,Q‘=1,鎖存器爲0態,若Q=0,Q=0,Q’=1,鎖存器爲0態,若Q=1,Q=1,Q’=0,鎖存器爲1態,鎖存器的狀態保持不變,但是當Q,Q’同時等於0的時候,爲禁止態,上面說過,Q與Q’爲互補輸出,如果同時等於0,違背這一原則,不允許輸入RD = SD = 1的信號,這就是SR鎖存器的約束條件。當RD和SD同時去掉高電平加低電平時,輸出狀態不穩定。

由下面真值表可以看出:

上面是邏輯符號,輸入信號直接加在輸出門上,在輸入信號全部作用時間內,都能直接改變輸出端的狀態(即只要有輸入信號,就能作用於電路)。故又稱該電路爲直接復位、置位鎖存器。

在數字系統中,爲協調各部分的動作,常常要求某些觸發器在同一時刻動作(即改變狀態,也稱爲翻轉),這就要求有一個同步信號來控制,這個控制信號叫做時鐘信號(Clock),簡稱時鐘,用CLK表示。Clock 是一串週期和脈寬一定的矩形脈衝。具有時鐘脈衝控制的觸發器統稱爲時鐘觸發器,又稱鍾控觸發器。電平觸發器(也稱同步觸發器)是其中最簡單的一種。

繼續來看電路的動態變化,如果電路的狀態爲1態,也就是Q=1,Q‘=0,在RD端出現邏輯1電平的瞬間,將使Q端輸出的電壓下降並作用與G2的輸入端,隨機引發Q’端電壓上升。一旦Q和Q‘端均跨越邏輯閾值電平,便迅速的轉換爲Q=1,Q’=1.電路狀態由1反轉爲0。反之,如果此前的電路狀態爲0,也就是Q=0,Q‘=1,則RD=1的出現不改變其狀態。

基本SR鎖存器的的動態特徵

之前僅僅討論了電路之間的邏輯關係,接下來看下電路輸出信號的延遲,也就是動態特性,連個或非門工作的時候,都會無法避免的存在一些工作延遲,當輸入高低電平的時候,輸出限號需要經過一定延時纔會產生變化,這種延時是一種潛在的隱患,有可能會對後續電路產生一定影響,可能會造成錯誤的邏輯輸出,有可能導致工作不穩定,爲此,需要保證鎖存器的可靠轉換,這就對輸入的信號有了時間要求。

在這裏補充一個新的概念:定時圖,定時圖是表達時序電路動態特性的工具之一,主要功能就是表示電路工作過程中,輸出對輸入信號相應的延遲時間,以及對輸入信號的時間要求。

傳輸延長時間tpLH和tpHL

如上圖所示,當置1信號S上升時,姿勢爲高電平,需要一定的傳輸時間tpLH之後,Q端才轉換爲高電平。同樣,置0信號R作用於電路,Q端電平也經一定的傳輸延遲時間tpHL 才變化爲零。這裏把tpLH和tpHl定義爲基本SR鎖存器的傳輸延遲時間,但是對於具體電路,由於信號傳輸路徑不同,這兩個值在一般情況下是不相等的。

脈衝寬度tw

基本SR鎖存器工作的時候,必須保證輸入兩端的高電平脈衝不小於某一最小值tw。如圖中的tw1和tw2均滿足上述要求,因此電路可以可靠的實現基本運行。如果在S端或者R端的脈衝寬度過窄,如上圖顯示的tw3脈衝,在Q端電壓還沒越過邏輯閾值電平時,S端的高電平就要被撤銷,電路就可能回到原來的狀態,或者使Q的最終狀態不確定。所以,基本SR鎖存器必須滿足脈衝寬度不小於一個最低值tw,這樣才能保證S或R脈衝有確定的作用狀態。

基本SR鎖存器主要應用於數字系統中某些特定標誌的設置。比如,當某種預設邏輯,條件具備的時候,電路可以通過輸入端S將基本SR鎖存器置1,標誌着時間的發生,而當遇到相反的邏輯條件時,,則可以通過輸入端R端將其置0,標誌着沒有發生,就像是開關燈一樣。

接下來看一下門控SR鎖存器。

我們之前所說的基本SR鎖存器是由輸入信號S,R輸入信號,但是門控SR鎖存器不同,這是在基本SR鎖存器的基礎上加上了一道“門”,CLK用使能信號控制鎖存器在某一指定時刻,根據輸入端,輸出的信號確定輸出狀態,可以實現多個鎖存器同步的數據鎖存。

相比於SR鎖存器,只多了兩個門和一條CLK,CLK = 0 時,G3、G4被封鎖,輸入信號 R、S不起作用。SR鎖存器的輸入均爲1,觸發器狀態保持不變。
只有在CLK=1時,S、R才能起作用。

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