Flip-flop e loro applicazioni - Roberto Roncella...
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Flip-flop e loro applicazioni Flip-flop e loro applicazioni Reti sequenziali elementari (6) L'elemento bistabile Latch o flip-flop trasparenti Temporizzazione dei flip-flop trasparenti Architettura master-slave Flip-flop non trasparenti o edge-triggered Registri, riconoscitori di sequenza Contatori
Transcript of Flip-flop e loro applicazioni - Roberto Roncella...
Flip-flop e loro applicazioniFlip-flop e loro applicazioni
Reti sequenziali elementari(6)
L'elemento bistabileLatch o flip-flop trasparentiTemporizzazione dei flip-flop trasparentiArchitettura master-slaveFlip-flop non trasparenti o edge-triggeredRegistri, riconoscitori di sequenzaContatori
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Reti sequenziali
➢ L'uscita non dipende soltanto dagli ingressi nell'istante corrispondente, ma anche dalla sequenza dei valori precedenti➢ Alcuni nodi della rete possono assumenre valore
diversi a parità di ingresso➢ Due tipologie
➢ Asincrone➢ Un cambiamento in un qualsiasi ingresso determina la
valutazione di un nuovo stato della rete e delle uscite➢ Sincrone
➢ Il calcolo di un nuovo stato viene attivato soltanto dalla commutazione di una particolare linea di ingresso (clock)
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L'elemento bistabile
➢ La chiave per realizzare reti sequenziali è un circuito con più stati stabili➢ A parità di ingressi➢ Avendo un circuito con 2 stati stabili, si possono
ottenere 2n stati usando n repliche del circuito
4
Il latch SR
S
R
S
Q
Q
5
Un esempio di applicazione
➢ La funzione antirimbalzo
6
Il latch S R
S
R
S
Q
Q
7
Il latch SR con abilitazione
S
R
S
Q
Q
E
E
8
Il latch D
D
Q
Q
E
E
9
Temporizzazione dei latch (1)
10
Temporizzazione dei latch (2)
11
Durata minima dell'impulso
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Tempo di impostazione (setup) e mantenimento (hold)
13
Metastabilità
E
14
Reti trasparenti e non
➢ I latch sono reti sequenziali sincrone che si definiscono trasparentitrasparenti in quanto l'effetto degli ingressi generalmente si riflette sull'uscita immediatamente➢ Non è consigliabile riportare l'uscita su uno degli
ingressi➢ Si rischia di innescare una situazione oscillatoria, se la
commutazione modifica l'uscita
➢ Per questo servono reti non trasparentinon trasparenti in cui l'aggiornamento delle uscite avviene in un momento successivo alla lettura degli ingressi➢ Architettura master-slavemaster-slave➢ Reti edge-triggerededge-triggered
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Architettura master-slave
MASTER SLAVE
CkM
QextD Q
En
CkS
D Q
En
Din
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Clock non sovrapposto
●Il clock master e il clock slave non devono mai essere attivi (alti, 1) contemporaneamente●Non possono essere ottenuti con un inverter
CkM CkS
CkM
CkS
no no
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Tabella di verità
CkCk DD QQ
00 XX QQ
11 XX QQ
XX QQ
00 00
11 11
CkM
QextD Q
En
CkS
D Q
En
Din
Generazione clock
Ck
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Tempi di rispetto
Per evitare errori in fase di memorizzazione è necessario che il dato sia stabile un po’ prima e un po’ dopo la commutazione del clock
Ck
t
AbilitatoSLAVE
AbilitatoMASTER
AbilitatoSLAVE
D
Q
T setup T hold T propagation
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Clock a due fasi non sovrapposte
●Tecnica di generazione a soglia
CkM
CkS
SH
SL
Ck
20
Sequenza di funzionamento
Ck
tAbilitatoSLAVE
AbilitatoMASTER
AbilitatoSLAVE
Master accoppiatoagli Ingressi
Slave disaccoppiatodal Master
Master disaccoppiatodagli Ingressi
Slave accoppiatoal Master
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Clock a due fasi
●Un altro modo di generare il clock a due fasi non sovrapposte
Φ1
Φ2
Ck
/Ck
22
Forme d’onda
Ck
/Ck
ΦΦ11
ΦΦ22
tt∆ ∆ TT
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Il flip-flop JK
Q
Q
S
R Q
QS
R E E
CKM
CKS
J
K
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Problema: impulso in ingresso
Errore: doveva
conservare!
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Flip-flop sensibili al fronte
26
Timing del flip-flop D
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Ingressi asincroni
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I flip-flop non trasparenti
➢ Tipi di flip-flop non trasparenti➢ Flip-flop Flip-flop DD
➢ L'uscita assume il valore di D➢ Flip-flopFlip-flop D con abilitazione o DEDE
➢ Con E = 0 l'uscita si conserva➢ Con E = 1 l'uscita assume il valore di D
➢ Flip-flop JKFlip-flop JK➢ Con J = 0 e K = 0 l'uscita si conserva➢ Con J = 0 e K = 1 l'uscita vale 0 (reset)➢ Con J = 1 e K = 0 l'uscita vale 1 (set)➢ Con J = 1 e K = 1 l'uscita si complementa
➢ Flip-flop TFlip-flop T ➢ Con T = 0 l'uscita si mantiene➢ Con T = 1 l'uscita si complementa
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Equazioni caratteristiche
➢ Modo alternativo di esprimere il funzionamento di flip-flop non trasparenti
➢ Flip-flop DFlip-flop D➢ Q' = D
➢ Flip-flop DEFlip-flop DE➢ Q' = QE + DE
➢ Flip-flop JKFlip-flop JK➢ Q' = JK + QJ K + QJK = JQ + KQ
➢ Flip-flop TFlip-flop T➢ Q' = TQ + TQ = T ⊕ Q
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Da un tipo di flip-flop all'altro
➢ Ogni flip-flop può essere usato per realizzare le funzioni svolte dagli altri tipi➢ Con l'aggiunta eventuale di una rete logica
➢ Per dimostrare questa affermazione➢ 1)1) usiamo il flip-flop D per realizzare tutti gli altri tipi➢ 2)2) usiamo DE, JK e T per realizzare il D
➢ Osservazione➢ Il procedimento proposto ha significato concettuale,
le realizzazione ottenute non sono ottimenon sono ottime➢ Ogni tipo di flip-flop risulta più adatto a particolari
tipi di applicazione
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Da flip-flop D a DE, JK, T
D
Q
QCK
D
E
0
1
D
Q
QCK
T
0
1
D
Q
QCK
J K
00011011
01
CK
CK
CK
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Da flip-flop DE, JK, T a D
D
Q
QCK
D
E
T
Q
QCK
K Q
QCK
CK
CK
CK
1JD
D
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I registri
➢ Array di FF, in grado di memorizzare più bit di informazione➢ Si caratterizzano per il modo con cui avviene la
memorizzazione e la lettura dei dati➢ ParalleloParallelo o serialeseriale nel tempo
➢ Possono eseguire manipolazione dei bit➢ Scorrimenti (shift) destri o sinistri dei bit
➢ Più funzionalità possono essere incorporate in un unico dispositivo➢ Registro universaleuniversale, usato anche all’interno dei
microcontrollori
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Registro parallelo
Parallel In - Parallel Out (PIPO)
In3
Ck
D Q
Ck
D Q
Ck
D Q
Ck
D Q
Ck
Q3 Q2 Q1 Q0
In2 In1 In0
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Registro a scorrimento (1)(shift register)
Serial In - Serial Out (SISO)
In
Ck
Out
D Q
Ck
D Q
Ck
D Q
Ck
D Q
Ck
Ck
In
Out
0 1 2 3 4 t
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Registro a scorrimento (2)(shift register)
Serial In - Parallel Out (SIPO)
In
Ck
Out
D Q
Ck
D Q
Ck
D Q
Ck
D Q
Ck
Q3 Q2 Q1 Q0
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Registro a scorrimento (3)(shift register)
Parallel In - Serial Out (PISO)
In2
Ck
SO
D Q
Ck
In1
D Q
Ck
SI
In0
D Q
Ck
Load
1 1 1
0 0 0
38
Registro universaleIn2
Ck
D Q
Ck
SIR
C0
00
C1
11
SOL
In1
D Q
Ck
00
11
Q2 Q1
In0
D Q
Ck
00
11
Q0
SOR
SIL
CC11 CC00 EffettoEffetto
00 00 ConservaConserva
00 11 Ingresso paralleloIngresso parallelo
11 00 Shift destroShift destro
11 11 Shift sinistroShift sinistro
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Riconoscitori di sequenza
➢ Macchine sequenziali con un uscita che si attiva quando l’ingresso presenta in sequenza una serie preordinata di valori➢ Esempio di sequenza: 01101➢ Riconoscimento di sequenze interallacciateinterallacciate
➢ I bit di una sequenza riconosciuta possono essere considerati parte di una nuova sequenza➢ Nell'esempio, lo ...01 finale può essere considerato nuovamente
➢ Sequenze non interallacciatenon interallacciate➢ Una volta riconosciuti, i bit non si usano più
➢ Esempio di funzionamento➢ In: ...0111011011011011010110110101000...➢ Out_I: ...0000000010010010010000100100000...➢ Out_NI:...0000000010000010000000100000000...
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Riconoscitori con shift (1)
D
Q
QCK
IN
CK
D
Q
QCK
CK
D
Q
QCK
CK
D
Q
QCK
CK
D
Q
QCK
CK
R
1 0 1 1 0
Riconoscitore interallacciato
(01101)
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Riconoscitori con shift (2)
D
Q
QCK
IN
CK
D
Q
QCK
CK
D
Q
QCK
CK
D
Q
QCK
CK
D
Q
QCK
CK
R
1 0 1 1 0
Riconoscitore nonnon interallacciato
(01101)
10110 1x1011 0xx101 0xxx10 ?xxxx1 0
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Contatori
➢ Macchine sequenziali➢ Sincrone o asincrone
➢ Interfaccia➢ Hanno in ingresso un'onda quadra➢ Generano una sequenza di valori predefiniti
➢ Ogni valore è ricavato dal precedente➢ Sommando o sottraendo un valore costante
➢ Alla fine del conteggiofine del conteggio possono comportarsi diversamente➢ Ripartire da 0➢ Modulo n➢ Restare al valore massimo raggiunto (saturazione)
➢ Possono avere diversi ingressi per funzioni opzionalifunzioni opzionali➢ Azzeramento (Reset)➢ Abilitazione (Enable)➢ Caricamento parallelo (Count/Load)➢ Direzione del conteggio (Up/Down)
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Divisori di frequenza
T
Q
Q CK
1T
Q
Q CK
1T
Q
Q CK
1T
Q
Q CK
1
CKQ0
Q1
Q2
Q3
t
CK
Q0
Q1
Q2
Q3
T
FF EE DD CC BB
Problema!
Rete asincrona
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Contatori modulo n
➢ Macchine sequenziali che generano, ciclicamente e in ordine, valori tra 0 e n - 1➢ Al termine del conteggio ripartono da capo➢ Categoria particolare: contatori modulo 2m
➢ Richiedono m variabili di stato
➢ Possibili variabili di controllo➢ Enable: 1 (abilita il conteggio); 0 (conserva)➢ Reset: 1 (azzera); 0 (conta normalmente)➢ Preset: 1 (tutti i bit accesi); 0 (conta normalmente)➢ Up/Down: 1 (conteggio crescente); 0 (decrescente)➢ Load: 1 (carica il valore); 0 (conta normalmente)
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Contatore sincrono modulo 2n
Q T
Ck
Q0
Ck
E
Q1Q2Q3
Q T
Ck
Q T
Ck
Q T
Ck
T1T
2T3
T i=E Q i−1Qi−2 ...Q 0
T i1=EQ iQi−1Q i− 2 ...Q0=T iQ i
Un bit commuta se:1) il contatore è abilitato
2) i bit di peso inferiore al clock precedente sono tutti a 1
46
Contatore sincrono modulo 10
Q T
Ck
Q0
Ck
E
Q1Q2Q3
Q T
Ck
Q T
Ck
Q T
Ck
T1T
2T3
R
BF
Co
1001 91010 100000 0F-B-
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Contatori decadici in cascata
Q3 Q2 Q1 Q0
Co E Ck
Q3 Q2 Q1 Q0
Co E Ck
Q3 Q2 Q1 Q0
Co E Ck
E
Ck
UnitàDecineCentinaia
48
Contatori ad anello e Johnson
49
Contatore Johnson mod 7
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Il problema dell'inizializzazione
➢ In generale, una macchina sequenziale con n flip-flop ha 2n stati
➢ Se la sequenza del contatore ha m < 2n valori, esistono valori non compresi nel conteggio➢ Occorre porsi la domanda: come procede la
sequenza se accidentalmente il contatore viene a trovarsi in uno di questi 2n - m valori?
➢ Possibili risposte➢ In modo arbitrario, ma tornando dopo un numero finito di
cicli a un valore appartenente alla sequenza➢ In modo arbitrario, e senza mai tornare a un valore valido
della sequenza➢ Questa condizione è da evitare➢ All'accensione lo stato dei flip-flop è (in genere) casuale
