Классификация триггерных устройств. Требования и параметры, характеризующие триггерные устройства БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ КАФЕДРА РЭС НА ТЕМУ: «Классификация триггерных устройств. Требования и параметры, характеризующие триггерные устройства» МИНСК, 2009 Триггерные устройства являются наиболее распространенными функциональными элементами цифровых систем. Наибольшее применение триггеры находят в счетчиках, регистрах, элементах памяти, распределителях сигналов, накапливающих сумматорах и др. Триггеры имеют и самостоятельное применение, например в устройствах управления, выполняя функции логического преобразования и хранения информации. Классификация триггерных устройств Триггерами (trigger или flip-flop) (триггерными устройствами, системами) называют большой класс электронных устройств, обладающих двумя и более устойчивыми состояниями электрического равновесия, способных под действием внешних (управляющих, переключающих) сигналов переключаться в любое из этих состояний и находиться в них сколь угодно долго после прекращения их действия. Состояние триггера – это значение, которое в нем хранится в настоящее время. Если таких устойчивых состояний два, то триггеры называются бистабильными . Триггеры с числом состояний больше двух называются многостабильными . В бистабильных триггерах каждое состояние легко различимо по уровням напряжений на его выходах. Бистабильные триггеры, как правило, имеют два выхода (плеча): прямой выход обозначается Q и инверсный выход обозначается . Триггер с двумя выходами называется парафазным триггером. Ряд триггеров имеет один выход. Такие триггеры называются однофазными . Приняв одно из состояний триггера за 1 (т.е. Q=1), второе за 0 (т.е. Q=0), можно считать, что триггер хранит один бит информации, записанной в двоичном коде. При этом в зависимости от того, какая форма сигнала принимается за 1 и 0, т.е. в зависимости от способа кодирования состояний, все триггеры подразделяются на триггеры с потенциальным и импульсным кодированием. Отличительной особенностью триггеров с потенциальным кодированием является то, что каждому состоянию триггера ставится в соответствие наличие сигнала постоянной амплитуды высокого (близкого к напряжению питания) и низкого (близкого к нулю) логических уровней. При этом, если сигнал на выходе триггера Q соответствует высокому уровню напряжения, говорят, что триггер находится в состоянии 1 (Q=1), а если низкого, то в состоянии 0 (Q=0). Триггер с импульсным кодированием состояния характеризуется наличием импульсов определенной амплитуды и длительности, если он находится в состоянии 1, и отсутствием импульсов, если он находится в состоянии 0. Триггеры с импульсным кодированием широко применялись на начальном этапе развития вычислительной техники, когда электронные лампы, а затем транзисторы были основными компонентами электронных устройств. В настоящее время они не находят применения и поэтому впредь будем рассматривать триггеры с потенциальным кодированием. Обобщенная структурная схема такого триггера показана на рис. 1. Рис. 1 Обобщенная структурная схема триггера Схема триггера состоит из элемента памяти (как правило, собственно триггера с двумя устойчивыми состояниями) и схемы управления с рядом входов . Схема управления преобразует поступающую на её входы информацию в одну из комбинаций сигналов 00,01,10,11 действующих непосредственно на входы собственно триггера. Входы , на которые поступает записываемая информация, называют информационными или логическими . Кроме логических схема триггера может иметь тактовые входы или входы синхронизации ( ), разрешающие (управляющие) входы , а также входы Sd, Rd непосредственной установки триггера – установочные входы . Следует подчеркнуть, что всё многообразие применяемых триггеров определяется организацией схемы управления, которая сама может содержать дополнительные элементы памяти, и её связями с выходами триггера Q и . Возможны и более простые схемы триггерных устройств, например такие, в которых отсутствуют разрешающие V или тактовые входы C, исключено устройство управления либо отсутствуют связи с выходов Q и на входы устройства управления. Цифровая схема, содержащая триггеры, называется последовательностной схемой , поскольку значение сигнала на её выходе в какой-то момент времени зависит не только от сигналов, имеющихся на входе схемы в этот момент времени, но так же и от предшествовавшей последовательности значений сигналов, которые были на её входе ранее. Другими словами, последовательностная схема обладает памятью (memory) по отношению к событиям происходившим ранее. Классификация триггерных устройств приведена на рис. 2. Рис. 2 Обобщенная классификация триггерных устройств В основу классификации положены следующие признаки: - способ схемной реализации; - функциональный признак; - способ записи информации в триггер; - способ управления записью информации. Способ схемной реализации. Согласно этому признаку учитываются следующие основные особенности триггерных устройств: - тип используемого элемента памяти (статический, динамический или оба одновременно); - вид управляющего сигнала, с которым может работать триггер (импульсный, т.е. сигнал ограниченной длительности; потенциальный, т.е. сигнал неограниченной длительности, либо тот и другой); - наличие или отсутствие в структурной схеме узлов, преобразующих потенциальные входные сигналы в импульсные. В соответствии с эти признаком все триггеры подразделяются на статические, импульсно-статические, динамические, квазистатические. Функциональный признак — предполагает деление триггеров по виду характеристического уравнения, описывающего их поведение (функционирование). Это уравнение в общем случае записывается в виде и отражает состояние выхода триггера в момент ( ) в зависимости от комбинации сигналов, действующих на входах триггера , и его состояния в момент . Другими словами, характеристическое уравнение описывает реакцию триггера на комбинацию сигналов, поданных на его входы в момент , предшествующий моменту . В соответствии с функциональным признаком различают триггеры RS, D, JK, T, E, RST, R, S и других типов, т.е. по функциональному признаку присваивается название триггеру. Причем название триггера обычно дается по обозначению его информационных входов, которым вместо символов , на обобщенной структурной схеме рис. 3.1. присваиваются символы R, S, J, K, Tи т.д., которые обозначают: -S (Set — установка) — вход для раздельной установки триггера в стоянии “1”( ); -R (Reset — сброс) — вход для разделительной установки триггера в состоянии “0”( ); -T (Toggle — релаксатор(переключатель)) — счетный вход триггера; -J (Jerk – внезапное включение) — вход для раздельной установки триггера в состояние “1” в универсальном JK-триггере; -K (Kill – внезапное отключение ) — вход для раздельной установки триггера в состояние “0” в универсальном JK-триггере; -D (Delay – задержка, Drive – передача ) — информационный вход для установки триггера в состояние “0” или “1”; -V (Valve – клапан, вентиль) — управляющий (разрешающий) вход для разрешения приема либо информационных, либо тактовых сигналов; -тактовый вход С (Clock — первичный источник сигналов синхронизации) — разрешает схеме управления запись информации в триггер. Таким образом, по способу организации логических связей различают триггеры с раздельной установкой состояний “0” и “1” (RS-триггеры); со счетным входом (Т-триггеры); универсальные с раздельной установкой состояний “0” и “1” (JK-триггеры); с приемом информации по одному входу (D-триггеры); универсальные с управляемым приемом информации по одному входу (DV-триггеры); комбинированные (например, RST-, JKRS-,DRS-триггеры и т.п.). В некоторых случаях триггеры обозначаются одной буквой и имеют два и более информационных входа (например, триггер Е-типа). Способы записи информации в триггер В соответствии с этим признаком триггеры классифицируют по времени обновления информации с учетом её привязки к тактовой (синхронизирующей) частоте, действующей в устройстве. По этому признаку триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые ). К асинхронным относятся триггеры, которые имеют только информационные входы. Запись информации в такие триггеры осуществляется асинхронно, т.е. в произвольные моменты времени относительно частоты синхронизирующих импульсов, а именно в момент поступления управляющих сигналов на информационные входы. В отличие от асинхронных синхронные триггеры, кроме информационных, имеют дополнительные синхронизирующие (тактирующие) входы С. Запись информации в такие триггеры осуществляется только в момент действия тактирующего импульса (ТИ) на входе С. В свою очередь синхронные триггеры подразделяются на триггеры однотактного и многотактного действия. Многотактные (n-тактные, n=2,3,4,…) триггеры характеризуются тем, что запись информации в триггер завершается с поступлением n-го тактирующего импульса. Способ управления записью информации в триггер. В ряду классификационных признаков этот признак следует считать важнейшим, так как он позволяет учесть основные моменты в работе триггера, а именно: - какие части сигнала (фронты, уровни, их комбинации) используются для записи информации в схему управления; - реакцию триггера на смену информации в процессе её записи; - момент времени, когда записываемая информация появляется (фиксируется) на выходах триггера. Можно выделить две группы триггеров, различаемых по способам управления записью информации: - триггеры у которых прием и фиксация информации совмещены во времени; - триггеры у которых прием и фиксация информации разнесены во времени. К первой группе триггеров относятся триггеры, у которых для приема и фиксации информации используется только один фрагмент сигнала: уровень либо фронт. Обозначим уровни символами и (от слова Level – уровень), а фронты символами и (от слова Front – фронт) (рис. 3.). В соответствии с принятыми обозначениями триггеры, принимающие и фиксирующие информацию по уровням и фронтам, называются триггерами L- и F-типов (видов). Ко второй группе относятся триггеры, у которых для приема и фиксации информации используются как минимум две части сигнала, например уровень и срез, уровень и фронт, фронт и срез и т.д. Такие триггеры будем обозначать двумя символами (первый указывает на интервал приема, а второй – на момент фиксации), например триггер -типа, принимающий информацию по уровню L с фиксацией на выходах по фронту (фронт 10). Возможны и другие разновидности триггеров этой группы, например -типа, принимающий информацию в схему управления по уровню (уровень 0) с фиксацией на выходе по фронту F (01) и т.д. Объединив все классификационные признаки, получим обобщенное (символьное) обозначение (запись) триггера, позволяющее судить не только о выполняемой триггером функции, но и алгоритме его работы. Приведем примеры такого символьного обозначения триггеров на примере статических триггеров RS-,D- и JK-типов: тактируемый RS-триггер вида L, переключаемый по входам R и S сигналами высокого уровня (уровень L на рис. 3.3.). Учитывая, что по входам R и S триггер управляется потенциальными сигналами уровня L, тот же триггер можно записать иначе: записи равноценны. тактируемый RS-триггер вида , управляемый по входам R и S сигналами низкого уровня (уровня ). Этот же триггер можно записать иначе: . тактируемый RS-триггер вида F, принимающий и фиксирующий информацию по фронту F (т.е. в течение небольшого интервала времени практически совпадающего с длительностью фронта). тактируемый RS-триггер вида , принимающий информацию по уровню L с фиксацией на выходе по фронту . тактируемый JK-триггер вида , управляемый по входам JK сигналами с уровнем логического 0. тактируемый D-триггер вида . асинхронный RS-триггер вида L. асинхронный RS-триггер вида . асинхронный RS-триггер вида F. асинхронный RS-триггер вида . RS-триггер RS-типа без указания классификационных признаков, учитывающих способ управления и записи (аналогично JK, D и других типов). CRS-тактируемый RS-триггер без указания классификации признаков, учитывающих способ управления записью (аналогично CD, CJK и других типов). R-S — асинхронный RS-триггер без указания способа управления. Говоря об индексной классификации следует подчеркнуть, что её введение позволяет существенно упростить процедуру выбора и эффективного применения триггерных устройств, поскольку такая классификация позволяет по существу не только знать алгоритм работы триггера, но и представлять себе его выходную диаграмму, не знакомясь с его принципиальной схемой. Последнее является важным моментом в схемотехнике триггерных устройств, поскольку известно, что триггеры одного функционального типа, но различных по способам управления записью информации, имеют различные выходные диаграммы при идентичной входной. Требования и параметры, характеризующие триггерные устройства Триггер, как и любое другое электронное устройство, характеризуется рядом параметров и требований, предъявляемых к нему. Всю совокупность этих параметров и требований можно разбить на две группы: функциональные и схемотехнические . К функциональным будем относить те требования и параметры, которым должен удовлетворять триггер при его конкретном применении. К их числу можно отнести: · функциональный тип триггера; · способ записи информации в триггер; · способ управления записью информации в триггер; · вид переходного состояния триггера; · число тактирующих, информационных, разрешающих и установочных входов; · эквивалент нагрузки триггера по тактовому входу ; · нагрузочную способность триггера по выходу ; · быстродействие триггера; · функциональную надежность триггера; К схемотехническим будем относить параметры, которые являются зависимыми от схемного решения триггера при условии выполнения последним всех функциональных требований и параметров. К ним можно отнести: - число корпусов ИМС или аппаратурные затраты (Азт); - потребляемая мощность. Функциональный тип триггера. Предполагается выбор готового или разработка нового триггера, характеристическое уравнение которого должно удовлетворять необходимым требованиям по логике действия. Следует отметить, что в некоторых случаях одна и та же логическая функция может выполняться триггерами различного типа, например функцию счетного триггера (триггер Т-типа) могут выполнять триггеры , , , и других типов. Способы записи информации в триггер. Предполагается выбор асинхронного или тактируемого варианта триггера. При этом учитывается, в каком режиме он может работать. Например, выбирается асинхронный триггер, работающий в синхронном режиме или наоборот. Способы управления записью информации Предполагается выбор одного из типов триггеров и др., который требуется по логике работы в конкретном случае. Вид переходного состояния триггера. Триггеры, имеющие парафазные выходы и , при своем переключении могут кратковременно находиться либо в состоянии , либо . Длительность такого состояния, которое определяется переходными (регенеративнымиционными) процессами в триггере, весьма незначительна и зависит от его элементной базы. Однако учет такого состояния в некоторых случаях оказывается важным, особенно при проектировании схем распределителей и сдвигающих регистров. Число установочных, информационных, синхронизирующих и разрешающих входов. Триггер всегда выполняется с определенным числом перечисленных входов, которое определяется конкретным его применением. В общем случае триггер может содержать либо весь перечень входов, приведенный на рис. 1., либо в простейшем случае только один или два информационных входа. При включении питания на какое-либо устройство часто требуется, чтобы все либо часть его триггеров находились в определенном состоянии. Это достигается подачей импульсных сигналов, вырабатываемых специальными схемами, на установочные виды триггера, называемые входами непосредственной установки Sd , Rd . Кроме установочных триггер может иметь разрешающие входы (см. рис. 1.), которые позволяют заносить информацию в триггер только при наличии на нём разрешающего сигнала. При отсутствии такого сигнала триггер не воспринимает входную информацию. Отсюда следует, что по логике работы разрешающие входы аналогичны тактовым входом С и, как правило, могут их заменить. (Назначение синхронизирующих и информационных входов рассмотрено раньше) Эквивалент нагрузки триггера по тактовому входу . Этот параметр показывает, какое число триггеров со стороны тактового входа С может быть подключено к типовому элементу без нарушения его работоспособности. Учет этого параметра особенно важен при проектировании сдвигающих регистров и пересчетных устройств. Для триггеров, выполненных на типовых ЛЭ, параметр определяется числом связей Sc тактового входа С с остальными элементами триггера. Нагрузочная способность триггера по выходу . В реальных устройствах выходы триггера нагружены, т.е. подключены к входам других ЛЭ. Число таких элементов (нагрузок) всегда известно и не может превышать определенного числа , называемого нагрузочной способностью триггера . Параметр показывает какое число элементов можно подключить к выходу триггера, не вызывая отклонения выходных напряжений от установленных логических уровней. Этот параметр зависит от нагрузочной способности элементов , числа связей выхода триггера Qс остальными элементами триггера и при выполнении его на типовых ЛЭ определяется из выражения , где — число связей выходного плеча триггера. Быстродействие триггера оценивается максимальной частотой следования входных сигналов , при которой триггер полностью выполняет свои функции. Максимальная частота зависит от задержек выполнения логических операций элементами триггера. В общем случае любого триггера можно рассчитать по формуле: , где — минимальная длительность сигнала (информационного или тактирующего), при которой не нарушается работа триггера; — минимальная длительность паузы между сигналами записи информации, обеспечивающая нормальную работу триггера. Иногда параметр оценивается через параметр — минимальный временной интервал между двумя переключающими импульсами или разрешающее время триггера. Требование функциональной надежности. Это требование предполагает схемную реализацию триггера, в котором отсутствуют опасные состязания. В логических элементах с памятью, т.е. в схемах с обратными связями, под воздействием входных сигналов могут изменить состояния сразу несколько элементов памяти. В этих случаях говорят, что в схеме существуют состязания сигналов обратных связей или просто – состязания сигналов. Если под воздействием входного сигнала схема из одного состояния может перейти в различные состояния в зависимости от задержек в элементах схемы, то в этом случае состязания называются критическими или опасными. Считается, что схема функционально надежна, если она свободна от опасных состязаний. При их наличии функциональную надежность оценивают с помощью параметра , именуемого относительной длинной состязающихся цепей. Доказано, что для некоторых видов состязаний триггер функционально надежен, если выполняется условие , Где , — число элементов в состязающихся цепях; и — временной разброс задержек выполнения логической операции элементами. Аппаратурные затраты Азт. Этот параметр позволяет оценить суммарные затраты по числу корпусов ИМС, пользуясь формулой , Где — число корпусов ИМС i-го типа. При определении потребляемой мощности триггера следует иметь ввиду: а) Число логических элементов в триггере . Этот параметр, который определяется суммарным числом ЛЭ в триггере, относится к разряду важнейших, так как позволяет оценить мощностные затраты триггера. Учитывая, что в двоичных триггерах, как правило, число элементов, находящихся в состоянии 0, примерно равно числу элементов, находящихся в состоянии 1, и само число элементов сравнительно невелико, мощность потребляемую триггером в статическом состоянии ( ) , можно достаточно точно подсчитать по формуле , где — средняя мощность, потребляемая элементом; мощность, потребляемая элементом в состоянии 0; мощность, потребляемая элементом в состоянии 1. б) Число переключаемых за период элементов . Учет параметра при выборе оптимального варианта триггера необходим в том случае, когда триггер проектируется на элементах, потребляющих в момент переключения заметно большую мощность, чем в статическом состоянии. К последим можно отнести ТТЛ- и особенно КМОП- элементы. Повышенный расход мощности в момент переключения является причиной не только увеличения средней мощности, потребляемой триггером, но и возникновения значительных импульсных помех в цепи питания. Поэтому уменьшение числа переключаемых элементов имеет важное значение для снижения как потребляемой мощности, так и уровня генерируемых помех. У традиционных, т.е. двоичных триггеров, особенно триггеров типов D, T, JK, и RS, в стадии переключения участвуют практически все элементы. Поэтому для таких триггеров параметр можно считать примерно равным числу его элементов, т.е. . По числу переключаемых за период элементов можно определить дополнительную мощность , потребляемую триггером в динамическом режиме: , где — дополнительный прирост потребляемой мощности элементом i-го типа за счет работы в динамическом режиме при переключении; — число переключаемых за период элементов i-го типа; i — число типов элементов, различаемых по потребляемой мощности. В свою очередь, мощность , где - средняя динамическая мощность элемента i-го типа на рабочей частоте (определяется из технических условий на элемент); - средняя статическая мощность элемента i-го типа. Из сказанного следует, что с увеличением прироста динамической мощности, которая резко увеличивается с ростом частоты, должна увеличиваться и общая, т.е. динамическая , мощность , потребляемая триггером. В итоге с учетом параметра полная или динамическая мощность триггера будет определяться из выражения . Итак, потребляемая мощность и аппаратурные затраты являются характеристиками на основе которых проводится сравнение и выбор схемного решения триггера при условии выполнения им функциональных требований. Триггер можно характеризовать и рядом дополнительных параметров, к которым можно отнести, например, число связей . Этот параметр характеризуется суммарными числом связей, которые необходимо выполнить между элементами, входящими в триггере: , где - число элементов i-го типа, различных по числу входов; - число задействованных входов элемента i-го типа. Таким образом, схемотехнические параметры являются именно теми параметрами, на основе которых производится выбор оптимального варианта триггера применительно к конкретному устройству. ЛИТЕРАТУРА 1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с. 2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с. 3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с. 4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с. 5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.