Proč hodiny žabky?

Jedním z důvodů, proč hodiny klopné obvody nastavujeme tak, aby nedošlo k žádnému chaosu, když jsou výstupy klopných obvodů napájeny některými logickými funkcemi a zpět na jejich vlastní vstupy.

Pokud je výstup klopného obvodu používá se k výpočtu jeho vstupu, je nám patrné mít řádné chování: zabránit tomu, aby se stav klopného obvodu změnil, dokud nebude výstup (a tedy i vstup) stabilní.

Toto časování nám umožňuje stavět počítače, které jsou stavovými automaty: mají aktuální stav a vypočítávají svůj další stav na základě aktuálního stavu a některých vstupů.

Předpokládejme například, že chceme vytvořit stroj, který „vypočítá“ přírůstek Počet 4 bitů od 0000 do 1111, a Pak se zalomí na 0000 a pokračuje dál. Můžeme to udělat pomocí 4bitového registru (což je banka čtyř klopných obvodů D). Výstup z registru je veden kombinační logickou funkcí, která přidá 1 (čtyřbitový sčítač) k vytvoření přírůstkové hodnoty. Tato hodnota se pak jednoduše přenese zpět do registru. Nyní, kdykoli dorazí hodinová hrana, registr přijme novou hodnotu, která je jedna plus jeho předchozí hodnota. Máme uspořádané, předvídatelné chování, které prochází binárními čísly bez jakýchkoli závad.

Hodinové chování je užitečné i v jiných situacích. Někdy má obvod mnoho vstupů, které se nestabilizují současně. Pokud je výstup okamžitě vyroben ze vstupů, bude chaotický, dokud se vstupy nestabilizují. Pokud nechceme, aby ostatní obvody, které jsou závislé na výstupu, viděly chaos, necháme obvod taktovat. Počítáme s velkorysým časem, než se vstupy usadí, a potom naznačíme obvodu, aby hodnoty přijal.

Hodiny jsou také neodmyslitelně součástí sémantiky některých druhů klopných obvodů. Flip Flop nelze definovat bez vstupu hodin. Bez hodinového vstupu bude buď ignorovat jeho D vstup (zbytečné!), Nebo jednoduše vždy zkopíruje vstup (není to klopný obvod!) Klopný obvod RS nemá hodiny, ale používá dva vstupy ovládat stav, který umožňuje, aby vstupy byly „samočinné“: tj. aby byly vstupy, stejně jako spouštěče pro změnu stavu. Všechny klopné obvody potřebují nějakou kombinaci vstupů, které programují jejich stav, a nějaká kombinace vstupů umožňuje udržují svůj stav. Pokud všechny kombinace vstupů spouští programování nebo pokud jsou všechny kombinace vstupů ignorovány (stav je udržován), není to užitečné. Co jsou to hodiny? Hodiny jsou speciální vyhrazený vstup, který rozlišuje, zda ostatní vstupy jsou ignorovány, nebo zda programují zařízení. Je užitečné mít to jako samostatný vstup, spíše než aby to bylo zakódováno mezi více vstupů.

Komentáře

• Dává to smysl, když vysvětlujete potřebu taktování čítače nebo stavového automatu. Pokud existuje ‚ s nejsou vůbec žádné hodiny, pak čítač stále mění svoji hodnotu (& reset) & začít nekonečně? a to samé se stavovým automatem. (Z toho, co jsem četl z wiki, počítá jen typ stavových automatů, protože stavy se mění). Ale i s registry také používáme hodiny, v takovém případě proč? Také bych chtěl vědět, že existují nějaké flipflopy (mohou být) použity v jakékoli aplikaci bez hodin?
• Nyní přicházíme k bodu stability, pokud se výstupy stále mění, pak ostatní zařízení, která potřebují výstup flipflops, vyhrála ‚ nelze jej správně přijmout a mohlo by dojít k nevyzpytatelnému chování. Jedná se tedy o problém stability? Nyní se snažím pochopit koncept stability. Zejména tyto dva body, které jste vysvětlili: “ k zabránění změny stavu klopného obvodu ‚ s až do výstupu (a tedy i vstupu) je stabilní. “ “ Někdy má obvod mnoho vstupů, které se zároveň nestabilizují “

Flip flop se vzestupnou hranou lze představit jako dvě západky zády k sobě , z nichž jeden je povolen krátce poté, co hodinový signál poklesne a zůstane aktivován, dokud nezvýší; druhá je povolena krátce poté, co hodiny stoupnou a zůstane aktivní, dokud nezačne klesat.Mít krátký okamžik, během kterého není povolen žádný klopný obvod, znamená, že výstup klopného obvodu může být bezpečně přiváděn zpět na jeho vstup pomocí kombinatorické logiky. Změna výstupu v jednom hodinovém cyklu může způsobit změnu vstupu, ale tato změna vstupu nebude mít žádný účinek až do dalšího hodinového cyklu.

Historicky to bylo u digitálních zařízení docela běžné používat takzvané „dvoufázové hodiny“, které měly dva hodinové vodiče, které byly vysoké pro nepřekrývající se intervaly během každého cyklu. Všechny západky jsou rozděleny do dvou skupin, přičemž jedna hodiny ovládala první skupinu západek a druhé hodiny ovládají druhé; ve většině případů se výstupy každé skupiny používají pouze k výpočtu vstupů druhé. Každý hodinový cyklus se skládá z jednoho nebo více impulzů na prvních hodinách, z nichž alespoň jeden musí splňovat minimální – specifikace délky a jeden nebo více pulzů na druhém (stejný požadavek). Jednou výhodou takové konstrukce je, že může být velmi tolerantní vůči hodinovému zkosení za předpokladu, že mrtvý čas mezi fázemi hodin přesáhne částku zkosení hodin. Dvě nevýhody takové návrhy jsou, že vyžadují běh dvou hodin dráty všude a pro dosažení maximální rychlosti je třeba logiku rozdělit do dvou skupin a pokusit se vyvážit zpoždění šíření mezi nimi.

Modernějším přístupem je mít každý západkový prvek (registr) přijímat jediný hodinový vodič a v podstatě generovat své vlastní vnitřní nepřekrývající se hodiny. To vyžaduje, aby maximální zkosení hodin nepřesáhlo minimální dobu šíření mezi registry, ale moderní nástroje umožňují ovládat zkosení hodin přesněji, než bylo možné v minulých desetiletích. V mnoha případech dále jednofázové taktování zjednodušuje návrhy tím, že eliminuje potřebu rozdělit logiku do dvou skupin.

Všichni víme, že digitální reálné obvody budou obsahovat MNOHO bran. Je možné, že se signál bude muset vydat několika cestami, aby se dostal k poslední bráně, která dává výstup. Signálu trvá určitou dobu, než se „rozšíří“ na různé cesty dosahující k poslední bráně. Čas potřebný k šíření není na různých cestách stejný. To vede k tomu, čemu říkáme závady. K závadám dochází, protože některé cesty jsou kratší než jiné, a když signál dosáhne poslední brány dříve, přičemž vezme kratší cestu, projeví se to bezprostředně předtím, než ostatní signály na delší cestě dosáhnou brány. Výsledek, který to na okamžik vyústí, je nesprávný a může se stát nebezpečným v digitálním obvodu, což vede k šíření chyb.

Teď přicházím k tomu, proč potřebujeme hodiny. Hodiny v podstatě „synchronizují“ obvod s jediným externím signálem. Představte si to jako rytmus, který je naladěn tak, aby měl rád hudbu. Věci se dějí podle těchto hodin, žádné hodiny = obvod je deaktivován. Použitím hodin zajistíme, aby různé části obvodu fungovaly v harmonii současně . Tímto způsobem je chování obvodu předvídatelnější. Je také méně ovlivněn změnami zpoždění šíření teplotou a výrobními změnami. Toto pokrývá hodiny.

Klopné obvody jsou takové prvky digitálních obvodů, které při výskytu „CLOCK EDGE“ provedou akci (mění svůj výstup v reakci na vstup na svém vstupním portu). Okraj hodin je, když hodinový signál jde z 0 na 1 nebo z 1 na 0. Stačí nakreslit hodinovou vlnu a budete vědět, co tím myslím. Existuje další skupina prvků, která se nazývá západky, výstup západek se změní tak, aby odrážely vstup, když je určitý řídicí signál na konkrétní logické ÚROVNI a nečekejte na žádné hrany, tento řídicí signál se nazývá POVOLIT v západkách. Západky mohou fungovat když je povoleno 1 a změnit jejich výstup nebo když je povoleno 0. Záleží na typu západky. Naproti tomu Flips flopy vlastně děla něco pouze , když jsou napájeny hodinami EDGE. Vezměte prosím na vědomí tento rozdíl mezi západkami a klopnými obvody a nezapomeňte, že zámky jsou spojeny dohromady a vytvářejí klopný obvod tak, že povolení způsobí, že klopný obvod provede něco pouze tehdy, když dojde k hodinové hraně. V tomto případě pojmenujeme signál Povolit na Hodiny a má to také větší smysl. Hodiny pro člověka jdou klíště klíště klíště, flip flop dělá něco pouze na klíšťata a NIC mezi klíči.

Pokud to stále není jasné než vy bude mít užitek z přednášky nptelhrd na youtube od Indian Institute of Tec hnology on Digital Circuits.

Komentáře

• “ Pomocí hodin zajistíme, aby různé části obvodu pracují současně v harmonii. “ – jak to uděláme? Zkontroluji videa.
• Upozorňujeme, že klopné obvody jsou zařízení, která mění svůj výstup tak, aby odrážely vstup na náběžné hraně (nebo na sestupné hraně, pokud se jedná o flip flop se zápornou hranou) řídicí signál pro klopný obvod spouštěný kladnou hranou.Tento řídicí signál se kvůli své periodické povaze nazývá hodiny, spíše jako tikot našich nástěnných hodin. Pokud je k dispozici hodinový signál, klopný obvod něco udělá, jinak vstup na výstupu nic neudělá. Od samého počátku znáte rozdíl a podobnost mezi západkami a klopnými obvody, abyste nebyli zmateni.

Existují takové věci, jako jsou asynchronní čítače. Tady je jedna: –

Je také známá jako čítač zvlnění, protože když na vstup dorazí vstupní pulz (změna stav 1. klopného obvodu), že změna stavu trvá konečně dlouhou dobu, než se zvlní do zbývajících klopných obvodů. Během této malé, ale konečné doby budou mít výstupy ABCD nepředvídatelnou přechodnou hodnotu, dokud se konečný klopný obvod nevyrovná.

Pokud byly výstupy ABCD všechny napájeny přes klopné obvody typu D a taktovány dohromady , nějakou dobu po období usazování tato “ lepší “ verze ABCD nikdy “ zobrazit “ toto přechodné chování.

Aby se tomu zabránilo, inženýři někdy používají synchronní hodinové obvody. Je nám líto, že na tomto obrázku je zleva a Q0 až Q3 mapují ABC a D na předchozím diagramu: –

Je to trochu složitější, ale je to rychlejší a má méně částí než ve srovnání s asynchronním čítačem s hromadou typů D na výstupech.

Komentáře

• No, s čítači to dává smysl. Existuje ale nějaká aplikace, kde se flipflopy používají bez hodin? nebo flipflops nelze nikdy použít bez hodin?
• @avi První příklad (asynchronní čítač) nemusí být ‚ považován za vstup od “ hodiny „. Mohly by to být impulsy vycházející z magnetického senzoru, které sledují, jak rychle se hřídel otáčí. V systému by byly “ hlavní “ hodiny, které “ brány “ počet každou sekundu, ale “ signál “ směřující do čítače není ‚ nutně hodiny. Výstup z analogového komparátoru může být “ hodiny “ a “ 1 “ na výstup typu D a výstup z jiného analogového komparátoru může resetovat typ D – to lze použít k výrobě signálu odvozeného z analogového průběhu – žádné hodiny jako takové
• Chování počítadla zvlnění bych považoval za kvantitativně spíše než kvalitativně odlišné od chování synchronního počítadla. Výstupy obou čítačů se stanou neplatnými po určitou dobu po příchodu hodinového pulzu a po nějaké době znovu budou platné. Synchronní čítač bude mít menší okno, během kterého jsou jeho výstupy neplatné, ale okno bude v každém případě nenulové. Je třeba také ‚ poznamenat, že maximální rychlost počítání s nakresleným počítadlem bude omezena délkou počítadla. Tomuto omezení by se dalo vyhnout …
• … tím, že by nosný řetěz začínal např. čtvrtý bit, generování “ a “ prvních tří bitů a poté, co se každý bit převrátí pouze v případě, že je vstup z carry řetěz byl vysoký, bit 2 byl vysoký, bit 1 byl vysoký a bit 0 byl vysoký. I kdyby sedm časových impulzů dorazilo v čase potřebném k šíření signálu přenosovým řetězcem, nebyl by to žádný problém, protože přenosový řetězec by začal šířit přenos, když bylo dosaženo počtu xxx111 … 111000, ale jeho výstup by nebyl nezáleží na tom, dokud nebyl dosažen hodinový puls po xxx111 … 111111.
• Čítače zvlnění jsou jednoduché, ale ve skutečném světě digitálních obvodů, ve kterých pracuji, jsou nenáviděné. je dobré vědět, že existují, ale je velmi nepravděpodobné, že je budete moci používat pro skutečné projekty. Lze jej vždy použít v triviálních cvičeních, kde jejich “ asynchronní “ není problém.

Protože je snazší navrhovat synchronní systémy (synchronní systém znamená jakoukoli kolekci kombinatorické logiky a časovaných klopných obvodů) než asynchronní systémy a synchronní systémy jsou spolehlivější. Návrh asynchronního stavového stroje je však hodný studia, protože dokáže vypočítat výstup mnohem rychleji as nižší spotřebou energie než synchronní systém.