<<
>>

Схема памяти на базовых вентилях

Схемы, состоящие из базовых вентилей, применяются не только для создания устройств, выполняющих действия над данными. Они используются также и для реализации одной из разновидностей памяти в компьютере.
Но схемы памяти не могут быть отнесены к группе комбинационных схем, так как получаемый на их выходах результат зависит не только от поступивших на вход данных, но и от текущего состояния схемы. Собственно говоря, эта зависимость и обеспечивает принципиальную возможность запоминания данных. Схемы, обладающие такими свойствами, относятся к группе последовательных схем. Кроме того, для них ис- пользуется название «автоматы с памятью».

Рис. 3.15. Состояния триггера при нулевых значениях на входах: а и б — устойчивые;

в — неустойчивое

Устройство на базовых вентилях, которое можно использовать для хранения од- ного бита данных, называется триггером, или SR-защелкой.

ВНИМАНИЕ --------------------------------------------------------------------------------------------------------

Триггером (от trigger — защелка, спусковой крючок) называется устройство, кото- рое может сколь угодно долго находиться в одном из двух состояний устойчивого равновесия и переключается из одного состояния в другое скачком по сигналу или воздействию извне. Триггер может быть реализован, в частности, на электроваку- умных лампах накаливания и на полупроводниковых устройствах.

Триггер состоит из двух вентилей «НЕ ИЛИ», выход каждого из которых соеди- нен с одним из входов другого (рис. 3.15). Для управления работой триггера ис- пользуются свободные входы вентилей, которые обычно называют входом 5 (от setting — установка) и входом R (от resetting — сброс).

От названий входов обра- зовано иногда используемое название этого устройства — SR-защелка. Выходы вентилей V и V считаются соответственно основным и дополнительным выходами всего триггера в целом. Поскольку выходы вентилей V и V одновременно являют- ся их же входами, в дальнейшем они называются «входами/выходами» вентилей.

Рассмотрим принцип действия этого устройства. Теоретически возможны 16 раз- личных состояний триггера, соответствующих всем возможным комбинациям значений на входах S и /?, а также на входах/выходах Vи V. Однако, как мы уви- дим далее, некоторые комбинации значений приводят к возникновению неустой- чивых состояний триггера, которые тут же самопроизвольно переходят в устой- чивые состояния, способные сохраняться в неизменном виде сколь угодно долго.

Рассмотрим поведение триггера при поступлении на входы значений S = 0 и R = 0. Вначале допустим, что при этом на входах/выходах уже находятся значения V = 0 и V = 1 (рис. 3.15, а). Тогда за один такт работы схемы верхний вентиль сформи- рует на дополнительном выходе V значение -i (5 vV) = X а нижний вентиль сфор- мирует на основном выходе V значение -.(лvv) = а Поскольку эти значения совпадают с исходными, такое состояние триггера является состоянием устойчи- вого равновесия, или просто устойчивым.

Аналогичная ситуация наблюдается, если в момент поступления на входы триг- гера S и R нулевых значений на входах/выходах находятся значения V = 1 и V =0 (рис. 3.15, б). Тогда верхний вентиль за такт сформирует на выходе V значение -,(SvV) = О,а нижний — на выходе V значение -i^ivV^ = l Эти значения так- же совпадают с исходными, и, следовательно, такое состояние также устойчиво.

Пусть теперь оба входа/выхода находятся в начальном нулевом состоянии V = 0 и V = 0 (рис. 3.15, в). Тогда и нижний, и верхний вентили сформируют на выхо- дах V и V значения -i(/?vVj = lи-.(5vV') = l, которые, вновь поступая на входы вентилей, сформируют на их выходах новые значения =Ои-i(5vF) = О.

Очевидно, что такое состояние триггера является неустойчивым, так как он цик- лически переходит из состояния, при котором V = 0 и V =0, в состояние, когда V = 1 и V =1 Теоретически, этот циклический процесс может продолжаться сколь угодно долго.

Но для этого необходимо, чтобы одинаковые значения появлялись на выходах строго одновременно. На практике в этой ситуации один из вентилей срабатывает немного быстрее, чем другой, и тогда триггер случайным образом переходит либо в состояние а, либо в состояние б.

Итак, устойчивыми при S = 0 и R = 0 являются два состояния, когда на вхо- дах/выходах V иV находятся различные значения, и неустойчивым — одно со- стояние, когда на них находятся одинаковые значения. Значение, находящееся на основном выходе триггера V в любом из устойчивых состояний, считается зна- чением, хранящимся в триггере. Таким образом, на рис. 3.15, а изображен триггер, сохраняющий значение 0, а на рис. 3.15, б — триггер, сохраняющий значение 1.

Рассмотрим поведение триггера при поступлении на его вход 5 значения 1, кото- рое заменяет обычное его нулевое состояние. Пусть при этом на другом входе R находится нуль, R = 0. Допустим, что триггер в это время хранит значение 0. При этом V = 0 и V = 1 (рис. 3.16, а). Тогда при срабатывании вентилей на выходах получаются нулевые значения = Он-,(5 vF) = 0. Следовательно, еди-

ница на дополнительном выходе V заменяется нулем (рис. 3.16, б), после чего срабатывает нижний вентиль = 1 и на основном выходе V формирует-

ся 1 (рис. 3.16, в). Появление единицы на основном выходе не приведет к дальней- шему изменению состояния триггера, так как -i(5vV) = Ои значение на до- полнительном выходе остается тем же самым. Следовательно, триггер переходит в устойчивое состояние, в котором на основном выходе V находится 1. Другими словами, установка входа 5 в состояние 1 переводит триггер из состояния 0 в со- стояние 1. Если же триггер при поступлении 1 на вход 5 уже хранит единицу, то есть V = 1 и V = 0, то срабатывание его вентилей дает -i(5 vV') = Ои-i(.RvV^ = l, поэтому его состояние не изменится.

Аналогичным образом можно убедиться в том, что при 5=lи/? = Ои исходных состояниях входов/выходов V = ОиV = 0, а также V = 1 и V = 1 триггер переходит в то же самое устойчивое состояние, при котором V = 1 и V =0.

Следовательно, при любом исходном состоянии триггера появление 1 на входе 5 (при сохранении R = 0) переводит его в состояние 1. Можно считать, что эта ситуация эквива- лентна записи значения 1 в триггер.

Пусть теперь значение 1 поступает на вход /?, на входе 5 сохраняется значение 0, а триггер в это время находится в состоянии 0, то есть V = 0 и V =1 Видно, что текущее состояние триггера эта управляющая комбинация не изменяет, так как срабатывание вентилей дает в результате -i(/?vVЛ=Ои-i(5vF) = l Если же в начальном состоянии триггер хранит единицу (V = 1 и V = 0), то на дополни- тельном выходе формируется -тj[5 v V) = i, последующее поступление которой на нижний вентиль дает -i(й v Vj = 0, то есть триггер переходит в состояние 0. Аналогичным образом можно показать, что при S=Ои/?=lи исходных V = 0 и V = 0, а также V = 1 и V = 1 триггер также переходит в состояние 0. Следова- тельно, при любом исходном состоянии триггера появление 1 на входе R (при сохранении 5 = 0) переводит триггер в состояние 0. Можно считать, что эта ситуация эквивалентна записи 0 в триггер. Итак, триггер запоминает, на каком его входе 5 или R в последний раз было единичное значение. На основе этого свойства конструируются некоторые реальные схемы памяти компьютера.

Легко убедиться в том, что при поступлении на входы значений 5=1 и R = 1 триггер может находиться только в одном устойчивом состоянии. При этом оба его выхода равны нулю одновременно, V = 0 и V =0. Любые другие состояния при этом неустойчивы и случайным образом переходят в указанное устойчи- вое. В £aмoм деле, пусть, например, в исходном состоянии V = 0 и V = i, тогда -i QtvV) = 0и-i(5vF) = 0, и триггер переходит в устойчивое состояние, V = 0 и к =0. Такой же результат получается и для остальных вариантов исходных значений на входах/выходах V и V. Поскольку для 5 = 1 и R = 1 триггер обладает только одним устойчивым состоянием, эта комбинация для управления его ра- ботой не используется.

Чтобы избежать одновременного появления на входах единичных значений 5 = 1 и R = 1, которое приводит триггер в неиспользуемое состояние, схему триг- гера немного модифицируют, оставляя у него только один вход, который приня- то называть входом D (рис.

3.17). Значение с входа D триггера подается на входы 5 и R верхнего и нижнего вентилей «НЕ ИЛИ», но на один из входов значение попадает через вентиль «НЕ». Таким образом, значения на входах 5 и R этих вентилей всегда не совпадают. При этом значение на основном выходе триггера V, то есть хранимое в триггере значение всегда совпадает со значением на входе D. Такую схему принято называть D-триггером. На рис. 3.17, а показан D-триг- гер, хранящий значение 0, а на рис. 3.17, б — этот же триггер со значением 1.

Итак, описанное устройство позволяет записывать и сохранять сколь угодно долго одну из двоичных цифр, то есть представляет собой одну из возможных физических реализаций элемента памяти компьютера объемом в 1 бит. Чтобы обеспечить удобный способ записи и чтения, а также минимизировать количест- во необходимых для реализации схемы транзисторов, на практике в качестве бита памяти используются более совершенные схемы D-триггеров, для реализа- ции которых требуется только 6 транзисторов.

3.4.

<< | >>
Источник: Степанов А. Н.. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. 2007

Еще по теме Схема памяти на базовых вентилях:

  1. Базовые принципы соединения ума и тела
  2. Под ред. С. В. Симоновича. Информатика. Базовый курс. 2-е издание, 2004
  3. 1.1. Базовая информация
  4. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ЭТНОПСИХОЛОГИИ
  5. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПАМЯТИ
  6. ГЛАВА 2 Базовые законы
  7. 31. Функции и базовые характеристики социальных институтов
  8. Sшrvig Morten. Базовые алгоритмы Qt 4 (Qt 4's Generic Algorithms), 2000
  9. Гигиена памяти.
  10. укрепление памяти
  11. Базовый протокол устранения проблемы с BSFF
  12. ТЕОРИЯ ПАМЯТИ
  13. Навыки установления межличностных отношений являются базовыми
  14. V. 2. 5. Структура парциального хранилища памяти.
  15. Сила памяти
  16. В психологии различают четыре типа памяти.
  17. V. 2. МОДЕЛЬ ПАРЦИАЛЬНОГО ХРАНИЛИЩА ПАМЯТИ ЧЕЛОВЕКА
  18. следующие виды памяти
  19. СНОВИДЕНИЕ: СХЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ
  20. СХЕМА ЗДОРОВЬЯ