Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

которых равен 2п, и счетчики, модуль пересчета которых не равен 2” (где п — раздрядность счетчика). Послед­ ние называются счетчиками по модулю М (где М — чис­ ло, некратное степени двойки).

По направлению переходов счетчики принято подраз­ делять на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

По способу построения цепей сигналов переноса раз­ личают счетчики с последовательным, со сквозным, груп­ повым и частично групповым переносами.

По способу организации счета счетчики подразделяют на синхронные и асинхронные.

Особую группу счетчиков составляют счетчики, рабо­ тающие по принципу циклического сдвигающего регист­ ра (так называемые «кодовые кольца»).

При рассмотрении различных вариантов построения схем счетчиков на триггерах типа Т, D и JK с целью уп-

б)

Рис. 3-61. Асинхронный двоичный счетчик с последователь­ ным переносом

а — функциональная схем а; б — временнйя диаграмма.

206

рощеиия их начертания мы будем опускать служебные шины Установка 1 (входы 5-триггеров) и Установка О (входы /^-триггеров) там, где их наличие не является принципиально необходимым. Будем считать, что началь­ ное состояние анализируемых схем счетчиков нулевое, кроме тех случаев, которые оговариваются особо.

Анализ схем счетчиков удобно начать с рассмотре­ ния двух возможных способов организации счета — син­ хронного и асинхронного. На рис. 3-61 показаны схема асинхронного четырехразрядного двоичного суммирую­ щего счетчика и временная диаграмма его работы. Таб­ лица 3-28 показывает состояния, в которых находятся триггеры счетчика после воздействия серии входных си­ гналов Хсч.

Здесь на входы / и /(-триггеров подаются уровни 1. Выход каждого предыдущего триггера Qn-\ заводится на вход синхронизации Сп каждого последующего тригге­ ра. Каждый //(-триггер в счетчике выполняет функцию асинхронного триггера со счетным входом, а сам счетчик представляет собой классическую структуру счетчика с последовательным переносом.

207

Основной отличительной особенностью асинхронного счетчика является зависимость длительности переходно­ го процесса в счетчике от его разрядности, что, естест­ венно, накладывает определенные ограничения на вели­ чину максимальной частоты поступления входных сигналов Хсч. С ростом разрядности счетчика необхо­ димо понижать частоту его работы с тем, чтобы избе­ жать искажения информации при счете. Так как каж­ дый //(-триггер обладает конечной величиной времени задержки сигнала, то с ростом разрядности счетчика п будет возрастать величина задержки поступления си­ гнала на вход С некоторого /-го разряда относительно времени поступления входного сигнала Хсч на вход С младшего разряда счетчика. Из временной диаграммы видно, что такая задержка может привести к искажению информации в счетчике (моменты времени 4 и 8 отмече­ ны пунктиром). Работа такого счетчика на дешифрирую­ щие схемы затруднительна, так как во избежание лож­ ного срабатывания дешифратора управляющий сигнал Дешифрация должен отстоять по времени от момента поступления очередного входного считываемого сигнала Хсч на время, равное (или большее) максимальному времени переходного процесса для всего счетчика.

Обычно счетчик имеет цепь установки в нулевое со­ стояние (сброс триггеров в нуль). Однако начальное со­ стояние счетчика не обязательно нулевое. Начальное со­ стояние может устанавливаться передачей в счетчик кода некоторого числа и с него уже начинаться опера­ ция счета единиц. Такой режим работы счетчика не­ обходим, например, при образовании последовательнос­ ти адресов команд при заданном исходном адресе.

В двоичном счетчике единичный входной сигнал из­ меняет состояние триггера младшего разряда счетчика на противоположное (т. е. реализуется сложение по мо­ дулю два в этом разряде). В последующих разрядах аналогичное действие производит сигнал переноса.

На рис. 3-62 показана функциональная схема син­ хронного двоичного счетчика со сквозным переносом на •Г-триггерах. Здесь входной сигнал Хсч подается одно­ временно на входы С всех разрядов счетчика. Переклю­ чение каждого /-го Г-триггера возможно в том случае, если на его информационном входе Т, присутствует сиг­ нал 1. Если Ті = 0, то /-й триггер находится в режиме запоминания. Так как на вход младшего разряда счет­

208

чика подана константа 1, то он работает как асинхрон­ ный триггер со счетным входом, т. е. изменяет свое со­ стояние на противоположное под воздействием каждого сигнала Хсч. Изменение состояний старших разрядов счетчика возможно только в том случае, если все пред­ шествующие триггеры младших разрядов находятся в состоянии 1.

Длительность переходного процесса в таком счетчике зависит от разрядности счетчика в меньшей степени, чем

Рис. 3-62. Синхронный двоичный счетчик со сквозным переносом на Г-триггерах.

у счетчика с последовательными переносами, и опреде­ ляется временем задержки сигнала на клапанах И в це­ пях сквозного переноса. Если система интегральных эле­ ментов не содержит клапанов И с активным выходом, то в цепь переноса устанавливаются клапаны И—НЕ с последовательно включенным инвертором.

В счетчиках со сквозным переносом из-за разброса длительностей переходных процессов в триггерах воз­ можно возникновение «состязаний» («гонок»), когда сиг­ нал переноса, распространяясь по параллельным цепям (через триггеры и через клапаны И), вызывает появле­ ние ложных сигналов на выходах триггеров Qf.

Если в системе элементов есть многовходовые JK- триггеры, то лучше применять счетчики с групповыми переносами вместо счетчиков со сквозным переносом. Быстродействие счетчиков при этом резко возрастает.

На рис. 3-63 изображена функциональная схема счет­ чика с параллельным переносом. Отличительной особен­ ностью данной схемы является то, что выходы всех пред­ шествующих Qj-k разрядов подаются на информацион­ ные входы / и К /-го триггера. Длительность переходного процесса в таком счетчике равна длительности пере-

ключения одного разряда. Из схемы видно, что с воз­ растанием порядкового номера триггера увеличивается число входов в клапаны И //(-триггеров. А так как чис­ ло входов / и К в любой реальной схеме элементов ко­ нечно, а нагрузочная способность выходов триггеров ог­ раничена, то и разрядность счетчика с параллельным пе­ реносом невелика и равна обычно четырем. Поэтому при

а )

1 Z 3 ¥ 5 6 7 8 3

dz

6)

Рис. 3-63. Синхронный двоичный счетчик с параллельным

переносом.

а — функциональная схема;б— временная диаграмма.

числе разрядов счетчика, большем максимального числа входов / и К, счетчик разбивают на группы и внутри каждой группы строят цепи параллельного переноса. Перенос между группами реализуется методом сквозного переноса. Такой способ образования сигналов переноса называется групповым. Счетчики с параллельными и групповыми переносами являются наиболее быстродей­ ствующими.

Практические схемы таких счетчиков содержат кла­ паны, разрывающие цепи переноса под действием сигна­ ла Установка 0. Наличие этих клапанов в схеме счетчи­

210

ка вызвано тем обстоятельством, что при подаче сигнала Установка 0 на выходах триггеров появляются импульсы переноса.

На рис. 3-64 показан один из возможных способов приема информации в счетчик параллельным кодом на асинхронные установочные входы S и R. Здесь воздейст­

дания начального состояния счетчика, отличного от со­ стояния «все нули». Реверсивным данный счетчик явля­ ется потому, что в цепях межразрядных связей возможно осуществление передачи либо сигнала переноса с прямых выходов триггеров Q j , либо сигнала заема с инверсных

выходов Q j . Выбор знака операции. Счет определяется значениями сигналов на управляющих шинах Вычитание и Суммирование. Для приема информации используются асинхронные установочные входы S j . Подача сигнала 5 3- стробируется за пределами схемы счетчика. При этом необходимо, чтобы во время действия установочного сиг­ нала 5 на входах //(-триггеров присутствовали нулевые потенциалы с тем, чтобы исключить ложные входные сиг­ налы, вызванные переходными процессами в триггерах. Временная диаграмма (рис. 3-65,6) отображает работу счетчика в режиме вычитания из предварительно запи­ санного двоичного числа 101.

Для многих устройств ЦВМ необходимы счетчики с модулем пересчета, отличным от степени двух, например равным десяти. Такие счетчики получают, вводя в схему двоичных счетчиков обратные связи, управляющие пе­ реходом счетчика из состояния 1001 в состояние 0000. На рис. 3-66 показаны схемы асинхронного и синхронно­ го десятичных счетчиков на //(-триггерах. Процесс их работы иллюстрируется табл. 3-29.