Файл: Потемкин, И. С. Построение функциональных узлов на потенциальных системах элементов учебное пособие.pdf

зультирующее уменьшение длительности синхросигнала не может быть более 1т на каскад. На временной диаграмме рис. 58,6 цифрами / и 2 помечены крайние возможные по­ ложения синхросигналов при минимально возможной их длительности. Величина интервала неопределенности времен­ ного положения сигнала определяется числом каскадов и в нашем случае равна 4т.

Если структура цифрового устройства такова, ,что допус­ кается обмен сигналами между любыми его функциональны­ ми узлами, то к временным параметрам любой пары синхро­ сигналов, полученных с любых тупиковых вершин, необходи­ мо предъявлять 2 требования:

1. Интервал времени между началом синхросигнала одной серии и началом синхросигнала другой серии должен быть не менее логической длительности полутакта. В противном случае к моменту приема информации в триггеры очередного яруса переходные процессы в «глубоких» КЛС не успеют за­ кончиться.

2.Синхросигналы различных серий (Ci и Сг), получаемые

слюбых тупиковых вершин, не должны перекрываться. В противном случае могут появиться сбои в схемах типа син­ хронных Т- и D-триггеров, сдвигателей и многих других.

Эти условия позволяют определить длительность полутак­ та синхронизации и самого синхросигнала. Как видно из рис. 58,6, КЛС окажется в наиболее тяжелом положении, если синхросигнал на ее входной триггер поступает с тупиковой вершины, имеющей максимальную задержку (4т), а триггер, подключенный к ее выходу, синхронизируется синхросигна­ лом с минимальной (нулевой) задержкой. Чтобы обеспечить работоспособность схемы в этом случае, длительность полу­ такта должна быть не менее логической длительности полу­ такта плюс 4т.

Минимальная длительность самого синхросигнала, сни­ маемого с любой тупиковой вершины, должна быть доста­ точной для срабатывания триггера (4т). Максимально воз­ можное сокращение длительности синхросигнала, проходят щего по дереву, в нашем случае, равно 4т, следовательно, минимальная длительность синхросигнала на выходе задаю­ щего генератора G должна быть 8т (в общем случае 4т плюс интервал неопределенности).

При изучении функциональных узлов мы обращали вни­ мание на то, что некоторые узлы экономичнее по оборудова­ нию в асинхронном варианте, чем в синхронном (например,

111

счетчики), но из-за возможности укорочения сигнала в трак­ те переноса на их вход нужно подавать сигналы длитель­ ностью большей, чем 4т. Стробирование Дш по входу также позволяет экономить оборудование, но также требует син­ хросигналов длительностью большей, чем 4т. Можно найти и другие примеры. Поэтому иногда целесообразно выбрать длительность синхросигнала не минимально, а максимально возможной. Ограничением здесь является требование отсут­ ствия перекрытия синхросигналов различных серий. Учиты­ вая возможность неблагоприятного сочетания задержек в де­ реве разводки синхросерий, получим, что максимальная дли­ тельность синхросигнала генератора равна длительности по­ лутакта, минус интервал неопределенности, т. е. она совпа­ дает с логической длительностью полутакта (см. рис. 58,6).

Наличие системы размножения синхросигналов заметно снижает тактовую частоту, выбранную согласно положениям параграфа 7-1. К логической длительности полутакта, рав­ ной для средних и быстрых 32 разрядных устройств (8-ь20)т, добавляется зона неопределенности длительностью 4т. Это увеличит длительность полутакта на 20—50% и соответст­ венно снизит скорость всего устройства.

С описанным явлением можно бороться двумя способами: «электрическим» и «логическим». Суть первого способа со­ стоит в том, что дерево размножения тактовых сигналов (или хотя бы «прикорневая» часть его) выполняется на более быстрых элементах, имеющих меньшее время задержки и со­ ответственно меньшую вариацию его. Это могут быть логи­ ческие элементы других систем, совместимых с данной по уровню сигналов, или нестандартные элементы, построенные с использованием высокочастотных транзисторов. Такое ре­ шение оправдано, так как число элементов дерева, и особен­ но его прикорневой части, составляет ничтожный процент от всех элементов устройства, а вносимое ими замедление весь­ ма ощутимо.

Логический метод борьбы заключается в ограничении свободы обмена сигналами между функциональными узла­ ми, принадлежащими различным кустам дерева разводки тактовых сигналов. Например, можно допустить свободный обмен сигналами лишь между элементами, находящимися внутри последних двухкаскадных кустов. Тогда можно уменьшить длительность тактовых сигналов G и соответст­ венно увеличить его частоту так, чтобы 2 указанных выше требования выполнялись лишь для двухкаскадного куста.

112

Очевидно, что такое увеличение частоты не уменьшит надеж­ ности обмена сигналами внутри куста.

Обмен сигналами между узлами, принадлежащими раз­ личным кустам, придется осуществлять через триггер. Узелисточник информации по своему синхросигналу записывает передаваемый сигнал в триггер (если сигналов много, то в регистр), а узел-приемник по своему синхросигналу подклю­ чается к выходу триггера и принимает переданный сигнал в следующем такте, или даже через такт, если число каскадов дерева велико. Конечно, обмен информацией будет идти в 2—3 раза медленней, чем непосредственный обмен на такто­ вой частоте. Однако дерево разводки тактов можно строить в соответствии с делением цифрового устройства на закон­ ченные блоки, и тогда, поскольку число обменных операций между блоками значительно меньше числа логических опера­ ций, совершаемых внутри блока, почти все операции устрой­ ства будут совершаться на повышенной тактовой частоте. Примером могут быть блоки умножения и памяти: на 3 опе­ рации обмена числами между блоками приходится п опера­ ций сложения внутри блока умножения. При «=32 это даст порядка сотни машинных тактов. При таком соотношении мы, безусловно, выиграем в суммарном времени, если, уве­ личив в 2—3. раза время обмена, повысим тактовую частоту множительного устройства.

Теперь можно оценить длительность периода синхрониза­ ции и длительность самих синхросигналов генератора циф­ рового устройства. Для устройств большого и среднего быст­ родействия логическая длительность полутакта равна (8-f-20)t. Зона неопределенности в зависимости от размеров устройства и принятого способа обмена между узлами, при­ надлежащими разным кустам дерева синхронизации, колеб­ лется в пределах (2-f-5)t. Тогда длительность полного перио­ да генератора сипхросерий в зависимости от указанных фак­ торов будет составлять (204-50) т, минимальная длительность синхросигналов генератора (6-т-9)т, максимальная длитель­ ность, совпадающая с логической длительностью полутак­ та,— (84-20) т.

7-3. Первичная обработка внешних сигналов

Источниками сигналов, поступающих на цифровое устрой­ ство извне, могут быть контакты тумблеров, кнопок, реле, сигналы электрических микромашин (сельсины, вращающие­

ся трансформаторы), импульсные сигналы различных элект­ ронных схем, сигналы других цифровых устройств. Характе­ ристики этих сигналов, как правило, отличаются от характе­ ристик сигналов, применяемых в данном цифровом устройст­ ве. Входной сигнал должен иметь полярность и амплитуду, которые соответствуют уровням сигналов элементов цифрово­ го устройства. Это требование очевидно как в смысле его постановки, так и в смысле его выполнения: нужно лишь ввести делители напряжения или соответствующие буферные усилители. Менее очевидными и более сложными для выпол­ нения являются требования к временным параметрам сигна­ лов. Рассмотрим в этой связи два основных вопроса, касаю­ щиеся длительности фронтов входных сигналов и влияния дребезга контактов.

Длительность фронтов сигналов. Многие внешние сигналы имеют фронты длительностью в десятки—сотни и более мик­ росекунд, что на несколько порядков больше времени пере­ ключения элементов и длительности тактового периода. Если такой сигнал поступает на вход двух или более элементов одного узла, то в случае, если эти элементы имеют различ­ ные передаточные характеристики (например, типа а и р , рис. 4), они сработают в разное время, может быть даже в различные такты, далеко отстоящие друг от друга. В резуль­ тате сигналы этих элементов могут быть восприняты цифро­ вым устройством как два совершенно различных и непонят­ ных сигнала, поскольку, как правило, разработчик функцио­ нальных узлов не рассчитывает на раздельную обработку двух «половинок» одного сигнала, поступающих в различ­ ные такты. Это почти наверняка приведет к сбою. Такую ситуацию мы уже рассматривали в разделе 1-8 «Гонки по входу» (см. рис. 9).

Часто положение не спасает даже тот факт, что сигнал прежде, чем начать ветвиться, проходит через 1-г-2 последо­ вательно включенных элемента. Правда, крутизна переда­ точной характеристики элемента на участке переключения довольно большая. Поэтому, если медленно (с точки зрения частотных возможностей самого элемента) изменять напря­ жение на входе элемента, выходной сигнал будет изменяться значительно быстрее. Отношение скоростей определяется коэффициентом усиления элемента и обычно лежит в преде­ лах 10-т-100. Для разработчика узлов существенно то, что эта величина не контролируется заводом-изготовителем эле­ ментов и соответственно не гарантируется какими-либо доку­

114

ностью в несколько сотен микросекунд, что очень много для цифровых устройств. В результате устройство по одиночному нажатию кнопки может несколько раз повторить существен­ но однократный процесс. Для исключения влияния дребезга контактов применяют схему рис. 60. Контакт, с которого по­ дается сигнал, должен быть перекидным. На общую точку резисторов г подается напряжение, соответствующее единич­ ному уровню. Если какой-либо вход /?5-триггера через кон­ такт подключить к уровню 0 напряжения (к «земле»), триг­ гер переключится в соответствующее состояние. На другом его входе в это время будет напряжение единичного уровня.

JoMHKym

-Разомкнут

Уровень,,-/" j

Рис. 60. Исключение влияния дребезга контактов

При срабатывании ключа во время пролета перекидного контакта триггер помнит свое прошлое состояние, так как на оба его входа через резисторы г поступает «единичный» уро­ вень напряжения. При первом же касании подвижным кон­ тактом противоположной позиции триггер переключается (его время срабатывания несоизмеримо меньше длительности всех механических процессов ключа). При отскоке контакта состояние триггера уже не изменится, так как на оба его входа через резисторы подается единичный уровень. В дан­ ной схеме с триггера можно снимать парафазный сигнал.

Если используемое электромеханическое устройство не имеет перекидного контакта, а имеет лишь контакт, работаю­ щий на замыкание, для защиты от дребезга придется проин­ тегрировать сигнал на ^С-цепочке с большой постоянной времени и затем сформировать на триггере согласно рис. 59.

7-4. Привязка входных сигналов к синхросерии

Входной сигнал, полученный от независимого внешнего ис­ точника, нельзя непосредственно использовать в синхронном устройстве. Входной-сигнал может поступить и в середине, и даже в конце действия тактирующего сигнала. В результате

116

функциональный узел, будучи рассчитан на срабатывание в течение действия полного тактового сигнала, не успеет пра­ вильно отреагировать на укороченный входной сигнал. Кро­ ме того, при ветвлении входного сигнала (пусть даже после прохождения нескольких элементов) часть последующих эле­ ментов может принять укороченный сигнал за 0, а другие — за 1. Все эти случаи приведут к ошибкам в срабатывании устройства. Кроме того, сигнал, одиночный с точки зрения внешнего устройства, должен стать одиночным и для функ­ циональных узлов цифрового устройства, т. е. должен длить­ ся всего 1 такт. Следовательно, внешний сигнал, поступив­ ший в произвольный момент времени и имеющий большую (с точки зрения цифрового устройства) длительность, нужно превратить в одиночный сигнал, который по времени появ­ ления и длительности совпадал бы с синхросигналом. Толь­ ко после этого внешний сигнал можно подавать на вход функционального узла.

Схема, осуществляющая привязку асинхронного входного сигнала к синхросерии, показана на рис. 61. На ее вход пос­ тупает сигнал внешнего источника, прошедший предвари­ тельную обработку, т. е. имеющий номинальные длительнос­ ти фронтов и не искаженный дребезгом контактов. Элементы 1 и 2 — это синхронизированные входные вентили триггера, собранного -на элементах 3 и 4. Когда входной сигнал равен О, сигналы синхросерии С2 проходят через элемент 2 и под­ держивают триггер 3, 4 в определенном состоянии, которое

вый шаг процесса привязки к синхросерии. Входной сигнал может появиться в самом конце действия С2. Выходной сиг­ нал элемента 1 может при этом получиться настолько ко­ ротким, что триггер 3, 4 от него не сработает (именно этот случай показан на временной диаграмме рис. 61 в интервале

фронт входного сигнала теперь уже короткий. Это и показа­ но на рис. 61.

Схема, воспринимающая сигналы с вентилей 1, 2 должна или запоминать факт появления входного сигнала по С2, или, если сигнал был настолько короткий, что эта схема переклю­

117

читься не успела, то она должна успеть вернуться обратно в исходное состояние до поступления сигнала Сь который уп­ равляет второй частью тракта привязки. Эта схема должна быть именно триггером, цепь положительной обратной связи которого не позволяет ему находиться сколько-нибудь дли­ тельное время в промежуточном состоянии между 0 и 1, даже если сигнал, появившийся на его входе, имеет промежуточ­ ные характеристики между номинальным 0 и номинальной 1.

Рис. 61. Схема привязки асинхронного входного сигнала к тактовой сетке

вход сигнал нулем или единицей. Тем самым исключается возможность появления гонок по входу во второй части схемы привязки, где сигнал начинает ветвиться.

Если нам не требуется получить именно один синхроим­ пульс в ответ на поступление входного сигнала, то к выходу элемента 3 триггера можно подключить элемент И—НЕ, на второй вход которого подать синхросерию С\ (элемент 9, рис. 61). На выходе элемента 9 будет присутствовать пачка привязанных к С\ сигналов все время, пока действует сигнал

118