Salvat ja kiikut 1D C1 1D C1 S 1D C1 R 1T C1 1J C1 1K 1J S C1 R 1K HTOL Digitaalitekniikkan perusteet Luku 12 Sivu 1 (16) 1998-1999 Luentokalvoseloste 12.6.1998 Fe Salvat ja kiikut 1D C1 1D C1 S 1D C1 R 1T C1 1J C1 1K 1J C1 1K S R

Johdanto Tässä luvussa esitetään salpapiirit, jotka ovat yksinkertaisimpia sekvenssipiirejä esitetään kiikkupiirit, joita käytetään synkronisten sekvenssipiirien tilarekisterin toteuttamiseen käydään läpi eri kiikkutyypit sekä tulosignaalien tyypin että liipaisutavan mukaan jaoteltuina esitetään reunaliipaistavan kiikun ajoitukseen liittyvät parametrit esitetään salpojen ja kiikkujen piirrosmerkit ja toimintakaaviot selvitetään kiikkujen asynkronisten asetus- ja nollaustulojen toiminta ja käyttö Luvun tavoitteena on antaa peruskäsitys salpojen toiminnasta ja ominaisuuksista esittää kiikkujen toiminta ja ominaisuudet antaa valmius käyttää kiikkuja synkronisten sekvenssipiirien suunnittelussa

Salvat ja kiikut, yleistä Salvat (latch) ja kiikut (flip-flop) ovat yksinkertaisia sekvenssipiirejä, jotka pystyvät muistamaan niihin talletetun tilan (0 tai 1) salvan ja kiikun tila ja lähtösignaali voivat pysyä samoina, vaikka tulosignaalit muuttuvat vain tietty tulosignaalin muutos aiheuttaa tilan muutoksen, jolloin myös lähtösignaali muuttuu Salvat ovat hyvin yksinkertaisia peruspiirejä ei välttämättä kellotuloa lähtösignaalin muutos voi tapahtua heti tulosignaalin muututtua Kiikut ovat salpoja mutkikkaampia piirejä kiikussa on aina kellotulo, jonka tahdissa se muuttaa tilaansa muiden tulosignaalien muutoksilla ei ole suoraa vaikutusta kiikun tilaan lähtösignaali voi muuttua vain kellosignaalin muuttuessa Kiikkuja käytetään synkronisten sekvenssipiirien tilarekistereissä tallettamaan sekvenssipiirin tila LATCH FF

SR SR-salpa ? Esittele SR-salpa SR-salpa (S = Set, R = Reset) on yksinkertaisin sekvenssipiiri Se voidaan toteuttaa joko TAI-EI-porteilla (tulojen aktiivinen arvo = 1) tai JA-EI-porteilla (tulojen aktiivinen arvo = 0); tässä TAI-EI-toteutus SR-salpa asetetaan S-tulolla ja nollataan R-tulolla Tulosignaaliyhdistelmä S = R = 1 on kielletty SR S R Q Ei yleistä tarkennus- merkkiä Tarkennus- merkit kertovat tyypin Piirrosmerkki 1 Piirikaavio S R Q Toimintakaavio 1 Q R S Ei muutu Nollattu Asetettu Kielletty Tila Aikakaavio S R Q ? 1

Kellotulolla varustettu D-salpa Esittele D-salpa Kellotulolla varustettu D-salpa Poistaa tilanteen S = R = 1 asettamalla D = S = R (D = Delay) D & Piirikaavio D CLK Q 1 Q CLK 1D D Piirrosmerkki C1 Ohjausriippuvuus ? 2 Toimintakaavio 1 X Q Ei muutu Nollattu Asetettu CLK D Tila Aikakaavio D CLK Q

Kiikkutyypit D-salpa ei sovellu synkronisen sekvenssipiirin tilarekisterissä käytettäväksi, koska sen tila voi muuttua kellosignaalin aikana Tarvitaan piiri, joka muuttaa tilaansa vain kellosignaalin muutoshetkellä Kiikku on piiri, jolla on tällainen ominaisuus FF Kiikkutyypit liipaisutavan mukaan: reunaliipaistava kiikku (edge-triggered flip-flop, yleinen) vastakkaisreunoin liipaistava kiikku (data lock-out flip-flop, master-slave flip-flop, harvinainen) pulssilla liipaistava kiikku (pulse-triggered flip-flop, harvinainen) D JK T Kiikkutyypit tulon tai tulojen mukaan D-kiikku (yleisin) T-kiikku (ohjelmoitavissa logiikkaverkoissa yleinen) JK-kiikku (harvinainen)

Reuna- ja vastakkaisreunoin liipaistavat kiikut Näitä kiikkuja nimitetään myös dynaamisiksi kiikuiksi Kiikku muuttaa sisäistä tilaansa kellosignaalin muutoksen eli aktiivisen reunan jälkeen nousevalla reunalla (0  1) liipaistavat (positive-edge-triggered) kiikut (yleisin) laskevalla reunalla (1  0) liipaistavat (negative-edge-triggered) kiikut Tilanmuutos näkyy lähdössä reunaliipaistavassa kiikussa heti kellosignaalin aktiivisen reunan jälkeen (välitön lähtö) nykyään yleisessä käytössä olevat kiikut ovat reunaliipaistavia vastakkaisreunoin liipaistavassa kiikussa vasta kellosignaalin toisensuuntaisen muutoksen jälkeen (viivästetty lähtö) vastakkaisreunoin liipaistavia kiikkuja ei nykyään juuri käytetä

Nousevalla reunalla liipaistava D-kiikku Esittele D-kiikku Nousevalla reunalla liipaistava D-kiikku Yleisin kiikkutyyppi Kiikun seuraava tila on D-tulon arvo muutoshetkellä Tilan ja lähtösignaalin muutos tapahtuu, kun kellosignaali muuttuu 0  1 Dynaamisen tulon merkintä Q CLK 1D D Piirrosmerkki C1 Toimintakaavio D 1 Q(t+1) Tila Nollautuu Asettuu D ? 3 CLK D Q Aikakaavio

Nousevalla reunalla liipaistava T-kiikku Esittele T-kiikku Nousevalla reunalla liipaistava T-kiikku Tila joko vaihtuu tai ei muutu kellosignaalin nousevalla reunalla (T = Toggle) Käytetään erityisesti ohjelmoitavissa logiikkaverkoissa (kiikun voi ohjelmoida joko D:ksi tai T:ksi) Q CLK 1T T Piirrosmerkki C1 Toimintakaavio T Q(t+1) Tila 0 Q(t) Ei muutu 1 Q(t) Vaihtuu T ? 4 Aikakaavio CLK T Q

Nousevalla reunalla liipaistava JK-kiikku Esittele JK-kiikku Nousevalla reunalla liipaistava JK-kiikku Kaksi tulosignaalia: J ja K Hyvin monipuolinen toiminta Suunnittelussa työläs Yksinkertaistaa joskus toteutusta Toimintakaavio J K Q(t+1) Tila 0 0 Q(t) Ei muutu 0 1 0 Nollautuu 1 0 1 Asettuu 1 1 Q(t) Vaihtuu Q CLK 1J J Piirrosmerkki C1 1K K JK ? 5 Aikakaavio CLK J Q K

Reunaliipaistavan kiikun ajoitus Q CLK 1D D C1 Kiikun keskeiset ajoitusparametrit ovat varoajat: asettumisaika ja pitoaika etenemisviive Tulosignaalit eivät saa muuttua varoaikana Lähtösignaali muuttuu etenemisviiveen kuluttua kellosignaalin reunasta Nousevalla reunalla liipaistavan D-kiikun ajoitus: tsu Asettumisaika (setup time) Pitoaika (hold time) th tpd Etenemisviive (propagation delay) ? 6 CLK D Q Saa muuttua

Kiikun asynkroniset nollaus- ja asetustulot Käytetään kiikun alustamiseen (reset) kun sähkö kytketään laitteeseen (power-on reset) muulloin järjestelmän käynnistyessä (start-up reset) Käytännön piireissä toinen (yleensä nollaus) tai molemmat Yleensä nollana aktiivisia Voi olla yhteinen usealle samassa paketissa olevalle kiikulle Reunaliipaistava D-kiikku: Toimintakaavio S 1 R Q CLK X  D Kielletty Asetus Nollaus Toiminta kellon tahdissa ? 7 CLK C1 Q 1D D R S Piirrosmerkki

Yhteenveto Salvat ja kiikut ovat sekvenssipiirejä, jotka muistavat niihin talletetun tilan SR-salpa on yksinkertaisin sekvenssipiiri; se voidaan nollata R-tulolla ja asettaa S-tulolla Kellotulolla varustettu D-salpa ottaa D-tulon mukaisen tilan kellosignaalin arvon ollessa 1 ja säilyttää sen kellosignaalin arvon ollessa 0 Kiikku muuttaa tilaansa kellosignaalin aktiivisen reunan jälkeen ja säilyttää sen koko kellopulssin ajan Kiikku voi olla pulssilla liipaistava, reunaliipaistava tai vastakkaisreunoin liipaistava D-, T- tai JK-kiikku Kiikun keskeiset ajoitusparametrit on varoajat ja etenemisviive Yleisimmin käytetty kiikku on nousevalla reunalla liipaistava D-kiikku Kiikussa voi olla asynkroninen nollaus- tai asetustulo tai molemmat Kiikun piirrosmerkissä ei ole yleistunnusta, vaan tyyppi ja toiminta osoitetaan merkinnöillä Kiikun toiminta voidaan kuvata toimintakaaviolla