Последната актуализация на този раздел е от 2019 година.

8. СИНХРОНИЗАЦИЯ

8.1 Схеми за селекция на логически импулси

Цифровите изчислителни и спомагателни устройства в болшинството случаи са проектирани на базата на синхронния метод за управление. Това означава, че в дъното на нещата, или ако можем да се изразим така – двигателят на нещата, първоизточникът на живота в цифровите системи, най-често е някаква тактуваща схема с постоянна честота. Резултатът от работата на тази схема е толкова важен, че той подчинява на себе си както самия процес на проектиране, така и дейности като автоматичен контрол на работещото устройство, оживяване и настройка на нов екземпляр, някои методики за цифрово измерване на параметри в устройството, както и за самите цели на управлението. Въпросът за синхронността в действията, протичащи в едно устройство, е особено актуален. Тук, в този пункт, ще бъде разгледана задачата за селекция (отделяне, изрязване) на единичен логически импулс от тактовата последователност, притежаващ абсолютната теоретична синхронност със съответното си копие, който е генериран в резултат на външен напълно асинхронен логически импулс. Преди обаче да представим схемното решение ще поясним разбиранията си за синхронност и асинхронност.

Фиг. 8.1.1. Синхронност и асинхронност

Рисунка а) на фигура 8.1.1 представя два логически импулса (ЛИ) с различна продължителност, които са синхронни (разбирай едновременни) по преден (нарастващ) фронт със съответни импулси от тактовата последователност (C). На същата фигура, рисунка б) представя два логически импулса с различна продължителност, които са синхронни по заден (спадащ) фронт със съответни импулси от тактовата последователност. За читателя не би представлявало затруднение да си представи импулси, които са синхронни и по двата фронта на импулси от тактовата последователност. В този смисъл синхронността следва да се разбира като съвпадение на събития (фронтове) във времето. По-нататък в този смисъл, на същата фигура, рисунка в) представя два логически импулса с различна продължителност, които са напълно асинхронни по отношение на тактовите, тъй като нито предните нито задните им фронтове имат някаква видима връзка със съответните фронтове на импулси от тактовата последователност. Обикновено външните за една автономна система събития имат този независим характер – не са известни моментите на тяхното възникване и изчезване, както и тяхната продължителност. Типичен пример е събитието натискане на бутона “Пуск” в един автомат. Неговото натискане, задържане и отпускане зависи от волята на потребителя.

Представената на фигура 8.1.2 логическа структура е синтезирана с разбирането, че нейното превключване ще започне след изчезване на външния асинхронен импулс Р, в което е вложена концепцията за завършеност на акта натискане на бутон “Пуск”. В смисъла на преди това направената интерпретация, устройството сработва едва след неговото отпускане. Същността на работата на схемата е в това, че в отговор на подадения й входен асинхронен импулс Р тя селектира на своя изход един логически импулс ЕЛИ, за който може да се каже, че е като “изрязан” от тактовата последователност С. Удовлетворени са още следните изисквания: селектирането да не зависи от продължителността на входния сигнал и схемата да възстановява сама изходното си състояние.

Структурата съдържа два тригера – първият е от тип Т, асинхронен, с динамично управление, превключващ се по заден фронт (Edge), вторият е от тип RS, асинхронен, превключващ се по ниво (Latch). Тя използва и двете фази на тактовата последователност С и not(C). Обратната връзка от изхода към входа е въведена за възстановяване на схемата.

В нормално (изходно) състояние, когато отсъства входен сигнал, двата тригера са нулирани (Q_T=Q_RS=0) и логическите схеми И2 и И3 са “затворени”. Когато се появи входен импулс Р, той преминава през схемата ИЛИ1 и попада на входа на Т-тригера. Последният се превключва при изчезването му, т.е. по задния фронт. Появилата се единица на изхода Q_T отваря схемата И2. Независимо в кой момент се е отворила тя по отношение на импулсите в серията not(C), първият единичен импулс, излязъл на нейния изход, преобръща с нарастващия си фронт следващия RS-тригер в състояние единица (Q_RS=1). Така този тригер отваря следващата схема И3, през която трябва да премине импулс от серията С. Характерно е, че това става предварително, в момент, когато С=0. Появилият се в последствие импулс от серията С преминава през отворената вече схема И3 на изход в качеството си на ЕЛИ. В същото време, по обратната връзка, този импулс постъпва на входа на Т-тригера, който се преобръща по задния му фронт отново в нулево състояние. С това състояние на правия си изход той затваря схемата И2 и едновременно с инверсния си изход нулира RS-тригерът, който пък запушва схемата И3. Тези превключвания са лавинообразни и когато завършат, структурата се оказва в стабилното изходно състояние, в което очаква нова поява на импулс по входа Р, като при това е нечувствителна на импулсите от сериите С и not(C).

Фиг. 8.1.2. Логическа структура на ЕЛИ-селектора

Описаните превключвания са изобразени на времедиаграмата от фигура 8.1.3, на която са показани два случая:

· Задният фронт на входния импулс се явява по време на сигнала not(C)=1. Импулсът е с продължителност по-голяма от периода на тактовата последователност.

· Задният фронт на входния импулс се явява по време на сигнала С=1. Импулсът е с продължителност по-малка от периода на тактовата последователност.

За надеждна работа на схемата следва да са изпълнени две условия – на първо място импулсът Р не бива да бъде с продължителност по-малка от необходимата за превключване на Т-тригера и на второ място, два входни импулса не бива да следват един след друг за време по-малко от периода на тактовата последователност. Изискванията са следствие от идеологията на самата структура – не може с много бързо въздействие да се задейства едно бавно устройство, както и не може да се иска селектиране на импулси по-начесто, отколкото те следват в тактовата серия.

Фиг. 8.1.3. Времедиаграма на селектиране

На фигура 8.1.4 е показан един възможен вариант на принципната логическа схема на селектора, изпълнен с логически елементи в инверсна логика И-НЕ, който използува само една от фазите на тактовата последователност.

Фиг. 8.1.4. Принципна логическа схема на селектора

Получената логическа схема може да бъде оптимизирана, ако се отслаби изискването относно продължителността на входния стартиращ импулс така, че входният тригер да бъде с по-проста структура, вместо тази от тип Edge. За да е възможно това, продължителността (t_p) на импулса Р следва да удовлетворява неравенството

където: с буква Т е означен периодът на тактовата последователност С,

а с (t_c) – продължителността на единичния импулс в последователността С.

Това неравенство осигурява на конюнкцията

възможността да пропусне поне един цял импулс от серията not(C) при произволна асинхронност на импулса Р. Поради това, че структурата на схемата загуби елемента с динамично управление, тя сработва по ниво и селектира първия единичен импулс от тактовата последователност С, който се вписва изцяло в импулса Р след неговия преден фронт. Оптимизирането се изразява в намаления брой логически елементи. По сравнение с някои известни решения, както и в сравнение със схемата от фигура 8.1.4, съкращението на логическите елементи е на 25%. Окончателна схема, която е получена след прилагане на тази идея, е представена на фигура 8.1.5.

Фиг. 8.1.5. Оптимизиран вариант на логическата схема на селектора

На фигура 8.1.6 е представена времедиаграмата за селектиране на ЕЛИ от оптимизираната схема на селектора. В нея са изобразени три опита за селекция, единият от които не е успешен. Подаваните асинхронни стартиращи импулси Р са с различна продължителност, която когато не удовлетворява въведеното ограничение чрез по-горе записаното неравенство, води до неуспех, т.е. на изхода на схемата не се явява логически импулс. Такъв е вторият от случаите, показани на времедиаграмата.

Искаме да разкрием още една възможност на логическата схема от фигура 8.1.2, която се изразява във възможността да не бъде осъществена обратната връзка от изхода на елемент И3 към вход на елемент ИЛИ1. При липса на тази връзка няма да се разпространи възстановяващ схемата импулс като по този начин елементът И3 ще остане “отворен” и на неговия изход ще продължават да излизат до безкрайност импулсите от тактовата последователност С. В този смисъл, такава модификация на схемата може да се разглежда като генератор на тактови импулси, синхронни с изначалната тактова последователност, генерирани в старт-стопен режим. Идеята може да бъде реализирана във всяка от модификациите на селектора.

Фиг. 8.1.6. Времедиаграма на селектиране

Често се налага да се изследва реакцията на схеми, когато им се подава точно определен брой импулси. С помощта на структурата от фигура 8.1.1 може да бъде построена логическа структура на селектор за повече от един импулс, т.е. на пакет от последователни и цели логически импулси (ПЛИ), “изрязан” от тактовата последователност С. За целта трябва да се решат две задачи – трябва да се определи моментът за начало на пакета и моментът за край на пакета. Пакетът следва да се появи в отговор на подаден асинхронен стартиращ импулс Р, а краят му е най-добре да бъде сложен автоматично от самата схема, след поява и на последния импулс в пакета. Освен това схемата следва да гарантира предварително зададен брой последователни логически импулси от тактовата последователност в пакета. Логическата структура на такъв селектор е показана на фигура 8.1.7.

Фиг. 8.1.7. Логическа структура на ПЛИ-селектора

Както се вижда, в структурата на селектора от фигура 8.1.1 е добавен един n-разряден двоичен брояч CT, който се превключва по предния фронт на входните импулси. Предназначен е да преброява селектираните на изхода на елемента И3 импулси. Към неговите изходи е подключен един непълен дешифратор – елемент И4, който разпознава последната комбинация:

(CT) = (11…111) = (2ⁿ-1)

в брояча. Дешифраторът И4 допълнително е стробиран от последователността not(C), което означава, че ресетиращият структурата импулс, ще се появи на изхода му, когато излезе и последният в пакета импулс. Броят на селектираните в този случай импулси е равен на модула на брояча (2ⁿ). Превключването на схемата е показано чрез времедиаграмата на фигура 8.1.8.

Фиг. 8.1.8. Времедиаграма на ПЛИ-селектора

В случай, че се налага броят на селектираните импулси да бъде друг или произволно променян, то броячът следва да бъде програмируем, дешифраторът да бъде пълен и адаптируем спрямо желания брой импулси в селектирания ПЛИ. Това естествено значително ще усложни структурата на селектора и тази задача няма да бъде разглеждана тук. Построяването на времедиаграмата, както и на принципната логическа схема оставяме като задача на читателя. Вариант на разгледания селектор е случай, в който краят на пакета от последователни импулси се определя не от техния брой, а от втори, асинхронен и външен за схемата сигнал. Разработването на логическата схема на този вариант също оставяме на читателя.

Не представлява трудност схемите за селекция да бъдат разглеждани и модифицирани за работа в условията на двуфазно тактуване с непокриващи се тактови последователности С1 и С2, когато (С1ÇС2=0).

Следващият раздел е:

8.2 Състезания между логическите сигнали