Układ sekwencyjny - Polski Serwis Naukowy

Układ sekwencyjny jest jednym z rodzajów układów cyfrowych. Charakteryzuje się tym, że stan wyjść y zależy od stanu wejść x oraz od poprzedniego stanu, zwanego stanem wewnętrznym, pamiętanego w zespole rejestrów (pamięci).

Jeżeli stan wewnętrzny nie ulega zmianie pod wpływem podania różnych sygnałów X, to taki stan nazywa się stabilnym.

Rozróżnia się dwa rodzaje układów sekwencyjnych:

Licznik elektroniczny - układ cyfrowy, którego zadaniem jest zliczanie wystąpień sygnału zegarowego. Licznik złożony najczęściej z kilku przerzutników (patrz rysunek). Działanie licznika cyfrowego opiera się najczęściej na układzie dzielnika częstotliwości. Przerzutnik JK połączony jak na rysunku podaje na wyjście Q sygnał o częstotliwości będącej połową częstotliwości zegara. Następny przerzutnik również dzieli częstotliwość o połowę, itd. Bramki AND w układzie powodują, że przełączenie przerzutnika starszego bitu następuje tylko wtedy gdy wszystkie młodsze bity będą ustawione na ‘1’. Pokazany 4-bitowy licznik można z łatwością rozszerzyć o kolejne bity. Najczęściej rzeczywiste układy cyfrowe również posiadają wyjście (przepełnienia licznika) pozwalające na połączenie kilku liczników o małej ilości bitów w kaskadowy licznik wielobitowy. Oprócz tego rzeczywisty licznik posiada najczęściej wejście ‘reset’ kasujące obecny stan licznika (ustawiające wszystkie bity licznika na 0). Niektóre liczniki posiadają odpowiednie wejście na podstawie stanu którego licznik liczy albo w górę, albo w dół.

Hazard – niekorzystne zjawisko w układach cyfrowych, którego podłożem jest niezerowy czas propagacji (przenoszenia) sygnałów. Hazardem nazywamy błędne stany na wyjściach układów cyfrowych, powstające w stanach przejściowych (przełączania) w wyniku nieidealnych właściwości używanych elementów. Przyczyną są różnice w czasie dotarcia i wartości sygnału do określonego miejsca układu w zależności od drogi. Skutki zależą od układu. Przykładowo teoretycznie jednoczesna zmiana wejść dla bramki AND z (0,1) na (1,0) może w rzeczywistości skutkować pojawieniem się krótkich impulsów. W rzeczywistości bowiem zmiana dwóch wejść nigdy nie jest jednoczesna i albo dokona się w sekwencji (0,1) – (0,0) – (1,0): brak impulsu, albo (0,1) – (1,1): impuls – (1,0). Hazard może doprowadzić do chwilowego przekłamania pracy automatu lub do trwałego przekłamania.

asynchroniczne
synchroniczne

Opis układu sekwencyjnego

Układ sekwencyjny może być opisany za pomocą dwóch funkcji:

$Y = f(X, A)$ − wyjście zależy od stanu wewnętrznego i wejść
$Y = f(A)$ − wyjście zależy wyłącznie od stanu wewnętrznego

gdzie A to stan wewnętrzny, X i Y są zgodne z ilustracją. Pierwsza funkcja dotyczy tzw. automatu Mealy'ego, druga automatu Moore'a - oba automaty są sobie równoważne.

Zachowanie układu sekwencyjnego może być opisane następująco:

Układ kombinacyjny jest jednym z rodzajów układów cyfrowych. Charakteryzuje się tym, że stan wyjść zależy wyłącznie od stanu wejść; stan wyjść opisują funkcje boolowskie - w przeciwieństwie do układów sekwencyjnych, których stan wyjść zależy od stanu wejść oraz od poprzedniego stanu wyjść. W układach kombinacyjnych nie występuje sprzężenie zwrotne.

słownie;

przebieg czasowy - pokazujący zależności czasowe pomiędzy X i Y;

grafy przejść (ich wygląd zależy od rozpatrywanego automatu);

tablice przejść i wyjść.

Układy asynchroniczne

W układach asynchronicznych zmiana sygnałów wejściowych X natychmiast powoduje zmianę wyjść Y. W związku z tym układy te są szybkie, ale jednocześnie podatne na zjawisko hazardu i przerzutników, zmiana jednego z sygnałów może nastąpić [trochę] wcześniej niż innych, powodując trudne do wykrycia błędy. Dlatego też w analizie układów asynchronicznych uznaje się, że jednoczesna zmiana kilku sygnałów jest niemożliwa.

Układy synchroniczne

W układach synchronicznych zmiana stanu wewnętrznego następuje wyłącznie w określonych chwilach, które wyznacza sygnał zegarowy (ang. clock). Każdy układ synchroniczny posiada wejście zegarowe oznaczane zwyczajowo symbolami C, CLK lub CLOCK. Charakterystyczne dla układów synchronicznych, jest to, iż nawet gdy stan wejść się nie zmienia, to stan wewnętrzny - w kolejnych taktach zegara - może ulec zmianie.

Ponieważ w przypadku układu synchronicznego zrealizowanego jako automat Moore'a wyjście układu jest funkcją stanu wewnętrznego, może ono zmieniać się tylko w chwili nadejścia taktu, co daje gwarancję, że odpowiedni stan wyjść utrzyma się przez cały takt. W przypadku automatu Mealy'ego zmiana wyjścia układu może nastąpić także w momencie zmiany wejścia.

Jeśli układ reaguje na określony stan (logiczny) zegara, to mówi się że układ jest statyczny (wyzwalany poziomem), jeśli zaś układ reaguje na zmianę sygnału zegarowego jest dynamiczny (wyzwalany zboczem). Układ dynamiczny może być wyzwalany zboczem (ang. edge) opadającym lub narastającym, albo impulsem.

Jeśli układ synchroniczny nie ma wejść, a jedynie charakteryzuje go stan wewnętrzny, to taki układ nazywany jest autonomicznym (dobrym przykładem takich układów są liczniki stosowane w popularnych zegarkach elektronicznych).

Zobacz też