Speicherung von Signalen - Flipflops, Zähler, Schieberegister

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1 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL Speicherung von Signalen - Flipflops, Zähler, Schieberegister S - Flipflop Sequentielle Schaltungen unterscheiden sich gegenüber den kombinatorischen in drei Merkmalen: 1. Schaltungstechnisch werden die Ausgänge der Schaltungen auf die Eingänge zurückgeführt. Man nennt das ückkopplung. 2. Der Zustand der Ausgänge ist nicht mehr, wie bei den kombinatorischen Schaltungen, nur vom Zustand der Eingänge abhängig. 3. Sequentielle Schaltungen können ein Gedächtnis haben. Deshalb werden sie als Speicher verwendet. Flipflop = Urspeicher Es kippt von einem Zustand in den anderen. Das einfachste Flipflop ist das S -FF. Die Abbildung zeigt sein Logiksymbol. S: Eingang Setzen S : Eingang ücksetzen : Ausgang : Ausgang Zustandstabelle und das Zeitdiagramm der Ein- und Ausgänge erklären das Verhalten des Flipflops. S L L Zustand gespeichert Zustand gespeichert H L H L L L Speichert speichert L H L H L L speichert speichert H L H L L L speichert speichert usw. usf. H H L L Dieser Zustand ist elektrisch zwar möglich, jedoch logisch wegen und nicht zugelassen S ücksetzimpuls t Elektronisch lassen sich FF mit diskreten Bauelementen, also mit Transistoren und Widerständen aufbauen. Das geht aber auch mit integrierten Bauelementen, mit NAND - oder mit NO - Gattern. Es gibt S - FF auch als Is. FlipFlops, Schieberegister 1/

2 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL S - FF mit NAND Gattern:. S Getaktetes S - Flipflop Ein entscheidender Parameter eines omputers ist seine Taktfrequenz. sie ist im Prinzip auch seine Arbeitsgeschwindigkeit. Wenn ein omputer getaktet arbeitet, dann gilt das bereits auch für die FFs, die in ihm massenhaft vorhanden sind. Sie gehören zu den Elementen eines omputers. Der Schritt vom S - FF zum getakteten S - FF ist nicht groß: S Das FF kann nur schalten kann, wenn der Taktimpuls, oder kurz der Takt, einen H - Pegel erreicht hat. Zustandsdiagramm: S t FlipFlops, Schieberegister 2/

3 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL S - FF sind sehr störanfällig gegen Abschaltung der Betriebsspannung, Störimpulse und zeitgleiche H - Belegung der beiden Eingänge. Durch den Taktimpuls mit sehr geringen Impulsdauern wird diese Störanfälligkeit stark herabgesetzt. Am wichtigsten aber ist, daß der Takt eine straffe Zeitplanung der Ablauforganisation ermöglicht. Im Symbol des getakteten S - Flipflops ist der - Eingang dargestellt und zusätzlich sein Taktverhalten durch ein T gekennzeichnet. S T JK Master - Slave - Flipflop Dieses Flipflop wird sehr häufig angewendet, u.a. zum Aufbau von Schieberegistern, Zählern und Teilern. Es besteht aus zwei aufeinanderfolgenden getakteten S - FFs. Das erste FF wird als Master, das zweite als Slave bezeichnet. Die Eingänge werden nicht S und, sondern J und K genannt. Wie ein getaktetes S - FF behält es den Zustand, in den es zuletzt gebracht wurde, so lange bei, bis die entgegengesetzt belegten Eingänge durch einen Taktimpuls das Schalten des FF bewirken. s s J a1 K a2 r r 1 c Die wesentliche Besonderheit des JK - Master - Slave Flipflops besteht darin, daß beim Erreichen des H - Zustand des Taktimpulses die Eingangsdaten zunächst vom Master übernommen werden und dann beim Übergang des Taktimpulses von H nach L die Daten in den Slave gelangen. Dadurch wird zwar die Datenspeicherung erst nach einer Taktimpulsbreite beendet, aber dieser zeitliche Verzug ist bei einigen Anwendungsfällen erwünscht. Im Symbol des JK - MS - FF sind die Eingänge entsprechend J TT seines Typs bezeichnet. Das es zwei Flipflops enthält, ist an dem TT in seinem Inneren erkennbar. Das folgende Zeitdiagramm zeigt sein Verhalten, also seine Wirkung nach außen. Beachten Sie, daß dieses Flipflop bei den ab- K fallenden Flanken des Taktimpulses schaltet. Das voran- FlipFlops, Schieberegister 3/

4 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL gegangene S - FF schaltet beim Erreichen des H - Pegels des Taktimpulses, also an der ansteigenden Flanke. Das folgende Bild zeigt einige Kenngrößen von Impulsen. High - Pegel Impulsdach abfallende Flanke aufsteigende Flanke Lowpegel Impulspause Impulsdauer Zeitdiagramm des JK - MS - Flipflops abfallende Taktflanke J wirkungslos K wirkungslos Zustand rückgesetzt gesetzt rückgesetzt gesetzt rückgesetzt Setzen und ücksetzen sind typische Bezeichnungen aus der Speichertechnik. Gemeint ist damit, daß der Speicherinhalt des Flipflops gespeichert ist. Ein Flipflop speichert aktuell immer nur den letzten an ihm verursachten Zustand. D - Flipflop Das D - FF hat neben dem Takteingang nur einen Dateneingang. Es schaltet immer dann, wenn der Pegel an D sich von L auf H oder umge- D T kehrt geändert hat und der Taktimpuls mit dieser Änderung zusammenfällt. Schaltungstechnisch wird das erreicht, indem S und des getakteten S -FF über ein NIHT - Glied miteinander verbunden werden. Dieses NIHT sichert die notwendige entgegengesetzte Belegung der beiden Eingänge, die ja zum Schalten des FF erforderlich ist. FlipFlops, Schieberegister 4/

5 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL D D 1 Was man noch mit NAND - Gattern machen kann! 1. Astabiler Multivibrator mit NAND - Gattern In vielen Fällen werden elektronische Generatoren benötigt, die Impulse erzeugen können. Die Frequenz der folgenden Schaltung wird durch die - Glieder bestimmt. f = 1/ (2,2 ) u a Werden die Widerstände und die Kondensatoren gleich groß gewählt, dann entstehen an beiden Ausgängen der Gatter rechteckförmige Spannungen, deren Impulsbreite und -pause gleich groß ist. Die Schaltung schwingt infolge von Umladevorgängen der Kondensatoren. 2. Entprellerschaltung Mechanische Schalter haben die unangenehme Eigenschaft zu prellen. Damit ist gemeint, daß die Schaltkontakte nach dem Schließen des Schalters nicht aufeinander ruhen, sondern für einen kurzen Zeitraum aufeinander springen. Dabei entstehen kurze nicht definierte Impulse, die die Schaltung zu ungewollten eaktionen veranlassen. Entprellerschaltung: Wenn der Schalter den Eingang S auf S Masse legt, dann schaltet so durch, daß sein Ausgang H annimmt. Dieses H Wird auf das untere Gatter zurückgekoppelt. Außerdem führt ja einen H - Pegel. (TTL- Technik reagiert auf offene Eingänge wie Auf H Damit ist der Ausgang des zweiten auf L - Pegel. Wird der Schalter auf gelegt so kehren sich die Vorgänge um. Binärzähler, Teiler FlipFlops, Schieberegister 5/

6 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL Binärzähler bestehen aus einer Anzahl von in eihe geschalteten Flipflops. In dieser eihe verzögern die Flipflops das "Durchschieben" der Flipflopinhalte von Stufe zu Stufe. Dabei wird die Impulsdauer der Ausgangsimpulse der einzelnen Flipflops vergrößert. Werden zu Beginn eines Zählvorgangs alle Flipflops auf Null gesetzt, was durch ücksetzen des Zählers möglich ist, so zeigen nach erfolgter Zählimpulseingabe die Parallelausgänge des Zählers ein Bitmuster an, nämlich die Dualzahl der eingegebenen Zählimpulse. Im folgenden wird als Beispiel eine asynchronen binären Vorwärtszählers beschrieben. Diese Zähler bestehen aus JK - MS - FF, deren JK - Eingänge zusammen- und auf H gelegt werden. Die Ausgangssignale der einzelnen Stufen werden auf die - Eingänge der folgenden Stufen gelegt. Dadurch reagieren die JK - MS - FF wie T - FF, sie schalten bei jedem einlaufenden Takt durch. Das erfolgt so, daß beim Anstieg des einlaufenden Zählimpulses von L nach H der Master im JK - MS - FF schaltet und bei der abfallenden Flanke von H nach L der Slave. Damit ist auch die Wirkungsweise des Zählers zu verstehen S TT S TT S TT S TT J J J J K K K K t FlipFlops, Schieberegister 6/

7 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL Asynchrone ückwärtszähler erhält man, wenn man die Schaltung so verändert, daß die negierten Ausgänge der Flipflops auf die Takteingänge der folgenden Stufen geschaltet werden. egister Ein egister ist eigentlich ein Verzeichnis oder eine Tabelle. In der EDV ist es eine kleine Speicheranordnung für eine nicht allzu große Anzahl von Bitstellen. egister dienen meist der kurzzeitigen Speicherung von Daten, können aber auch bestimmte Operationen wie Stellenverschiebung, Zählung, Serienparallel- oder Parallel- Serienwandlung von Binärwörtern realisieren. Parallelregister dienen der parallelen Informationsübernahme von Datenwörtern. Sie werden der vorgegebenen Wortbreite, etwa 8, 16, 32 Bit, angepaßt E S TT S TT S TT S TT J J J J 1 K K K K Wie aus der Schaltung zu ersehen ist, werden Schieberegister getaktet und ein NIHT-Glied im Eingang des egisters sichert die entgegengesetzte Belegung der Eingänge J und K, die für alle weiteren Stufen ebenfalls gegeben ist. Zu Beginn werden durch einen ücksetzimpuls alle Ausgänge der JK - MS - FF auf L, also auf Null gesetzt. Für das Lesen des Zeitdiagramms ist es wichtig im Auge zu behalten, daß jedes JK- MS - FF nur bei der abfallenden Flanke des Taktimpulses geschaltet wird. Wie im Zeitdiagramm zu sehen ist, wird bereits bei der 1. ansteigenden Taktflanke von l nach H das Eingangssignal H in den Master des ersten FF eingeschoben. Dieses H am Eingang verschiebt sich mit der abfallenden H - L - Flanke des 1. Taktimpulses in den Slave des 1. FF und liegt somit am Ausgang 1 an. Auch die anderen FF erhalten den Taktimpuls. Da ihre Eingänge auf L liegen, passiert nichts. In der Taktpause wird über das NIHT - Glied am Eingang des egisters ein H an den K - Eingang des ersten FF angelegt. Damit wird am Ende des 2. Taktimpulses wiederum bei der H - L- Flanke der Ausgang 1 auf L gesetzt. FlipFlops, Schieberegister 7/

8 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL E Der Ausgang 1 ist mit dem Eingang J2 direkt verbunden. Ebenso 1 und K. Das führt dazu, daß in den Master des 2. FFs während der L - H - Flanke des 2. Taktimpulses das H von 1 eingeladen wird. Mit der H - L - Flanke des 2. Taktimpulses geht 1 auf L und 2 auf H über. Das bedeutet, daß das Eingangssignal nach dem 2. Taktimpuls zwei Zellen des egisters durchlaufen hat. Beim 3. Taktimpuls liegt der Eingang des egisters wieder auf H. Nun laufen zwei Dinge zeitgleich ab. 1. Mit der abfallenden 3. Taktflanke befindet sich ein zweites H im egister, an 1 finden wir wieder den H - Pegel. 2. Das im 2. FF vorhandene H wurde mit der 3. H - L - Flanke in das 4. FF verschoben, wobei sich der voran beschriebene Vorgang lediglich wiederholt hat. Der 4. Taktimpuls bewirkt ebenfalls zwei eaktionen. 1. Das im 3. FF gespeicherte H wird nach dem bekannten Mechanismus in das 4. FF verschoben. 2. Aus dem Zeitdiagramm erkennt man, daß der Impuls an Eingang des egisters länger ist, als der Taktimpuls. Die Folge ist, daß die H - L - Flanke des 4. Taktimpulses nicht in der Lage ist, 1 auf L zu setzen. Die große Impulsdauer am Eingang des egisters erlaubt nicht, die zum Schalten eines JK - MS - FF notwendige Eingangsbelegung umzukehren. Infolge dessen verdoppelt sich die Impulsdauer des 2. eingelesenen Impulses. t FlipFlops, Schieberegister 8/

9 Lehrbehelf für Prozessregelung und echnerverbund, 3. Klasse HTL Mit jedem weiteren Taktimpuls setzt sich das "Durchschieben" der in das egister eingelaufenen Signale fort. Das zeigt auch die folgende Zustandstabelle. Taktimpuls L L L L 1 H L L L 2 L H L L 3 H L H L 4 H H L H 5 L H H L 6 L L H H 7 L L L H 8 L L L L 9 L L L L 10 H L L L 11 L H L L 12 L L H L 13 L L L H 14 L L L L Logiksymbol des Schieberegisters G E 1 2 : eset E: Eingang : Takt : Ausgänge Schieberegister können nicht nur zur kurzzeitigen Speicherung von Daten verwendet werden. 3 4 FlipFlops, Schieberegister 9/

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