Speicherung digitaler Signale

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1 Speicherung digitaler Signale von Fabian K.

2 Grundlagen Flipflops Bisher: Schaltungen ohne Speichermöglichkeit Jetzt: Speichermöglichkeit durch Flipflops

3 Flipflops

4 Grundlagen Flipflops Was sind Flipflops? elementare Bauteile zum Speichern eines Eingangssignals können auch zum Taktteilen oder... zum synchronisieren asynchroner Eingangssignale genutzt werden entsteht durch Verschaltung von NAND und NOR- Gattern Auch Bistabile Kippstufe oder bistabiler Multivibrator unterschiedlich Komplex (siehe spätere Folien)

5 Grundlagen Flipflops Komplexität von Flipflops

6 Grundlagen Flipflops Latch vs. Flipflop Latch Flipflop Während des gesamten Highpegels transparent, d.h: Übernimmt Daten nur bei Taktflanke Übernimmt Daten solange Clock High-Pegel führt Wird durch stilisierten Pfeil am Clockeingang angedeutet

7 Grundlagen Flipflops Latch vs. Flipflop Daten: werden gesetzt steigende Taktflanke Latch: wird gesetzt Flipflop: wird gesetzt

8 Grundlagen Flipflops Latch vs. Flipflop Daten: werden gesetzt steigende Taktflanke Latch: wird gesetzt Flipflop: wird gesetzt Daten: sind gesetzt steigende Taktflanke Latch: wird gesetzt Flipflop: wird gesetzt

9 Grundlagen Flipflops Latch vs. Flipflop Daten: werden gesetzt steigende Taktflanke Latch: wird gesetzt Flipflop: wird gesetzt Daten: sind gesetzt steigende Taktflanke Latch: wird gesetzt Flipflop: wird gesetzt Daten: werden gesetzt Takt: ist High Latch: wird gesetzt Flipflop: bleibt gleich

10 Flipflops Anhand von RS- Flipflop Einfachstes Flipflop besteht aus zwei rückgekoppelten NAND oder NOR Gatter asynchron (taktunabhängig) Zwei Eingänge: Set und Reset Zwei Ausgänge: Q1 und Q2 hat verbotene (nicht definierte) Zustände

11 Flipflops RS- Flipflop mit NOR Gattern

12 Flipflops RS- Flipflop (NOR- Gatter) S R Q1 Q2 Erklärung 0 0 Qv Qv speichert vorherigen Wert reset set 1 1 n.d. n.d. nicht definiert

13 Flipflops Waveform für RS- Flipflop (NOR) (Auszug aus VHDL Simulationsdateien)

14 Einschub VHDL Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language Beschreibung von Hardware mittels Programmiersprache Gut geeignet um Hardware zu verifizieren (z.b. durch Simulation) 5. Semester TI: VHDL / Hardwareentwurf

15 Einschub VHDL Bedingung Zuweisungsoperator Signalnamen

16 Flipflops RS- Flipflop mit NAND Gattern

17 Flipflops RS- Flipflop (NAND- Gatter) S R Q1 Q2 Erklärung 0 0 n.d. n.d. nicht definiert setzt Speicherwert setzt Speicherwert Qv Qv speichert vorherigen Wert

18 Flipflops Einstufiges, taktzustandsgesteuertes RS- FF

19 Flipflops Komplexität von Flipflops

20 Flipflops Einstufiges, taktzustandsgesteuertes RS- FF besteht aus 4 rückgekoppelten NAND oder NOR Gatter Taktsynchron durch zusätzliche, vorgeschaltete Logik Drei Eingänge: Set, Reset und Clock Zwei Ausgänge: Q1 und Q2 hat verbotene (nicht definierte) Zustände

21 Flipflops Einstufiges, taktzustandsgesteuertes RS- FF C S R Q1 Q2 Erklärung Qv Qv Qv Qv Qv Qv speichert vorherigen Qv Qv Wert Qv Qv setzt Speicherwert setzt Speicherwert n.d. n.d. nicht definiert

22 Flipflops Waveform für RSC- FF (Auszug aus VHDL Simulationsdateien)

23 Flipflops JK- Flipflop

24 Flipflops JK- Flipflop besteht aus einfachem RS-FF (NOR) mit vorgeschalteter Logik Zwei Eingänge: Set und Reset Ein Ausgang: Q1 hat keine verbotenen Zustände toggelt (wechselt) Speicherwert

25 Flipflops JK- Flipflop J K Qv Q1 Erklärung speichert vorherigen Wert speichert vorherigen Wert speichert vorherigen Wert setzt Speicherwert setzt Speicherwert speichert vorherigen Wert Toggelt Speicherwert Toggelt Speicherwert

26 Flipflops Master-Slave RS- FF

27 Flipflops Master-Slave RS- FF besteht aus 2 in Reihe geschalteten RSC oder JK- Flipflops Taktflankengesteuert Drei Eingänge: Set, Reset und Clock Zwei Ausgänge: Q1 und Q2 verzögert Eingangssignal um halben Takt

28 Flipflops Komplexität von Flipflops

29 Flipflops 1. Schritt: S und R liegen am Eingang des ersten Flipflops an und schalten sobald Clock = 1 ist Funktionsweise: Das zweite Flipflop schaltet nicht, da der Clockeingang negiert (0) ist

30 Flipflops Funktionsweise: 2. Schritt: interne Signale liegen am Eingang des zweiten Flipflops an und schalten sobald Systemclock auf 0 wechselt. Durch den Negator liegt nun am zweiten Flipflop eine positive Taktflanke an. Die Ausgangssignale werden entsprechend der Eingänge gesetzt. Ausgangsignal ist zum Eingangsignal um einen halben Takt verzögert

31 Flipflops Waveform für Master-Slave FF (Auszug aus VHDL Simulationsdateien)

32 Flipflops D- Flipflop

33 Flipflops Komplexität von Flipflops 7474

34 Flipflops D- Flipflop Zwei Eingänge: Data, und Clock (können auch zusätzlich Set und Reset- Eingänge besitzen) Zwei Ausgänge: Q1 und Q2 besitzt keine unerlaubte Eingangskombination kann zum Frequenzteilen verwendet werden (z.b. 7474)

35 Flipflops D- Flipflop C D Q1 Q2 Erklärung 0 0 Qv Qv speichert vorherigen Wert 0 1 Qv Qv speichert vorherigen Wert reset set

36 Flipflops Waveform für D- Flipflop (Auszug aus VHDL Simulationsdateien)

37 Flipflops 7474 Flankengesteuertes D- FF Bisher: D- Latch, dass Daten übernimmt solange High-Pegel anliegt Jetzt: D- Flipflop, dass nur bei steigender Clockflanke Daten übernimmt

38 Flipflops 7474 Flankengesteuertes D- FF Kann verwendet werden um Takt zu halbieren (da flankengesteuert) Besitzt Daten, Clock, Set und Reset- Eingänge Set und Reset sind lowaktiv (aktiv wenn 0 anliegt) Wenn beide Eingänge aktiv sind, entscheidet Priorität d. Eingangs

39 Aufgabe Frage: Wie realisiert man einen 2:1 Taktteiler mit einem 7474 D- Flipflop?

40 Aufgabe Antwort:

41 Aufgabe Antwort: Durch anlegen des negierten Speicherwerts liegt zu jeder Taktflanke der negierte Speicherwert am Setzeingang an Ausgabewert ändert sich nach jedem vollen Taktzyklus

42 Übung Flipflop Realisieren Sie mit Hilfe des D-FF 7474 einen 4:1 Frequenzteiler

43 Übung Flipflop C * 1 / 2 * 1 / 2 = C / 4

44 Rückblick Kategorisierung nach Taktverhalten ( synchron / asynchron ) Latch vs. Flipflop RS- Flipflop RSC- Flipflop JK- Flipflop Master Slave Flipflop D- Flipflop IC 7474

45 Schieberegister

46 Register besteht aus seriell geschalteten Flipflops Nutzbar zum speichern von Daten... zum konvertieren zwischen parallel seriellen Daten... oder zum Manipulieren von seriellen/parallelen Daten ( shiften ) generieren von Pseudozufallszahlen (LFSR)

47 Register Ausgang Seriell Parallel Eingang Seriell Parallel

48 Register Seriell Seriell xxx0101xxx clock Q1 Q2 Q3 Q4 1 1 x x x x x x

49 Register Seriell Parallel xxx0101xxx Dient zum konvertieren von seriellen in parallele Signale

50 Register Parallel Seriell xxx0101xxx Besitzt Setzeingänge für die parallelen Eingangssignale z.b. um parallele Eingangssignale zu sequentialisieren erster D- Eingang kann Wert des 'neuen' Bits festlegen

51 Register Parallel Parallel Qa Qb Qc Qd Besitzt Setzeingänge für die parallelen Eingangssignale z.b. um parallele Eingangssignale zu shiften und wieder auszugeben erster D- Eingang kann Wert des 'neuen' Bits festlegen

52 Register Bit Shiftregister

53 Register Bit Shiftregister oftmals 2 Dateneingänge A und B. Einer dient als Enable Ein Clock Eingang Ein lowaktiver Reset- Eingang 8 parallele Ausgänge QA QH entsprechend der FF- Anzahl

54 Übung Aufgabe: Wenn folgendes Bitmuster in einem Register liegt soll eine LED dauerhaft angeschaltet werden: Hierfür stehen zur Verfügung: Basisgatter, Flipflop und IC t

55 Übung Lösung: t 16 Bit Zahl 2 Register (74164) benötigt

56 Übung Lösung: Clk t Neu Alt

57 Übung Lösung: Clk t... Qc Qf Qg Qh AND FF LED Qj Qk

58 Register Bit Shiftregister

59 Register Bit Shiftregister 4 Set Eingänge A - D für parallele Dateneingabe Ein Clock Eingang Ein lowaktiver Reset- Eingang 4 parallele Ausgänge Qa Qd SL/SR Eingänge für seriellen Datan Eingang (left/right) S0/S1 als Modusbits

60 Register Bit Shiftregister S0 S1 Aktion 0 0 idle 0 1 Shift left 1 0 Shift right 1 1 lade parallele Eingänge

61 zusätzliche Übungen Wodurch unterscheiden sich Latches und Flipflops? Nennen Sie ein asynchrones Flipflop: Entwerfen Sie ein 24 Bit Schieberegister mit Hilfe des IC 74164, welches bei der Kombination y0 = y1 = y4 = y17 = y23 = 1 ein dauerhaftes High-Signal ausgibt.

62 zusätzliche Übungen Wodurch unterscheiden sich Latches und Flipflops? Latches können sich während des Highpegels eines Clocks ändern, echte Flipflops nur bei einer steigenden/fallende Flanke. Nennen Sie ein asynchrones Flipflop: RS- Flipflop Entwerfen Sie ein 24 Bit Schieberegister mit Hilfe des IC 74164, welches bei der Kombination y0 = y1 = y4 = y17 = y23 = 1 ein dauerhaftes High-Signal ausgibt.

63 Quellen Script zur digitalen Schaltungstechnik (Wenzel) Script Digitaltechnik (Rabe) Dieses Präsentation ist ausschliesslich für den FH- internen Gebrauch zu verwenden.

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