Flipflops. asynchron: Q t Q t+t
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- Gabriel Jörg Gerhardt
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1 Flipflops Ein Flipflop ist ein elementares Schaltwerk, das jeweils einen von zwei Zuständen ( 0 und 1 ) annimmt. Es hat zwei komplementäre Ausgänge ( Q und Q ), die den internen Zustand anzeigen. (Falls der negierte Ausgang Q nicht verwendet wird, wird er im Schaltsymbol nicht eingezeichnet.) Durch die Eingänge wird der interne Zustand des Flipflops verändert. Asynchrone Flipflops Asynchrone Flipflops haben zwei Eingänge, einen Setze-Eingang (S) und einen Rücksetze-Eingang (R), mit denen das Flipflop gesetzt (Q = 1) und rückgesetzt (Q = 0) werden kann. Die internen Schaltelemente (Gatter) benötigen zum Schalten eine gewisse Zeit. Nach dem Änderung eines Eingangswertes dauert es eine gewisse Verzögerungszeit t, bis der zugehörige Zustand am Ausgang erscheint. Bei der Beschreibung eines asynchronen Flipflops gibt man die Eingangswerte und den Zustand zum Zeitpunkt t sowie den Zustand nach dem Schalten der Gatter zum Zeitpunkt t+t an. asynchron: Q t Q t+t Synchrone Flipflops Synchrone Flipflops haben einen Eingang (Daten-Eingang) oder zwei Eingänge (Setze- und Rücksetze-Eingang), mit denen der Zustand des Flipflops verändert werden kann, und einen Takteingang (c), der die Änderung des Zustands auslöst. Je nachdem, wie die Zustandsänderung ausgelöst wird, unterscheidet man zwischen zustandsgetakteten und flankengetakteten Flipflops. zustandgetaktet Der Wert 1 (oder der Wert 0) des Taktsignals aktiviert die Flipflop-Eingänge. flankengetaktet Die ansteigende Vorderflanke (oder die abfallende Rückflanke) des Taktsignals aktiviert die Flipflop-Eingänge. Die internen Schaltelemente (Gatter) benötigen zum Schalten eine gewisse Zeit. Nach der Aktivierung der Eingänge durch das Taktsignal dauert es zwar eine gewisse Zeit, bis der zugehörige Zustand am Ausgang erscheint. Da das Flipflop erst zum nächsten durch das Taktsignal definierten Zeitpunkt betrachtet wird, wird die Verzögerungszeit sofern sie kleiner als der durch das Taktsignal definierte Zeitabschnitt ist nicht weiter beachtet. Der Einfachheit halber werden die internen Schaltelemente (Gatter) als verzögerungsfrei angesehen. Bei der Beschreibung eines synchronen Flipflops gibt man die Eingangswerte und den Zustand zu einem durch das Taktsignal definierten Zeitpunkt t sowie den Zustand zum nächsten durch das Taktsignal definierten Zeitpunkt t+1 an.
2 synchron: Q t Q t+1
3 SR - Flipflop Schaltung en Lesen/Speichern bzw. Halten: Die Zustandsvariable Q wird nicht verändert. Setzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 1 gesetzt. Rücksetzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 0 gesetzt. S t R t Q t+t 0 0 Q t Halten Rücksetzen Setzen 1 1 verboten Funktionstabelle Langform Kurzform S t R t Q t Q t+t S t R t Q t Q t+t Halten Halten Rücksetzen Rücksetzen Setzen Setzen verboten verboten Halten Halten Rücksetzen Setzen 1 1 verboten
4 Form: Zustandübergangsstabelle bzw. Automatentabelle Zustand: Eingabe: S t R t Q t Q t+t = (R t, S t, Q t ) Speicherfunktion Q t+t = S t v (R t & Q t ) Ansteuertabelle Form: Funktionstabelle S t R t Q t Q t+t Form: Zuordnungstabelle Q t Q t+t S t R t Schaltsymbol Ablaufgraph bzw. Automatengraph
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6 SR - Flipflop / Latch Schaltung Flipflop- Lesen/Speichern bzw. Halten: Die Zustandsvariable Q wird nicht verändert. Setzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 1 gesetzt. Rücksetzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 0 gesetzt. S t R t Q t+t 0 0 Q t Halten Rücksetzen Setzen 1 1 verboten Latch- Durchlassen: Q = S Auffangen: Q = S v Q
7 R t Q t+t 1 S t Durchlassen 0 S t v Q t Auffangen
8 NOR - Flipflop Schaltung en Lesen/Speichern bzw. Halten: Die Zustandsvariable Q wird nicht verändert. Setzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 1 gesetzt. Rücksetzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 0 gesetzt. S t R t Q t+t 0 0 Q t Halten Rücksetzen Setzen 1 1 verboten Die Eingänge der technischen Schaltung werden als active high - Eingänge bezeichnet, da ein Eingangssignal mit hoher Spannung die dem jeweiligen Eingang zugeordnete Funktion (Setzen / Rücksetzen) auslöst. Speicherfunktion Q t+t = R t v (S t v Q t )
9 NAND - Flipflop Schaltung en Lesen/Speichern bzw. Halten: Die Zustandsvariable Q wird nicht verändert. Setzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 1 gesetzt. Rücksetzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 0 gesetzt. S t R t Q t+t 1 1 Q t Halten Rücksetzen Setzen 0 0 verboten Die Eingänge der technischen Schaltung werden als active low - Eingänge bezeichnet, da ein Eingangssignal mit niedriger Spannung die dem jeweiligen Eingang zugeordnete Funktion (Setzen / Rücksetzen) auslöst. Speicherfunktion Q t+t = S t & (R t & Q t )
10 SR-Flipflop Schaltung 1-zustandgetaktetes SR-Flipflop Schaltsymbole 1-zustandgetaktet 0-zustandgetaktet Beschreibung Die Beschreibung entspricht der des asynchronen SR-Flipflops. Der Takteingang ist in den Tabellen und Formeln nicht enthalten. Achtung: statt Q t+t heißt es hier Q t+1!
11 D-Flipflop Schaltung 1-zustandgetaktetes D-Flipflop Vereinfachte Schaltung en Setzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 1 gesetzt. Rücksetzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 0 gesetzt. D t Q t Rücksetzen 1 1 Setzen Funktionstabelle Langform Kurzform D t Q t Q t+1 D t Q t Q t+1
12 0 0 0 Rücksetzen Rücksetzen Setzen Setzen 0 0 Rücksetzen 1 1 Setzen Form: Zustandübergangsstabelle bzw. Automatentabelle Zustand: Eingabe: D t Q t Q t+1 = (D t, Q t ) Speicherfunktion Q t+1 = D t Ansteuertabelle Form: Funktionstabelle D t Q t Q t Form: Zuordnungstabelle Q t Q t+1 D t Schaltsymbole 1-zustandgetaktet 0-zustandgetaktet Ablaufgraph bzw. Automatengraph
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14 D-Flipflop Schaltung vorderflankengetaktetes D-Flipflop Schaltsymbole vorderflankengetaktet (01) rückflankengetaktet (10) Beschreibung Die Beschreibung entspricht der des statisch getakteten D-Flipflops.
15 SR - Master - Slave - Flipflop Schaltung zustandgetaktetes SR-Master-Slave-Flipflop Der neue Zustand erscheint am Ausgang mit der fallenden Flanke des Taktsignals. Schaltung mit Schaltsymbolen flankengetaktetes SR-Master-Slave-Flipflop Die beiden internen Flipflops werden mit den unterschiedlichen Flanken desselben Taktsignals angesteuert. Das ist eine besonders betriebssichere Anordnung zur Speicherung eines Bits.
16 JK-Flipflop Schaltung 1-zustandgetaktetes JK-Master-Slave-Flipflop en Lesen/Speichern bzw. Halten: Die Zustandsvariable Q wird nicht verändert. Setzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 1 gesetzt. Rücksetzen: Die Zustandsvariable Q wird auf 0 gesetzt. Wechseln: Die Zustandsvariable Q wird auf Q gesetzt. J t K t Q t Q t Halten Rücksetzen Setzen 1 1 Q t Wechseln Funktionstabelle Langform Kurzform J t K t Q t Q t+1 J t K t Q t Q t Halten Halten Rücksetzen Rücksetzen Setzen Setzen Halten Halten Rücksetzen Setzen Wechseln Wechseln
17 Wechseln Wechseln Form: Zustandübergangsstabelle bzw. Automatentabelle Zustand: Eingabe: J t K t Q t Q t+1 = (J t, K t, Q t ) Speicherfunktion Q t+1 = (J t & Q t ) v (K t & Q t ) Ansteuertabelle Form: Funktionstabelle J t K t Q t Q t Form: Zuordnungstabelle Q t Q t+1 J t K t Schaltsymbole zustandsgetaktet (1) zustandsgetaktet (0) vorderflankengetaktet (01) rückflankengetaktet (10)
18 Ablaufgraph bzw. Automatengraph
19 T-Flipflop Schaltung 1-zustandgetaktetes T-Master-Slave-Flipflop en Lesen/Speichern bzw. Halten: Die Zustandsvariable Q wird nicht verändert. Wechseln: Die Zustandsvariable Q wird auf Q gesetzt. T t Q t+1 0 Q t Halten 1 Q t Wechseln Funktionstabelle T t Q t Q t Halten Halten Wechseln Wechseln Form: Zustandübergangsstabelle bzw. Automatentabelle Zustand: Eingabe: T t Q t Q t+1 = (T t, Q t )
20 Speicherfunktion Q t+1 = (T t & Q t ) v (T t & Q t ) Ansteuertabelle Form: Funktionstabelle T t Q t Q t Form: Zuordnungstabelle Q t Q t+1 T t Schaltsymbole 1-zustandgetaktet 0-zustandgetaktet vorderflankengetaktet (01) rückflankengetaktet (10) Ablaufgraph bzw. Automatengraph
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22 D-Flipflop, T-Flipflop und JK-Flipflop Realisierung eines D-Flipflops mit Hilfe eines JK-Flipflops Realisierung eines T-Flipflops mit Hilfe eines JK-Flipflops
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