Kolik je flipflopů a latchů?

mooph

Nový člen
Registrovaný člen
Člen od
26 Apr 2023
Príspevkov
16
Reakčné skóre
18
Bodov
3
Paragraf (§)
IT špecialista
Intro

Lidstvo je analogové. Ráno se probouzíme pokaždé v jiný okamžik, v jiný okamžik jdeme spát. Přijímáme přibližné množství potravy. Nevíme po kom budou naše děti, nevíme dopředu kdy zemřeme. Co je ale pozoruhodné je to, že lidský mozek umíme natrénovat k řešení široké palety “technických” úloh. Tyto úlohy řešíme tak, že volíme postup, “který jsme se naučili”. Naučit se postup řešení ale není možné, pokud by náš mozek setrval v analogovém světě. V našem mozku tedy vytváříme základní konstrukci neanalogového světa v otázce zda něco je, či není pravda. Tuto základní otázku používáme v nejrůznějších kontextech, v nejrůznějších oblastech vědění a je také nutno říct, že různí lidé si ji kladou různě mnohokrát.

Číslicová technika není analogová. Nepracuje se spojitými funkcemi. V číslicové (digitální) technice se pracuje s logickou nulou (nepravda) a jedničkou (pravda) v nejrůznějších násobnostech a v čase.

V okamžiku, kdy technicky dokážeme na maličké plošce uchovat či zpracovat obrovské množství dat, začíná se stírat v některých aplikacích digitální povaha dat a digitálně velice věrně popisujeme analogovou fyzikální realitu a získáváme do našich rukou jak nástroje ryze digitální povahy, tak nástroje povahy smíšené či rovnou analogové (nad spojitou funkcí). Říkáme, že řešíme problémy digitalizace. Bez tohoto (nebo podobného) intra o termínu digitalizace nemůžeme hovořit!


Digitalizace by neprobíhala bez základních stavebních prvků elektrotechniky a jejích zákonitostí.

Nelze pracovat s elektrotechnickým světem bez zdroje. Zdroje napětí i proudu se vyvinuly v pozoruhodný mikrokosmos, ve kterém nechybí ani velkokapacitní kondenzátory, několik způsobů nabíjení baterií, měniče všeho na vše a přenosové soustavy, které dokážou přesouvat megawatty energie přes půl planety.

Podobně nelze pracovat s moderní elektronikou, pokud bychom neznali postupy jak zmenšit nějaký elektrotechnický fenomén do rozměru menšího, než je krabička od sirek. Existují továrny na vysoce specializované čipy, celé rodiny více či méně standardizovaných pouzder na součástky a existují také továrny na plošné spoje. Zákazník vyprojektuje plošný spoj, pošle data přes třetinu planety a za deset minut nastupuje robotizovaná fabrika, která spoj udělá i s různými úpravami povrchů a vrty těch nejroztodivnějších tvarů. Do 14ti dnů má zákazník díky globální logistice plošňáky doma, i se stencilem na jednodušší nanášení pájecí pasty.

Klíčový byl ale objev tranzistoru. Tranzistorový jev (efekt) byl objeven a tranzistor vynalezen 16. prosince 1947 v Bellových laboratořích týmem ve složení William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Za tento objev jim byla roku 1956 udělena Nobelova cena za fyziku, jednalo se o velmi významný objev, který vedl k faktickému vědeckotechnickému převratu v oblasti aplikované elektrotechniky. To tranzistor převrátil svět naruby. Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat – malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na výstupu. Podle principu činnosti se rozlišují tranzistory bipolární a unipolární. Polovodičové přechody tranzistoru vytvářejí strukturu odpovídající spojení dvou diod v jedné součástce, většinu vlastností tranzistoru však dvojicí diod nahradit nelze. Každý tranzistor má minimálně tři elektrody, které se u bipolárních tranzistorů označují jako kolektor (C, příp. K), báze (B) a emitor (E), u unipolárních jako drain (D), gate (G) a source (S). Podle uspořádání použitých polovodičů typu P nebo N se rozlišují dva typy bipolárních tranzistorů, NPN a PNP (prostřední písmeno odpovídá bázi). Unipolární tranzistory se rozlišují na N-FET a P-FET.


Tranzistor je základním stavebním kamenem všech hradel. Pomocí jednoho tranzistoru realizujeme hradlo NOT (invertor). Dva tranzistory stačí pro realizaci hradel NOR (tranzistory paralelně) a NAND (tranzistory sériově). Negováním výstupu získáváme OR a AND (3 tranzistory). Z těchto hradel umíme sestrojit XOR a XNOR. Dva vstupy a jeden výstup lze zapojit 16ti způsoby, ale o tom jinde.




Principiální zapojení hradla NAND tvořeného dvěma MOSFET s indukovaným kanálem N a se zátěží realizovanou rezistorem
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky


Hradla je možné zapojit buď do podoby kombinačního obvodu, kde hradla tvoří strom, či do podoby sekvenčního obvodu, kdy hradla tvoří orientovaný jednosměrný graf s nejméně jednou zpětnou vazbou (hradla tvoří kruh). Těmto obvodům se bude věnovat zbytek tohoto textu.

Pohled na problematiku
V první řadě si nedělám ambice být kompletní, a to ani co se týče výkladu o flipflopech a latchích. Jistě existují vlastnosti těchto obvodů, které nezmíním. Co mi ovšem leží na srdci je prostá otázka KOLIK JICH JE?

Tak flipflop nebo latch??
V zasvěcených kruzích panuje nejasnost, zda je klopný obvod flipflop nebo latch. Formální definice flipflopu spočívá v tom, že je jeho činnost řízena hodinovým vstupem (clock). Z toho by mohlo vyplývat, že latch je tedy klopný obvod, který řízený hodinami není, jenže jak si na D flipflopu ukážeme, existují jeho 4 základní typy a není jasné, zda jsou všechny flipflopy, nebo je level triggered D flipflop (D řízený úrovní) ve skutečnosti latch. Za sebe bych doplnil definici flipflopu o to, že je daný obvod flipflop, pokud reaguje na hranu hodinového vstupu.

RS latch

Prvním klopným obvodem, o kterém si něco řekneme, je SR latch (různé zdroje uvádí taky RS místo SR a jsou i zdroje, které tento obvod označují flipflop). V principu jde o to, že obvod má stabilní stav a R a S vstupy tento stav mohou pulzně měnit (pulzem rozumím změnu na vstupu, která není až do konce pulzu doprovázena změnou na druhém vstupu). Stisknutím R se obvod přepne do neaktivního stavu (pokud v něm už není), stisknutím S do aktivního stavu (podobně). Vždy se musí vstupy vrátit do neaktivního stavu. Jestliže jsou aktivní oba vstupy, obvod je v hazardním stavu a výstup nelze determinovat. Obvod je používán snad ve všech ostatních klopných obvodech, proto je důležité ho pochopit.


RS latch je vždy tvořen dvěma hradly. Existují dvojitě zpětnovazební zapojení pomocí hradel NOR a NAND. Za RS latch se ale také považuje AND-OR latch (jednoduše zpětnovazební), který má však poněkud odlišnou (i když velmi podobnou) pravdivostní tabulku. Pokud bychom na NOR RS latchi negovali všechny vstupy a výstupy, získali bychom NAND RS latch. Obdobně obráceně. Jsou tedy lidé, kteří tvrdí, že RS latch je jen jeden, nikoliv, všechno je pravda, jen né toto tvrzení (existuje také hodinami řízený RS latch). NOR a NAND RS latch si ukážeme na obrázcích.

Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky


Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky



NAND latch má zakázaný stav 00, NOR latch má zakázaný stav 11. Oba latche mění polaritu výstupu v okamžiku, kdy je aktivní právě jeden z obou vstupů. RS latch je základem dalších klopných obvodů. Ve všech variantách RS latche dochází ke změně ihned a ne hranou, proto není vhodné nazývat RS latch flipflopem. Existuje 6 RS latchů (NOR, clocked NOR, NAND, clocked NAND, AND-OR latch a clocked AND-OR latch). U RS latche nedochází k triggerování hranou, což je jakousi zvyklostí...


D flipflop/latch
D flipflop získal pravděpodobně své jméno ve slově delay. Jedná se o clockovaný obvod s jedním vstupem a hodinami. Obvod překlápí při změně vstupu svůj stav. Klasická implementace, kterou si zde ukážeme, je typu latch, tedy změny probíhají level-triggered způsobem.


Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky


D flipflop je však možné implementovat také tak, že ke změně dojde pouze na jedné hraně hodinového signálu. Pokud bychom potřebovali, aby touto hranou byla hrana náběžná, implementujeme D flipflop takto

Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky


Doběžná hrana je realizována pomocí master-slave (19. století promine) architektury.

Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky



Existuje také D flipflop, který je triggerován libovolnou hranou. Je to trošku specialita, protože je nutné implementovat jak náběžnou, tak doběžnou hranu a ty pak zmuxovat 2:1 pomocí hodin. Máme tedy 4 různé D klopné obvody (level triggered D latch, rising edge triggered D flipflop, falling edge triggered D flipflop a dual edge triggered D flipflop).


T flipflop/latch
Smyslem T flipflopu/latche je toglovat (takové krásné české slovo). Je-li vstup T aktivní, výstup togluje z nuly na jedničku a zpět. Existují 4 T flipflopy v závislosti na tom, který obvod D použijeme.

Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky



JK klopný obvod
Smyslem JK klopného obvodu je na dvou vstupech a hodinách překonat nedostatek RS latche spočívající v tom, že existuje nedeterminovatelný stav. Zde neuvedu žádnou implementaci, protože by to byl příliš velký objem dat. Já jsem jich napočítal 16. V podstatě se jedná o druhou mocninu (dva vstupy) možností, jak reagují vstupy. Z D klopného obvodu víme, že modely reakce můžou být 4, level triggered a 3 edge triggered. Lze tedy kupříkladu zkonstruovat JK flipflop, jehož J reaguje na náběžnou hranu a jehož K reaguje na doběžnou hranu. Dalším příkladem je level triggered (oba vstupy) JK latch (astabilní flipflop/latch).


Děkuji.


Čeněk Svoboda


Zdroje:

















 
E-shop ElektroLab.eu
Top