Исследование элементов

    Максимальным  быстродействием обладают синхронные счетчики с параллельным переносом, структуру которых найдем эвристически, рассмотрев процессы прибавления единицы к двоичным числам и вычитания её из них, например: 

    

    

    Результат всегда отличается от исходного числа  только в нескольких младших разрядах, значения которых инвертируются. Для суммирующего счетчика требуется инверсия разрядов до первого разряда, равного логическому нулю, включая и его, а для вычитающего аналогично до разряда, равного логической единице. Таким образом, в суммирующем счетчике должны переключиться разряды, для которых все младшие единичны, для вычитающего — те, для которых все младшие находятся в нуле. Эти задачи и должны решать счетчики. Время установления таких счетчиков не зависит от разрядности n и равно t_ycт = t_k + t_тг, где t_k — задержка коньюнктора. Структура суммирующего синхронного счетчика с параллельным переносом, реализованного на триггерах с управлением фронтом, показана на рис. II. 3. 5. 

    Рис. II. 3. 5. Схемы параллельных счетчиков прямого счета.

      Схема межразрядной связи для реверсивного счетчика с сигналом U/D (Up/Down, т. е. прямо/обратно) показана рис. II. 3. 6. 

    Рис. II. 3. 6. Схемы параллельных счетчиков реверсивного счета.

    С ростом числа разрядов реализация параллельных счетчиков затрудняется — требуются вентили с большим числом входов, растет нагрузка на выходы триггеров.

    II. 4. Счетчики с групповой структурой

    В связи с ограничениями на построение параллельных счетчиков большой разрядности  широкое  распространение   получили   счетчики   с   групповой структурой, в которых счетчик разбивается на группы, связанные цепями межгруппового   переноса   (рис. II. 4. 1.).

      

    Рис. II. 4. 1. Схемы счетчиков групповой структуры, связанные цепями межгруппового переноса.

      При   единичном  состоянии   всех триггеров группы приход очередного входного сигнала создаст перенос из этой группы. Эта ситуация подготавливает межгрупповой конъюнктор к прямому пропусканию входного сигнала на следующую группу. В наихудшем для быстродействия случае, когда перенос проходит через все группы и поступает на вход последней,

    t_ycт = t_k(l - l) + t_гр,

    где l - число групп; t_гр — время установления кода в группе.

    Если  уменьшить разрядность группы до единицы и использовать синхронные Т-триггеры, то получится схема синхронного счетчика с последовательным переносом (рис. II. 4. 2.). 

    Рис. II. 4. 2. Синхронный счетчик с последовательным переносом.

      Схема относится к числу синхронных, т. к. все триггеры срабатывают  одновременно под действием единого  входного сигнала. В этом проявляется быстрая реакция схемы на входной сигнал, такая же, как и в счетчике с параллельным переносом. Однако по максимальной частоте входных сигналов эта схема существенно отличается от схемы с параллельным переносом, т. к. до подачи нового входного сигнала требуется дать цепочке вентилей установиться в новое состояние путем их последовательного переключения.

    

    В развитых сериях ИС обычно имеется по 5... 10 вариантов двоичных счетчиков, выполненных в виде 4-х разрядных групп (секций). Каскадирование секций может выполняться путем их последовательного включения по цепям переноса, организации параллельно-последовательных переносов или для более сложных счетчиков с двумя дополнительными управляющими входами разрешения счета и разрешения переноса путем организации параллельных переносов и в группах и между ними.    Особенностью двоичных счетчиков синхронного типа является наличие ситуаций с одновременным переключением всех его разрядов (например, для суммирующего счетчика при переходе от кодовой комбинации 11... 1 к комбинации 00...0 при переполнении счетчика и выработке сигнала переноса). Одновременное переключение многих триггеров создает значительный токовый импульс в цепях питания ЦУ и может привести к сбою в их работе. Поэтому в руководящих материалах по использованию некоторых БИС программируемой логики, в частности, имеется ограничение на разрядность двоичных счетчиков заданной величиной к (например, 16). При необходимости применения счетчика большей разрядности рекомендуется переходить к коду Грея, для которого переходы от одной кодовой комбинации к другой сопровождаются переключением всего одного разряда.  

    II. 5. Двоично-кодированные счетчики с произвольным модулем

    Счетчики  с модулем, не равным целой степени  числа 2, т. е. с произвольным модулем, реализуются на основе нескольких методов. Для построения счетчика с произвольным модулем М берется разрядность n ⁼ 1 {log₁М}, где {} — знак округления до ближайшего справа целого числа. Иными словами, исходной структурой как бы служит двоичный счетчик с модулем 2ⁿ, превышающим заданный и ближайшим к нему. Такой двоичный счетчик имеет 2ⁿ — М = L лишних (неиспользуемых) состояний, подлежащих исключению.

    Способы исключения лишних состояний многочисленны, и для любого М можно предложить множество реализаций счетчика. Исключая некоторое число первых состояний, получим ненулевое начальное состояние счетчика, что приводит к отсутствию естественного порядка счета и регистрации в счетчике кода с избытком. Исключение последних состояний позволяет сохранить естественный порядок счета. Сложность обоих вариантов принципиально одинакова, поэтому далее будем ориентироваться на схемы с естественным порядком счета. Состояния счетчиков во всех случаях предполагаем закодированными двоичными числами, т. е. будем рассматривать двоично-кодированные счетчики.

    В счетчиках с исключением последних  состояний счет ведется обычным способом вплоть до достижения числа М-1. Далее последовательность переходов счетчика в направлении роста регистрируемого числа должна быть прервана, и следующее состояние должно быть нулевым. При этом счетчик будет иметь М внутренних состояний (от 0 до М-1), т. е. его модуль равен М.

    

    Остановимся на двух способах построения счетчиков  с произвольным модулем: модификации межразрядных связей и управлении сбросом. При построении счетчика с модифицированными межразрядными связями последние, лишние, состояния исключаются непосредственно из таблицы функционирования счетчика. При этом после построения схемы обычным для синтеза автоматов способом получается счетчик, специфика которого состоит в нестандартных функциях возбуждения триггеров, и, следовательно, в нестандартных связях между триггерами, что и объясняет название способа. Схема получается как специализированная, изменение модуля счета требует изменения самой схемы, т. е. легкость перестройки с одного модуля на другой отсутствует. В то же время реализация схемы счетчика может оказаться простой.

    При управлении сбросом выявляется момент достижения содержимым счетчика значения М-1. Это является сигналом сброса счетчика в следующем такте, после чего начинается новый цикл. Этот вариант  обеспечивает легкость перестройки счетчика на другие значения модуля, т. к. требуется изменять лишь код, с которым сравнивается содержимое счетчика для выявления момента сброса. 

2. 6. Счетчики с не двоичным кодированием

      Наибольшее практическое значение среди счетчиков с недвоичным кодированием состояний имеют счетчики с кодом Грея, счетчики Джонсона и счетчики с кодом "1 из N".

    II. 6. 1. Счетчики в коде Грея

    

    Код Грея известен с 70-х годов XIX века, однако оказался связанным с именем Ф. Грея только в 50-х годах XX века, когда Ф. Грей применил его для построения преобразователя угловых перемещений в цифровой код, обладающего явными преимуществами перед преобразователем с двоичным кодом. Код Грея относится к таким, в которых при переходе от любой кодовой комбинации к следующей изменяется только один разряд. В схемотехнике счетчиков это свойство устраняет одновременное переключение многих разрядов, характерное для двоичных счетчиков при некоторых переходах. Одновременное переключение многих элементов создает такие токовые импульсы в цепях питания схем, которые могут вызывать сбои в работе схемы. В ряде БИС применение двоичных счетчиков большой разрядности не разрешается, и они заменяются счетчиками с кодом Грея и последующим преобразованием кода Грея в двоичный.

    Сложность счетчика с кодом Грея ненамного  больше, чем сложность двоичного  счетчика, преобразователь кодов  также относительно прост. Нетрудно построить счетчик с кодом  Грея формальным, исходя из таблицы переходов счетчика. Последовательность кодовых комбинаций для кода Грея можно получить по соотношению g_i = b_i b_i+1, где g_i — значение разряда кода Грея; b_i — значение разряда двоичного кода, преобразуемого в код Грея. Разряд левее старшего для двоичного кода считается нулевым.                                                   

    II. 6. 2. Счетчики в коде "1 из N"       

    

    Счетчик в коде "1 из N" имеет один вход, на который подаются импульсы задающего генератора, и N выходов, причем первый импульс генератора предается на первый выход счетчика (канал), второй импульс во второй канал и т. д. Структура такого счетчика, называемого также распределителем тактов РТ, и временные диаграммы его работы показаны на рис. II. 6. 2. 1, II. 6. 2. 2, II. 6. 2. 3, причем диаграмма на рис. II. 6. 2. 2 соответствует режиму распределения уровней РУ (паузы между активными состояниями каналов отсутствуют), а диаграмма на рис. II. 6. 2. 3 — режиму распределения импульсов РИ.  

     
Рис. II. 6. 2. 1. Структура распределителя тактовых сигналов. 

    Рис. II. 6. 2. 2. Временные диаграммы распределения уровней. 

    Рис. II. 6. 2. 3. Временные диаграммы распределения импульсов.

    

    

    Распределители  импульсов не имеют самостоятельной  схемотехники, они реализуются на основе распределителей уровней путем включения в их выходные цепи конъюнкторов, на вторые входы которых подаются импульсы задающего генератора.                                                                                Имея распределенные во времени и пространстве "кванты", можно по схеме ИЛИ собирать из них импульсные последовательности с необходимыми временными диаграммами. Часто нужны именно те последовательности, которые вырабатываются непосредственно распределителями тактов. Распределителем тактов является сдвигающий регистр, замкнутый в кольцо, если записанное в регистр слово содержит всего одну единицу. При сдвигах единица перемещается с одного выхода на другой, циркулируя в кольце. Число выходов РТ равно разрядности регистра. Недостаток схемы — потеря правильного функционирования при сбое. Если в силу каких-либо причин слово в регистре исказится, то возникшая ошибка станет постоянной. Схема не обладает свойством самозапуска.

    Возможны  варианты с самовосстановлением работы РТ на кольцевом регистре. 

    Рис. II. 6. 2. 4. Схема распределителя с автоматическим вхождением в рабочий цикл

      Схема такого РТ с самовосстановлением за несколько тактов (рис. II. 6. 2. 4) основана на том, что на вход регистра подаются нули, пока в нем имеется хотя бы одна единица. Таким образом, лишние возникшие единицы будут устранены.

    

    Когда регистр очистится, сформируется сигнал записи единицы на его входе. Следовательно, потеря единственной единицы также будет исключена. Выход логического элемента, выполняющего самовосстановление схемы, дает еще один дополнительный канал. На схеме, приведенной на рис. II. 6. 2. 4, показаны также цепи пуска/останова РТ и два варианта выхода — для распределителя уровней (непосредственно с триггеров и логического элемента ИЛИ-НЕ) и распределителя импульсов (после стробирования сигналов распределителя уровней импульсами сдвига на цепочке конъюнкторов). Можно поставить задачу более быстрого исправления сбоев, в том числе в ближайшем же такте. Для этого нужно задать и реализовать соответствующую диаграмму состояний распределителя.