Element Składowy Pamięci Cyfrowej

Przerzutnik to fundamentalny układ cyfrowy zdolny do przechowywania jednego bitu (0 lub 1) informacji. W przeciwieństwie do prostych bramek logicznych, których wyjście jest bezpośrednią funkcją ich aktualnych wejść, wyjście przerzutnika zależy zarówno od obecnych wejść, jak i od jego poprzedniego stanu. Ta zdolność do "pamiętania" swojego poprzedniego stanu czyni go podstawowym elementem składowym pamięci i kamieniem węgielnym logiki sekwencyjnej.

Logika Sekwencyjna a Kombinacyjna

Aby zrozumieć przerzutniki, kluczowe jest rozróżnienie dwóch typów układów cyfrowych:

• Logika Kombinacyjna: Te układy wykonują operacje, które są czystą funkcją obecnych wejść. Nie posiadają pamięci.
• Logika Sekwencyjna: Te układy posiadają pamięć. Ich wyjście zależy nie tylko od bieżących wejść, ale także od poprzedniego stanu układu. Przerzutniki są podstawowymi elementami używanymi do tworzenia logiki sekwencyjnej.

Podstawowy Budulec: Przerzutnik SR (Latch)

Najprostszą formą przerzutnika jest przerzutnik SR (Set-Reset Latch), zbudowany z dwóch krzyżowo połączonych bramek NOR lub NAND. Posiada dwa wejścia, S (Set - Ustaw) i R (Reset - Zeruj), oraz dwa wyjścia, Q i jego zanegowanie $\bar{Q}$.

Działanie Przerzutnika SR (wersja z bramek NOR)

• Ustawienie ($S=1, R=0$): Wyjście Q jest ustawiane na '1', a $\bar{Q}$ na '0'. Przerzutnik "pamięta" stan ustawienia.
• Zerowanie ($S=0, R=1$): Wyjście Q jest ustawiane na '0', a $\bar{Q}$ na '1'. Przerzutnik "pamięta" stan zerowania.
• Podtrzymanie/Pamięć ($S=0, R=0$): Wyjścia Q i $\bar{Q}$ zachowują swój ostatni stan. Jest to stan przechowywania pamięci.
• Stan Zabroniony ($S=1, R=1$): Ta kombinacja wejść wymusza na obu wyjściach Q i $\bar{Q}$ stan '0', co narusza zasadę, że muszą być one swoimi dopełnieniami. Jeśli wejścia następnie jednocześnie zmienią się na S=0, R=0, ostateczny stan jest nieprzewidywalny. Ta niestabilność sprawia, że ta kombinacja wejść jest zabroniona.

Synchronizacja: Przerzutnik Typu D

Aby uczynić przerzutniki bardziej praktycznymi i przewidywalnymi, dodajemy wejście sterujące zwane Sygnałem Zegarowym. Przerzutnik D (Data lub Delay - Dane/Opóźnienie) jest najpopularniejszym typem stosowanym we współczesnej elektronice, ponieważ całkowicie rozwiązuje problem "stanu zabronionego" przerzutnika SR.

Przerzutnik D ma tylko jedno wejście danych, D. Wewnętrznie, inwerter zapewnia, że wejścia Set i Reset bazowego przerzutnika zawsze otrzymują przeciwne wartości, eliminując zabroniony warunek S=R=1.

Jak Działa?

Przerzutnik D wyzwalany zboczempróbkuje wartość na swoim wejściu D w precyzyjnym momencie zbocza zegara (np. narastającego). Wartość, którą "zobaczy", jest następnie zapamiętywana i pojawia się na wyjściu Q, gdzie pozostaje aż do następnego zbocza zegara. Jego działanie jest proste: $Q_{\text{następne}} = D$.

Wszechstronne Przerzutniki: JK oraz T

Przerzutnik JK

Przerzutnik JK jest bardziej wszechstronną wersją przerzutnika SR. Posiada wejścia J (analogiczne do Set) i K (analogiczne do Reset). Zachowuje się jak przerzutnik SR, ale inteligentnie obsługuje warunek J=1, K=1, zamieniając go w użyteczny stan "przełączania" (Toggle).

• $J=0, K=0$: Stan podtrzymania (bez zmian).
• $J=1, K=0$: Stan ustawienia ($Q=1$).
• $J=0, K=1$: Stan zerowania ($Q=0$).
• $J=1, K=1$: Stan przełączania (wyjście $Q$ zmienia się na przeciwny).

Przerzutnik T

Przerzutnik T (Toggle - Przełączający) jest uproszczoną wersją przerzutnika JK, w którym wejścia J i K są ze sobą połączone. Posiada tylko jedno wejście, T. Jeśli $T=1$, wyjście zmienia stan przy każdym impulsie zegarowym. Jeśli $T=0$, wyjście podtrzymuje swój stan. Jego głównym zastosowaniem jest budowa liczników binarnych i dzielników częstotliwości, ponieważ każdy przerzutnik T w łańcuchu dzieli częstotliwość sygnału zegarowego przez dwa.

Zastosowania Przerzutników

Przerzutniki są fundamentalne dla niemal wszystkich systemów cyfrowych. Ich zdolność do przechowywania stanu umożliwia szeroki zakres zastosowań:

• Rejestry: Grupy przerzutników D tworzą rejestry, które mogą przechowywać wielobitowe słowa danych (np. 8-bitowy rejestr przechowuje bajt). Rejestry są sercem operacji w procesorach CPU.
• Pamięć Statyczna RAM (SRAM): Szybka pamięć używana jako pamięć podręczna (cache) procesora jest zbudowana z matryc przerzutników. Każdy przerzutnik przechowuje jeden bit danych pamięci cache.
• Liczniki: Łańcuchy przerzutników T lub JK służą do budowy liczników cyfrowych, które mogą zliczać zdarzenia lub impulsy zegarowe.
• Dzielniki Częstotliwości: Przerzutnik T naturalnie dzieli częstotliwość swojego wejściowego sygnału zegarowego przez dwa, co jest kluczową funkcją w układach czasowych.