Przerzutniki | Teleinf Edu

Element pamięci cyfrowej

Przerzutnik to układ cyfrowy przechowujący jeden bit informacji, 0 albo 1. W bramce logicznej wyjście zależy od bieżących wejść, natomiast wyjście przerzutnika zależy od wejść i poprzedniego stanu. Ta właściwość pozwala przechowywać stan w układach pamięci i logice sekwencyjnej.

Logika sekwencyjna a kombinacyjna

Przy analizie przerzutników trzeba rozróżnić dwa typy układów cyfrowych:

Jej wyjście jest wyznaczone wyłącznie przez bieżące wartości wejściowe. Układ nie przechowuje informacji o wcześniejszych wejściach. Przykładami są bramki AND, OR, NOT oraz sumatory.
Jej wyjście zależy od bieżących wejść i poprzedniej sekwencji wejść, opisanej przez aktualny stan. Układ wykorzystuje elementy pamięci, takie jak przerzutniki, do przechowywania tego stanu.

Podstawowy element: zatrzask SR

Najprostszym zatrzaskiem jest układ SR (Set-Reset Latch), zbudowany z dwóch krzyżowo sprzężonych bramek NOR albo NAND. Ma dwa wejścia, S (Set, ustaw) i R (Reset, wyzeruj), oraz dwa wyjścia, Q i jego dopełnienie $\bar{Q}$ .

Działanie zatrzasku SR (wersja NOR)

Ustawienie ( $S=1, R=0$ ) Wyjście Q przyjmuje '1', a $\bar{Q}$ przyjmuje '0'. Układ przechowuje ustawiony stan.
Zerowanie ( $S=0, R=1$ ) Wyjście Q przyjmuje '0', a $\bar{Q}$ przyjmuje '1'. Układ przechowuje wyzerowany stan.
Podtrzymanie i pamięć ( $S=0, R=0$ ) Wyjścia Q i $\bar{Q}$ zachowują poprzedni stan. Jest to tryb przechowywania informacji.
Stan zabroniony ( $S=1, R=1$ ) Ta kombinacja wymusza na obu wyjściach Q i $\bar{Q}$ wartość '0', więc przestają być dopełnieniami. Gdy oba wejścia wrócą jednocześnie do S=0, R=0, stan końcowy może być nieprzewidywalny. Z tego powodu kombinacji tej nie używa się w normalnej pracy.

Synchronizacja: przerzutnik typu D

Przewidywalne próbkowanie w układzie cyfrowym zapewnia sygnał sterujący zwany . Przerzutnik D (Data albo Delay, dane lub opóźnienie) jest często stosowany we współczesnej elektronice. W torze danych wymusza przeciwne wartości wejść Set i Reset, co usuwa zabronioną kombinację przerzutnika SR.

Przerzutnik D ma jedno wejście danych D. Wewnętrzny inwerter zapewnia przeciwne wartości na wejściach Set i Reset układu bazowego, eliminując warunek S=R=1 w torze danych.

Jak działa?

Przerzutnik D próbuje wartość wejścia D przy aktywnym zboczu zegara, na przykład narastającym. Następnie wartość pojawia się na wyjściu Q i pozostaje tam do kolejnego aktywnego zbocza. Zależność opisuje wzór $Q_{\text{następne}} = D$ .

Przerzutniki JK i T

Przerzutnik JK

Przerzutnik JK jest rozszerzeniem przerzutnika SR. Ma wejścia J, odpowiadające ustawianiu, i K, odpowiadające zerowaniu. Przy J=1, K=1 zmienia stan na przeciwny przy aktywnym zboczu zegara, więc nie występuje zabroniona kombinacja wejść SR.

$J=0, K=0$ Stan podtrzymania, bez zmiany.
$J=1, K=0$ Stan ustawienia, $Q=1$ .
$J=0, K=1$ Stan zerowania, $Q=0$ .
$J=1, K=1$ Stan przełączania, wyjście $Q$ zmienia się na przeciwne.

Przerzutnik T

Przerzutnik T (Toggle, przełączający) jest uproszczoną wersją przerzutnika JK, w której wejścia J i K są połączone. Ma jedno wejście T. Gdy $T=1$ , wyjście zmienia stan przy każdym aktywnym zboczu zegara. Gdy $T=0$ , wyjście zachowuje stan. Układ służy do budowy liczników binarnych i dzielników częstotliwości, ponieważ każdy przerzutnik T w łańcuchu dzieli częstotliwość zegara przez dwa.

Zastosowania przerzutników

Przerzutniki przechowują stan w wielu systemach cyfrowych. Typowe zastosowania obejmują:

Rejestry Grupy przerzutników D tworzą rejestry przechowujące wielobitowe słowa danych, na przykład 8-bitowy rejestr przechowuje bajt. Rejestry są używane w operacjach procesora CPU.
Pamięć statyczna RAM (SRAM) Szybka pamięć podręczna procesora jest zbudowana z macierzy komórek bistabilnych, opartych na sprzężonych inwerterach. Każda komórka przechowuje jeden bit danych pamięci podręcznej.
Liczniki Łańcuchy przerzutników T lub JK tworzą liczniki cyfrowe zliczające zdarzenia albo impulsy zegarowe.
Dzielniki częstotliwości Przerzutnik T dzieli częstotliwość wejściowego zegara przez dwa, co jest użyteczne w układach czasowych.