Capítulo 7 Circuitos sequenciais: latches, flipflops, registradores, contadores

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1 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp IC-UNICAMP MC 62 Circuitos Lógicos e Organização de Computadores IC/Unicamp Prof Mario Côrtes Capítulo 7 Circuitos sequenciais: latches, flipflops, registradores, contadores

2 IC-UNICAMP Tópicos Elementos de armazenamento: latches e flipflops Registradores Contadores MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 2

3 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 3 IC-UNICAMP Sistema sensor / alarme Ambiente com sensor de presença alarme Alarme continua ON mesmo se presença OFF Sistema pode ser desarmado (Reset) Sistema continua desarmado mesmo com Reset inativo Sensor Set Circuito On Off Alarme Reset set reset on/off

4 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 4 IC-UNICAMP Circuitos combinacionais / sequenciais Circuitos combinacionais y(t) = f[x(t)] não há dependência de x(t-) ou x(t-2) não há memória ou histórico Alguns problemas não podem ser resolvidos com circuitos combinacionais Sensor Set Circuito On Off Alarme Reset set reset on/off

5 IC-UNICAMP Circuitos sequenciais Circuitos sequenciais y(t) = f[x(t-), x(t-2),...] depende do histórico de entradas novos conceitos: estado ou memória Elemento básico: elemento de memória O mais simples e rudimentar: A B Elemento de memória com dois estados estáveis: A= e B= ou A= e B= MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 5

6 IC-UNICAMP Um elemento básico feito com NORs Reset Set Extensão dos inversores em anel permite carga de dados: set reset Base para o Latch Set Reset = Latch SR MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 6

7 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 7 IC-UNICAMP Latch SR com NORs R a S R a b S b a (t-) b (t-) sem mudança t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t R S a b?? Time

8 IC-UNICAMP Latch SR: considerações Forma de onda assume atrasos de propagação = Situação de entrada SR= é indesejável Mas circuito pode ser usado no sistema de alarmes Pode ser interessante ter a função de habilitar (enable) a entrada de dados ou não no Latch SR Latch SR chaveado ou com enable MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 8

9 IC-UNICAMP Latch SR chaveado R R EN S R t + x x ( t ) (no change) EN ( t ) (no change) S S x Por que? EN R S S? EN R? Time MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 9

10 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp IC-UNICAMP Latch SR com NANs ~S a ~S ~R a b a (t-) b (t-) sem mudança ~R b Observar entradas ativo-baixo

11 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp IC-UNICAMP Latch tipo chaveado (ata) S Clk R Clk x t + t t t 2 t 3 t 4 Clk Clk Time

12 IC-UNICAMP Latch tipo : outra implementação Equivalente a Símbolo EN EN EN EN MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp Analisar efeito do atraso do inversor nesta configuração e na configuração com ~EN 2

13 IC-UNICAMP Tempos de setup e hold em latches Valor armazenado (travado) quando EN O que acontece se está mudando? valor travado é imprevisível Tempos de guarda antes: tempo de setup (preparação) depois: tempo de hold (manutenção) dependem dos atrasos internos e da tecnologia ver datasheets t su t h EN EN MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 3

14 IC-UNICAMP Flip-flops Latches são sensíveis ao nível: o estado pode mudar várias vezes durante EN= É interessante ter circuitos que mudam de estado apenas uma vez (nas transições do EN) Flip-Flops Mestre-Escravo: composto por dois latches controlados por clocks (enables) complementares Edge-triggered / sensível à borda do clock MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 4

15 IC-UNICAMP Flip-Flop Mestre Escravo tipo Master Slave m s Clk Clk m = s MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp Sensível à borda de ESCIA 5

16 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 6 IC-UNICAMP Um Flip-Flop tipo clássico (sensível à borda) P3 2 P 5 3 P2 6 4 P4 ver análise de funcionamento no livro texto

17 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 7 IC-UNICAMP Latch e FF: comportamento comparado a Clk a b b a c b c c

18 IC-UNICAMP Latches e Flip-Flops: diferenças Manifestação da saída em função de variações na entrada : Latch: transparente durante EN (ou Ck) ativos, ou seja, entrada passa diretamente para a saída Flip-Flop: na borda do, o valor presente na entrada é transferido para Instante em que o valor da entrada é armazenado Latch: valor armazenado é o presente na entrada no instante em que EN (ou Ck) é desativado (operação de latch ou travamento) Flip-Flop: na borda do, o valor presente na entrada é armazenado MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 8

19 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 9 IC-UNICAMP Tempos de setup e hold t su t h Clk Tsu: tempo de guarda antes da borda do clock (de descida, no exemplo) durante o qual a entrada não deve mudar Th: idem, para depois da borda do clock

20 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 2 IC-UNICAMP FF : borda de subida, com Preset e Clear assíncronos Preset Preset Clear Clear

21 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 2 IC-UNICAMP FF com Clear síncrono Clear

22 IC-UNICAMP Flip-Flop JK J K J K t + J t K t Resolve problema do SR MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 22

23 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 23 IC-UNICAMP Flip-Flop tipo T T T Equivalente a T J K T T t + t t

24 IC-UNICAMP Parâmetros de timing de Flip-Flops t su, t h : tempos de setup e hold t c : atraso de propagação do clock até MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 24

25 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 25 IC-UNICAMP MC 62 Registradores e Contadores

26 IC-UNICAMP Tópicos de Registradores Construção usando flip-flops Clear assíncrono e Enable Registradores deslocamento Carga paralela Registrador deslocamento universal Exemplo de uso em barramento MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 26

27 IC-UNICAMP Registradores Conjunto de elementos de memória (flip-flops) utilizados para armazenar n bits a cada borda do clock Utilizam em comum os sinais de clock e controle 3 3 Símbolo ANSI/IEEE Std MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 27

28 IC-UNICAMP Registrador (Flip-Flop) com enable O registrador apresentado carrega o dado a cada borda do clock esejável carga controlada por sinal load Load ado ado Clk Load Load RUIM ado Clk MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 28

29 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 29 IC-UNICAMP Shift Register Registrador de deslocamento In = Out t t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 In Out

30 IC-UNICAMP Usos do registrador de deslocamento Conversão série paralelo Conversão paralelo série (precisa de carga paralela) Multiplicador / divisor por potência de 2 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 3

31 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 3 IC-UNICAMP Shift Register com Carga Paralela Parallel output 3 2 Serial input Shift/Load Parallel input

32 IC-UNICAMP Shift Register Universal Entrada Serial eslocamento a Esquerda eslocamento a ireita Carga Paralela Saída Paralela Exercício: iagrama do Shift Register Universal de 4 bits com entradas de controle: NOP (mantém valor), SHL (esquerda), SHR (direita), L (carga paralela) MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 32

33 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 33 IC-UNICAMP Registradores em um Barramento ata Extern Bus R R2 Rk R in R out R2 in R2 out Rk in Rk out Function Control circuit

34 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 34 IC-UNICAMP Registradores em um Barramento (3ST) Bus R o u t R 2 o u t R i n R 2 i n R R 2 FF- com L ois registradores (R e R2) de 2 bits cada ligados a um barramento Operação R2 R: ativar sinais R2 out e R in Transferência completada na borda de subida do clk

35 IC-UNICAMP Barramento com MUX Bus R in R 2 in Rk R R 2 in Rk ata S S j Multiplexers Escrita no barramento (inclusive entrada externa ata) saído do MUX Função semelhante à implementação 3ST MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 35

36 IC-UNICAMP Tópicos de Contadores Contadores síncronos e assíncronos Contadores de módulo configurável Contadores em anel e Johnson Preset e Clear síncronos e assíncronos MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 36

37 IC-UNICAMP Contadores síncronos / assíncronos Contadores assíncronos Entrada de clock dos FFs recebe saída de estágios anteriores Estado do contador: transições dos estágios não simultâneas (em ripple) Circuito mínimo mas requer cuidados com decodificação Contadores síncronos Entrada de clock dos FF recebe apenas sinal externo de clock Estado do contador: transições sincronizadas (razoavelmente simultâneas) MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 37

38 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 38 IC-UNICAMP Contador assíncrono: 3 bits OWN T T T 2 2 Count

39 IC-UNICAMP Contador assíncrono: 3 bits UP T T T Alternativas para UP/OWN: FF sens. borda de descida saída = ~ 2 2 Count MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp Como fazer um contador Up/own? 39

40 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 4 IC-UNICAMP Problemas com contadores assíncronos Saídas dos FFs (estado do contador) com atrasos cumulativos LSB MSB ver simulação em modo gráfico (vwf) e tabular (tbl) Se o estado do contador está sendo decodificado para detectar valor de contagem que dispara alguma ação (ex: reset) problema Ver análise de timing Voltar ao assunto: contador módulo N

41 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 4 IC-UNICAMP Projeto de contador síncrono: 3 bits cycle changes 2 changes

42 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 42 IC-UNICAMP Contador (up) síncrono: 4 bits T T T T Count

43 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 43 IC-UNICAMP Inclusão de Enable e Clear Enable T T T T Clear Obs: o clear é assíncrono

44 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 44 IC-UNICAMP FF-T implementado a partir de FF- T T T

45 IC-UNICAMP Enable Contador síncrono com FF FF-T 3 2 Enable Ouput Carry MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp Output carry 45

46 IC-UNICAMP Contadores em cascata En Enable Ouput Carry Enable Ouput Carry Contagem Output Carry 4 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 46

47 Inclusão IC-UNICAMP de Load Enable Load Output carry MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 47

48 IC-UNICAMP Contadores de módulo 2 n Algumas possibilidades para módulo M: Com o uso de clear/preset Contador UP: ao atingir valor = M clear Contador OWN: MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp ao atingir valor = 2 n M preset () Com o uso de Load paralelo Contador UP: ao atingir contagem máxima load valor (2 n M) Contador OWN: ao atingir contagem = load valor M ATENÇÃO: projeto muda se os controles clear/preset/load são síncronos ou assíncronos 48

49 IC-UNICAMP Contador mod-6 com Load síncrono Enable 2 Load 2 Load 2 Count Obs: o load síncrono de faz o que seria um reset síncrono MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 49

50 IC-UNICAMP Contador mod-5 com Reset assíncrono T T T 2 2 Count Obs: apesar do estado final a ser detectado ser o mesmo do caso anterior, estado (5), o módulo deste contador é 5 (contagem ) MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 5

51 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 5 IC-UNICAMP Problemas com contadores assíncronos Como as saídas dos flip-flops são desalinhadas no tempo, vários estados intermediários podem ocorrer ver simulação em modo gráfico (vwf) e tabular (tbl) A decodificação do estado desejado para fins de acionar clear/preset/load assíncronos pode acontecer de forma espúria durante estados transientes. Uso de clear/preset/load síncronos resolvem o problema

52 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 52 IC-UNICAMP Contador BC de 2 dígitos Se for usado Enable controlável, é necessário propagar (via AN) para estágios superiores. 3 Enable 2 Load 2 3 BC Ver o que acontece se Enable desativado exatamente na contagem X9 Clear 3 Enable 2 Load 2 3 BC

53 IC-UNICAMP Contador em anel Start n (a) An n -bit ring counter 2 3 Contagem p 4 bits:... Módulo? MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp y y y 2 y 3 2-to-4 decoder w w En 53

54 MC62 Mario Côrtes IC / Unicamp 54 IC-UNICAMP Contador Johnson n Reset Para um contador de 4 estágios: ual é a sequência de contagem ual é o módulo do contador?

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