Гонки в последовательностных элементах

Рассмотрим возможность появления гонок по входу в D -триггере-защелке (latch) или прозрачной защелке (transparent latch), схема которого и временные диаграммы работы представлены на рис. 13.

Если на С -вход D -триггера-защелки подать постоянный единичный уровень, то триггер будет «прозрачен» по D -входу и будет выполнять функции повторителя.

Гонки по входу в схеме возникнут, если длительность среза С -сигнала превышает времена задержки элементов, на которых собран триггер, а порог переключения элемента DD 1 выше порога переключения элемента DD 2.

В этом случае, если на D -входе до среза и во время среза С -сигнала 1, то выход элемента DD 1 переключится в 1 первым.

Рис. 13. Схема и временные диаграммы D -триггера-защелки

Элемент DD 2, порог переключения которого ниже, воспринимает С -сигнал еще как 1. Тогда, при поступлении на второй вход DD 2 логической 1 с выхода DD 1, выход DD 2 переключится в 0. В результате на входах RS -триггера, собранного на элементах DD 3- DD 4, на R -входе будет активный 0, а на S -входе - неактивная 1, и на выходе Q установится 0. Таким образом, в результате гонок по входу при наличии на D -входе 1 на выходе Q после среза С -импульса установится 0, что является нарушением алгоритма работы D -триггера-защелки.

Вариант противогоночной схемы D -триггера-защелки представлен на рис. 14.

Рассмотрим возможность появления гонок по тракту в двухступенчатом RS -триггере, представленном на рис. 15.

Этот триггер состоит из двух последовательно включенных синхронных RS -триггеров, первый из которых называется ведущим или М -триггером (master - хозяин), а второй – ведомым или S -триггером (slave – раб).

Рис. 14. Противогоночная схема D -триггера-защелки

Рис. 15. Двухступенчатый RS -триггер

Благодаря общему синхросигналу С оба триггера работают совместно и образуют двухступенчатый или МS -триггер (master-slave flip-flop).

В триггере есть параллельные пути распространения С -сигнала – через М -триггер и через инвертор, затем оба сигнала встречаются на входах элементов 5 или 6. Следовательно, в схеме существуют гонки, которые могут вызвать сбой в работе двухступенчатого триггера.

Если задержка инвертора больше задержки М -триггера, то при поступлении С -сигнала новое состояние М -триггера успеет «проскочить» в S -триггер прежде, чем инвертор закроет элементы 5 и 6. В результате выход двухступенчатого RS -триггера изменится по фронту С -сигнала, а не по его срезу, что является нарушением алгоритма его работы. Это вызовет сбой в работе последующих ЦФУ, которыми этот триггер управляет. Это явление называется «проскоком» сигнала по фронту синхроимпульса.

Аналогичные гонки С -сигнала возможны в JK -триггере, представленном на рис. 16.

Рис. 16. JK -триггер с инвертором в цепи синхронизации

Для снятия проблемы гонок нужно ликвидировать параллельные пути распространения С -сигнала, обусловленные наличием инвертора. Одно из возможных решений представлено на рис. 17.

Двухступенчатый RS -триггер выполнен на взаимно двойственных М - и S -триггерах, когда М -триггер собран на элементах И-НЕ, S -триггер – на элементах ИЛИ-НЕ. С -сигнал поступает одновременно на элементы 1,2 и 5,6, но в силу двойственности пары 1,2 и 5,6 реагируют на противоположные уровни С -сигнала: пара 1,2 – на высокий уровень, а пара 5,6 – на низкий.

Таким образом, задержка поступления С -сигнала на S -триггер гарантированно меньше задержки М -триггера, поэтому гонки С -сигнала отсутствуют и «проскок» сигнала по фронту синхроимпульса невозможен.

Другое решение, исключающее в двухступенчатом триггере гонки С -сигнала, показано на рис. 18.

Рис. 17. Противогоночная схема двухступенчатого RS -триггера

Рис. 18. JK -триггер с запрещающими связями

Это противогоночная схема, в которой возможность ложного проникновения сигнала М -триггера в S -триггер по фронту С -импульса блокируется нулевым уровнем выхода того из входных элементов 1 или 2, который срабатывает в данный момент. Такую схему двухступенчатого триггера называют схемой с запрещающими связями.

Контрольные вопросы

1. Что такое статический режим работы ИС?

2. Назовите статические параметры ИС.

3. Что такое динамический режим работы ИС?

4. Назовите динамические параметры ИС.

5. Как определяется длительность фронта сигнала?

6. Как определяется длительность импульса?

7. Как определяется задержка распространения сигнала?

8. Назовите особенности работы логических элементов при большой частоте входных сигналов.

9. Назовите составляющие задержки сигнала при работе цифровых схем.

10. Каковы особенности прохождения одиночного сигнала через последовательную цепочку логических элементов?

11. Поясните проблему гонок (состязаний) сигналов в цифровых схемах.

12. Назовите методы борьбы с гонками сигналов в цифровых схемах.

13. Поясните проблему гонок сигнала по входу в цифровых схемах.

14. Опишите случай гонок сигнала по входу в D-триггере-защелке.

15. Опишите случай гонок, вызывающих «проскок сигнала», в двухступенчатом RS-триггере.

16. Опишите случай гонок сигнала в JK-триггере.