Однофазная синхронизация

Однофазная синхронизация использует одну последовательность синхроимпульсов, поэтому обеспечивает высокое быстродействие, однако ее применение сопряжено с некоторыми проблемами.

Структура ЭС с однофазной синхронизацией в общем случае имеет вид, представленный на рис. 29.

Рис. 29. Структурная схема ЭС с однофазной синхронизацией

и временная диаграмма последовательности синхроимпульсов

Схемы КС и ПС в системе однофазной синхронизации аналогичны соответствующим схемам ЭС с системой двухфазной синхронизацией. Все триггеры схемы ПС синхронизируются одним синхроимпульсом, на некоторые входы схемы ПС поступают внешние сигналы, с некоторых выходов снимаются выходные сигналы.

Пусть схема ПС построена на одноступенчатых триггерах, управляемых уровнем (прозрачная защелка). Поступающие на вход ПС синхроимпульсы, с одной стороны, должны иметь длительность, достаточную для надежного переключения триггеров. После их переключения новое состояние ПС поступит на входы КС, в которой начнутся переходные процессы, по окончании которых информация с КС поступит на входы ПС. Эта новая информация не должна восприниматься триггерами схемы ПС в этом же такте, однако это произойдет, если к указанному моменту синхроимпульс еще не закончится. Тогда длительность синхроимпульсов, с другой стороны, должна быть меньше суммы времен переключения триггеров схемы ПС и времени переходных процессов схемы КС. Таким образом, длительность синхроимпульсов строго ограничена снизу и сверху. Это ограничение должно соблюдаться во всем диапазоне изменений условий эксплуатации ЭС, что трудно выполнить. По этой причине при однофазной синхронизации в схемах ПС обычно используются триггеры с динамическим управлением или двухступенчатые триггеры.

Пусть схема ПС построена на триггерах с динамическим управлением и информация принимается схемой ПС по фронту С -импульса. Для данного типа триггеров опасны изменения входных сигналов вблизи фронта (время подготовки и время выдержки данных) и во время фронта синхроимпульса. Если в это время на входы схемы ПС в этом же такте поступит новое состояние с предыдущей схемы КС, то произойдет сбой. Таким образом, для обеспечения надежной работы необходимо, чтобы сумма минимального времени переключения триггеров схемы ПС и минимального время задержки схемы КС были больше времени выдержки данных, необходимых для данной ПС. Это условие работоспособности обеспечить проще, чем предыдущее, так как времени выдержки данных мало.

Пусть схема ПС построена на двухступенчатых триггерах, для которых обычно время выдержки данных принимается равным нулю. В этом случае при правильном выборе параметров синхросигналов работоспособность ЭС с системой однофазной синхронизации гарантирована. Пусть для определенности все триггеры схемы ПС непроницаемы для помех при активном уровне С -сигнала (С =1) и их С -вход прямой статический, то есть они изменяют свое состояние по срезу С-сигнала, как показано на рис. 29. Тогда в момент времени t ₁ информация внешняя и с выходов схемы КС запишется в схему ПС. Через время задержки в схеме ПС t _{з.р. ПС} информация с ее выхода поступает на вход схемы КС, в которой начинаются переходные процессы очередного цикла. Последние должны закончиться до начала необходимого для схемы ПС времени подготовки данных (интервал времени t ₅- t ₆).

Если триггеры схемы ПС имеют свойство проницаемости для помех, то переходные процессы в схеме КС должны закончиться до поступления С -сигнала (момент времени t ₄).

Надежность работы системы однофазной синхронизации зависит от соотношения задержки распространения t _{з.р. ПС} и необходимого времени выдержки данных t _{вд ПС} триггеров схемы ПС. Если задержка схемы КС мала или схема КС отсутствует, то новое состояние выхода быстро переключившегося триггера схемы ПС может поступить на вход другого триггера схемы ПС рано для последнего, еще в течение его интервала времени выдержки данных, когда уровни на входах изменять еще нельзя. Для гарантии отсутствия сбоев такого типа необходимо, чтобы максимальное значение времени выдержки данных t _вд любого триггера схемы ПС не превышало минимального значения задержки распространения t _з.р. любого триггера схемы ПС, то есть момент времени t ₂ на рис. 29 должен обязательно предшествовать моменту времени t ₃. Если это соотношение нарушено, то необходимо исключить прямые связи триггер-триггер за счет введения между ними «холостых» ЛЭ. Такие рекомендации встречаются, например, в инструкциях по проектированию схем на некоторых матричных БИС.

Недостатком однофазной системы синхронизации, в отличие от двух- и многофазной, является чувствительность к расхождению активных фронтов синхроимпульсов (расфазировка), возникающему при распределении синхросигналов. На рис. 30 показаны схема распределении синхросигналов для двухступенчатых триггеров (DD 3 и DD 4) и две последовательности синхроимпульсов С 1 и С 2, имеющие взаимный сдвиг (расфазировку) за счет различных задержек в цепях распределения.

Рис. 30. Схема распределении синхросигналов и их временные диаграммы

Если при показанной на рисунке расфазировке, когда синхроимпульсы С 2 опережают синхроимпульсы С 1, передача информации идет с выхода триггера DD 4 (выход Q ₂) на вход триггера DD 3 (связь не показана), то ошибок в работе не возникает. Та информация, которая поступила на вход DD 4 в i -й такт, поступает с выхода DD 4 на D -вход триггера DD 3 уже после окончания синхросигнала С 1 (в момент времени t ₂), то есть в (i +1)-й такт для синхроимпульсов С 1, как это и должно быть. После среза очередного синхроимпульса С 1 в момент времени t ₃ эта информация запишется в триггер DD 3 и появится на его выходе Q 1.

Если передача информации идет с выхода триггера DD 3 (выход Q ₁) на вход триггера DD 4 (связь не показана), то информация, записанная в триггер DD 3 в i -м такте (момент времени t ₁) поступает на вход DD 4 до среза синхроимпульса С 2 (до момента времени t ₂). Так как для триггера DD 4 синхросигнал активен (С 2=1), то его первая ступень воспримет (в нее запишется) информацию с выхода триггера DD 3 в этом же i -м такте, хотя она должна быть записана в следующем (i +1)-м такте. По срезу синхроимпульса С 2 «ложная» информация запишется во вторую ступень триггера DD 4, то есть появится на выходе Q ₂.

Таким образом, при однофазной синхронизации в работе ЭС происходит сбой, когда информация «обгоняет» синхросигнал. В основном по этой причине однофазная система синхронизации применяется ограниченно. Несмотря на то, что в такой системе синхронизации нужно разводить только одну последовательность синхроимпульсов, ее используют в основном при синтезе простых ЭС или его отдельных узлов.

Однофазную систему синхронизации можно выполнить устойчивой к расфазировке синхроимпульсов за счет усложнения схемы. Для этого используют схемы коррекции расфазирования синхросигналов, вспомогательные выравнивающие регистры и триггеры-шлюзы [6, 8].

Контрольные вопросы

1. Представьте структурную схему ЭС при двухфазной синхронизации. Поясните принцип ее работы.

2. Представьте временную диаграмму синхроимпульсов при двухфазной синхронизации. Какими временными параметрами характеризуются импульсы синхронизации?

3. Назовите типичные ошибки при проектировании схемы с двухфазной синхронизацией.

4. Как влияют на временные параметры импульсов синхронизации задержки комбинационных схем?

5. Как влияет на временные параметры импульсов синхронизации тип используемых триггеров?

6. Как влияет на временные параметры импульсов синхронизации схема распределения синхросигналов?

7. Представьте структурную схему ЭС при однофазной синхронизации. Поясните принцип ее работы.

8. Представьте временную диаграмму синхроимпульсов при однофазной синхронизации. Какими временными параметрами характеризуются импульсы синхронизации?

9. Как обеспечивается надежность работы устройства ЭВС при однофазной синхронизации?

10. Поясните недостаток однофазной синхронизации при распределении синхросигналов.