Sequenziell

Gedächtnisfunktion

Strukturell durch n Rückkopplungen in logischen Schaltungen erzeugt

• Flipflops

• Datenregister mit parallelem und/oder sequenziellem Zugriff

• Zähler und Teiler

• Register in Finite State Machines (Zustandsautomaten, FSM)

• Register in Verarbeitungs-Pipelines und CPUs

• Schreib-Lese-Speicher (RAM)

• Logikplan weist mindestens eine Rückkopplung

Ohne Eingänge ist diese Schleife nicht steuerbar. Steuereingänge sind auf unterschiedliche Weise möglich:

• Logikgatter NAND, NOR anstelle der Inverter - FLIPFLOP

• Zusätzliche Multiplexer in der Schleife - FLIPFLOP

• Überschreiben eines „schwachen“ Logikausganges durch ein „starkes“ elektrisches Signal - SRAM

• Zwei Eingänge R (RESET) und S (SET) für die Steuerung

• wirken asynchron, d.h. Takt-unabhängig

Die Steuerfunktion ist vergleichbar mit einem konventionellen mechanischen Kippschalter.

• Macht man “nichts“, so bleibt der frühere Zustand gespeichert.

• Aktives “Setzen“ schaltet den Schalter ein.

• Aktives “RückSetzen“ schaltet den Schalter aus.

• Gleichzeitiges “Setzen und Rücksetzen“ sollte vermieden werden.

Taktdiagramm

Realisierung OR

Realisierung NAND

Anwendungen des RF-Flipflops

• Taktunabhängige Zustandsspeicher (Statusregister, Flags)

• Schleife aus Negatoren durch Auswahlschalter (select) erreichbar

• Zwei zueinander inverse Datenleitungen yp und yn

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Anwendungen der SRAM-Speicherzelle:

• RAMs; Caches, Speicher mit kurzen Zugriffszeiten

• Matrix-Anordnung vieler Zellen erfordert komplexe Auswahllogik

• Rückkopplungsschleife mit Auswahllogik erweitert,

• daraus resultieren ein Takt- und ein Dateneingang

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Die Taktsteuerung ist vergleichbar mit dem Öffnen oder Schließen einer Tür. Daher auch die Bezeichnung „Latch“

• Steht der Takt auf „gesperrt“, dann bleibt der bisherige Zustand gespeichert. D wird ignoriert.

• Steht der Takt auf „freigegeben“, dann wird fortlaufend der eingegebene Datenwert D übernommen.

• Funktionsbeschreibung mittels Taktdiagramm

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• Der Auswahlschalter kann auch so verbunden sein, dass T = '0' die Datenübernahme und T = '1' die Speicherfunktion bewirken

Anwendungen des Latch

• Datenregister, Schreib-Lese-Speicher

• Nachteil des Taktzustandsgesteuerten DFF: Ausgangsdaten können während der Datenübernahme-Phase wechseln.

• Eingrenzung auf einen Datenübernahme-Zeitpunkt ist durch Anwendung des Master-Slave-Prinzips möglich.

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Die Wirkung des Taktes T ist vergleichbar mit einem Foto-Blitz.

• Datenübernahme: Hier während der positiven Taktflanke

• Funktionsbeschreibung mittels Taktdiagramm

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• Bei umgekehrter Ansteuerung beider Multiplexer ergibt sich ein negativ Taktflanken-gesteuertes DFF

Anwendungen des Flankengesteuerten DFF

• Zeitgenau arbeitende Daten- und Zustandsregister in Automaten, Schieberegister, Synchronzähler, Pseudozufallsgeneratoren...

• sind Gruppen von D-Flipflops mit gemeinsamen Takt.

• Es gibt Taktzustands- und flankengesteuerte Versionen.

• Zusätzlich können ein anynchroner SET- bzw. RESET-Eingang vorhanden sein, vgl. RS-Flipflop.

Die Anzahl der Flipflops entspricht der Anzahl der Bits der entsprechenden Datenstruktur.

• In jedem Register wird ein Operand gespeichert.

• Der gemeinsame Takt steuert die Datenübernahme.

• Indizierung der Datenbits hier: 0 bis n-1

• Lesezugriff jederzeit möglich

Anwendungen Taktflankengesteuerter Register

• Parallel SeriellDatenwandlung

• Synchronzähler

• Pseudozufalls-Generatoren

• Allgemein: FSM (Finite State Machines)

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Funktionsweise:

• wenn S = 0

  • Ausgänge werden Stellen-versetzt auf die Eingänge zurückgekoppelt.

  • Mit jeder positiven Taktflanke werden die Daten um eine Stelle verschoben (hier: nach unten).

• wenn S = 1

  • Positive Taktflanke löst Übernahme der Parallel-Dateneingänge aus

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Gemeinsamer Takt für alle FF

Beispiel: Wenn S = 0

• Ausgänge werden über Addierer auf die Eingänge zurückgekoppelt.

• Der zweite Summand ist hier mit 1 ( = 00000001) festgelegt.

• Mit jeder positiven Taktflanke wird der um 1 erhöhte Datenwert in das Z4 D4 Register eingeschrieben.

Wenn S = 1

• Positive Taktflanke löst Übernahme des initialen Zählerstandes aus. Dieser wird über D7....D0 eingespeist.

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Kein gemeinsamer Takt für FF

Beispiel für einfachen 3-Bit-Zähler

• reset wirkt jederzeit für alle FF

• Zähltakt nur an erstes FF

• D-Eingänge aller D-FF werden mit ihren neg. Ausgängen verbunden.

• Dadurch löst jeder Takt ein Kippen in den engegenges. Zustand aus.

• Das positive Kippen eines FF führt zum Kippen des nachfolgenden FF

• Im vorliegenden Beispiel ergibt sich ein Rückwärts-Zähler.

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• Negative Rückkopplungen über mind. 3 Gatter führen zur Oszillation

• Zusätzliche Elemente für stabile / niedrigere Frequenz

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• Positive Rückkopplungen in Logikschaltungen erlauben Speicher- funktionen, negative Rückkopplungen führen meist zu Oszillationen.

• RS-Flipflops arbeiten asynchron, d.h. Takt-unabhängig. Sie lassen sich mit mechanischen Lichtschaltern vergleichen.

• Das zustandsgesteuerte D-Flipflop lässt in einer Taktphase die Ein- gabedaten passieren. Datenspeicherung in der anderen Taktphase.

• Das flankengesteuerte D-Flipflop erlaubt nur eine Datenübernahme pro Takt, diese erfolgt Punkt-genau auf einer Taktflanke.

• Datenregister sind Gruppen von Flipflops mit gemeinsamer Taktsteuerung. Für Zähler und Schieberegister nutzt man Takt-flangengesteuerte FF.

• Schieberegister sind Datenregister, bei denen die Datenausgänge stellenverschoben auf die Dateneingänge zurückgekoppelt sind.

• Synchronzähler können aus einem flankengesteuerten Register und einem Addierer zusammengesetzt sein.

• Typisch für eine asynchrone Logik ist die Verwendung unterschied- licher Taktsignale für die einzelnen FF.