Suprasti „S-R“ skląsčio galią: vartai į šiuolaikinę elektroniką
Užkakliai yra paprasti skaitmeniniai įrenginiai, kurie saugo šiek tiek informacijos ir saugo šią vertę, kol gaus naujus įvesties signalus.Jie naudojami skaitmeninėse sistemose laikinai palaikyti dvejetainius duomenis.Užkakliai gali būti gaminami naudojant įvairių rūšių pagrindinius loginius vartus, tokius kaip ir, arba, ne, NAND, nei vartai.Šiame straipsnyje nagrinėjamas S-R skląsčio dizainas, funkcijos, variantai ir naudojimas, pabrėžiant geriausią vaidmenį šiuolaikinėje elektronikoje ir jo naudojimą praktinėse grandinėse ir skaitmeninės logikos modeliavime.
Katalogas
1 paveikslas: S-R skląsčio grandinės schema
S-R skląsčio struktūra
„S-R“ („Set-Reset“) užraktas, kertinis skaitmeninės elektronikos akmuo, yra bistabas multivibratorius.Jis gali neribotam laikui išlaikyti vieną iš dviejų skirtingų stabilių būsenų be išorinio įvesties.Dėl šios funkcijos SR skląstis yra pagrindinis atminties saugojimo ir perjungimo operacijų komponentas įvairiuose elektroniniuose įrenginiuose.
Struktūriškai SR skląstis susideda iš dviejų sujungtų sujungtų ar vartų, išdėstytų grįžtamojo ryšio kilpos dizaine.Šis konkretus išdėstymas yra svarbus, nes jis siūlo išankstines bistabilumo sąlygas.Kiekvienas nei vartų išvestis yra tiesiogiai prijungtas prie kito įvesties, sukuriant nuolatinę grįžtamojo ryšio kilpą, kuria grindžiamas skląsčio veikimas.
2 paveikslas: S-R skląstis ir laikrodžio signalas (CLK)
Išplečiant pagrindinį dizainą, „Gated SR“ užraktas pristato papildomą įvestį: laikrodžio signalą (CLK).Šis patobulinimas apima laikrodžio įvestį, kuris suteikia valdymo sluoksnį, integruojant skląsčio operacijas į sistemas, kurioms reikia sinchronizacijos.Šis sinchronizavimas įpareigotas, nes nustato tikslius momentus, kai skląstis gali pakeisti būsenas, taikliai apibūdintus terminu „vartomis“.Laikrodžio signalo įtraukimas užtikrina, kad užrakto išėjimo būseną pasikeičia tik aktyvaus laikrodžio fazės metu, paprastai kylančiame ar krintančiame CLK signalo krašte.
Įvedus CLK įvestį, ne tik išsaugo pagrindinio SR skląsčio savybes, bet ir suderina jo veikimą su didesnių skaitmeninių sistemų laiko dinamika.Šis suderinimo troškimas palaikyti duomenų vientisumą ir užtikrinti, kad būsenos perėjimai įvyktų be trikdžių ar nenumatytų pakeitimų, ypač sudėtingose grandinės konfigūracijose, kuriose gali sąveikauti keli užraktai.Kontroliuodama, kai užraktas reaguoja į rinkinio ir iš naujo nustatymo komandas, sistema gali išvengti tokių problemų kaip lenktynių sąlygos ir kitos su laiku susijusios klaidos, kurios kitaip gali sutrikdyti sistemos stabilumą ir našumą.
S-R fiksavimo veiklos būsenos
Jo veikimas priklauso nuo dviejų valdymo signalų įėjimų: nustatykite (-us) ir iš naujo (R).Čia paaiškiname, kaip šie įėjimai daro įtaką SR skląsčio išėjimams ir būsenoms.
1 atvejis: nustatykite sąlygą
Kai rinkinio (-ų) įvestis yra aukštas (1), o iš naujo (R) įvestis yra žemas (0), skląstis patenka į nustatytą sąlygą.Esant tokiai būsenai, NAND vartai, sujungti su R įvestimiiki žemo (0).Ši būsena yra stabili ir išlaikys Q aukštą, kol pasikeis įvestys, parodydamos skląsčio galimybę laikyti aukštą būseną.
3 paveikslas: nustatyta būsena
2 atvejis: Atstatymo sąlyga
Kai S yra žemas (0), o r yra aukštas (1), skląstis patenka į atstatymo būklę.Čia didelis įvestis R ir maža S įvestis NAND vartai, sujungti su R išvesties, yra žemas signalas.Šis žemas signalas nustato Q iki žemą (0) ir Q-BAR į aukštą (1), efektyviai iš naujo nustatyti skląstį.Tai parodo skląsčio sugebėjimą grįžti į stabilią žemą Q būseną Q, kai jam suteikiama tinkama įvestis.
4 paveikslas: Atstatymo būsena
3 atvejis: neteisinga būsena
Jei tiek S, tiek R yra žemi (0), abu įėjimai į NAND vartus yra žemi, todėl abu išėjimai Q ir q-Bar pakyla aukštai.Ši būsena vadinama negaliojančia arba draudžiama, nes ji sulaužo pagrindinę taisyklę, kad Q ir Q-Bar visada turėtų būti priešingybės.Šis scenarijus pabrėžia SR skląsčio apribojimą, pabrėžiant, kaip svarbu išvengti tokių nestabilių būsenų tinkamai valdant įvesties valdymą.
5 paveikslas: Neteisinga būsena
4 atvejis: sulaikykite būklę
Kai abu įėjimai yra aukšti (1), išėjimai priklauso nuo ankstesnės skląsčio būsenos, o ne į dabartinius įvestis.Tai žinoma kaip sulaikymo būklė, kai Q ir Q-baro lieka nepakitusios, išsaugodami paskutinę galiojančią skląsčio būseną.Kai kurioms programoms svarbu, kad ilgą laiką be modifikavimo būtų galima išlaikyti užfiksuotą būseną, pavyzdžiui, atminties saugojimo ląstelės, kuriose duomenų vientisumas yra labai svarbus.
6 paveikslas: sulaikymo būsena
S-R užraktas su tiesos lentele
Ši lentelė nėra tik teorinė priemonė, bet ir praktiška tiek trasų dizaineriams, tiek studentams.Tai padeda jiems pamatyti, kaip skląstis elgiasi daugeliu sąlygų.Žemiau pateikiame išsamią SR skląsčio tiesos lentelę, po kurios pateikiami kiekvienos sąlygos paaiškinimai ir praktinės įžvalgos.
|
S |
R |
Q. |
Q-bar |
Būsena |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
Negaliojantis |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
Atstatyti |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
Nustatytas |
|
1 |
1 |
Q. |
Q-bar |
Sulaikyti |
1 diagrama: SR
Lako tiesos lentelė
Kiekvienos eilės paaiškinimas
Nustatykite sąlygą (s = 1, r = 0): Ši eilutė rodo, kad kai S yra aukšta, o r yra žemas, Q yra aukštai (1) ir q-bar iki žemos (0).Tai atspindi grandinės atsakymą į nustatytą komandą, veiksmingai saugodamas „1“.
Atstatymo sąlyga (s = 0, r = 1): Čia įvestys rodo iš naujo nustatymo operaciją.Taigi q yra atstatytas į žemą (0), o Q-BAR nustatomas aukštai (1).Ši būsena parodo skląsčio gebėjimą grįžti į „0“.
Neteisinga būklė (S = 0, r = 0): Abu išėjimai tampa dideli, o tai paprastai vengiama, nes abu išėjimai yra identiški.Tai gali sukelti nestabilumą ar neapibrėžtą elgesį skląsčiuose, nes tai pažeidžia taisyklę, kad Q ir Q-Bar visada turėtų būti priešingybės.
Sulaikymo sąlyga (S = 1, r = 1): Šiame scenarijuje užraktas palaiko savo ankstesnę būseną, parodydamas savo sugebėjimą išlaikyti paskutinę nustatytą būseną, nebent būtų aiškiai liepta keistis.
Praktinės įžvalgos ir patarimai
Supratimo išėjimai: Visada atsiminkite, kad Q ir Q-Bar yra idealiai papildomi.Bet koks nukrypimas nuo šios taisyklės (kaip matoma negaliojančioje sąlygoje) rodo problemą ar klaidingą konfigūraciją.
Vengiant negaliojančios būsenos: būtina, kad dizaineriai pasirūpintų, kad užkirstų kelią situacijai, kurioje S ir R yra žemos.Įdiegus papildomą logiką ar blokavimus, galite išvengti šios būsenos.
Naudojant sulaikymo būklę: sulaikymo sąlyga gali būti ypač patogi programose, kurioms reikia išsaugoti duomenis laikui bėgant.Duomenų vientisumo palaikymas gali priklausyti nuo to, ar skląstis netyčia nepatenka į rinkinį ar iš naujo nustato būseną.
Tiesos lentelės aiškinimas: Projektuojant ar derinant grandines, nurodykite tiesos lentelę, kad numatytumėte, kaip įvesties pokyčiai paveiks išvestį, ypač sudėtingose grandinėse, kuriose naudojamos keli užraktai.
S-R fiksavimo funkcinė dinamika
S-R (SET-RESET) užraktas veikia gerai tik tuo atveju, jei jo įėjimai yra tinkamai valdomi.Norėdami suprasti, kaip jis veikia, turite žinoti, kaip skirtingi įvesties deriniai veikia išėjimus, Q ir Q-BAR (Q).
7 paveikslas: S-R skląstis
Jei abu rinkiniai (-ai) ir iš naujo (R) yra suaktyvinti tuo pačiu metu (S = 1 ir r = 1), skląstis patenka į „draudžiamą būseną“, kur abi išėjimai-Q ir Q-Bar, yra 0.Tai yra problema, nes paprastai Q ir Q ir Q-bar turėtų būti priešingybės.
Normaliomis sąlygomis, kad nustatytumėte skląstį, jūs suaktyvinate S (nustatykite S į 1) ir išjunkite R (nustatykite R į 0).Dėl to Q gali būti aukštai (1) ir „q-bar“ (0), rodantis, kad skląstis gali saugoti A 1. Norėdami iš naujo nustatyti skląstį, jūs suaktyvinkite R (nustatykite r iki 1) ir išjunkite S (nustatykite S iki 0).Dėl to Q tampa žema (0) ir „Q-Bar“ aukštai (1), rodantis, kad skląstis gali išvalyti save ir laikyti 0.
Kai abu įėjimai yra išjungti (s = 0 ir r = 0), skląstis išlaiko paskutinę būseną, nustatytą arba iš naujo nustatyti.Tai naudinga saugoti duomenis ar išlaikyti būseną, nereikalaujant nuolatinio įvesties.
Rasės sąlygos gali apsunkinti S-R fiksavimo veikimą.Šios klaidos įvyksta, kai išėjimai labai priklauso nuo įvesties pakeitimo laiko, todėl gaunami nenuspėjami rezultatai, jei įėjimai keičiasi beveik tuo pačiu metu.Norėdami to išvengti ir užtikrinti, kad skląsčio darbai būtų patikimai, dažnai naudojami laiko dedimo mechanizmai.Šie vėlavimai įsitikina, kad vienas įvestis suaktyvėja po to, kai kitas turėjo laiko stabilizuoti.Kad skląstis būtų naudojamas skaitmeninėse grandinėse, kur reikalingas tikslus laikas, jis turi atlikti nuosekliai ir išlaikyti pastovius išėjimus.Tai įgalina kontroliuojamas laikas.
S-R fiksavimo loginė schema
SR užraktas yra pagrindinė nuosekli loginė grandinė su dviem pagrindinėmis konfigūracijomis: nei nand vartai.Kiekviena sąranka daro įtaką užrakto veikimui ir reaguoja į įvestis, leidžiančią pritaikyti įvairias elektronines programas.
8 paveikslas: Loginė diagrama rodo S-R skląsčiui naudojant NAND vartus
Įgyvendinimas naudojant „Nand Gates“
Statant SR skląsčiui su „Nand Gates“, jo būsenai palaikyti naudojama grįžtamojo ryšio kilpa.Ši sąranka leidžia skląsčiui išlaikyti ankstesnę būseną, kai abu įėjimai (S ir R) yra žemi.NAND vartų išėjimo aukšta, nebent abu įėjimai yra aukšti.Užsisakymo būsena keičiasi, kai vienas įvestis yra didelis, o kitas yra žemas.Geriausia vengti tiek S, tiek R aukšto nustatymo tuo pačiu metu, nes tai verčia abi išores mažėti, todėl atsiranda neapibrėžta būsena, kur išėjimai nebėra papildomi.Tinkamas įvesties valdymas yra būtinas, kad būtų išvengta nestabilumo NAND pagrįstame SR skląsčiuose.
Įgyvendinimas naudojant ir vartus
Naudojant ir vartus SR skląsčiui keičiant eksploatavimo sąlygas, palyginti su NAND vartais.Šioje konfigūracijoje užraktas turi savo būseną, kai abu įėjimai yra aukšti.Užrakto keičiasi, kai vienas įvestis yra žemas, o kitas yra aukštas.Nei vartų išėjimas aukštai tik tuo atveju, jei abu įėjimai yra žemi.Ši sąranka yra naudinga grandinėse, kuriose numatytoji būsena turi būti mažos išėjimai, užtikrinantys nuspėjamą išėjimą esant didelio įvedimo sąlygoms.Tačiau geriausia vengti abiejų įvesties nustatymų tuo pačiu metu, nes tai sukelia prieštaringą rezultatą ir sumažina skląsčio patikimumą.
9 paveikslas: Loginė schema žymi S-R fiksatorių, naudojant nei vartus
Grandinės pavyzdys
Tyrinėjimas, kaip SR užraktai veikia realiame gyvenime, rodo jų naudingumą.Puikus pavyzdys yra grandinė, naudojanti CD4001 lustą, kuriame yra keturi ir vartai.Ši grandinė parodo, kaip SR skląsčiai gali valdyti tokius įrenginius, kaip šviesos diodai, naudojant paprastus veiksmus, pavyzdžiui, paspaudus mygtukus.
Šiame pavyzdyje CD4001 lusto NO vartai yra nustatyti SR skląsčiui padaryti.Du vartai yra sujungti grįžtamojo ryšio kilpa, kad užrakto būsena būtų.„PushButtons“ pridedami prie grandinės kaip įėjimai rinkiniui ir iš naujo.Paspaudus mygtuką, keičia įvesties būseną, kuri keičia skląstį ir LED būseną.Pvz., Paspaudus rinkinį mygtuką, užsidega LED ir jis lieka apšviestas net po to, kai paleido mygtuką, parodydamas, kaip skląstis gali išlaikyti būseną.
Kad grandinė būtų geresnė, galima pridėti daugiau šviesos diodų, kad būtų parodyta tiek Q, tiek Q-baro išėjimo būsena.Tai leidžia lengviau suprasti, kaip veikia užraktas, o tai labai naudinga mokymosi aplinkoje.
10 paveikslas: S-R skląstis naudojant CD4001 lustą
Kodo įgyvendinimas
Išverčiant SR skląsčio veiklos logiką į programinę įrangą, parodoma, kaip skaitmeninis logikos dizainas gali veikti tiek aparatinėje įrangoje, tiek virtualiose modeliavimuose.Tokios programavimo kalbos naudojimas, kaip C ++, yra veiksminga, nes ji palaiko sudėtingą logiką ir valdymą, reikalingą aparatinės įrangos elgesiui imituoti.
Norėdami padaryti SR užraktą C ++, pradedate apibrėždami pagrindinius loginius vartus kaip funkcijas, kurios veikia kaip jų aparatūros versijos.Pavyzdžiui, „Nand Gate“ funkcija grąžintų priešingybę ir operacijai į savo įvestis.Panašiai, nei vartų funkcija grąžintų priešingybę ar operacijai.Naudodamiesi šiomis pagrindinėmis funkcijomis, galite modeliuoti SR fiksavimo elgesį sukurdami grįžtamojo ryšio kilpą tarp šių vartų funkcijų, remiantis skląsčio grandinės diagrama.
Paprastai kodas turėtų kilpą, kuri nuolat tikrintų įvesties būsenas (nustatytų ir iš naujo) ir atitinkamai atnaujintų išėjimus (Q ir Q-Bar).Sąlyginiai teiginiai šios kilpos viduje lemia, kaip įvesties pokyčiai veikia išėjimus, atidžiai imituojant SR fiksavimo fizinį elgesį.Pvz., Jei tiek rinkinių, tiek iš naujo nustatytų įėjimai yra žemi, išėjimai išlieka vienodi.Jei rinkinys yra didelis ir iš naujo nustatytas, išėjimo q tampa aukštas, o q-bar tampa žemas, atkartojant skląsčio nustatytą būklę.
Štai paprastas pavyzdys, kaip tai gali atrodyti kode:
11 paveikslas: SR skląstis C ++
Šis kodas nustato paprastą SR skląstį, naudodamas, nei vartus, ir nuolat tikrina ir atnaujina skląsčio būseną, pagrįstą įėjimu.
SR skląsčio programos
Valdymo sistemos Variklio operacijose: SR skląstis, kurio reikalauja variklio valdymo sistemos.Naudodamas „Start“ (-as) ir STOP (R) mygtuko jungiklius, SR užraktas saugo variklį, net ir po to, kai paleido mygtuką.Ši sąranka užtikrina, kad variklis nuolat važiuoja, kol sustos, padidinant saugumą ir patogumą.
Atmintis ir duomenų saugojimas: kuriant didesnes atminties grandines, SR užraktas vaidina svarbų vaidmenį, nes ji gali saugoti vieną duomenų kiekį.Jis palaiko duomenis stabilioje būsenoje, kol bus atnaujinta, sudarydamas atminties ląstelių pagrindą skaitmeniniame skaičiavime.
Signalo valdymas ir valdymas: Valdymo signalo programose SR skląsčiai laiko specifinius bitus, kol nebus įvykdytos tam tikros sąlygos, užtikrinant tinkamą seką ir laiką operacijose.Tikslumas signalo apdorojimui ir duomenų srautui priklauso nuo to.
Dranko grandinės: SR skląsčiai stabilizuoja signalus iš mechaninių jungiklių ir mygtukų, užkertant kelią klaidingam suaktyvinimui ir klaidoms, kurias sukelia „atšokimas“ paspaudus jungiklius.Tai ypač tinka skaitmeninėms sąsajoms, tokioms kaip klaviatūros.
Pagrindiniai elementai skaitmeninėse sistemose: „Flip-Flops“ ir „Counters“ dizainas, tinkamus laiko nustatymui ir sekos nustatymui elektronikoje, labai priklauso nuo SR skląsčių.Jie taip pat naudojami kaip impulsų užraktai, skirti greitai perjungti būseną.
Specializuotos programos: Asinchroninėse sistemose variantai, tokie kaip D užraktas, naudojami saugiam ir patikimam duomenų perdavimui.Sinchroninėse dviejų fazių sistemose duomenų užraktai sumažina tranzito skaičių, pagerina efektyvumą ir sumažina vėlavimą.
Platesnės įtakos elektronikai: SR skląsčiai yra plačiai naudojami energijos vartų grandinėse, vaidinant energijos taupymą elektroniniuose prietaisuose.Jie valdo galios būsenas išsamiu lygiu, prisidėdami prie bendro skaitmeninių sistemų energijos efektyvumo.
Išvada
„S-R“ skląstis parodo paprastų loginių struktūrų svarbą sudėtingose skaitmeninėse sistemose.Pažvelgę į skirtingas jo sąrankas ir tai, kaip ji veikia, matome, kad „S-R“ skląstis palaiko duomenis stabiliais ir daro sistemas efektyvią ir patikimą.Jis gali veikti įvairiomis sąlygomis, parodytas tiesos lentelėmis ir logikos diagramomis, todėl ji yra pritaikoma kelioms reikmėms, pradedant variklio valdymu ir baigiant pagrindinėmis skaitmeninėmis grandinėmis, tokiomis kaip „Flip-Flops“ ir skaitikliai.„S-R“ užraktas yra tinkamas daugelyje praktinių programų, tokių kaip atminties langeliai kompiuteriuose ir skaitmeninėse sąsajose esančiose diskonuojančiose grandinėse, padidinant efektyvumą ir mažinant elektroninių prietaisų klaidas.Naudojant grįžtamojo ryšio mechanizmus ir kruopščią įvesties signalo valdymą, „S-R“ skląstis yra geras kuriant patikimesnes ir efektyvesnes skaitmenines sistemas.Savo funkcijos studijavimas naudojant programinės įrangos modeliavimą padeda sujungti teorinę elektroniką su realaus pasaulio programomis, todėl S-R fiksacija yra svarbi tema tiek naujiems, tiek patyrusiems elektroniniams inžinieriams.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
1. Koks yra SR skląsčio tikslas?
SR užraktas naudojamas vienam duomenų saugojimui;Tai yra pagrindinė atminties forma skaitmeninėse grandinėse.Pagrindinė jo funkcija yra šiek tiek išlaikyti būseną, kol ją pakeis įvesties signalai.
2. Ar SR skląstis yra aktyvi aukšta ar žema?
SR skląstis paprastai yra aktyvus, tai reiškia, kad jis reaguoja į aukštus įėjimus (1 loginis lygis).Kai įėjimai S (SET) ir R (RESET) yra aukšti, jie sukelia išvesties pokyčius.
3. Koks yra SR užrakto trūkumas?
Pagrindinis SR skląsčio trūkumas yra jo jautrumas netinkamam būklei, kai tiek rinkinio, tiek atstatymo įėjimai yra dideli.Ši situacija lemia neapibrėžtą produkciją, dėl kurios gali būti nepatikimas ar nenuspėjamas elgesys.
4. Kokios yra SR skląsčio taisyklės?
Jei s (rinkinys) yra aukštas, o r (iš naujo) yra žemas, išvestis Q yra aukštai.
Jei r yra aukštas ir S yra žemas, išėjimas Q yra nustatytas iš naujo į žemą.
Jei tiek S, tiek R yra žemi, išėjimas išlaiko ankstesnę būseną.
Jei tiek s, tiek r yra aukštos, išvestis neapibrėžta arba neteisinga.
5. Kas yra atmintis SR skląstyje?
Atmintis SR skląsčiui reiškia jos gebėjimą neribotą laiką išlaikyti išvesties būseną (aukštą ar žemą), kol ji negaus įvesties, kad pakeistų būseną.Tai daro jį bistabaliu įrenginiu, idealiai tinkančiu paprastam atminties saugojimui.
6. Kokie yra SR skląsčio išėjimai?
SR skląstis turi du išėjimus: Q ir Q '(Q-BAR).Q žymi dabartinę būseną, o Q 'yra atvirkštinė Q. Kai q yra aukštas, q' yra žemas, ir atvirkščiai.
7. Kur mes naudojame skląstį?
Kai reikia trumpalaikio duomenų saugojimo ar būsenos išsaugojimo, užraktai naudojami įvairiose programose.Tai apima duomenų saugojimą „Flip-Flops“, registruose ir atminties blokuose, taip pat sistemose, kurioms reikalingas duomenų sinchronizavimas ir grandinės palaikymo funkcijos.