Download der Folien - Systemsoftware und Verteilte Systeme ...

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Download der Folien - Systemsoftware und Verteilte Systeme ...

Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Schaltnetze und Schaltwerke

Dipl.‐Inform. Ingo Scholtes

Systemsoftware und Verteilte Systeme

Universität Trier

http://syssoft.uni‐trier.de/~scholtes

scholtes@syssoft.uni‐trier.de

Elementarspeicher: R‐S‐Latch

• Kreuzverschaltete NOR‐Gatter

– R: Reset

– S: Set

– Ausgang Q mit Komplement

• Ausgang zurücksetzen

– R=1, S=0

• Ausgang setzen

– R=0, S=1

• Wert speichern

– R=0, S=0

R

S

Q

Q

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 1


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

• Verbotene Eingangskombination

– R = S = 1

– Q = ‐Q = 0

• Verbotener Übergang

– R und S gleichzeitig von 1 nach 0

– Oszillation der Ausgänge

– Race‐Condition

S R Q

Probleme

0 0 Speichern

0 1 0

1 0 1

1 1 Instabil

Theoretische und beobachtbare Zustände

SR=00,01

00,10

01

01

10

10

01

11

11

10

SR=00,01

00,10

11

10

01

10

00

01

10

01

00,11

11

00

11

10

00

11

00

01

11 QQ 00

Theoretisches

Zustandsdiagramm

Beobachtbares

Zustandsdiagramm

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 2


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Grundproblem

• Wann wirken sich Änderungen der Eingänge aus?

– R‐S‐Latch?

• Verbotener Übergang 1 0

– Wie verhindern?

– Minimale Zeitdifferenz einhalten?

– Schwierig!

R

Q

R‐S‐Latch: Zeitdiagramm

S

Q

‐Q

Q

S

R

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 3


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Steuerungsarten

• Begrenzung des Zeitraums …

– in welchem sich Eingangsänderungen auswirken können

– Optimum?

A

• Drei Varianten

– Ungesteuert (z.B. R‐S‐Latch)

E

– Pegelgesteuert

– Flankengesteuert

• Positiv (0 nach 1)

• Negativ (1 nach 0)

A

Enable

E

A

Clock

E

• Zeitfenster vor und nach dem Flankenwechsel

– Setup‐Zeit: T SU

– Hold‐Zeit: T H

• Stabiler Eingang innerhalb dieses Zeitfensters

– Verhalten ansonst undefiniert

• Typische Werte (TTL)

– TSU = 20ns

– TH = 5ns

E

T SU

T H

Flankensteuerung

Clock

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 4


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Wirkintervall

Wirkintervall

T SU

T H

E

Clock

Kippintervall

Wirkintervall

T SU

T H

E

Clock

Q

Kippintervall

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 5


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

• Steuereingang Enable

Pegelgesteuertes R‐S‐Latch

R

Q

S

Q

Enable

Pegelgesteuertes R‐S‐Latch

• Steuereingang Enable

R

0

X 1

0 X 1

Q

Q

S

1

X 0

Enable

1

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 6


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

• Steuereingang Enable

Pegelgesteuertes R‐S‐Latch

R

1

X 0

1 X 0

Q

Q

S

0

X 1

Enable

1

Pegelgesteuertes R‐S‐Latch

• Steuereingang Enable

R

0

Q

S

0

Q

Enable

1

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 7


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

• Steuereingang Enable

Pegelgesteuertes R‐S‐Latch

R

1

X 0

1 X 0

Q

Q

S

1

X 0

Enable

1

Pegelgesteuertes R‐S‐Latch

• Steuereingang Enable

R

X

Q

S

X

Q

Enable

0

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 8


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

J‐K‐Latch

• Erweiterung eines R‐S‐Latch

– Ungültige Eingabe R=S=1 verhindern

• Was passiert bei J=K=1?

J

S

Q

K

R

Q

Zeitdiagramm: K=1, J=0, Q=1

J

Q

K

Q

‐Q

Q

J(‐Q)

KQ

J

K

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 9


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Zeitdiagramm : K=0, J=1, Q=0

J

Q

K

Q

‐Q

Q

J(‐Q)

KQ

J

K

Zeitdiagramm: J=K=1, Q=0

J

Q

K

Q

‐Q

Q

J(‐Q)

KQ

J

K

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 10


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

J‐K‐Latch: Charakteristische Gleichung?

Latch vs. Flip‐Flop

• Latch

– Ungesteuert

– Pegelgesteuert

• Änderung der Ausgänge bei

Änderung der Eingänge

• Flip‐Flop

– Positiv flankengesteuert

– Negativ flankengesteuert

– Master/Slave

• Änderung der Ausgänge wird

durch den Steuerungseingang

getriggert

D

C

Q

D

Q

Clock

Clock

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 11


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

• Dauer‐Toggle verhindern

JK‐Master/Slave‐Flip‐Flop

J

K

S Q

R‐S‐Latch

R Q

S Q

R‐S‐Latch

R Q

Q

Q

Clock

Zeitdiagramm: J=0, K=1, Q=1

J

K

S Q

R‐S‐Latch

R Q

S Q

R‐S‐Latch

R Q

Q

Q

Clock

‐Q

Q

J

K

Clock

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 12


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Zeitdiagramm: J=1, K=0, Q=0

J

K

S Q

R‐S‐Latch

R Q

S Q

R‐S‐Latch

R Q

Q

Q

Clock

‐Q

Q

J

K

Clock

Zeitdiagramm: J=K=1, Q=0

J

K

S Q

R‐S‐Latch

R Q

S Q

R‐S‐Latch

R Q

Q

Q

Clock

‐Q

Q

J

K

Clock

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 13


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Zeitdiagramm: One Catching

J

K

S Q

R‐S‐Latch

R Q

S Q

R‐S‐Latch

R Q

Q

Q

Clock

‐Q

Q

J

K

Clock

D‐Flip‐Flop

• Reine Flankensteuerung

• Beispiel D‐Flip‐Flop

– 3 kreuzverschaltete R‐S‐Latches

D

Q

Q

Clock

Clock

Q

D

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 14


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 1 (1)

D=0

Clock

D=1

0

Q

Clock

1

Q

0

D

D=1

D=0

D‐Flip‐Flop, D = 1 (2)

D=0

Clock

D=1

D=0

Q

Clock

0

Q

D=1

D

D=1

D=0

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 15


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 1 (3)

D=0

Clock

D=1

Clock

0

D=0 1

Q

0

Q

D=1

D

D=1

D=0

D‐Flip‐Flop, D = 1 (3)

0

Clock

1

Clock

0

0 1

Q

0

Q

1

D

D=1

0

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 16


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 1 (4)

0

Clock

1

Clock

0

0 1

Q

0

Q

1

D

D=X

0

D‐Flip‐Flop, D = 1 (5)

0

Clock

1

Clock

1

0 1

Q

0

Q

1

D

D=X

0

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 17


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 1 (6)

0

Clock

1

Clock

1

0 1

Q

0

Q

0

D

D=X

0

D‐Flip‐Flop, D = 1 (7)

D

Clock

1

Clock

1

0 1

Q

0

Q

0

D

D

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 18


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 1 (8)

D

Clock

D

Clock

1

0 1

Q

0

Q

0

D

D

D‐Flip‐Flop, D = 0 (1)

D=1

Clock

D=0

0

Q

Clock

1

Q

0

D

D=0

D=1

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 19


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 0 (2)

D=1

Clock

D=0

0

Q

Clock

0

Q

0

D

D=0

D=1

D‐Flip‐Flop, D = 0 (3)

D=1

Clock

D=0

D=1

Q

Clock

0

D=0

Q

D

D=0

D=1

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 20


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 0 (4)

D=1

Clock

D=0

D=1

0

Q

Clock

0

D=0

1

Q

D

D=0

D=1

D‐Flip‐Flop, D = 0 (5)

1

Clock

0

1

0

Q

Clock

0

0

1

Q

D

D=X

1

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 21


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 0 (6)

D

Clock

0

1

0

Q

Clock

0

0

1

Q

D

D=X

D

D‐Flip‐Flop, D = 0 (7)

D

Clock

0

1

0

Q

Clock

1

0

1

Q

D

D=X

D

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 22


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

D‐Flip‐Flop, D = 0 (8)

D

Clock

0

0

0

Q

Clock

1

0

1

Q

D

D=X

D

D‐Flip‐Flop, D = 0 (9)

D

Clock

D

0

0

Q

Clock

1

0

1

Q

D

D=X

D

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 23


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Zeitdiagramm:

g0

Clock

g1

g2

Q

Q

D

g3

Q

‐Q

g3

g2

g1

g0

D

Clock

Fazit D‐Flip‐Flop

• Reine Flankensteuerung

– Negative Flanke

– Keine ungültigen Eingaben

– Kein Dauer‐Toggle

– Kein One‐Catching

• Kippintervall?

– kurz nach Wirkintervall

– Fix

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 24


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Experiment …

• Speicherkette

– Schieberegister

D 0 Q 1 D 1 Q 2 D 2 Q 3

Clock

Funktionsweise

Wirkintervall

Wirkintervall

D 0

Clock

Q 1 =D 1

Kippintervall

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 25


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Clock Skew

• Synchroner Takt unrealistisch

– Clock Skew

D 0 Q 1 D 1 Q 2 D 2 Q 3

Clock t 1

t 2

Clock Skew

Wirkintervall

Wirkintervall

D 0

Clock

Q 1 =D 1

Kippintervall

Kippintervall

Clock+t 1

Wirkintervall

Wirkintervall

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 26


Schaltnetze/Schaltwerke Sommersemester 2008

Zweiflankensteuerung

• Gründe für Probleme

• Ziel

– Wirk‐ und Kippintervall recht nah beieinander

– gekoppelt

– nicht steuerbar

– Bessere Entkopplung

– Steuerbarkeit

– Ideen?

Das war‘s …

Folien und Übungsblatt wie immer unter …

– http://syssoft.uni‐trier.de/~scholtes

Folien (c) Peter Sturm, Ingo Scholtes, University of Trier 27

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