مبحث ششم

1. مبحث ششم ثباتها و شمارندهها Registers and Counters Presented by Ali Maleki Spring Semester, 2009

2. پیشگفتار • ثبات (Register) • ثبات به مجموعهای از فلیپفلاپها اطلاق میگردد که هر فلیپفلاپ میتواند یک بیت اطلاعات را ذخیره نماید. • شمارنده (Counter) • شمارنده ثباتی است که دنبالهي از پیش تعیین شدهای از حالتها را دنبال میکند.

3. فهرست مطالب ثبات شیفت رجیستر شمارندهي موجگونه شمارندهی همزمان شمارنده با حالتهای استفاده نشده شمارندهي حلقوی شمارندهی جانسون

4. ثبات 4 بیتی (4-bit Register) ثبات چهاربیتی با استفاده از فلیپ فلاپ D شماتیک مداری: نمودار زمانی:

5. ثبات با توانایی بار شدن موازی(parallel load) مفهوم بار شدن موازی کنترل کار کردن ثبات (در مسیر ساعت یا داده؟)

6. شیفت رجیستر (Shift Register) شیفت رجیستر: ثباتی که میتواند اطلاعات باینری خود را به سلول سمت چپ یا سمت راست خود جابجا نماید. شیفت رجیستر یک جهته انتقال سریال

7. شیفت رجیستر (Shift Register) جابجایی بیت جابجایی کلمه

8. کنترل جابجایی در شیفت رجیستر راهکارهای کنترل جابجایی: کنترل پالس ساعت کنترل داده

9. Timing pulse Shift Register A Shift Register B Serial Output of B Initial value 1 0 1 1 0 0 1 0 0 After T1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 After T2 1 1 1 0 1 1 0 0 0 After T3 0 1 1 1 0 1 1 0 0 After T4 1 0 1 1 1 0 1 1 1 کنترل جابجایی در شیفت رجیستر زمان جابجایی بیت زمان جابجایی کلمه

10. جمع سریال (Serial Addition) معرفی: مقایسهي عملیات سریال و عملیات موازی و طرح مصالحه

11. JK flip-flop Q(t) Q(t+1) J K 0 0 0 x 0 1 1 x 1 0 x 1 1 1 x 0 جمع سریال (Serial Addition) مثال: با استفاده از فلیپفلاپ JK ، یک جمعکنندهي سریال طراحی نمایید. اجزای تشکیلدهندهي این طرح: یادآوری روند طراحی: تعیین تعداد فلیپفلاپها (حالتها)، ورودیها، خروجیها ترسیم جدول حالت تعیین معادلات ورودی فلیپفلاپ و معادلهي خروجی ترسیم شماتیک انجام طراحی:

12. جمع سریال (Serial Addition) معادلهي ورودی فلیپفلاپ: JQ = xy, KQ = x’y’ = (x+y)’ معادلهي خروجی: S = x  y  Q

13. Mode Control S1 S0Register Operation 0 0 No Change 0 1 Shift Right 1 0 Shift Left 1 1 Parallel Load شیفترجیستر یونیورسال 4 بیتی (Universal Shift Register) قابلیتهای مورد نظر: قابلیت پاک کردن شیفت رجیستر قابلیت نگهداری مقدار با وجود پالس ساعت (خروجی سریال یا موازی) قابلیت جابجایی به راست (ورودی سریال- خروجی سریال یا موازی) قابلیت جابجایی به چپ (ورودی سریال- خروجی سریال یا موازی) قابلیت بار کردن موازی (ورودی موازی- خروجی سریال یا موازی)

14. شیفترجیستر یونیورسال 4 بیتی (Universal Shift Register) شماتیک مداری:

15. Left Shift Serial Data Input Right Shift Serial Data Input Clock QD QA QB QC Serial data input QA QB QC QD Left Shift Shift Direction Right Shift شیفترجیستر دوجهتهی 4 بیتی شیوهي عملکرد:

16. مفاهیم و اصطلاحات شیفترجیستر مفهوم انتقال سریال در مقایسه با عملکرد موازی شیوههای مختلف عملکرد شیفت رجیستر: ورودی موازی- خروجی موازی (Parallel-in Parallel-out) ورودی موازی- خروجی سریال (Parallel-in Serial-out) ورودی سریال- خروجی سریال (Serial-in Serial-out) ورودی سریال- خروجی موازی (Serial-in Parallel-out) انواع شیفت رجیستر سریال: شیفت رجیستر دوجهته (Bidirectional Shift Register) شیفت رجیستر یکجهته (Unidirectional Shift Register)

17. R0 R3 R2 R1 کاربردهای شیفترجیستر انتقال کلمات داده بین دو سیستم دیجیتال به صورت سریال Transmitter Parallel Data T0 T1 T2 T3 Serial Data Receiver Parallel Data

18. شمارندهها (Counters) • شمارندههای موجگونه یا غیرهمزمان (Ripple Counter) • شمارندههای همزمان (Synchronous Counter) • در شمارندهي موجگونه، گذر خروجی یک فلیپفلاپ به عنوان تحریک برای فلیپفلاپ بعدی استفاده میگردد. • در شمارندهي همزمان، تمام فلیپفلاپها با سیگنال ساعت یکسانی تحریک میگردند. • در ادامه به شمارندههای باینری و شمارندههای BCD خواهیم پرداخت.

19. شمارنده موجگونهي باینری (Binary Ripple Counter) نحوهي عملکرد طراحی با فلیپفلاپ T (لبهي منفی) طراحی با فلیپفلاپ T (لبهي مثبت) طراحی با فلیپفلاپ D طراحی با فلیپفلاپ JK

20. شمارنده موجگونهي باینری (Binary Ripple Counter) مثال: نمودار حالت شمارندهي باینری زیر را رسم کنید. شمارندهي پایینشمار (down-counter)

21. شمارنده موجگونهي BCD(BCD Ripple Counter) نمودار حالت شمارندهي BCD موجگونه:

22. شمارنده موجگونهي BCD (BCD Ripple Counter) شیوهي طراحی شمارندهي BCD موج گونه:

23. شمارنده دهدهی BCD سه رقمی چه روشی برای ایجاد شمارندهي دهدهی چند رقمی با استفاده از شمارندههای BCD پیشنهاد مینمایید؟

24. شمارنده همزمان باینری (Binary Synchronous Counter) A1 در چه شرایطی toggle میگردد؟ A2 و A3 چطور؟

25. بالا- پایین شمار باینری (Up-Down Synchronous Counter)

26. شمارندهي باینری با توانایی بار شدن موازی در مورد همزمان یا غیر همزمان بودن ورودی‌های «بار کردن» و «پاک کردن» نظر دهید. در مورد اولویت ورودی‌های «بار کردن» و «شمارش» نظر دهید.

27. شمارندهي همزمان BCD (Synchronous BCD Counter) معادلهي ورودی فلیپفلاپ: معادلهي خروجی: TQ1 = 1 TQ2 = Q8'Q1 TQ4 = Q2Q1 TQ8 = Q8Q1 + Q4Q2Q1 y = Q8Q1

28. شمارندهي BCD همزمان ایجاد شمارندهي BCD همزمان با استفاده از شمارندهي باینری با استفاده از ورودی همزمان بار کردن با استفاده از ورودی غیرهمزمان پاک‌کردن اشکال شماتیک را بیابید.

29. دیگر شمارندهها شمارنده با حالتهای بدون استفاده شمارندهي حلقوی شمارندهي جانسون

30. شمارنده با حالتهای استفاده نشده(Counter with unused states) راهکارهای طراحی شمارنده با حالتهای استفادهنشده: بیاهمیت فرضکردن این حالتها و بررسی عملکرد آنها در طرح نهایی لحاظ کردن حالت های استفاده نشده در روند طراحی مصالحه (مزیت ها و ایرادها):

31. شمارنده با حالتهای استفاده نشده مثال: میخواهیم با استفاده از فلیپفلاپ JK ، مدار شمارندهای با نمودار حالت زیر طراحی نماییم. عملکرد طرح بهازای حالتهای استفاده نشده چیست؟

32. JK flip-flop Q(t) Q(t+1) J K 0 0 0 x 0 1 1 x 1 0 x 1 1 1 x 0 شمارنده با حالتهای استفاده نشده روند انجام طراحی: ترسیم جدول حالت با بیاهمیت فرضکردن حالتهای استفادهنشده معادلههای ورودی فلیپفلاپ ترسیم شماتیک مداری بررسی عملکرد حالتهای استفاده نشده

33. شمارنده با حالتهای استفاده نشده معادلات ورودی: JA=B, KA=B JB=C, KB=1, JC=B’, KC=1, ترسیم شماتیک مداری: ترسیم نمودار حالت و بررسی حالت های استفاده نشده: پس شمارنده یک شمارندهي خودتصحیح است.

34. شمارندهي حلقوی (Ring Counter) Automatic Reset

35. سیگنال زمان بندی (Ring Counter) شیوههای مختلف ایجاد 2n سیگنال زمانبندی 1- با استفاده از شمارندهي حلقوی (با 2n فلیپ فلاپ) 2- با استفاده از شمارندهي باینری n بیتی و دیکدر n به 2n 3- با استفاده از شمارندهي جانسون (با 2n-1 فلیپ فلاپ)

36. ایجاد سیگنال زمانبندی با شمارندهي باینری شمارنده باینری 11 00 01 10 11 00 پالس ساعت خروجی‌های دیکُدر <><><><><><><><><>

37. A B C E Clock Q Q Q Q D D D D E’ Q’ Q’ Q’ Q’ شمارندهي حلقوی (switch-tail ring counter) A B C E 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0

38. Sequence Flip-flop outputs AND gate required number A B C E for output 1 0 0 0 0 2 1 0 0 0 3 1 1 0 0 4 1 1 1 0 5 1 1 1 1 6 0 1 1 1 7 0 0 1 1 8 0 0 0 1 شمارندهي جانسون (Johnson counter) اجزای شمارندهي جانسون: شمارندهي حلقوی switch-tail ِ k بیتی 2k گیت AND دو ورودی خروجی شمارندهي جانسون:2k سیگنال زمانبندی ویژگی خاص این حالت چیست؟ A' E' A B' B C' C E' A E A' B B'C C' E

39. A B C E Q Q Q Q D D D D Clock Q’ Q’ Q’ Q’ 4 5 6 3 8 1 7 2 شمارندهي جانسون (Johnson counter) A' E' A B' B C' C E' A E A' B B' C C' E

40. شمارندهي جانسون (Johnson counter) اگر شمارندهي جانسون وارد یکی از حالتهای استفاده نشده گردد چه میشود؟ در حالتهای استفاده نشده باقی خواهد ماند. برای جلوگیری از باقی ماندن در حالتهای استفاده نشده: DC = ( A + C ) B جدول را کامل نمایید. Sequence Flip-flop outputs number A B C E 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1

41. 1 MHz 1 Hz Crystal Oscillator MOD 1,000,000 MOD 60 1 pulse per second Minute set Hour set AM/PM counter 1 pulse per minute 1 pulse per hour MOD 60 MOD 12 MOD 2 Display Driver Display Driver Display Driver Display Driver AM/PM Disaplay Minute Display Hour Display مدارهای کاربردی: ساعت دیجیتال

42. مدارهای کاربردی: ساعت دیجیتال 1 MHz 1 Hz Crystal Oscillator MOD 1,000,000 1 pulse per second Minute set Hour set AM/PM counter 1 pulse per minute 1 pulse per hour MOD 60 MOD 12 MOD 2 MOD 60 Display Driver Display Driver Display Driver Display Driver Display Driver Display Driver AM/PM Disaplay Minute Display Hour Display Second Display

43. مدارهای کاربردی: چراغ راهنمایی چراغ راهنمایی یک تقاطع برای هر یک از مسیرها، برای مدت زمان تنظیم شده ای سبز می ماند. سپس چراغ به مدت 3 ثانیه نارنجی می شود و سپس قرمز می گردد تا چراغ مسیر دیگر سبز شود. مدت زمان سبز بودن چراغ این مسیر نیز مطابق زمان تنظیم شده ای است. برای تنظیم زمان سبز بودن چراغ برای هر یک از مسیرها از یک دیپ سوییچ 8 تایی استفاده می گردد. مداری جهت کنترل چراغ راهنمایی این تقاطع طراحی نمایید.

44. مدارهای کاربردی: چراغ راهنمایی یک بزرگراه شلوغ دارای تقاطعی با یک جاده ي کم تردد است. حسگرهای C وجود خودروی منتظر عبور در جاده را تشخیص می دهند. در صورتی که در جاده ماشینی نباشد چراغ همواره برای بزرگراه سبز می ماند. در صورت حضور خودرو در جاده، چراغ بزرگراه نارنجی و سپس قرمز می شود تا چراغ برای جاده سبز شود. چراغ جاده تا عبور تمام خودروها سبز می ماند به شرطی که زمان از مقدار تنظیم شده بیشتر نشود. در این شرایط، حتی اگر خودرویی هم در جاده باشد چراغ برای بزرگراه برای مدت تنظیم شده ای سبز می ماند. مداری برای کنترل چراغ راهنمایی این تقاطع طراحی کنید. زمان نارنجی بودن چراغ را 3 ثانیه در نظر بگیرید. حداقل زمان سبز بودن چراغ بزرگراه و حداکثر زمان سبز بودن چراغ جاده به وسیله ي دیپ سوییچ 8 تایی قابل تنظیم باشد.

45. مدارهای کاربردی: چراغ راهنمایی چراغ راهنمایی یک تقاطع برای هر یک از مسیرها، برای مدت زمان تنظیم شده ای سبز می ماند. سپس چراغ به مدت 3 ثانیه نارنجی می شود و سپس قرمز می گردد تا چراغ مسیر دیگر سبز شود. مدت زمان سبز بودن چراغ این مسیر نیز مطابق زمان تنظیم شده ای است. برای تنظیم زمان سبز بودن چراغ برای هر یک از مسیرها از یک دیپ سوییچ 8 تایی استفاده می گردد. مداری جهت کنترل چراغ راهنمایی این تقاطع طراحی نمایید.

46. مدارهای کاربردی: قفل دیجیتال