數位電路設計_蕭宇宏_同步循序邏輯電路_D型閂鎖器

各位同學好,在這個小單元裡頭,要為各位同學介紹的是D型栓鎖器。 D型栓鎖器可以克服一些前面講過的栓鎖器的一些問題,就趕緊來看看它是如何克服的。 在講解D型栓鎖器之前,先來看看之前介紹過的栓鎖器到底有什麼樣的問題。 在前面介紹的SR栓鎖器、S'R'栓鎖器以及智能型的栓鎖器,都有一個很嚴重的問題, 就是它會出現未定義因靜止的狀態。以SR栓鎖器來說,當S等於1,R等於1的時候,是一個未定義的狀態。 S'R'栓鎖器則是,S等於0,R等於0的時候,是一個未定義狀態。 智能栓鎖器則是,EN等於1,而且S跟R都為1的情況下,也是未定義的狀態。 那麼,剛纔看到的這些未定義狀態,因為有可能會讓電路產生所謂震盪的現象, 所以應該要確保不會發生這種情況,纔能夠正確的讓電路運作,否則很可能就會出現未知的狀況發生。 現在來介紹的D型栓鎖器,它就可以避免電路進入未定義的狀態。 那D型栓鎖器它又有另外一個名稱,就是稱為資料栓鎖器。 那這裡的D型其實就是取自於英文data資料的第一個字母而來的,所以稱為D型栓鎖器。 D型栓鎖器其實它是一個智能型的栓鎖器,先來看一下它的行為。 它有一個輸入信號EN,當EN為1的時候,輸入端的D的資料就會被傳送到輸出端來,所以它像是一個寫入的動作。 當EN為0的時候,就是靜能的情況,那麼輸出端的Q值就會保持前一刻的資料,直到在被智能的時候才會被改變,就是我說的這個鎖,是被鎖上去的。 那由於D型栓鎖器它有一個這樣子的智能信號,所以又可以稱為這種栓鎖器叫做正準位觸發D型栓鎖器。 之所以叫做正準位的意思就是這個智能的信號EN是為1的時候會做觸發的動作,可以將資料做寫入,當為0的時候就會保持不變。 接下來看到的是D型栓鎖器的電路圖,觀察一下這個電路圖,會發現大部分的電路其實就是智能栓鎖器的電路。 唯一不一樣的地方就是將智能栓鎖器的兩個輸入信號,其中一端經過一個反向送進來,將這兩個輸入信號結合在D的輸入信號,只是將其中一個信號做反向,就會變成我的D型栓鎖器了。 再來介紹它的一個栓鎖器動作,首先看到的是EN等於0的時候,那不管D的輸入信號是什麼,都會讓X1為1,X2為1,因為這是NAND閘的特性,只要有其中一端為0的話,輸出都是1,所以不管D的信號是什麼。 這個時候,後面的這個S'R'栓鎖器就是一個不變的狀態,所以從這裡可以知道,EN等於0的時候呢,它是呈現一個被鎖住的情形,所以狀態是不會改變的。 再來看到的就是EN等於1的時候,如果D等於1的話,會有什麼樣的情形發生呢?上面的X1會變成0,下面的X2,因為D做了一個反向才送進來,所以這時候,X2會變成1。 那這時候呢,後面的S'R'栓鎖器就是設定的狀態,所以會讓Q為1,Q'為0,呈現一個設定的狀態。那如果EN等於1的話,D等於0,會有什麼結果呢? X1會等於1,下面的這個D經過反向送到NAND閘,所以會讓X2變成0喔。這個時候,後面的這個S'R'栓鎖器會變成重置的狀態,所以Q就會變成0,Q'就會變成1了。 好,將剛才的整個動作行為整理成一個功能表。在介紹功能表之前,先來看一下D型栓鎖器的方塊圖表示法。在這裡呢,特別看到了一樣,Q'是一個反向的動作,所以會加一個小圈圈喔。 好,那接下來看到的功能表的部分,輸出一樣是用Qt加1來做討論。在一開始的EN等於0的這個情況,不管D是什麼信號,都是不改變的狀態,鎖是鎖上去的。所以呢,裡頭的結果就會維持不變,所以呈現Qt的結果。 當EN為1的時候呢,智能了,這時候D就會反應到輸出端,所以D為1呢,輸出就會為1,它是一個設定的狀態。那如果D為0的話呢,Qt加1就會為0,它是一個重置的狀態。所以D型栓鎖器的功能表非常好記喔,就是當智能信號是0的時候鎖上,所以是不改變。 當智能信號是1的時候呢,D的結果就反應到輸出Q了。好,最後一樣透過一個波形圖讓同學瞭解。輸入信號切成7個段落,看看Q的結果吧。T1是重置的狀態,因為智能信號EN是唯一的智能,所以看D的情形。 好,再來EN是0的話呢,就不變,所以維持前面的。EN為1,就變成設定了,好,D是1。再來EN是1的話呢,就是看D的情形,好,重置,好,直接寫過來。 EN是1,直接看D的結果,變成1。再來T6這個時間呢,EN為0了,鎖上去了,所以是不變的狀態,維持之前的結果。T7一樣,鎖上的情形,維持之前的結果。是不是很容易瞭解呢? 那瞭解了D型鑽鎖器之後呢,我們還再來看看它有沒有什麼樣的缺點呢?今天假設這是一個要設計出來的循序邏輯電路,那在下面這塊記憶元件,如果是使用D型鑽鎖器來呈現它的話呢,好,假設這是D型鑽鎖器放進來,那它會有一個智能信號EN,那這是一個正準位的D型鑽鎖器。 EN假設使用一個時鐘脈波的一個週期性信號去做一個觸發,那在時鐘脈衝為0的時候,好,那這個時候呢,D型鑽鎖器是呈現鎖住的情形。 所以此時呢,目前的這個狀態,也就是輸出Q啊,它是保持不變的,然後送入我的上面組合邏輯電路當作輸入值。所以呢,組合邏輯電路就會開始產生這個變化,並且呢,產生了輸出的結果,還會產生下一個狀態的結果,送到輸入端D。 但是此時呢,並不會直接寫入到D型鑽鎖器裡面,因為剛才提過了,現在時鐘脈衝是在0的情況,這個鑽鎖器是鎖住的,所以資料是進不去的喔。 好,但是呢,假設今天變成了在時鐘脈衝信號為1的時候,這時候D型鑽鎖器就被解開來了,這時候的D呢,就會反應到輸出Q,那會有什麼樣的現象呢?只要在這個準位為1的情況之下呢, D就會反應到Q,Q就會產生上面的組合邏輯電路的變化,又會產生下一個狀態,那同學就會發現這件事情,只要在準位為1的情況下,這個電路會呈現一個無限循環的狀態,也就是改變的結果又會更新到Q,Q會影響它的D的結果,所以一直不斷地在做一個追繞的動作。 那會有什麼樣的問題呢?我們來看看喔,假設上面組合邏輯電路,假設它的延遲時間是3ns的時間喔,那我打開來的這個時間,也就是時鐘脈衝時間假設是10ns,那會發生什麼情況呢?很可能D可能就會在10ns裡面變化了好幾次, 所以D型鑽鎖器的缺點就是,準位觸發的時間會過長,狀態很可能轉換多次,那到底它轉換幾次纔是我想要的呢?這是一個非常不確定的狀況,所以使用D型鑽鎖器變成這個準位觸發的時間要拿捏的妥當,纔有辦法設計出正確的電路,那無形之中也會造成設計電路上的一些困難或是一些問題。 所以在接下來呢,我們要介紹另外一種儲存元件來克服這樣子的一個缺點喔,各位同學,在這個小單元為各位同學介紹了一個D型鑽鎖器的電路,它克服了之前SR、S'、R'鑽鎖器這些缺點,但是我們也發現D型鑽鎖器還是有一些缺陷的地方, 所以在接下來的小單元,我們要再介紹新的一種儲存元件,那請同學繼續的看下去喔。