ทำไมเราถึงเลือก Flip Flops

ฉันพยายามทำความเข้าใจ Flip Flops & Latches ฉันอ่านจากหนังสือ Digital Logic โดย Morris Mano สิ่งหนึ่งที่ฉันไม่สามารถเข้าใจได้คือเหตุผลที่เราเฝ้าดูรองเท้าแตะ

ฉันเข้าใจว่าทำไมเราถึงต้องการ 'เปิดใช้งาน' หรือสลักแบบมีขอบ แต่การใช้นาฬิกาคืออะไร ฉันไม่สามารถเข้าใจสิ่งนี้ ทำไมเราไม่สามารถเปิดใช้งาน flip-flop ที่จำเป็นและให้อินพุตได้ ในขณะที่เราเปลี่ยนอินพุตเอาต์พุตจะเปลี่ยน เหตุใดเราต้องเปลี่ยนผลลัพธ์ด้วยขอบนาฬิกาที่เพิ่มขึ้นหรือลดลง (ในกรณีที่มีการเปิดใช้งานฟลิปฟล็อป)

ความช่วยเหลือใด ๆ เกี่ยวกับเรื่องนี้ชื่นชม

เหตุผลหนึ่งที่เรานาฬิกาฟลิปฟล็อปเพื่อที่ว่าจะไม่มีความวุ่นวายเมื่อเอาท์พุตของฟลิปฟล็อปถูกป้อนผ่านฟังก์ชั่นลอจิกและกลับสู่อินพุตของพวกเขาเอง

หากมีการใช้เอาต์พุตของ flip-flop เพื่อคำนวณอินพุตของมันมัน behooves เราให้มีพฤติกรรมที่เป็นระเบียบ: เพื่อป้องกันสถานะของ flip-flop ไม่ให้เปลี่ยนแปลงจนกระทั่งเอาต์พุต (และดังนั้นอินพุต) จึงมีความเสถียร

การตอกบัตรช่วยให้เราสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ซึ่งเป็นเครื่องรัฐ: พวกเขามีสถานะปัจจุบันและคำนวณสถานะต่อไปของพวกเขาขึ้นอยู่กับสถานะปัจจุบันและอินพุตบางส่วน

ตัวอย่างเช่นสมมติว่าเราต้องการสร้างเครื่องที่ "คำนวณ" การเพิ่มจำนวน 4 บิตจาก 0000 เป็น 1111 แล้วล้อมรอบเป็น 0000 และดำเนินต่อไป เราสามารถทำได้โดยใช้การลงทะเบียน 4 บิต (ซึ่งเป็นธนาคารของสี่ flip-flop D) เอาต์พุตของรีจิสเตอร์ถูกใส่ผ่านฟังก์ชัน combinatorial logic ซึ่งเพิ่ม 1 (ตัวบวกสี่บิต) เพื่อสร้างค่าที่เพิ่มขึ้น ค่านี้จะถูกป้อนกลับไปยังการลงทะเบียน ตอนนี้เมื่อใดก็ตามที่ขอบนาฬิกามาถึงการลงทะเบียนจะยอมรับค่าใหม่ซึ่งเป็นหนึ่งบวกกับค่าก่อนหน้า เรามีพฤติกรรมที่เป็นระเบียบและคาดเดาได้ซึ่งดำเนินการผ่านตัวเลขไบนารีโดยไม่มีความผิดพลาดใด ๆ

พฤติกรรมการตอกบัตรมีประโยชน์ในสถานการณ์อื่นด้วย บางครั้งวงจรมีอินพุตจำนวนมากซึ่งไม่เสถียรในเวลาเดียวกัน หากผลผลิตถูกสร้างขึ้นจากอินพุตทันทีมันจะไม่เป็นระเบียบจนกว่าอินพุตจะทรงตัว ถ้าเราไม่ต้องการวงจรอื่นที่ขึ้นกับเอาท์พุทเพื่อดูความโกลาหลเราจะทำให้วงจรมีสัญญาณนาฬิกา เราอนุญาตให้มีเวลาพอสมควรสำหรับอินพุตที่จะชำระและจากนั้นเราระบุไปยังวงจรเพื่อรับค่า

การตอกบัตรยังเป็นส่วนหนึ่งของความหมายของรองเท้าแตะบางชนิด โฆษณา flip flop ไม่สามารถกำหนดได้หากไม่มีสัญญาณนาฬิกา หากไม่มีอินพุตนาฬิกามันจะละเว้นอินพุต D ของมัน (ไร้ประโยชน์!) หรือเพียงคัดลอกอินพุตตลอดเวลา (ไม่ใช่ฟล็อปฟลอป!) RS flip-flop ไม่มีนาฬิกา แต่ใช้สองอินพุต เพื่อควบคุมสถานะซึ่งอนุญาตให้อินพุตเป็น "การตอกบัตรด้วยตนเอง": เช่นเพื่อป้อนเข้าเช่นเดียวกับทริกเกอร์สำหรับการเปลี่ยนสถานะ flip-flop ทั้งหมดต้องการการรวมกันของอินพุตที่โปรแกรมสถานะของพวกเขาและการรวมกันของอินพุตบางอย่างช่วยให้พวกเขารักษาสถานะของพวกเขา หากชุดของอินพุตทริกเกอร์การเขียนโปรแกรมทั้งหมดหรือหากชุดค่าผสมทั้งหมดของอินพุตถูกละเว้น (สถานะได้รับการดูแล) แสดงว่าไม่มีประโยชน์ ตอนนี้นาฬิกาคืออะไร นาฬิกาเป็นนาฬิกาพิเศษ อินพุตเฉพาะซึ่งแยกความแตกต่างว่าอินพุตอื่นถูกละเว้นหรือไม่ว่าจะตั้งโปรแกรมอุปกรณ์หรือไม่ มันจะมีประโยชน์ที่จะมีสิ่งนี้เป็นอินพุตแยกต่างหากแทนที่จะให้มันถูกเข้ารหัสในหลายอินพุต

ฟลิปฟล็อปที่ขอบที่เพิ่มขึ้นอาจมองเห็นเป็นสองแลตช์กลับไปด้านหลังซึ่งหนึ่งในนั้นถูกเปิดใช้งานไม่นานหลังจากสัญญาณนาฬิกาลดลงและยังคงเปิดใช้งานจนกว่าจะสูง วินาทีจะเปิดใช้งานหลังจากที่นาฬิกาสูงและยังคงเปิดใช้งานจนกว่าจะเหลือน้อย การมีช่วงเวลาสั้น ๆ ในระหว่างที่ไม่ได้เปิดใช้งาน flip flop หมายความว่าเอาต์พุตของ flip flop อาจถูกป้อนกลับอย่างปลอดภัยไปยังอินพุตผ่านตรรกะ combinatorial การเปลี่ยนแปลงเอาต์พุตในหนึ่งรอบสัญญาณนาฬิกาอาจทำให้อินพุตเปลี่ยน แต่การเปลี่ยนแปลงอินพุตนั้นจะไม่มีผลใด ๆ จนกว่าจะถึงรอบนาฬิกาถัดไป

ในอดีตมันเคยเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับอุปกรณ์ดิจิตอลที่จะใช้สิ่งที่เรียกว่า "นาฬิกาสองเฟส" ซึ่งมีสายนาฬิกาสองเส้นซึ่งสูงสำหรับช่วงเวลาที่ไม่ทับซ้อนกันในแต่ละรอบ แลตช์ทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองกลุ่มโดยมีหนึ่งนาฬิกาควบคุมกลุ่มแรกของแลตช์และอีกกลุ่มหนึ่งควบคุมวินาที ในกรณีส่วนใหญ่เอาต์พุตของแต่ละกลุ่มจะถูกใช้เพื่อคำนวณอินพุตของอีกกลุ่มเท่านั้น แต่ละรอบนาฬิกาประกอบด้วยหนึ่งหรือมากกว่าพัลส์ในนาฬิกาแรกอย่างน้อยหนึ่งรอบจะต้องตรงตามข้อกำหนดความยาวขั้นต่ำและพัลส์หนึ่งรายการขึ้นไปในวินาที (ข้อกำหนดเดียวกัน) ข้อดีอย่างหนึ่งของการออกแบบเช่นนี้คือมันสามารถทนการเอียงของนาฬิกาได้มากหากเวลาตายระหว่างเฟสนาฬิกาเกินจำนวนนาฬิกาที่เอียง

อีกวิธีที่ "ทันสมัย" คือการให้ทุกองค์ประกอบล็อค (ลงทะเบียน) ได้รับสายนาฬิกาเดียวและสร้างนาฬิกาภายในที่ไม่ได้ซ้อนทับกัน สิ่งนี้ต้องการให้นาฬิกาเอียงสูงสุดไม่เกินเวลาการแพร่กระจายต่ำสุดระหว่างการลงทะเบียน แต่เครื่องมือที่ทันสมัยทำให้สามารถควบคุมการเอียงของนาฬิกาได้แม่นยำกว่าที่เป็นไปได้ในทศวรรษที่ผ่านมา นอกจากนี้ในหลายกรณีการตอกบัตรแบบเฟสเดียวทำให้การออกแบบง่ายขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องแบ่งโลจิกออกเป็นสองกลุ่ม

เราทุกคนรู้ว่าวงจรดิจิตอลจริงจะมีประตูจำนวนมาก สัญญาณอาจต้องใช้หลายเส้นทางเพื่อไปที่ประตูสุดท้ายที่ให้สัญญาณออก สัญญาณใช้เวลาพอสมควรในการ "แพร่กระจาย" บนเส้นทางที่แตกต่างไปถึงประตูสุดท้าย เวลาในการเผยแพร่ไม่เหมือนกันในเส้นทางที่แตกต่างกัน สิ่งนี้นำไปสู่สิ่งที่เราเรียกว่าบกพร่อง ความผิดพลาดเกิดขึ้นเนื่องจากบางเส้นทางสั้นกว่าเส้นทางอื่นและเมื่อสัญญาณมาถึงประตูสุดท้ายก่อนหน้านี้ที่ใช้เส้นทางที่สั้นกว่ามันจะส่งผลทันทีก่อนที่สัญญาณอื่น ๆ ที่อยู่บนเส้นทางที่ยาวกว่าจะไปถึงประตู ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นในชั่วขณะนั้นผิดและอาจเป็นอันตรายในวงจรดิจิตอลที่นำไปสู่ข้อผิดพลาดที่แพร่กระจาย

ตอนนี้ฉันมาถึงสาเหตุที่เราต้องการนาฬิกา นาฬิกาเป็นหลัก "ประสาน" วงจรกับสัญญาณภายนอกเดียว คิดว่ามันเป็นจังหวะที่วงจรมีการปรับให้ชอบเพลง สิ่งต่าง ๆ เกิดขึ้นกับนาฬิกานี้ไม่มี clock = circuit ถูกปิดใช้งาน โดยใช้นาฬิกาเราจะทำให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนที่แตกต่างกันของการทำงานวงจรในความสามัคคีในเวลาเดียวกัน วิธีนี้พฤติกรรมของวงจรสามารถทำนายได้มากขึ้น นอกจากนี้ยังได้รับผลกระทบน้อยลงจากการเปลี่ยนแปลงความล่าช้าในการแพร่กระจายโดยอุณหภูมิและความผันแปรของการผลิต ครอบคลุมถึงนาฬิกา

flip flops เป็นองค์ประกอบวงจรดิจิตอลที่ดำเนินการ (เปลี่ยนเอาต์พุตเพื่อตอบรับอินพุตที่พอร์ตอินพุต) เมื่อมี "CLOCK EDGE" เกิดขึ้น ขอบนาฬิกาคือเมื่อสัญญาณนาฬิกาเริ่มจาก 0 ถึง 1 หรือจาก 1 ถึง 0 เพียงแค่วาดคลื่นนาฬิกาและคุณจะรู้ว่าฉันหมายถึงอะไร มีกลุ่มองค์ประกอบอีกกลุ่มหนึ่งที่เรียกว่าแลตช์เอาต์พุตของแลตช์เปลี่ยนเพื่อสะท้อนอินพุตเมื่อสัญญาณควบคุมบางตัวอยู่ที่ระดับตรรกะเฉพาะและไม่รอขอบใด ๆ สัญญาณควบคุมนี้เรียกว่าเปิดใช้งานในแลตช์ แลตช์อาจใช้งานได้เมื่อเปิดใช้งานเป็น 1 และเปลี่ยนเอาต์พุตหรือเมื่อเปิดใช้งานเป็น 0 ขึ้นอยู่กับประเภทสลัก ในทางตรงกันข้าม Flips flops ทำอะไรบางอย่างเท่านั้นเมื่อพวกเขาถูกป้อนโดยนาฬิกา EDGE โปรดทราบความแตกต่างนี้ระหว่างสลักและฟลิปฟล็อปและโปรดจำไว้ว่าแลตช์เชื่อมต่อกันเพื่อสร้างฟลิปฟล็อปเพื่อให้การเปิดใช้งานทำให้ฟลิปฟล็อปพลิกทำอะไรบางอย่างเมื่อขอบนาฬิกาเกิดขึ้น ในกรณีนี้เราตั้งชื่อ Enable ให้สัญญาณนาฬิกาและมันก็สมเหตุสมผลดีเช่นกัน นาฬิกาสำหรับมนุษย์จะไปติ๊กเห็บเห็บฟล็อปฟล็อปทำอะไรที่เห็บและไม่มีอะไรอยู่ระหว่างเห็บ

หากยังไม่ชัดเจนกว่าที่คุณจะได้รับประโยชน์จากการชมการบรรยาย nptelhrd ใน youtube จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งอินเดียในวงจรดิจิตอล

มีสิ่งต่าง ๆ เช่นเคาน์เตอร์แบบอะซิงโครนัส นี่คือหนึ่ง: -

มันเป็นที่รู้จักกันในชื่อเคาน์เตอร์ระลอกเพราะเมื่อชีพจรเข้ามาที่อินพุต (เปลี่ยนสถานะของ flip-flop ที่ 1) การเปลี่ยนแปลงสถานะนั้นใช้เวลาระยะเวลาอัน จำกัด ในการกระเพื่อมผ่านไปยัง flip-flop ที่เหลืออยู่ ในช่วงระยะเวลาเล็ก ๆ แต่ จำกัด เวลาเอาท์พุท ABCD จะมีค่าชั่วคราวที่ไม่สามารถคาดเดาได้จนกว่าฟล็อปฟล็อปสุดท้ายจะตัดสิน

หากเอาต์พุต ABCD ถูกป้อนทั้งหมดผ่าน D-flip-flop และโอเวอร์คล็อกเข้าด้วยกันบางครั้งหลังจากช่วงเวลาที่ผ่านมา ABCD เวอร์ชั่น "ดีกว่า" นี้จะไม่ "แสดง" พฤติกรรมชั่วขณะนี้

เพื่อหลีกเลี่ยงวิศวกรนี้บางครั้งใช้วงจรสัญญาณนาฬิกา ขออภัยข้อมูลจากด้านซ้ายของแผนที่นี้และแผนที่ Q0 ถึง Q3 ไปยัง ABC และ D ในแผนภาพก่อนหน้า: -

มันซับซ้อนกว่าเล็กน้อย แต่ก็เร็วกว่าและมีชิ้นส่วนน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับตัวนับ asynch ที่มีประเภท D ในเอาต์พุต

เพราะมันง่ายต่อการออกแบบระบบซิงโครนัส (ระบบซิงโครนัสหมายถึงคอลเลกชันของ combinatorial logic และ flip-flops แบบ clocked) กว่าระบบแบบอะซิงโครนัสและระบบแบบซิงโครนัสมีความน่าเชื่อถือมากกว่า อย่างไรก็ตามการออกแบบเครื่องจักรแบบอะซิงโครนัสมีคุณค่าในการศึกษาเพราะสามารถคำนวณผลลัพธ์ได้เร็วขึ้นและมีพลังงานต่ำกว่าระบบแบบซิงโครนัส