Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital1 3. Flips-flops, Registros y Contadores  Temario Cerrojos Secuenciamiento.

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1 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital1 3. Flips-flops, Registros y Contadores  Temario Cerrojos Secuenciamiento Flip - Flop maestro esclavo Transferencia registro a registro Contadores

2 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital2 Flips-flops, Registros y Contadores  Circuitos lógicos secuenciales A diferencia de los circuitos combinacionales, estos ciruitos lógicos tienen la capacidad de almacenar estados del mismo mediante arreglo de compuertas lógicas El elemento más importante de memoria es el flip flop (FF) Un FF puede mantener un estado indefinidamente y cambiar al momento de recibir un nuevo estado en su (s) entrada (s) Figura 3.1

3 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital3 Flips-flops, Registros y Contadores  Cerrojos (3.1) El FF más elemental es el llamado registro básico de compueras NAND o registro básico Figura 3.2 Un registro básico o multivibrador biestable (como el SR mostrado aquí) puede realizarse con compuertas NOR. Indique como sería el arreglo de éste

4 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital4 Flips-flops, Registros y Contadores  Cerrojos (3.1) Inicio del registro básico (FF) De la figura 3.2 se observa que el estado (entrada) de S y R en t+1 corresponde al estado de Q y Q, respectivamente, en t. Considere ahora un t 0 en el que momentáneamente se cambia el estado en S como se indica en la figura 3.3. Un pulso bajo en S provoca que Q quede en estado 1, por lo que se conoce a esto como establecimiento del FF y a este estado se le conoce como estado de establecimiento o inicio. Figura 3.3

5 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital5 Flips-flops, Registros y Contadores  Cerrojos (3.1) Restablecimiento del registro básico (FF) En forma análoga a lo expuesto en la figura 3.3 puede analizarse lo que ocurre cuando en R se introduce un pulso 0 entre t 0 y t 1. Para este caso, Q = 0 desde t 0 (y Q = 1) por lo que a esta condición se le conoce como estado de restablecimiento o re inicio. Inicio y re inicios simultáneos del FF Si para t 0 simultáneamente se genera un 0 en R y S, puede observarse que ambas compuertas NAND tendrán como salida un 1 lo que es un estado no deseado ya que una salida debe ser la negada de la otra, por lo tanto, este será un estado inválido Estado indiferente del FF El cuarto posible estado es cuando entre t 0 y t 1 en R y S hay un 1 simultáneamente, lo que provoca que las salidas de ambas NAND sean iguales a la otra entrada de ellas (Q y Q respectivamente) de manera que las salidas mantienen su estado anterior

6 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital6 Flips-flops, Registros y Contadores  Cerrojos (3.1) Un análisis equivalente puede hacerse cuando el registro básico es hecho con compuertas NOR como se observa en la figura 3.4 Figura 3.4 Este arreglo es eminentemente asíncrono, pues cambia TODA vez que ocurre algún cambio en una (al menos) de sus entradas

7 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital7 Flips-flops, Registros y Contadores  Cerrojos (3.1) Tabla de Verdad de un FF basado en compuertas NAND Tabla de Verdad de un FF basado en compuerta NOR

8 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital8 Flips-flops, Registros y Contadores  Secuenciamiento (3.2) FF sincronizados por Reloj Hasta ahora hemos visto que los FF tienen un comportamiento asincrónico. Considere la figura 3.5 donde a las entradas de un FF básico basado en compuertas NAND se les agrega dos compuertas NAND cuyas entradas son las S y R originales y una entrada común llamada detector de flancos o reloj Figura 3.5 Es el reloj el que le otorga la Característica sincrona a este tipo de FF

9 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital9 Flips-flops, Registros y Contadores  Secuenciamiento (3.2) Flip Flop JK (Universal) Es llamado FF Universal porque cualquier otro FF puede armarse a partir de este. Es igual a un FF SR, con la diferencia que la condición de entrada (1,1) NO genera un estado inválido. En efecto, para J=K=1 en t n,Q n = Q n-1 es decir, la salida Q se complementa. Indica que el flanco de activación Es positivo (TPP). También la hay Negativa (TPN)

10 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital10 Flips-flops, Registros y Contadores  Secuenciamiento (3.2) FF JK Figura 3.6

11 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital11 Flips-flops, Registros y Contadores  Secuenciamiento (3.2) Flip Flop JK (Diagrama de Tiempo) Transición de Pendiente Negativa (TPN) Figura 3.7

12 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital12 Flips-flops, Registros y Contadores  Secuenciamiento (3.2) Flip Flop tipo D A diferencia de los FF tipo SR y JK, este FF tiene solamente una entrada síncrona de control D (dato). Cómo es la implantación de un FF tipo D a partir de un FF SR ? Figura 3.8

13 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital13 Flips-flops, Registros y Contadores  Secuenciamiento (3.2) FF tipo D no activado por reloj detector de flancos Figura 3.9

14 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital14 Flips-flops, Registros y Contadores  Secuenciamiento (3.2) Entradas Asíncronas Entradas independientes de las síncronas y que sirven para fijar el estado de un FF - en cualquiern instante de tiempo - independiente de las condiciones presentes en las otras entradas (se les conoce como entradas dominantes). Si bien es cierto, estas entradas permiten tener al FF en estado 1 ó 0 por un tiempo indefinido (estas entradas responden a niveles permanentes de corriente contínua) normalmente se usan para iniciar o limpiar el estado de un FF por lo que usualmente se les conoce como PRE (preset) y CLR (clear) respectivamente. Figura 3.10

15 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital15 Flips-flops, Registros y Contadores  Flip Flop Maestro Esclavo (3.3) Tipo de FF muy utilizado anteriormente al desarrollo de los FF activados por flanco. Corresponde a dos FF JK dispuestos en serie (uno maestro y el otro esclavo). Reciben esta denominación por que el estado del FF esclavo - una vez que el reloj de éste asi lo permite - corresponde al estado de las salidas del FF maestro. Figura 3.11

16 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital16 Flips-flops, Registros y Contadores  Notación IEEE/ANSI de los FF Figura 3.12

17 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital17 Flips-flops, Registros y Contadores  Aplicaciones para FF (3.4 y 3.5) Sincronización Detección de secuencias de entrada Almacenamiento y Transferencia de Datos Transferencia de Datos en serie y paralelo División y Conteo de Frecuencia Contadores

18 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital18 Flips-flops, Registros y Contadores  Sincronización Considere la siguiente situación La aparición de pulsos parciales (asincrónicos) se corrige con la inclusión de un FF tal como se aprecia en la figura 3.14 Figura 3.13 Figura 3.14

19 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital19 Flips-flops, Registros y Contadores  Detección de secuencias de entrada  Almacenamiento y transferencia de datos Corresponde al paso de información de un FF a otro y puede acurrir en forma síncrona (figura 3.16) o asíncrona (figura 3.17) Figura 3.15 Figura 3.16 Figura 3.17

20 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital20 Flips-flops, Registros y Contadores  Transferencia de Datos (serie y paralelo) Paralelo (Registro X al Y) Serie (Registro de Corrimiento) Figura 3.18 Figura 3.19

21 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital21 Flips-flops, Registros y Contadores  División y conteo de Frecuencia Correspon de al arreglo de n FF que permiten dividir la frecuencia del reloj inicial en 2 n veces tal como se aprecia en la figura 3.20 Figura 3.20 Si La frecuencia de pulsos del reloj inicial es f, entonces la frecuencia de los pulsos de salida del flip flop i será f/2 i

22 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital22 Flips-flops, Registros y Contadores  Operación de Conteo El mismo arreglo de la figura 3.20 puede usarse como un contador binario, en el que cada X i corresponde al número binario correspondiente a 2 i (base polinomio 10).  Diagramas de transición de estados Es una forma de mostrar la manera como cambian todos los FF de un arreglo al aplicar un pulso de reloj. Así, cada círculo representa un posible estado de arreglo por ejemplo para el arrelglo de la figura 3.20 el diagrama de transición de estados es el siguiente: Figura 3.21 Cada flecha corresponde a un pulso de reloj aplicado al arreglo de FF

23 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital23 Flips-flops, Registros y Contadores  Un poco más de multivibradores Multivibradores Monoestables Sabemos que un FF es un multivibrador biestable puesto que tiene dos estados que se pueden mantenerse indefinidamente hasta que ocurra una entrada que pudiera hacerlos cambiar. Un multivibrador monoestable es un dispositivo parecido a un FF pero solamente tiene un solo estado de salida estable (Q=0 y Q=1 normalmente). Los MV monoestable tienen un estado casi estable (Q=1 y Q=0) que se mantiene por un tiempo t p definido por componentes RC externos al MV monoestable, el que puede variar de nanosegundos a varias decenas de segundos. Figura 3.22

24 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital24 Flips-flops, Registros y Contadores  Multivibradores Monosestables No reactivable La duración del pulso de salida es siempre la misma (t p ) independiente de la duración de los pulsos de entrada Reactivable Opera parecido a un MV no reactivable con la diferencia que si recibe un pulso de entrada durante el estado casi estable, comienza un nuevo pulso t p. Figura 3.23

25 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital25 Flips-flops, Registros y Contadores  Multivibradores Aestables A diferencia de los FF y los MV monoestables, estos dispositivos oscilan entre dos estados (1 y 0) inestables. Este tipo de multivibrador es útil para generar señales de reloj para circuitos digitales síncronos.  Contadores Como se ha visto hasta aquí, un arrelgo de flip flops del tipo divisor de frecuencias puede usarse como contador. A continuación veremos diversos arreglos y cómo éstos son usados como contadores Contador asíncrono (de rizo) número MOD Contador de números MOD < 2 n Contador de décadas y contador BCD Contador descendente Contador síncrono (paralelos) ascendentes y descendentes Contador con preestablecimiento Contador de corrimiento

26 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital26 Flips-flops, Registros y Contadores  Contador asíncrono (rizo) MOD 2 n El arreglo de la figura 3.20 representa un contador asíncrono MOD 8, así el número MOD es igual al número total de estados por los cuales pasa el contador antes de volver a su estado inicial. En general, para n FF el número MOD = 2 n  Contador de números MOD < 2 n Es una modificación de un contador de rizo asíncrono y consiste en hacer que éste se “salte” ciertos estados. Considere la siguiente figura (contador MOD 6) Figura 3.24

27 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital27 Flips-flops, Registros y Contadores  Contador de décadas y contador BCD A partir de la figura 3.24 se puede generalizar un procedimiento para construir un contador MOD X 1. Determinar el menor número n de FF tales que 2 n => X. Si 2 n = X entonces el contador está listo 2. Conecte una compuerta NAND a las entradas asíncronas CLR de todos los FF involucrados 3. Determine cuáles FF están en el estado ALTO en un conteo =X; luego conecte las salidas normales de estos FF a las entradas de la compuerta NAND Así, un arreglo de 4 FF con la salida del segundo y cuarto FF a la entrada de una compuerta NAND es un contador MOD - 10 (de décadas) Debe observarse que para estos contadores, la frecuencia de salida del último FF es igual a f entrada /MOD Dibuje el diagrama de estado para el contador MOD 6 de la figura 3.24

28 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital28 Flips-flops, Registros y Contadores  Contador de décadas y contador BCD Así, un contador de décadas es cualquier contador que tenga 10 estados diferentes independientemente de su secuencia. Ahora si la secuencia es de 0 a 9 (decimal) se dice que el contador es BCD.  Contador descendente X 0 cambia en cada ciclo de reloj X 1 cambia cada vez que X 0 pasa de bajo a alto X 2 cambia cada vez que X 1 pasa de bajo a alto Para construir un contador descendente basta con Conectar la salida negada del FF i al reloj del FF i+1 en un arreglo De FF JK con TPN (figura 3.25)

29 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital29 Flips-flops, Registros y Contadores  Contador descendente  Contador Síncrono (paralelo) La idea en este tipo de contadores es eliminar el problema que se produce por la acumulación de los retrasos de propagación (?) de los FF en los contadores de rizo visto hasta ahora. Aquí se aplican los pulsos de reloj a todos los FF involucrados. Al igual que en el caso de los contadores asíncronos, aqui pueden diseñarse contadores ascendentes y descendentes utiizando las salidas normales o negadas de los FF respectivamente. Finalmente, un contador síncrono puede pre establecérsele un valor fijo cualquiera. Figura 3.25

30 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital30 Flips-flops, Registros y Contadores  Contador Síncrono En la figura 3.26 se observa un contador paralelo MOD 8 ascendente o descendente Figura 3.26

31 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital31 Flips-flops, Registros y Contadores  Contador con prestablecimiento Para poder, por ej. en un contador MOD - 16, comenzar a contar desde el número 8 es posible cargar el número 8 (0100) mediante una carga paralela incial. Para esto, se usan las entradas asíncronas de los FF (preset y clear). Cada entrada de la carga paralela se conecta a la puerta pre y clr del FF que le corresponda. Antes de llegar a dichas entradas, se conectan a una compuerta AND cuya otra entrada (para todas las compuertas AND) es una señal de habilitación de carga paralela (número a prestablecer).

32 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital32 Flips-flops, Registros y Contadores  Contadores y CI Contador asíncrono 74LS293 Tiene 4 FF J K con salidas Q 0 (LSB), Q 1, Q 2 y Q 3 (MSB) Tiene conexión para 2 relojes CP 0 y CP 1 conectados a FF 0 y FF 1 Cada FF tiene una entrada asíncrona Cd para borrar. Éstas se encuentran conectadas entre sí a la salida de una compuerta NAND de dos entradas MR 1 y MR 2. Ambas deben estar en altas para reinicializar el contador a 0000 Los FF 1, 2 y 3 están conectados como un contador de rizo de tres bits. El FF 0 no está conectado internamente a nada. Figura 3.27 Cuenta ascendente Notación IEEE/ANSI Bloque común de control

33 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital33 Flips-flops, Registros y Contadores  Contadores y CI Contador 74193 Las salidas de conteo asc/desc finales se utlizan cuando dos o más de estos CI se se conectan como contador con etapas múltiples para producir un número MOD mayor. Por ej., en un contador ascendente la salida TC U del contador de orden Inferior se conecta a la entrada CP U del siguiente contador de orden superior. Figura 3.28

34 Universidad Central F.C.F.M. Ingeniería Ejecución Informática Electrónica Digital34 Flips-flops, Registros y Contadores  Contador con corrimiento Basado en el principio de transferencia de datos en serie (figura 3.19) Contador de Anillo Contador Johnson o de anillo trenzado Muy similar al anterior con la diferencia que la salida invertida del último FF (X 1 ) es la que se conecta a la entrada del primer FF. En la figura 3.30 se observa el diagrama de estados para este tipo de contador Figura 3.29 Dibuje la serie de tiempo para cada salida X i de este contador Figura 3.30