Пристрої комбінаційної схемотехніки (Використання базових логічних елементів. Мультиплексори. Арифметичні пристрої. Схеми контролю), страница 14

Врахування станів невизначеності дає можливість виявити важливий ефект, який обов'язково необхідно враховувати при аналізі цифрових схем. Розглянемо схему, що приведена на рис. 3.39, а, на вхід якої подається сигнал х₀ увигляді одиночного імпульсу тривалістю Т. Якщо тривалість інтервалів невизначеностіt при зміні станів мікросхем з 0 в 1 i з 1 в 0 одинакові, то на виході y₁ матимемо сигнал, тривалість i початок якого суттєво залежить від величини затримки t та співвідношення між затримками при зміні станів з 0 в 1 та навпаки. Якщо, наприклад, тривалість затримок t = 0, то вихідний імпульс y₁₀ повторюватиме вхідний. Якщо затримки на зміну станів з 1 в 0 i навпаки однакові i максимальні, то сигнал y_1м матиме затримку по відношенню до вхідного на величину 2t. При різних співвідношеннях між затримками вихідний сигнал може бути як скороченої довжини y_1с так i видовженої y_1в. Звичайно, що реально сигнал y₁ може мати випадкові співвідношення між тривалістю імпульсу та паузою, випадкову затримку початку i кінця імпульсу. Як результат, імпульс, який буде пропущений через два ідентичні канали, на їх виходах може суттєво відрізнятись. Якщо ж один канал має m елементів, а другий n,то, відповідно, матимемо затримки на mt i nt i вихідні імпульси можуть навіть не співпадати в часі. Якщо при проектуванні схеми, що має послідовно з’єднані k елементи, необхідно одержати імпульс тривалістю t_i, то врезультаті вихідний імпульс з двостороннім допуском буде мати тривалість t_i ± kt.

Найбільші проблеми наявність затримок створює при передачі імпульсів через паралельні канали. Розглянемо схему, що приведена на рис. 3.40, а. Вхідний імпульс подається на два паралельних канали з елементами I, один з яких назвемо А – з парною кількістю елементів,  а другий В – з непарною. При наявності логічних одиниць на одному з входів кожного логічного елемента обидва канали являються прозорими для сигналу х. При відсутності часових затримок в каналах, їх вихідні сигнали А i В на вході об’єднуючого елемента I будуть строго протифазні i, як результат,  y = 0 (рис. 3.40, б).

На рис. 3.40, в, г приведені приклади часових діаграм в тих ситуаціях, коли, відповідно, затримки Т_А > Т_В i Т_В > Т_А. В обох випадках на виході у з’явиться сигнал, який не можливо передавати на основі алгебри Буля без врахування часових затримок. Одержаний сигнал є сигналом перешкоди, що може привести до непередбачених наслідків в послідуючих схемах.

Розглянуте явище називається „гонками”, або „змаганнями”. Головна проблема, пов’язана з гонками, полягає в тому, що проектант не має реальних можливостей визначити момент появи можливої перешкоди та її тривалість.

На практиці використовуються три наступні способи боротьби з гонками: синхронізація; побудова протигоночних схем; врахування мінімального часу затримки.

Синхронізація є найбільш універсальним засобом боротьби з гонками. Її суть полягає у наступному: по всьому цифровому пристрою створюється єдина система синхронізуючих сигналів. В залежності від типу елементної бази, використовуються однофазна або двофазна системи синхронізації. В останньому випадку синхронізація забезпечується двома послідовностями імпульсів С₁ та С₂, одна з яких має затримку по відношенню до іншої на половину періоду.

Для попередньої схеми з паралельними каналами (рис. 3.40, а) синхронна схема з двофазною синхронізацією приведена на рис. 3.41, а. По синхросигналу С₁ сигнал х одночасно подається на два канали. Проходячи канали з різними затримками Т_А i Т_В, в асинхронній схемі на виході Y в інтервалі t₂ ¸ t₃ з’являється перешкода (рис. 3.41, б). Але в синхронній схемі інформація на виході Y з’явиться лише після подачі синхроімпульсу С₂ в момент t₄, коли всі перехідні процеси в каналах завершаться. Важливе значення в цьому випадку має інтервал t₁ ¸ t₄ між двома синхроімпульсами, який вибирається таким, щоб перехідні процеси найбільшої тривалості могли завершитись до подачі С₂.

В залежності від того, що являється приймачем сигналу Y, залежить назва сигналу С₂. В розглянутому випадку, коли сигнал Y не запам’ятовується, а С₂ використовується лише для того, щоб в Y не з’являлась перешкода, він називається стробом, а процес відсікання перешкод –стробуванням. Якщо ж необхідно запам'ятати в схемі пам’яті, то сигнал С₂ подається на цю схему, що робить її синхронною, а С₂ – відповідно синхросигналом.

Слід зазначити, що синхронізація дає можливість суттєво спростити процес проектування цифрових схем, адже значно спрощує вирішення проблеми гонок.

Протигоночнi системи – це другий практичний спосіб боротьби з гонками. Вони будуються так, що в них відсутній риск появи на виході сигналів, не передбачених логікою роботи схеми. Прикладом подвійної схеми може бути два паралельних канали з однаковою кількістю елементів, об’єднаних елементом АБО; який би канал не виграв гонку, результат буде однаковим, зміниться лише момент його появи. Практично асинхронні схеми достатньо складні в проектуванні i поступово витісняються синхронними.

Третій спосіб – врахування мінімального часу затримок – знаходить використання при проектуванні таких цифрових схем, які потім виготовляються на одному кристалі. Це пов'язано з тим, що проектант паралельно з схемотехнікою закладає i технологічні особливості виготовлення схеми з необхідними параметрами. В результаті в проект можна закласти необхідні часові затримки в окремих каналах або схеми. Використання таких прийомів в дискретній цифровій схемотехнiцi вимагає великого досвіду i уваги.

В будь-якому випадку після проектування цифрових схем їх аналізують на предмет можливої появи перешкод в результаті гонок. На практиці з цією метою використовуються спеціальні комп’ютерні програми.

Ще одним прикладом появи перешкод завдяки гонкам являється прийом сигналів з недостатньо крутими фронтами. Така ситуація має місце тоді, коли подвійний сигнал подається на паралельні канали з різними типами мікросхем. В такому випадку в деякому інтервалі рівнів вхідного сигналу для мікросхеми одного типу сигнал буде відповідати рівню логічного нуля, а для іншого – як логічної одиниці. Це приведе до появи хибних сигналів. Це явище називається „гонками по виходу”. Для боротьби з ним використовуються спеціальні прийоми попередньої обробки вхідних сигналів.