Синхронізація в цифрових схемах

З підвищенням складності цифрових схем поява місцевих та загальних зв’язків у них призводить до того, що аналізувати і враховувати гонки в таких схемах стає практично неможливо. Радикальним вирішенням проблеми гонок є синхронізація. У практиці побудови систем синхронізації використовуються однофазна і багатофазна синхронізація, одночастотна і багаточастотна.

Розгляд систем синхронізації почнемо з двофазної системи, коли всі схеми синхронізуються двома послідовностями імпульсів C₁ та C₂ однієї частоти та одного фазового зсуву T_Ф . Тривалість імпульсів двох послідовностей однакова і дорівнює Т_і . Для симетричної двофазної синхронізації . Для несиметричної .

При побудові синхронних цифрових схем їх розподіляють на дві групи. В одну групу входять комбінаційні схеми з визначеною кількістю входів та виходів. До іншої групи входять схеми D-тригерів, які мають особливість зберігати записану інформацію протягом одного такту.

Узагальнена цифрова схема може бути приведена до структури, що зображена на рис. 4.21 (аналог конвеєрної обробки інформації в мікропроцесорах і мікропроцесорних системах).

Рис.4.21.

Схема включає в себе послідовно об’єднані групи D-тригерів, позначених на рис. 4.21 як DI, DII, …, DN, і комбінаційних схем, позначених КСI, КСІІ, …, KC(N–1), KCN. Кожна з груп тригерів об’єднується за принципом синхронізації від одного синхроімпульсу і в загальному плані представляє собою паралельний регістр, виконаний на D-тригерах.

Кожна група КС включає в себе чисто комбінаційну схемотехніку, яка виконує одночасно ряд логічних функцій, приймаючи інформацію з виходів попереднього регістра пам’яті і передаючи на наступний, який синхронізується другим синхроімпульсом. Внутрішні зворотні зв’язки в групі комбінаційних схем відсутні.

Фізичну суть процесів у схемі та ідеологію проектування цифрових пристроїв з двофазною синхронізацією пояснює рис. 4.22.

Рис.4.22.

За синхросигналом С₂ чергова група інформаційних сигналів записується в регістрову групу D-тригерів N і передається для обробки на вхід комбінаційної схеми KCN. Через деякий інтервал часу ця інформація з’явиться на вхідних шинах D-тригерів DI. У момент часу t₁ з’являється фронт синхросигналу С₁ , за яким як вхідна інформація, що подається на входи S, так і інформація з виходів KCN записуються в тригери DI. По закінченні перехідних процесів в тригерах DI на їх виходах з’являються сигнали, які починають опрацьовуватись комбінаційною схемою KCI. Як правило, в схемі мають місце паралельні шляхи розповсюдження сигналів, тому вихідні сигнали KCI спочатку є невизначеними, адже вони спотворюються перехідними процесами. На рис. 4.22 картина гонок в KCI відображена на інтервалі часу t₁ – t₂ . Інтервал часу t₁ – t₂ перехідних процесів для DII не описаний через те, що всі тригери в цьому інтервалі часу закриті нульовим рівнем сигналу С₂ . До моменту t₂ всі перехідні процеси закінчуються, сигнали на виході KCI фіксуються, і в інтервалі часу t₂ – t₃ ніякі стани в схемі не змінюються.

При подачі сигналу С₂ у момент t₃ установлені значення виходів KCI записуються в DI і по завершенні в них перехідних процесів подаються на входи послідуючої комбінаційної схеми KCII. Процеси гонок в KCII проходять в інтервалі часу t₃ … t₄ і до моменту t₅ появи фронту синхроімпульсу С1 встановлюються незмінними. При появі С1 результати обробки сигналів в KCII перезаписуються в послідуючі регістрові схеми. Як результат, у синхронному пристрої йде циклічна багатоступенева обробка інформації в комбінаційних схемах, при якій комбінаційні схеми працюють по черзі. Завдяки цьому ніякі гоночні процеси в комбінаційних схемах не можуть внести похибку в обробку вхідних сигналів. Для цього необхідно лише, щоб інтервал часу Т_Ф перевершував максимальну тривалість перехідних процесів. Проектант завжди в змозі забезпечити таке співвідношення на основі паспортних значень максимальних затримок мікросхем.

Величина Т_Ф залежить від величини затримки t_З комбінаційних схем, яка може змінюватись у широких межах. Якщо t_З менша вибраної величини Т_Ф , то таке співвідношення не має негативних наслідків, виключаючи лише зниження швидкості обробки інформації. Але тоді іноді затримка деяких комбінаційних схем перевищує величину робочого інтервалу Т_Ф , в результаті чого, відповідно до рис. 4.22, схема стає непрацездатною. У подібних ситуаціях можуть використовуватись різні шляхи вирішення проблеми.

Найпростішим з них є збільшення тривалості Т_Ф і, відповідно, періоду синхроімпульсів. Як результат, це може суттєво знизити швидкодію розробленої схеми. Для того, щоб залишити частоту синхронізації незмінною, використовують несиметричну двофазну синхронізацію, при якій . У цьому випадку, якщо можливо, комбінаційні схеми з більшим часом затримки розміщуються в більшому робочому інтервалі. Якщо подвійна організація схемотехніки неможлива, то комбінаційну схему з великою тривалістю t_З розбивають на дві схеми і між ними встановлюють проміжний запам’ятовуючий вузол. Такий спосіб приводить до необхідної послідуючої перефазовки схеми. Широко використовується спосіб, при якому комбінаційні вузли з низькою швидкодією виділяють окремо і для них знижують частоту синхронізації до необхідної.

Найбільш гнучкий спосіб забезпечення високої швидкодії при наявності комбінаційних схем з великою затримкою – це використання багатофазних схем синхронізації, які використовуються у швидкодіючих пристроях. Переваги таких схем ілюструє рис. 4.23.

У залежності від величини конкретної затримки кожної комбінаційної схеми, на С-входи пристроїв пам’яті можливо заводити різні фази синхронізації і, відповідно, відкривати тригери-приймачі з затримкою на інтервали часу, кратні Т_Ф (Т_Ф , 2Т_Ф , 3Т_Ф , …) відносно тієї фази, яка синхронізує передавач інформації. Недопустимо тільки синхронізувати тригери-приймачі синхросигналом тієї фази, якою синхронізувалися тригери-передавачі даної комбінаційної схеми. Розглянутий спосіб широко використовується на практиці, адже він дає також можливість зменшити неробочі інтервали комбінаційних схем, що мають місце при очікуванні синхросигналу.

Рис.4.23.

На вибір тактової частоти генератора синхросигналів впливають також типи тригерів, розгалуженість схеми розподілення синхросигналів. Вказані особливості використовуються тільки досвідченими конструкторами при проектуванні складних цифрових схем автоматики. З розвитком потужних мікропроцесорів та машинних методів проектування ці особливості стають неактуальними.

У процесі проектування часто виникає необхідність у створенні зворотних зв’язків у синхронних схемах. У таких випадках необхідно дотримуватись наступних правил:

· в усіх схемах з двофазною синхронізацією петля зворотного зв’язку як з логічними елементами, так і без них повинна починатись з виходів тригерів, що синхронізуються однією фазою і закінчуватись на вході тригерів, що синхронізуються іншою фазою;

· недопустимі зв’язки, які передають сигнали з виходу однієї групи тригерів на вхід другої, що синхронізується однією і тією ж фазою.

З вказаних правил витікає, що відсутність у схемах з двофазною синхронізацією замкнутих кіл забезпечується тим, що у будь-який момент часу хоча б один з запам’ятовуючих пристроїв є відключеним і не передає інформацію з входу на вихід. Ці умови можуть бути забезпечені і при використанні однофазної синхронізації, якщо використовувати тригери, які не є “прозорими” для інформаційного сигналу, – наприклад, динамічні тригери. Особливості використання динамічних тригерів у схемах однофазної синхронізації пояснюються на рис. 4.24.

Рис.4.24.

Для розподілення комбінаційних схем KCI, KCII використовуються динамічні тригери, запис інформації в які проходить за фронтом синхроімпульсу. До моменту часу t₀ всі перехідні процеси в комбінаційній схемі KС повинні завершитись, залишивши невеликий резерв часу підготовки t_П до появи фронту синхроімпульсу. Поява його в момент t₁, як відомо з роботи динамічних тригерів, не призводить до миттєвої зміни його станів, а початок цього процесу затримується на інтервал часу витримки t_В. Через інтервал затримки t_ЗТ у зміні станів виходів тригерів нові дані з’являються на вході комбінаційної схеми (наприклад, схеми KCI), і в ній починається описаний процес гонок, який проходить протягом часу затримки комбінаційної схеми t_ЗКС до моменту часу t₄. З аналізу розглянутих динамічних процесів витікає, що фактично тактова частота визначається часом t_ЗКС .

При однофазній синхронізації допускається використання тригерів, які у різних модулях мають різні моменти зміни станів. Наприклад, тригери пристрою RGI спрацьовують за фронтом, а RGII – за спадом. Завдяки такій комбінації виникає можливість використовувати КС з різними інтервалами затримок.

Особливістю однофазної синхронізації є складність її використання при розгалуженій системі синхронізації. Пояснюється це тим, що на окремих ділянках схеми синхронізації можуть виникати суттєві затримки. Інформаційні сигнали для ланки схеми, що розглядається, можуть не мати затримок. Як результат цього явища, неспівпадіння інформаційних тактів з фронтами синхросигналу – наприклад, N-го такту синхросигналу з (N+1) тактом інформаційного сигналу. Проконтролювати подібну ситуацію не завжди можливо, тому однофазна синхронізація находить обмежене використання.

Двофазна і багатофазна синхронізація не має вказаного недоліку через те, що вона має можливість попередньо врахувати будь-які затримки як в передачі синхронізуючих, так і інформаційних сигналів.

Важливо звернути увагу і на інші переваги багатофазної синхронізації. Перш за все, модулі пам’яті в багатофазних схемах синхронізації можуть бути побудовані на найпростіших синхронних тригерах, а принципових обмежень на типи тригерів практично немає. Немає обмежень також на часові співвідношення в імпульсних послідовностях синхросигналу або крутизну фронтів, що є обов’язковими для динамічних тригерів. Вказані переваги багатофазних схем синхронізації, незважаючи на складність побудови розгалуженого дерева синхронізуючих сигналів, приводять до того, що в складних цифрових схемах використовуються переважно вони. Однофазні схеми знаходять використання лише в окремих вузлах або нескладних схемах – регістрах, лічильниках і т. п. Часто однофазна синхронізація використовується в мікроконтролерах, в яких немає необхідності багатоступінчатого розмноження сигналів.