Revisão de Circuitos Digitais e Circuitos Sequenciais Flip-Flops e Latches

MCTA024 Sistemas Digitais Aula 02 Revisão de Circuitos Digitais Circuitos Sequenciais Elementos de Eletrônica Digital Idoeta e Capuano Embedded System Design Vahid e Givargis Logic and Computer Design Fundamentals Mano e Kime Circuitos Lógicos Sequenciais Circuito Lógico Sequencial é aquele que possui algum Elemento de Memória Sistemas Digitais Tocci e Widmer Circuito Combinacional Elemento de Memória Entradas Saídas A maioria dos Sistemas Digitais é constituída de Circuitos Combinacionais e de elementos de Memória Elemento de Memória O Elemento de Memória mais importante é o FlipFlop FF Sistemas Digitais Tocci e Widmer Circuito Combinacional FlipFlop Entradas Saídas Normalmente um FF é implementado a partir de Portas Lógicas Latch é o tipo mais simples de FF enquanto que o termo Multivibrador Biestável é a denominação mais técnica para um FF FlipFlop Um FF pode ter uma ou mais Entradas e apresenta duas Saídas denominadas Q e Q opostas entre si Sistemas Digitais Tocci e Widmer FF Entradas Saída Normal A saída Q é denominada Saída Normal do FF e Q é a Saída Invertida do FF Quando se diz que um FF está no estado ALTO ou estado SET isto significa que Q 1 e Q 0 Quando se diz que um FF está no estado BAIXO ou estado RESET isto significa que Q 0 e Q 1 Saída Invertida Q Q Latch SR com Portas NOR O elemento de memória mais básico é o Latch normalmente usado dentro de FFs Logic and Computer Design Fundamentals Mano e Kime Estado SET Estado RESET Estado Inválido Aplicandose 1 nas duas entradas as saídas vão para 0 violando o princípio de que uma deve ser o complemento da outra x y F x y F 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Latch SR com Portas NAND Logic and Computer Design Fundamentals Mano e Kime Aplicandose 0 nas duas entradas as saídas vão para 1 violando o princípio de que uma deve ser o complemento da outra Estado SET Estado RESET Estado Inválido x y F x y F 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Latch SR com Entrada de Controle Logic and Computer Design Fundamentals Mano e Kime Somente quando a entrada de controle for C 1 a informação contida em S e R será passada para o latch SR A entrada de controle C funciona como um sinal habilitador Próximo estado de Q Não se altera Não se altera Estado inválido Q0 Estado Reset Q1 Estado Set Latch D Logic and Computer Design Fundamentals Mano e Kime Para o Latch D não há Estado Inválido Acrescentandose um inversor no Latch SR obtémse o Latch D Próximo estado de Q Não se altera Q0 Estado Reset Q1 Estado Set PositiveEdgeTriggered FlipFlop Logic and Computer Design Fundamentals Mano e Kime Quando C0 o primeiro latch D tornase transparente mas o segundo latch SR fica bloqueado Quando C passa de 0 para 1 o último valor de D é retido e passado para a entrada S do segundo latch que agora pode copiar este valor para sua saída Q O FF Disparado por Borda de Subida consiste de um latch D outro latch SR e dois inversores Este FF só muda sua saída durante a transição do clock de 0 para 1 ie na borda de subida de uma onda quadrada C Entradas Diretas ou Assíncronas Logic and Computer Design Fundamentals Mano e Kime Imediatamente após ligar ou resetar antes de iniciar a operação um circuito sequencial pode ser colocado num estado conhecido Normalmente isto é feito de forma assíncrona ie sem levar em conta o clock do circuito Entradas diretas S e R que controlam o estado do FF são usadas para este fim Por ex um 0 colocado em S leva o FF para o estado SET Q1 enquanto que um 0 colocado em R leva o FF para o estado RESET Q0 Transferência de Dados em Paralelo Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Muitas vezes é necessário armazenar os valores de saída de um Circuito Lógico Combinacional para processamento posterior Na fig ao lado as saída X Y e Z de um circuito lógico são transferidas para os FFs Q1 Q2 e Q3 na borda de descida do pulso TRANSFER nas entradas CLK que são comuns Esse é um exemplo de transferência paralela de um dado binário os três bits X Y e Z são transferidos simultaneamente Transferência Síncrona de Dados Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer O uso mais comum de FFs é no armazenamento de dados ou informações Esses dados são geralmente armazenados em grupos de FFs denominados Registradores A fig ao lado ilustra a transferência de dados entre dois FFs A e B na borda de descida do pulso TRANSFER Neste caso tratase de uma transferência síncrona visto que as entradas de controle síncronas S e C ou J e K ou D e a entrada CLK foram usadas para realizar a transferência J K Q 0 0 Q 0 1 0 1 0 1 1 1 Q Transferência Assíncrona de Dados Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Usandose as entradas assíncronas ou diretas PRE PRESET e CLR CLEAR ativas em nível baixo ocorre uma transferência assíncrona independentemente das entradas síncronas J e K e do clock do FF Quando a linha TRANSFER ENABLE é colocada em nível ALTO uma das saídas das portas NAND vai para o nível BAIXO dependendo do estado das saídas A e A Esse nível BAIXO vai setar ou resetar o FF B para o mesmo estado do FF A Transferência Paralela de Dados Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer A figura ilustra uma transferência de dados de um registrador para outro usando FFs D Na aplicação da borda de subida do pulso TRANSFER o nível armazenado em X1 é transferido para Y1 X2 para Y2 e X3 para Y3 Tratase de uma transferência paralela e síncrona A transferência paralela não altera o conteúdo do registrador que é a fonte dos dados Registrador de Deslocamento Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Um Registrador de Deslocamento é um grupo de FFs organizados de modo que os valores binários armazenados nos FFs sejam deslocados de um FF para o seguinte a cada pulso de clock O valor da saída X3 é transferido para X2 o valor de X2 para X1 e o de X1 para X0 Dessa forma quando ocorre uma borda de descida no pulso de deslocamento cada FF recebe o valor armazenado previamente no FF à esquerda X3 D3 CLK X2 D2 CLK X1 D1 CLK X0 D0 CLK DATA IN CLK Transferência Serial de Dados Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer A transferência de dados entre registradores X e Y pode ser feita de modo serial com registradores de deslocamento usando FFs D requerem menos conexões que os FFs JK Observe que X0 o último FF do registrador X está conectado à entrada D de Y2 o primeiro FF do registrador Y Quando os pulsos de deslocamento são aplicados a transferência de informação acontece da seguinte forma X2X1X0Y2Y1Y0 Divisão de Frequência e Contagem Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Considere a situação em que as duas entradas dos FFs JK estão em 1 para que ele mude de estado sempre que o sinal em sua entrada CLK for do nível ALTO para BAIXO Os pulsos de clock são aplicados apenas na entrada CLK do FF Q0 de tal modo que Q0 comuta na borda de descida de cada pulso na entrada de clock Assim a forma de onda da saída Q0 tem uma frequência que é exatamente a metade da frequência dos pulsos do clock Usando N FFs a frequência de saída do último FF será igual a 12N da frequência de entrada Tratase portanto de um divisor de frequência Operação de Contagem Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Além de funcionar como um divisor de frequência o circuito anterior também funciona como um Contador Binário A Tabela de Estados ao lado mostra que os primeiros oito estados de Q2Q1Q0 devem ser reconhecidos como uma contagem binária sequencial de 000 a 111 Após a primeira borda de descida do clock os FFs passam para o estado 001 Q20 Q10 Q01 que representa 0012 E assim sucessivamente Diagrama de Transição de Estados Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Outra forma de mostrar como os estados dos FFs mudam a cada pulso de clock aplicado é através do Diagrama de Transição de Estados Observando o estado de um círculo em particular vêse qual é o estado anterior e o posterior Por ex observando o estado 000 vêse que ele é alcançado quando o contador está no estado 111 e o pulso de clock é aplicado Da mesma forma vêse que o estado 000 sempre é seguido pelo estado 001 Como este contador tem 238 estados diferentes ele é denominado contador de módulo 8 sendo que o valor do módulo indica o número de estados da sequência de contagem Contadores com Registradores de Deslocamento Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Contadores com registradores de deslocamento usam a realimentação o que significa que a saída do último FF é conectada de volta ao primeiro FF Tratase portanto de um registrador de deslocamento circular Na maioria dos casos somente um único 1 está no registrador e esse 1 circula pelo registrador enquanto pulsos de clock forem aplicados Por esta razão ele também é conhecido como Contador em Anel Diagrama de Estados do Contador em Anel Sistemas Digitais Princípios e Aplicações Tocci e Widmer Esse contador funciona como um contador de módulo 4 uma vez que ele tem quatro estados distintos antes que a sequência se repita De modo geral um Contador em Anel necessitará de mais FFs do que um Contador Binário de mesmo módulo Por ex um Contador em Anel de módulo 8 necessita de oito FFs enquanto um Contador Binário de módulo 8 requer apenas três