Università degli Studi di Cassino

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1 di assino orso di alcolatori Elettronici I Elementi di memoria e registri Anno Accademico 27/28 Francesco Tortorella

2 Elementi di memoria Nella realizzazione di un sistema digitale è necessario utilizzare degli elementi di memoria per: memorizzazione di dati (registri per istruzioni/dati, buffers, control/status, flag) sincronizzazione tra dati alcolatori Elettronici I Lezione - /9 F. Tortorella 28 di assino

3 Elementi di memoria: RS-latch S R / / R S R S tempo alcolatori Elettronici I Lezione - 2/9 F. Tortorella 28 di assino

4 Elementi di memoria: -latch Un -latch è un elemento che permette la memorizzazione di un valore binario. Ha due ingressi: (ata): il valore da memorizzare (lock): un segnale di abilitazione alla lettura In uscita presenta il valore memorizzato ed il suo complemento / / / / R S Il -latch può essere realizzato tramite un RS-latch alcolatori Elettronici I Lezione - 3/9 F. Tortorella 28 di assino

5 Andamento temporale del -latch Eventuali variazioni di mentre è alto vengono seguite tempo alcolatori Elettronici I Lezione - 4/9 F. Tortorella 28 di assino

6 Elementi di memoria: flip flop edge triggered Gli elementi di memoria edge-triggered modificano il loro stato in corrispondenza del fronte di salita o di discesa del clock. In tal modo si evitano i problemi dei latch. master Realizzazione Master-Slave slave 2 2 alcolatori Elettronici I Lezione - 5/9 F. Tortorella 28 di assino

7 alcolatori Elettronici I Lezione - 6/9 F. Tortorella 28 di assino

8 L ingresso deve essere stabile in un intervallo di tempo intorno al fronte del segnale, altrimenti l uscita del flip flop non è affidabile Sono quindi definiti dei tempi minimi di durata del segnale prima del fronte (setup time) e dopo il fronte (hold time) Setup time Hold time alcolatori Elettronici I Lezione - 7/9 F. Tortorella 28 di assino

9 lock Il clock è un segnale periodico, definito da una propria frequenza f=/t T Rising edge Falling edge Può assumere solo due valori (clock alto o clock basso). La transizione tra un valore ed un altro definisce un fronte di salita (rising edge) o di discesa (falling edge). In un sistema digitale sincrono il segnale di clock viene utilizzato per determinare i cambiamenti di stato negli elementi di memoria. uando ciò avviene in corrispondenza di un fronte si parla di sincronizzazione edge triggered (edge triggered clocking) alcolatori Elettronici I Lezione - 8/9 F. Tortorella 28 di assino

10 Il lock in un sistema digitale sequenziale () I segnali che sono ingresso di elementi di memoria devono essere stabili quando si verifica il fronte del clock. Elemento di memoria (E.T.) Rete ombinatoria Elemento di memoria 2 (E.T.) Periodo del clock (T) Per assicurare la stabilità dei valori letti all uscita della rete combinatoria, il periodo del clock deve essere sufficientemente lungo. Se t d è il ritardo legato al percorso critico della rete combinatoria, allora T> t d. alcolatori Elettronici I Lezione - 9/9 F. Tortorella 28 di assino

11 Il lock in un sistema digitale sequenziale (2) Elemento di memoria Rete ombinatoria (E.T.) on una sincronizzazione di tipo edge triggered è possibile realizzare delle retroazioni sugli stessi elementi di memoria. alcolatori Elettronici I Lezione - /9 F. Tortorella 28 di assino

12 Elementi di memoria: flip flop JK Il flip flop JK coincide con il flip flop RS tranne che per la combinazione J=K=, in cui lo stato prossimo è definito come il complemento dello stato presente (contatore modulo 2). J K n+ n n R = K n S = J n Retroazione delle uscite La retroazione diretta delle uscite non è realizzabile perché potrebbe condurre ad uno stato diverso da quello previsto o indurre un processo di oscillazione (se J=K=). Per avere una realizzazione efficiente è necessario separare logicamente le uscite correnti dagli ingressi. Soluzione? alcolatori Elettronici I Lezione - /9 F. Tortorella 28 di assino

13 Realizzazione di flip flop JK Una possibile realizzazione si ottiene tramite uno schema master-slave con bistabili RS abilitati. K R R2 2 J S S2 2 Il primo stadio separa logicamente le uscite correnti (2,2) dagli ingressi (R2,S2) dello stadio finale che opera la commutazione dello stato dell intero flip flop. alcolatori Elettronici I Lezione - 2/9 F. Tortorella 28 di assino

14 J K 2 2 alcolatori Elettronici I Lezione - 3/9 F. Tortorella 28 di assino

15 Registri Un singolo bistabile è sufficiente per memorizzare un bit. Per memorizzare dati rappresentati su più bit è conveniente organizzare più bistabili in una struttura comune, il registro. a a a 2 a 3 input clock b b b 2 b 3 output I bistabili sono sincronizzati da un clock comune in modo da caricare (o leggere) i dati in tutti i bistabili contemporaneamente. alcolatori Elettronici I Lezione - 4/9 F. Tortorella 28 di assino

16 Registri a scorrimento () In diversi tipi di elaborazioni è necessario operare delle traslazioni (shift) o delle rotazioni sui contenuti di una registro. Un supporto hardware che rende possibile questa operazione è fornito dal registro a scorrimento (shift register). in out clock Ad ogni impulso di clock il contenuto del registro trasla di una posizione verso destra. uali sono i vincoli sulla tempificazione dei bistabili? alcolatori Elettronici I Lezione - 5/9 F. Tortorella 28 di assino

17 Registri a scorrimento (2) Un tipo particolarmente utile di registro a scorrimento è quello che consente la scrittura e la lettura del contenuto del registro anche in parallelo. a a a 2 a 3 Load/Shift Serial In Out lock b b b 2 b 3 alcolatori Elettronici I Lezione - 6/9 F. Tortorella 28 di assino

18 efinizione del periodo di clock a i a i+ Load/Shift lock T high T low T d master(i) T T d slave(i) T d mux T setup master(i+) setup slave(i) T high > T d master(i)+t setup slave(i) T low > T d slave(i)+t d mux+t setup master(i+) alcolatori Elettronici I Lezione - 7/9 F. Tortorella 28 di assino

19 ontatori () ircuiti fondamentali nella realizzazione di sistemi di elaborazione. Forniscono, in maniera codificata, il numero delle volte che si è verificato un evento (es. falling edge di un segnale in ingresso). Il conteggio avviene mod 2 k, se l uscita è su k bit. ontatore modulo 2 J K lock scaling alcolatori Elettronici I Lezione - 8/9 F. Tortorella 28 di assino

20 ontatori (2) ontatore mod 2 k realizzato tramite k contatori mod 2 montati in cascata (ripple counter) 2 3 J J J J K K K K 2 3 alcolatori Elettronici I Lezione - 9/9 F. Tortorella 28 di assino