Wielkie Kompendium: Technika Cyfrowa (TC)

1. Podstawy i Pojęcia Wstępne

• Systemy liczbowe: Niepozycyjny to taki, gdzie znaczenie cyfry nie zależy od miejsca jej występowania (np. system rzymski)[cite: 1818]. Pozycyjny to taki, gdzie wartość cyfry zależy od jej pozycji[cite: 1819].
• Postaci funkcji logicznej:
  • Sumacyjna (alternatywna): polega na zsumowaniu wszystkich iloczynów elementarnych, dla których funkcja przyjmuje wartość 1[cite: 1821].
  • Iloczynowa (koniunkcyjna): polega na wymnożeniu sum elementarnych dla których funkcja przyjmuje 0[cite: 1822].
• Pojęcia:
  • Literał: argument lub jego negacja[cite: 1826].
  • Implikant: iloczyn literałów, dla którego funkcja wynosi 1[cite: 1827]. Implikant prosty to taki, który pomniejszony o literał przestaje nim być[cite: 1829].
  • Implicent: suma literałów, dla której funkcja wynosi 0[cite: 1830].
• Parametry bramek logicznych: Szybkość działania, moc strat, odporność na zakłócenia, zgodność łączeniowa, obciążalność[cite: 1823, 1824, 1825].

2. Układy Kombinacyjne vs Sekwencyjne

• Układ kombinacyjny: Jest to układ całkowicie bez pamięci, co oznacza, że stan wyjść zależy wyłącznie od aktualnego stanu wejść[cite: 1305, 1660]. Jest opisywany funkcjami boolowskimi[cite: 1661]. Brak w nim sprzężeń zwrotnych[cite: 741].
• Układ sekwencyjny: Posiada pamięć[cite: 1306, 1862]. Wyjście zależy zarówno od sygnałów wejściowych, jak i od poprzednich stanów (tzw. stanów wewnętrznych pamiętanych np. w rejestrach)[cite: 1313, 1314].
  • Asynchroniczne: Zmiana stanu wewnętrznego zachodzi natychmiast pod wpływem zmiany wejść. Cechuje je szybkość, ale i brak zmiennej czasu oraz podatność na hazard[cite: 1309, 1317, 1878].
  • Synchroniczne: Zmiana stanu następuje tylko w ściśle określonych taktach zegarowych (pojawia się zmienna czasu)[cite: 1315, 1324, 1879].
• Układy iteracyjne: Wynik działania na jednych zmiennych wpływa kaskadowo na wynik na innych zmiennych[cite: 1836].

3. Automaty Moore'a i Mealy'ego

• Moore: W automacie Moore'a wyjście zależy wyłącznie od aktualnego stanu wewnętrznego[cite: 1327, 1636, 1865].
• Mealy: W automacie Mealy'ego wyjście zależy od stanu wewnętrznego oraz bezpośrednio od stanu wejść[cite: 1391, 1637, 1871].

4. Translatory, Multipleksery (MUX) i Demultipleksery (DEMUX)

• Translator: Przetwarza informację z jednego kodu na inny[cite: 1837]. Dekoder z kodu binarnego na '1 z n', a koder odwrotnie[cite: 1837].
• Multiplekser (MUX): Komutator przekazujący informację z wybranego adresem jednego z wielu wejść na dokładnie jedno wyjście[cite: 1249, 1698, 1838].
• Demultiplekser (DEMUX): Komutator przekazujący sygnał z jednego wejścia na wybrane adresem jedno z wielu wyjść[cite: 1275, 1716].

5. Przerzutniki i Konstrukcja JK Master-Slave

• RS: Wyzwalany poziomem. Posiada wejścia S (set) i R (reset). Nie można podać stanu 11. Zmiany następują cały czas gdy zegar jest wysoki[cite: 1945].
• D (Data): Zatrzask wyzwalany poziomem[cite: 1946]. Przepisuje wejście na wyjście (Q = D przy CLK=1)[cite: 1906].
• T (Toggle): Przełącznik wyzwalany poziomem[cite: 1947]. Zmienia stan wyjścia na przeciwny.
• JK Master-Slave (JK-MS):

  Zbudowany z dwóch połączonych kaskadowo przerzutników JK. Nadrzędny (Master) działa jako bufor wejściowy, a podrzędny (Slave) jako bufor wyjściowy[cite: 1242, 1243]. Zapis odbywa się po pełnym cyklu zegarowym: przy zboczu narastającym informacja wchodzi do Mastera (Slave w tym czasie izoluje wyjście i pamięta stary stan)[cite: 1244, 1669]. Na zboczu opadającym to co jest w Masterze wędruje do Slave i pojawia się na wyjściu układu[cite: 1245]. Całkowicie niweluje to problem wzbudzania się układu i tzw. "rozmycia" zegara.

6. Rejestry i Liczniki

• Rejestr: Zespół przerzutników do zapamiętywania i prostego przetwarzania słów binarnych[cite: 1963].
  • Podział (we/wy): Równoległe (PIPO), Szeregowe (SISO), Równoległo-szeregowe (PISO), Szeregowo-równoległe (SIPO)[cite: 1489, 1490, 1965].
  • Równoległe: asynchroniczne ustawianie przerzutników[cite: 1802].
  • Przesuwające: synchroniczne przesyłanie w jednym lub dwóch kierunkach[cite: 1804, 1806].
  • Liczące: przesuwające ze sprzężeniem zwrotnym (np. pierścieniowe, Johnsona pseudo-pierścieniowe)[cite: 1807, 1811, 1812].
  • Liniowe: Generują pseudolosowy ciąg zer i jedynek dzięki optymalnemu sprzężeniu zwrotnemu przez bramki XOR[cite: 1814, 1815].
• Liczniki:
  • Asynchroniczne: Przerzutniki są sterowane wyjściami poprzedników[cite: 1460]. Stan licznika nie ustala się od razu (sumują się opóźnienia propagacji poszczególnych bramek)[cite: 1461].
  • Synchroniczne: Mają sieć logiczną i wspólny sygnał zegarowy (CLK) doprowadzony do każdego przerzutnika, co eliminuje opóźnienia łańcuchowe[cite: 1463, 1464, 1465].

7. Hazard i Wyścigi

Hazard to przekłamania na wyjściu spowodowane opóźnieniami w propagacji sygnałów na bramkach logicznych[cite: 1503, 1749, 1833]. Podziały hazardu:

• Statyczny: zmiana typu 1→0→1 (w warunkach działania) lub 0→1→0 (w warunkach niedziałania)[cite: 1500].
• Dynamiczny: układ zmienia się niepotrzebnie wiele razy w trakcie pojedynczej zmiany stanu wejść (np. 1→0→1→0 zamiast 1→0)[cite: 1501, 1502].
• Funkcyjny: związany bezpośrednio z funkcją, gdy jednocześne zmienia się kilka wejść[cite: 1505, 1506, 1834]. Może być dynam. lub statyczny[cite: 1506].
• Strukturalny: Eliminuje się go za pomocą "grup antyhazardowych" na siatkach Karnaugha (łącząc jedynki/zera, które się stykają na granicach głównych grup)[cite: 1507, 1532].

Wyścigi powstają w układach asynchronicznych, gdy podczas zmiany stanu wewnętrznego układu, zmienia się więcej niż 1 bit jednocześnie (np. przejście ze stanu 11 na 00, co wymusza pośrednie 01 lub 10)[cite: 1550, 1552, 1553, 1782].

• Niekrytyczne: Układ przechodzi przez błędne stany, ale ostatecznie trafia do właściwego celu[cite: 1555, 1784].
• Krytyczne: Układ wpada po drodze w inny stan stabilny i zatrzymuje się w złym miejscu[cite: 1556, 1787].
• Zasada: Należy zawsze projektować układy, używając przejść prostych, gdzie zmienia się zawsze tylko jeden element pamięci[cite: 1557, 1558].