electronique numerique 2

ELECTRONIQUE NUMERIQUE
2ème PARTIE
INTRODUCTION AUX SYSTEMES SEQUENTIELS
1. INTRODUCTION…........................................................................................................... p. 2
1.1 Définition d’un système séquentiel.
1.2 Architecture d’un système séquentiel.
1.3 Table de fonctionnement et équation d’un système séquentiel.
1.4 Comportement synchrone ou asynchrone.
2. LES BASCULES. ………………………………………………………………………….p. 3
2.1 Bascule RS asynchrone à base de NOR.
2.2 Bascules synchrones.
2.3 Bascule RS Latch avec Enable.
2.4 Bascule RSH synchrone active sur front……………………………………………….p. 4
2.5 Bascules D.
2.5.1 Bascule D Latch.
2.5.2 Bascules D flip flop…………………………………………………………...p. 5
2.6 Autres bascules : JK, T
2.7 Machines synchrones.
2.8 Représentation graphique des modes de synchronisation.
2.9 Fonctionnement asynchrone des bascules.………………..…………………………….p. 6
2.10 Caractéristiques dynamiques des bascules.
2.10.1 Temps de prépositionnement : Setup time : ts.
2.10.2 Temps de maintient : Hold time : th.
2.10.3 Temps de propagation : tp
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ELECTRONIQUE NUMERIQUE
2ème PARTIE
INTRODUCTION AUX SYSTEMES SEQUENTIELS
1. INTRODUCTION.
1.1. Définition d’un système séquentiel.
Un système est dit séquentiel, si pour une même combinaison des variables d’entrée, il fait correspondre
plusieurs combinaisons de sortie différentes. L’état des sorties dépendra alors non seulement de l’état des
entrées à l'instant t, mais aussi de l’état des sorties elles-mêmes (c’est-à-dire de l’état des entrées à
l’instant t-1). Ceci introduit la notion de séquence d'entrée.
L'effet mémoire est typique des systèmes séquentiels, l'élément de mémorisation le plus important est la
bascule D, constituée d'un ensemble de portes logiques. Même si, en soi, une porte logique ne retient pas
de donnée, il est possible d'en raccorder quelques-unes ensemble afin d'obtenir le stockage d'une
information. Il existe différentes façons de monter les portes pour obtenir ces bascules.
1.2. Architecture d’un système séquentiel.
E0
E1
E2
Bloc
combinatoire
Etat
présent
Sn+1(Sn,E0, E1,E2)
Mémoire
ou retard
propre
Etat
suivant
horloge
1.3. Table de fonctionnement et équation d’un système séquentiel.
Pour décrire le fonctionnement d’un système séquentiel on définit l’état futur des sorties noté n+1 en
fonction des entrées et de l’état présent des mêmes sorties noté n.
Ex. : Bascule T :
Table de fonctionnement :
Explication : Si à l’instant n la sortie Q vaut 0 et que
l’entrée T vaut 0 alors l’état futur de la sortie sera 0, etc. …
Equation de fonctionnement : Qn+1 = Qn. /T + /Qn. T
T
0
0
1
1
Qn
0
1
0
1
Qn+1
0
1
1
0
1.4. Comportement synchrone ou asynchrone.
Fonctionnement asynchrone => réponse immédiate à toute modification d’une entrée !!
Ex. : lorsqu’un système séquentiel possède une entrée asynchrone, les sorties du systèmes peuvent
changer dès que cette entrée asynchrone change d’état.
Fonctionnement synchrone => modification de l’état de la sortie à un instant précis fixé par l’action
d’un signal périodique de synchronisation (horloge).
Ex. : Si les entrées synchrones d’un système changent d’état, le système ne les prend en compte
que lorsque le signal de synchronisation (horloge) le permet.
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2. LES BASCULES.
Une bascule est une mémoire 1 bit.
2.1. Bascule RS asynchrone à base de NOR.
1
R
Q
1
Q’
S
R
0
0
1
1
S
0
1
0
1
Qn+1 Q’n+1 Fonction sur Q
Qn
Q’n Mémoire
1
0
Mise à 1
0
1
Mise à 0
0
0
Etat interdit*
*Si les entrées passent de 11 à 00 simultanément,
l’état des sorties est imprévisible.
Ces bascules sont particulièrement utiles pour mémoriser des états des entrées fugitifs.
Ex. : barrière d’entrée avec badge.
Capteur passage
véhicule
Insertion
badge
R
Q
Commande
montée barrière
S
a) Le badge est inséré : un 1 sur S met la sortie à 1, ce qui monte la barrière.
b) Le badge est retiré (le 1 était un état fugitif) : S repasse à 0 => on passe en fonction mémoire => Q
reste à 1 : la barrière est maintenue ouverte.
c) Le véhicule passe la barrière et déclenche le capteur : R passe à 1 => Q passe à 0 => fermeture de
la barrière.
d) Le véhicule continue d’avancer => le capteur n’est plus activé => R passe à 0 (le 1 était un état
fugitif) => fonction mémoire : Q reste à 0 maintenant la barrière fermée.
2.2. Bascules synchrones.
Elles disposent toutes d’un signal de synchronisation qui a pour fonction d’autoriser la bascule à prendre
en compte l’état de ses entrées pour calculer l’état de ses sorties.
- Ce signal peut être une simple validation qui est active sur un état. On parle alors de bascule
Latch.
- Ce signal peut être une horloge qui est actif sur front. On parle alors de bascule flip-flop.
Lorsque le signal de synchronisation n’est pas actif, la bascule est dans une position mémoire !!!
Dans la table de fonctionnement on peut (ou non) faire apparaître le signal de synchronisation (H ou
Enable). Dans l’équation de fonctionnement on ne fait jamais apparaître le signal de synchronisation (H
ou enable) car l’équation nous donne l’état de la sortie lorsque le signal de synchronisation est actif !!!
2.3. Bascule RS Latch avec Enable.
La bascules R-S étudiée précédemment est sensible aux changements sur les entrées S et R, ceci à
n'importe quel moment (=> fonctionnement asynchrone). Cependant il est très facile de modifier un de
ces circuits pour rendre ses entrées sensibles uniquement lorsqu’une troisième entrée enable (C) est
active. Une telle bascule R-S avec enable est montrée ci-dessous. Comme on peut le voir dans la table de
vérité, ce circuit se comporte comme une simple bascule R-S lorsque l'entrée C (enable) est à 1, et
mémorise son état lorsque C est à 0.
C R S Qn+1 Q’n+1 Fonction sur Q
1 0 0
Qn
Q’n Mémoire
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R
&
R
&
S
Q
Q
C
S
R
C
S
1
1
1
0
0
1
1
X
1
0
1
X
1
0
0
Qn
0
1
0
Q’n
Mise à 1
Mise à 0
Etat interdit*
Mémoire
Q
2.4. Bascule RSH synchrone active sur front.
On ajoute un détecteur de front montant ou descendant sur l’entrée de validation.
R
Détecteur de front
H
&
R
&
S
Q
C
S
R Q
H
S
H
↑
↑
↑
↑
0
1
R
0
0
1
1
X
X
S Qn+1 Fonction sur Q
0
Qn Mémoire
1
1
Mise à 1
0
0
Mise à 0
1
0
Etat interdit*
X
Qn Mémoire
X
Qn Mémoire
H
C
S
R
Q
t
Entrées prises en compte
que sur front de H (donc
quand C vaut 1)
Entrées non prises en compte
car en dehors du front sur H
(donc quand C vaut 0)
2.5. Bascules D.
C’est une bascule RS sur laquelle on a simplement ajouté un inverseur entre les entrées S et R, il ne reste
donc plus que l'entrée appelée D. Ceci nous supprime la possibilité de mettre S et R simultanément à 1 en
même temps, ce qui élimine les problèmes d’état interdit de la bascule RS.
2.5.1. Bascule D Latch.
Elle est réalisée à partir d’une RS Latch avec entrée Enable (E) active à l’état haut.
D
E
1
S
C
R
Q
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Q
D
Q
E
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E
0
0
1
1
1
1
D
X
X
0
0
1
1
Qn Qn+1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
E
0
1
Qn+1
Qn
Dn
Equation de fonctionnement :
Qn+1 = Dn
2.5.2. Bascule D flip-flop.
Elle est construite à partir d’un bascule RSH flip flop, c’est-à-dire à mode de synchronisation sur front.
D
H
S Q
H
R
1
H
X
↑
Qn+1
Qn
Dn
D
Q
Q
H
Equation de fonctionnement :
Qn+1 = Dn
2.6. Autres bascules : JK, T.
Elles ne seront pas étudiées dans ce cours car les plus couramment utilisées sont les bascules D. Vous
pourrez trouver néanmoins, si cela vous intéresse, beaucoup de littérature sur ces bascules.
2.7. Machines synchrones.
La majorité des systèmes numériques existants sont des machines synchrones du fait que les circuits
synchrones sont plus simples à concevoir et à dépanner. Leurs sorties ne peuvent changer qu'à des
instants précis bien connus. Autrement dit, tous les changements sont synchronisés avec les transitions du
signal d'horloge.
La synchronisation orchestrée par des signaux d'horloge est réalisée au moyen de bascules synchrones qui
ont été réalisées pour changer d'état au moment de la transition associée à un front ou à l'autre du signal
d'horloge.
2.8. Représentation graphique des modes de synchronisation.
Latch état haut =>
D
Q
Latch état bas =>
D
Q
ou
○E
E
Flip-flop
=>
Front montant
D
Q
H
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flip-flop =>
front
descendant
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D
○ H
D
Q
E
Q
ou
D
H
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Q
2.9. Fonctionnement asynchrone des bascules.
Les bascules disposent souvent d’entrées asynchrones qui permettent de forcer « immédiatement » la
sortie à prendre la valeur 0 (Reset ou Clear) ou 1 (Set ou Preset).
Elles sont en général actives à 0.
S
S
D
J
Q
Q
H
H
Q
K
R
Q
R
2.10. Caractéristiques dynamiques des bascules.
Ce sont les paramètres temporels du circuit en commutation.
Les fabricants de bascules intégrées spécifient quelques paramètres et caractéristiques de synchronisation
importants qu'il importe de prendre en considération avant d'utiliser une bascule dans un circuit pratique.
tS
th
Donn ée
syn chrone
J K ou D
H Vm
Q
t
PHL
t
PLH
Variation poss ible
2.10.1. Temps de prépositionnement : Setup time : ts.
La donnée d’entrée (D par exemple) doit rester stable depuis au minimum ts avant le front d’horloge.
2.10.2. Temps de maintient : Hold time : th.
La donnée d’entrée doit rester stable au moins th après le front d’horloge.
D'après ce qui vient d'être dit, on voit que l'entrée de commande doit rester stable (inchangée) pendant
une durée égale à la somme du temps tS, qui précède le front déclencheur, et du temps th qui suit ce même
front. Les bascules de CI ont des temps tS et th de l'ordre des nanosecondes.
2.10.3. Temps de propagation : tp
Tphl : temps maximum que met la sortie pour passer de l’état haut à l’état bas à partir du front d’horloge.
Tplh : temps maximum que met la sortie pour passer de l’état bas à l’état haut à partir du front d’horloge.
Les bascules modernes dans les CI ont des retards de propagation de l'ordre de quelques nanosecondes.
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