á 2024/09/18 356

Uppgötvaðu hringitölur: Ítarleg leiðarvísir um virkni þeirra, flokkanir og notkun

Hringskelli er stafræn hringrás sem samanstendur af flip-flops tengdum í lokaðri lykkju, sem gerir kleift að nota í röð og hringlaga aðgerðir sem notaðar eru í stafrænum kerfum.Þessi grein skoðar hringitölur, sem byrjar frá grunnrekstri þeirra í flóknari form eins og 4-bita og 8 bita útgáfur, þar sem gerð er grein fyrir frumstillingu þeirra, vélfræði og notkun.

Vörulisti

Mynd 1: Hringborð

Grunnatriði hringtölna

Hringborð er sérstök tegund vaktaskrá, hönnuð á lokuðu lykkju sniði þar sem framleiðsla frá síðustu flip-flop er send aftur til fyrsta.Þetta lykkjufyrirkomulag er það sem aðgreinir það frá venjulegum vaktskrám þar sem gagnaflæðið stöðvast eftir loka flip-flop.Notkun hringtegunda snýst um mengi flip-flops.Fjöldi ríkja sem teljarinn getur haft beint veltur á því hve margir flip-flops eru notaðir í hringrásinni.Til dæmis inniheldur 4 bita hringborð fjögurra flip-flops.Hagnýtt fylgir hver flip-flop ákveðna röð, sem gerir hringteljunni kleift að takast á við veruleg verkefni eins og tímasetningu og raðgreining í stafrænu kerfum.

Í dæmigerðum hringborði stjórnar klukkupúls (CLK) notkun allra flip-flops á sama tíma, sem gerir það að samstilltu kerfi.Hver flip-flop hefur einnig tvö sérstök aðföng-Preset (PR) og Clear (CLR)-sem hafa forgang fram yfir önnur aðföng.Þegar forstilltu inntakið fær lítið merki neyðir það framleiðsla flip-flopið í hátt.Á sama hátt, þegar tær inntak fær lágt merki, endurstillir það framleiðsla flip-flop í lágt.Þessar forstilltar og skýrar skipanir tryggja að framleiðslan haldist stöðug og ekki fyrir áhrifum af öðrum aðföngum eða klukkutegundum.

Mynd 2: 8 bita hringborði

Afkóðun 8 bita hringborðsins

8 bita hringborð er stafræn hringrás sem samanstendur af átta D-gerð flip-flops sem raðað er í samfellda lykkju.Framleiðslan frá áttunda flip-flopinu er gefin aftur í inntak þess fyrsta og skapar órofna hringrás.Þessi lokaða lykkja hönnun gerir kleift að stíga í gegnum röð aðgreindra ríkja, þar sem hvert ríki sem samsvarar einum af flip-flopunum er virkur.8 bita stillingin ræður við samtals átta einstök ríki, sem eykur flækjustig teljara samanborið við smærri stillingar.

Notkun 8 bita hringborðsins byrjar með því að setja fyrsta flip-flopið á virkt ástand á meðan hinir flip-flops eru óvirkir.Klukkamerki er síðan beitt jafnt á alla flip-flops og tryggir að umbreytingar ríkisins gerast á sama tíma yfir alla hringrásina.Þegar klukka púlsar færist virka ástandið frá einni flip-flop yfir í það næsta í fyrirsjáanlegri lotu.Þessi röð rofar heldur áfram þar til síðasta flip-flopið fer fram framleiðslan aftur til þess fyrsta og lýkur lykkjunni.

Mynd 3: 4 bita hringborði

Að reka 4 bita hringborði

Til að stjórna 4 bita hringborði er það venjulega frumstillt með upphafsástandi '0001'.Í þessari uppsetningu er fyrsta flip-flop (FF0) stillt á framleiðsla '1', en hinir þrír flip-flops (FF1, FF2 og FF3) eru hreinsaðir í '0'.Þessi upphafsstilling tryggir að aðeins ein flip-flop heldur '1' ástandinu, sem mun síðan dreifast í gegnum restina af flip-flopunum með hverri klukku hringrás.

Þegar klukkan púlsar, færist '1' frá FF0 til FF1, síðan yfir í FF2, FF3 og að lokum aftur í FF0 og skapar endurtekna lykkju.Þessi framvindu heldur áfram með hverri flip-flop sem skiptir um að halda „1“ ástandi, á meðan hinir eru „0“.Þetta mynstur ríkisbreytinga myndar grunnrekstur hringborðsins og tryggir fyrirsjáanlega röð þar sem hún hringir í gegnum allar fjórar flip-flops.

Til að skilja betur hegðun hringborðsins geta bylgjuform eftirlíkingar með verkfærum eins og Verilog HDL á pöllum eins og Xilinx verið gagnlegar.Þessar eftirlíkingar búa til myndræna framsetningu á umbreytingum teljara, sem gerir þér kleift að sjá hvernig '1' færist frá einni flip-flop í það næsta með hverri klukkupúls.Til dæmis, á einni klukkuhringrás, færist '1' frá FF0 til FF1 og í næstu lotu, færist það yfir í FF2 og heldur áfram þar til hún snýr aftur til FF0 eftir að hafa náð FF3.Þessi sjónræn verkfæri eru ekki aðeins gagnleg til að fylgjast með röð vaktanna heldur einnig til að staðfesta nákvæmni tímasetningar og umbreytingar í hönnuninni.Þeir bjóða upp á skýra sýn á hvernig hringborðið virkar, sem hentar til að sannreyna að tækið skili rétt í raunverulegum heimi.

Að hallmæla sannleikatöflu hringtegunda

Sannleikatafla er alvarlegt tæki sem notað er til að kortleggja inntak og úttaksástand hringborði og gefur skýrt yfirlit yfir hvernig teljarinn starfar í stafrænum hringrásum.Fyrir 4 bita hringteljara sýnir taflan hvernig „1“ ástandið fer í gegnum hverja flip-flop framleiðsla (Q0, Q1, Q2, Q3) í endurteknum hringrás.Inntakin, svo sem yfirgnæfandi inntak (ORI) og klukkupúls (CLK), eru einnig skráð til að sýna hvernig þau hafa áhrif á umbreytingar ríkisins.Þessi tafla fangar hringrásarhegðun teljara, þar sem „1“ gengur frá einni flip-flop að því næsta og lykkir að lokum aftur að upphafspunkti.

Í hverri klukkuhringrás færist '1' frá einni framleiðslunni yfir í næstu, færist frá Q0 til Q1, Q1 í Q2, Q2 til Q3, og loksins aftur í Q0.Þessi röð hreyfingar er kjarninn í því hvernig hringur telur og hún styður beint þarfir kerfa sem treysta á endurteknar, fyrirsjáanlegar raðir.Tæki eins og stafrænar klukkur, snúningsskynjarar og staðsetningar umritunaraðilar njóta góðs af þessari hagsveiflu, þar sem nákvæmni og tímasetning er notuð.

Mynd 4: Verilog HDL forrit fyrir hringborði

Hringborðshönnun í Verilog HDL

Eftirfarandi Verilog HDL forrit er hannað til að móta hegðun hringborða með mát nálgun.Hver eining í kóðanum samsvarar flip-flop í hringborðinu, með framleiðslunni frá einni einingunni sem nær beint inn í inntak næsta.Þessari keðju tenginga er stjórnað af hækkandi brúnklukka púlsum, sem samstilla umbreytingar ríkisins yfir allar flip-flops, sem tryggir að kerfið starfar á samræmdan hátt.

Ýmsar tegundir af hringtölum

Hring teljarar eru í tveimur megin gerðum, hver með einstaka rekstrareinkenni: beinan hringborð og snúinn hringborð.Báðir þjóna mismunandi tilgangi eftir þörfum stafræna kerfisins.

Mynd 5: Beinn hringborð (einn heitur teljari)

Beinn hringborði, oft kallaður „eins heitur“ teljari, starfar með því að fara með stöng „1“ í gegnum röð flip-flops í lykkju.Með hverri klukku púls færist '1' í næsta flip-flop á meðan allir aðrir flip-flops eru áfram á '0'.Þessi einfalda, hringlaga hönnun er tilvalin fyrir forrit sem þurfa aðeins eitt virkt ástand í einu, svo sem grunnröð rafala eða vaktskrár.Beint eðli beina hringborðsins tryggir auðvelda notkun og áreiðanleika í kerfum þar sem þörf er á einföldu endurtekningarmynstri.

Mynd 6: Twisted Ring Counter (Johnson Counter)

Snúa hringborðið, einnig þekktur sem Johnson teljari, bætir verulegri breytingu á grunnhönnuninni.Í þessari útgáfu er framleiðsla síðasta flip-flopsins hvolft áður en hún er gefin aftur í inntak fyrstu flip-flop.Þessi andhverfa skapar röð þar sem röð af þeim er fylgt eftir með röð af núllum, sem tvöfaldar í raun fjölda aðgreindra ríkja miðað við beinan hringborð.Fyrir vikið ræður Johnson teljarinn flóknari verkefnum, sem gerir það að betra vali fyrir forrit sem krefjast fjölbreyttari ríkja, svo sem umritunaraðila stafrænna stöðu eða fullkomnari raðgreiningaraðgerðir.

Samanburður á hringitölum við Johnson teljara

Helsti munurinn á hringborði og Johnson teljari liggur í því hvernig þeir höndla endurgjöf lykkjunnar, sem hefur áhrif á fjölda ríkja og heildarhegðun hvers teljara.

Hringborð: Í hringborðinu er framleiðslan frá síðustu flip-flopinu borin beint aftur í inntak fyrstu flip-flop án breytinga.Vegna þessarar beinnar lykkju er heildarfjöldi ríkja jafnt og fjöldi flip-flops í búðarborðinu.Til dæmis, ef það eru fjórar flip-flops, mun teljarinn hjóla í gegnum fjögur ríki.Hver flip-flop er með hátt ('1') fyrir eina klukku hringrás og helst lágt ('0') það sem eftir er tímans og býr til einfalda, endurtekna röð ríkja.

Johnson Counter: A Johnson teljari kynnir aftur á móti öfugum endurgjöf frá framleiðslunni á síðustu flip-flopinu aftur að inntaki þess fyrsta.Þessi andhverfa gerir teljaranum kleift að búa til fleiri ríki en hringborðið - að gefa tölunni.Hver flip-flop fer í gegnum tvö stig: Í fyrsta lagi heldur það háu ('1') og síðan lágu ('0'), áður en það skiptir yfir í gagnstæða ástand.Þetta þýðir að fjögurra flip-flop Johnson teljari myndi hjóla í gegnum átta ríki.Að auki dregur þessi hönnun úr framleiðslutíðni, þar sem framleiðsla tíðni er helmingi hærri en inntaksklukkumerkisins.

Mat á kostum og göllum með því að nota hring teljara

Hring teljarar hafa greinilegan ávinning og galla sem hafa áhrif á hæfi þeirra í hönnun stafrænna hringrásar.

Kostir

Einföld hönnun: Einn helsti styrkur hringborðs er einföld smíði hans.Ólíkt öðrum teljara þarf það ekki viðbótarhluta eins og myndlykla.Þessi einfaldleiki gerir það auðveldara og hagkvæmara að hrinda í framkvæmd, sérstaklega í kerfum sem þurfa grunnkóðun eða afkóðun án flókins vélbúnaðar.

Færri þættir: Uppbygging lykkju á endurgjöf hringtegundar gerir það kleift að virka með færri íhlutum miðað við aðrar gerðir.Þessi lækkun á hlutum lækkar ekki aðeins kostnað heldur eykur einnig áreiðanleika, þar sem færri þættir þýða minni hættu á bilun í vélbúnaði.

Gallar

Takmarkaður fjöldi ríkja: Helsta takmörkun hringborðsins er að fjöldi ríkja er beint bundinn við fjölda flip-flops.Ef þig vantar fleiri ríki þarftu að bæta við fleiri flip-flops, sem eru kannski ekki hagnýt í forritum sem krefjast stærri fjölda ríkja.

Engin sjálfstætt getu: Hring teljarar geta venjulega ekki byrjað frá neinu handahófskenndu ástandi.Þeir þurfa sérstakt forstillt ástand til að byrja að starfa, sem getur verið ókostur í kerfum þar sem eftirlýstur er sveigjanleiki og skjótur gangsetning.Þetta þýðir að auka skref eða íhlutir gætu verið nauðsynlegir til að tryggja að teljarinn frumstillir rétt.

Fjölbreytt forrit hringtölur í nútíma rafeindatækni

Hring teljarar gegna lykilhlutverki í ýmsum stafrænum kerfum, þökk sé einföldum en árangursríkum hringrásaraðgerðum þeirra.Geta þeirra til að fara í gegnum fastan fjölda ríkja í stjórnaðri röð gerir þau mjög gagnleg á ýmsum forritum.

Mynd 7: Talning á tíðni og stafrænum klukkum

Hring teljarar eru oft notaðir í tíðnistalum og stafrænum klukkum vegna þess að þeir geta hjólað í gegnum ákveðinn fjölda ríkja með nákvæmni og áreiðanleika.Þetta gerir þau tilvalin fyrir verkefni sem krefjast nákvæmrar mælingar á tíma eða tíðni, tryggja stöðugan og fyrirsjáanlega notkun.

Mynd 8: Tímamælar

Í tímasetningarumsóknum eru hringitölur notaðir til að mæla millibili og koma af stað sérstökum atburðum.Með því að komast í gegnum ríki sín í samstillingu við klukku merki, veita þeir beina leið til að stjórna tímasetningu, tryggja atburði á réttri stundu út frá núverandi ástandi teljara.

Mynd 9: Finite-State Machines (FSM)

Hring teljarar eru almennt samþættir í endanlegum vélavélum, sérstaklega í umhverfi eins og ASIC (forritssértækri samþættum hringrás) og FPGA (reit-forritanleg hliðar fylking) hönnun.Fyrirsjáanlegar ástandsbreytingar þeirra gera þær tilvalnar til að stjórna rekstrarstreymi í þessum kerfum og tryggja að hvert ástand breytinga sé meðhöndlað vel og nákvæmlega.

Mynd 10: Tímasetningarmerki

Hring teljarar eru einnig mikilvægir til að búa til tímasetningarmerki, sem eru gagnleg til að samræma rekstur flóknari hringrásar.Með því að framleiða þessi merki á venjulegan, hringlaga hátt hjálpa þau til að tryggja að mismunandi hlutar hringrásarinnar séu áfram samstilltir.

Mynd 11: Pseudo-Random Number kynslóð

Í dulmálskerfum eru hringitölur notaðir til að búa til gervi handahófsnúmer, sem eru hættuleg fyrir dulkóðunaralgrími.Geta teljara til að breytast í gegnum ríkin fyrirsjáanlega en viðhalda enn handahófi í framleiðslunni gerir þau gagnleg í þessari viðkvæmu forriti.

Mynd 12: Hringlaga geymslu

Í minni kerfum aðstoða hringitölur við að stjórna hringlaga biðröðum, tryggja að gögn séu geymd og sótt á skilvirkan hátt.Hringlaga eðli þeirra gerir þeim kleift að takast á við endurteknar hjólreiðar gagna á stjórnaðan hátt, sem gerir þau tilvalin til að stjórna stuðpúða og öðrum geymslukerfi sem treysta á stöðugt gagnaflæði.

Niðurstaða

Hring teljarar tákna fullkominn en fjölhæfan þátt í hönnun stafrænna hringrásar, sem einkennist af einfaldri smíði þeirra og árangursríkri notkun yfir fjölmörg forrit.Þrátt fyrir takmarkanir þeirra, svo sem fastan fjölda ríkja og skortur á sjálfstætt getu, gerir einfaldleiki og áreiðanleiki hringteljara þá nauðsynlega í hönnun nútíma stafrænna kerfa.

Algengar spurningar [FAQ]

1. Hver eru umsóknir Johnson -teljara?

Johnson teljarar, einnig þekktir sem snúinn hringitölur, eru fyrst og fremst notaðir í stafrænum rafeindatækni til að búa til töf á tímum og búa til samhverf fermetra bylgjulög.Þessir teljarar finna hagnýt forrit í stafrænum klukkum fyrir tímasetningu, í stjórnkerfum sem skipta-fyrir-n teljara þar sem þeir stjórna raðaðgerðum og við akstur tölur þar sem þeir framleiða hringlaga mengi tvöfaldra gilda.Rekstraraðilar treysta oft á Johnson teljara fyrir einfaldleika þeirra og áreiðanleika til að framleiða mikinn fjölda ríkja með færri flip-flops en aðrir teljarar.

2. Hver er flokkun hringborðs?

Hring teljarar eru flokkaðir út frá rekstrarsamstillingu þeirra:

Samstilltur hringborði: Allar flip-flops eru eknar af sameiginlegu klukku merki, sem gerir umbreytingar samtímis yfir allar flip-flops.

Ósamstilltur (eða gára) hringborði: Framleiðsla eins flip-flop verður klukkuinntakið fyrir það næsta, sem leiðir til röð umbreytingar sem gára í gegnum borðið.

3. Hvernig á að nota hringborði?

Til að nota hringteljara á áhrifaríkan hátt:

Frumstilling: Byrjaðu á því að stilla allar flip-flops á 0 nema fyrir einn, sem ætti að stilla á 1. Þessi uppsetning býr til stakan '1' sem dreifir hringnum.

Klukkuinntak: Notaðu klukkupúls.Með hverri púls færist '1' frá einni flip-flop yfir í næstu í röð.

Eftirlit með framleiðsla: Hægt er að fylgjast með hverri flip-flop framleiðsla til að fylgjast með staðsetningu '1' í hringrásinni, gagnleg til að stjórna tímasetningu og röð

4. Er hringrásin ósamstilltur eða samstilltur?

Hring teljara getur verið annað hvort samstilltur eða ósamstilltur, allt eftir hönnun þeirra:

Samstilltur hringborði: Allar flip-flops breyta ástandi samtímis með klukku merkinu.

Ósamstilltur hringborði: Flip-flops breyta ástandi í röð eftir virkjun fyrri flip-flop, sem veldur gáraáhrifum.

5. Hver er munurinn á hringborðinu og Jones teljara?

Lykilmunurinn á hringborði og Johnson teljari er:

Minni nýting: Hringborð með N flip-flops getur táknað n ríki, en Johnson teljari getur táknað 2. ríki, sem gerir Johnson teljara skilvirkari hvað varðar fulltrúa ríkisins á hverja flip-flop.

Flækjustig hringrásar: Johnson teljarar eru flóknari þar sem þeir þurfa viðbótar raflögn og uppsetningu miðað við hring teljara.

Framleiðsla bylgjuform: Johnson teljarar búa til flóknari mengi af framleiðsla bylgjuformum, sem geta verið hagstæðir í forritum sem krefjast nákvæmra tímasetningarmynstra, svo sem í bylgjuformi í samskiptakerfum.