D-триггер: от уровня к фронту

Высокий уровень такта и момент его появления различаются

Защёлка^{iЗащёлка — элемент хранения, который следует за входом, пока управляющий сигнал активен, и удерживает значение, когда он неактивен. Этим она отличается от триггера, записывающего данные только на фронте. Подробнее} с высоким активным уровнем следует за D всё время CLK=1. D-триггер^{iТриггер записывает вход на заданном фронте такта и удерживает его до следующего фронта. Вход должен удовлетворять ограничениям setup и hold.} по положительному фронту^{iПоложительный фронт — момент перехода такта из 0 в 1. Его следует отличать от уровня, означающего весь интервал CLK=1.} принимает D на переходе CLK из 0 в 1 и хранит до следующего такого фронта. Условие clk=1 само по себе не делает эти два поведения одинаковыми.

Выполните сравнение:

1. При CLK=0 измените D на 1. Оба Q пока равны 0.
2. Поднимите CLK до 1. Оба Q станут 1.
3. Оставьте CLK=1 и измените D на 0. Только Q защёлки станет 0.
4. Опустите CLK до 0, затем снова поднимите до 1. Триггер тоже захватит 0.

Один цикл последовательностной схемы

Когда выход Q триггера проходит через комбинационную схему и образует следующий вход D, получается переход состояния. Пусть $D_k$ — вход перед фронтом, $Q_{k+1}$ — сохранённое состояние после него. Идеальная модель:

Реальный выход меняется не мгновенно вместе с фронтом, а после clock-to-Q. Несколько триггеров принимают собственные входы на одном фронте, поэтому могут вычислять следующие состояния из прежних состояний друг друга. На этом основаны счётчики и сдвиговые регистры^{iРегистр хранит многобитное состояние. Синхронные регистры в этом курсе записывают определённый вход на фронте тактового сигнала.}.

Setup и hold — предпосылки выборки

D должен оставаться устойчивым в течение setup^{iВремя предустановки (setup) — минимальное время, в течение которого входные данные должны быть стабильны до захватывающего фронта такта. При нарушении результат записи не гарантирован. Подробнее} до фронта захвата и hold^{iВремя удержания (hold) — минимальное время, в течение которого входные данные должны оставаться стабильными после захватывающего фронта такта. Учитывайте контекст: это не то же самое, что обычное сохранение значения. Подробнее} после него. Если D меняется около фронта, нельзя гарантировать просто старое или новое значение; возможна метастабильность. Упражнение выше не моделирует этот аналоговый эффект.

Регистр объединяет несколько триггеров. Ширина 8 бит сама по себе не гарантирует, что восемь входных битов образуют одно согласованное значение. Нужны общие временные условия и правила передачи данных.

Начальное состояние и сброс

Начать симуляцию с Q=0 — не то же самое, что гарантированно включить оборудование с нулём. В следующей лекции добавим reset и enable, определив инициализацию и хранение. Синхронный reset действует на фронте, асинхронный — независимо от него, но требует внимания и к моменту снятия.