Ο ρόλος του ρολογιού στη μετάδοση σημάτων
Ο ρόλος του ρολογιού στη μετάδοση σημάτων
Στην πρώτη υποενότητα θα μελετήσουμε τον τρόπο με τον οποίο μεταδίδονται τα σήματα στα στοιχεία μνήμης, σε έναν ή σε δύο κύκλους ρολογιού. Στη συνέχεια θα περιγράψουμε το κύκλωμα ανάγνωσης ή εγγραφής ενός σήματος σε έναν κύκλο ρολογιού.
Mετάδοση σημάτων σε στοιχεία μνήμης
Η λειτουργία του ρολογιού καθορίζει το πότε θα γίνει ανάγνωση ή εγγραφή ενός σήματος. Είναι σημαντικό να διαχωριστεί ο χρόνος ανάγνωσης από το χρόνο εγγραφής ενός σήματος. Στην περίπτωση που σε ένα σήμα η εγγραφή και η ανάγνωση συμβαίνουν ταυτόχρονα, τότε η τιμή του σήματος στην ανάγνωση μπορεί να είναι είτε η παλιά τιμή του σήματος, είτε η νέα τιμή της εγγραφής, ή ακόμα και μια τιμή ανάμεσα σε αυτές τις δύο. Η ακμοπυροδοτούμενη λειτουργία του ρολογιού σχεδιάστηκε για να αποφευχθούν παρόμοιες καταστάσεις.
Με την ακμοπυροδοτούμενη λειτουργία ρολογιού διαχωρίζεται ο χρόνος εγγραφής και ανάγνωσης ενός σήματος. Στην λειτουργία αυτή, τα κυκλώματα του υπολογιστή ενημερώνονται μόνο στην ακμή του ωρολογιακού παλμού. Επειδή μόνο τα στοιχεία μνήμης μπορούν να αποθηκεύσουν τις τιμές των δεδομένων, σε κάθε συνδυαστικό κύκλωμα πρέπει οι είσοδοι να προέρχονται από τα στοιχεία μνήμης και οι έξοδοι να γράφονται σε ένα σύνολο από στοιχεία μνήμης. Οι είσοδοι είναι τιμές που προέρχονται από προηγούμενο κύκλο ρολογιού, ενώ οι έξοδοι είναι οι τιμές που θα χρησιμοποιηθούν στον επόμενο κύκλο ρολογιού. Στα σχήματα 3.2.1 και 3.3.2 παρουσιάζονται δύο παραδείγματα.
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 1
Παράδειγμα
Στο σχήμα 3.2.1, το συνδυαστικό κύκλωμα λειτουργεί σε έναν κύκλο ρολογιού. Σε αυτή την περίπτωση, όλα τα σήματα πρέπει να μεταδίδονται από το στοιχείο μνήμης 1, μέσω του συνδυαστικού κυκλώματος, στο στοιχείο μνήμης 2 σε χρόνο ενός κύκλου ρολογιού και η εγγραφή στο στοιχείο μνήμης 2 γίνεται στο τέλος κάθε κύκλου ρολογιού. Ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσουν τα σήματα στο στοιχείο μνήμης 2 καθορίζει το μήκος του κύκλου του ρολογιού.
Σχήμα 3.2.1 - Το συνδυαστικό κύκλωμα, τα στοιχεία μνήμης και το ρολόι είναι στενά συνδεδεμένα: Σε ένα σύγχρονο ψηφιακό σύστημα, το ρολόι προσδιορίζει το πότε θα γίνει εγγραφή στα στοιχεία μνήμης. Η κάθε είσοδος πρέπει να φτάσει μια σταθερή τιμή (η τιμή δε θα αλλάξει πριν τον επόμενο ωρολογιακό παλμό).
Παράδειγμα
Στο δεύτερο παράδειγμα απαιτούνται δύο κύκλοι ρολογιού για να μεταδοθούν τα σήματα από το στοιχείο μνήμης 1, μέσω του συνδυαστικού κυκλώματος, στο στοιχείο μνήμης 2. Σ΄ αυτή την περίπτωση απαιτείται ένα σήμα ελέγχου εγγραφής του δεύτερου στοιχείου μνήμης, κατάλληλο, ώστε η εγγραφή σ΄ αυτό το κύκλωμα να γίνεται κατά την ακμή του δεύτερου ωρολογιακού παλμού. Έτσι τα ψηφιακά κυκλώματα ενημερώνονται στην ακμή του ωρολογιακού παλμού, μόνο αν το σήμα εγγραφής είναι ενεργό, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.2.2. Επίσης η έξοδος του στοιχείου μνήμης 1 πρέπει να παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια των κύκλων του ρολογιού, που απαιτούνται για τη μετάδοση του σήματος. Για να απλοποιήσουμε το σχήμα δε δείχνουμε το σήμα εγγραφής, όταν η κατάσταση ενημερώνεται σε κάθε ακμή του ωρολογιακού παλμού. Πρέπει να τονιστεί πως όλα τα στοιχεία μνήμης έχουν σαν είσοδο το ρολόι.
Σχήμα 3.2.2 – Στο στοιχείο μνήμης 2 δε γίνεται εγγραφή σε κάθε κύκλο ρολογιού, αλλά μόνο στην ακμή του ωρολογιακού παλμού, όταν το σήμα εγγραφής είναι ενεργό: Αυτή η σχεδίαση επιτρέπει στο συνδυαστικό κύκλωμα να μεταδίδει τις εισόδους του στοιχείου μνήμης 1 σε περισσότερους κύκλους ρολογιού. Η έξοδος του κυκλώματος 1 δεν πρέπει να αλλάζει κατά τη διάρκεια που το σήμα μεταδίδεται μέσω του συνδυαστικού κυκλώματος. Επομένως το στοιχείο μνήμης 1 πρέπει να έχει ένα κατάλληλο σήμα εγγραφής. Αν για παράδειγμα απαιτούνται 2 κύκλοι ρολογιού για να μεταδοθεί το σήμα μέσω του συνδυαστικού κυκλώματος, τότε το σήμα εγγραφής για το στοιχείο μνήμης 1 πρέπει να απενεργοποιηθεί κατά τον πρώτο ωρολογιακό παλμό.
Η ακμοπυροδοτούμενη λειτουργία μας επιτρέπει να διαβάζουμε τα περιεχόμενα ενός καταχωρητή, να στέλνουμε τις τιμές των σημάτων μέσω ενός συνδυαστικού κυκλώματος και να γράφουμε στον καταχωρητή στον ίδιο κύκλο ρολογιού, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.2.3. Δεν έχει σημασία εάν θεωρήσουμε πως οι εγγραφές γίνονται σε θετική ή αρνητική ακμή των παλμών του ρολογιού, αφού οι είσοδοι στο συνδυαστικό κύκλωμα δεν αλλάζουν εκτός από την επιλεγόμενη ακμή.
Σχήμα 3.2.3 - Η ακμοπυροδοτούμενη λειτουργία επιτρέπει να γίνεται ανάγνωση και εγγραφή σε ένα μόνο κύκλο ρολογιού στο στοιχείο μνήμης, χωρίς να οδηγούμαστε σε ακαθόριστες τιμές των δεδομένων. Ο κύκλος του ρολογιού πρέπει να έχει κατάλληλο μήκος έτσι ώστε οι τιμές στις εισόδους να παραμένουν σταθερές όταν εμφανίζεται η ακμή του επόμενου ωρολογιακού παλμού.
Σχεδόν όλα τα στοιχεία μνήμης και τα συνδυαστικά κυκλώματα έχουν εισόδους και εξόδους με μέγεθος 32 bits, αφού αυτό είναι το μέγεθος των δεδομένων που επεξεργάζεται ο επεξεργαστής. Τα σχήματα περιέχουν αρτηρίες (buses), οι οποίες μεταφέρουν σήματα με μέγεθος μεγαλύτερο από 1 bit. Τα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση της ροής των δεδομένων ανάμεσα στα κυκλώματα.
 |
 |
 |
