القلاب (الإلكترونيات)

مزلاج SR ( R1، R2 = 1  كيلو أوم؛ R3، R4 = 10  كيلو أوم)

في الإلكترونيات ، تُعدّ القلابات والمثبتات دوائر إلكترونية ذات حالتين مستقرتين، قادرة على تخزين معلومات الحالة - أي مُذبذب ثنائي الاستقرار . يمكن تغيير حالة هذه الدائرة عن طريق إشارات تُطبّق على مدخل تحكم واحد أو أكثر، وتُخرج حالتها (غالبًا مع مُتممها المنطقي ). وهي عنصر التخزين الأساسي في المنطق التتابعي . تُعتبر القلابات والمثبتات لبنات بناء أساسية لأنظمة الإلكترونيات الرقمية المستخدمة في الحواسيب والاتصالات والعديد من الأنظمة الأخرى.

تُستخدم القلابات والمثبتات كعناصر تخزين بيانات لحفظ بت واحد (رقم ثنائي)؛ حيث تمثل إحدى حالتيها الرقم واحد، والأخرى تمثل الرقم صفر . يمكن استخدام هذا النوع من تخزين البيانات لحفظ الحالة ، وتُعرف هذه الدائرة في الإلكترونيات بالمنطق التتابعي . عند استخدامها في آلة ذات حالات محدودة ، لا يعتمد الخرج والحالة التالية على المدخل الحالي فحسب، بل يعتمدان أيضًا على حالتها الحالية (وبالتالي، على المدخلات السابقة). كما يمكن استخدامها لعدّ النبضات، ولمزامنة إشارات الإدخال ذات التوقيت المتغير مع إشارة توقيت مرجعية.

يشير مصطلح "القلاب" تاريخيًا بشكل عام إلى كل من الدوائر التي تعمل بمستوى الإشارة (غير متزامنة، شفافة، أو معتمة) والدوائر التي تعمل بحافة الإشارة ( متزامنة ، أو موقوتة ) والتي تخزن بتًا واحدًا من البيانات باستخدام البوابات المنطقية . [ 1 ] [ 2 ] ويقتصر استخدام مصطلح "القلاب" في العصر الحديث على عناصر التخزين التي تعمل بحافة الإشارة، بينما يُستخدم مصطلح "المثبتات" للإشارة إلى عناصر التخزين التي تعمل بمستوى الإشارة. [ 3 ] [ 4 ] ويمكن استخدام مصطلحي " العمل بحافة الإشارة" و "العمل بمستوى الإشارة" لتجنب أي لبس. [ 5 ]

عندما يتم تمكين المزلاج الذي يتم تشغيله بواسطة المستوى، يصبح شفافًا، ولكن خرج القلاب الذي يتم تشغيله بواسطة الحافة يتغير فقط عند حافة الساعة (سواء كانت موجبة أو سالبة).

تتوفر أنواع مختلفة من القلابات والمثبتات كدوائر متكاملة ، وعادةً ما تحتوي كل شريحة على عناصر متعددة. على سبيل المثال، 74HC75 عبارة عن مثبت شفاف رباعي من سلسلة 7400 .

تاريخ

مخططات من براءة اختراع مرحل الزناد لإيكلز وجوردان المسجلة عام 1918، أحدهما مرسوم على شكل سلسلة من المضخمات مع مسار تغذية راجعة موجبة ، والآخر على شكل زوج متماثل متقاطع الاقتران

اخترع الفيزيائيان البريطانيان ويليام إيكلز وإف دبليو جوردان أول دارة مزلاج إلكترونية عام 1918. [ 6 ] [ 7 ] سُميت في البداية دارة إيكلز-جوردان للمُشغِّل ، وتألفت من عنصرين فعّالين ( صمامات مفرغة ). [ 8 ] استُخدم هذا التصميم في حاسوب كولوسوس البريطاني لفك الشفرات عام 1943. [ 9 ] وشاعت هذه الدوائر، بالإضافة إلى نسخها المُزوَّدة بالترانزستورات، في الحواسيب حتى بعد ظهور الدوائر المتكاملة ، على الرغم من شيوع استخدام المزاليج والقلابات المصنوعة من البوابات المنطقية حاليًا. [ 10 ] [ 11 ] عُرفت المزاليج المبكرة بأسماء مختلفة، منها دوائر المُشغِّل والمذبذبات المتعددة .

بحسب بي. إل. ليندلي، المهندس في مختبر الدفع النفاث الأمريكي ، فإن أنواع القلابات المفصلة أدناه (SR، D، T، JK) نوقشت لأول مرة في دورة تصميم حاسوب بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس عام 1954 ، قدمها مونتغمري فيستر، ثم ظهرت في كتابه " التصميم المنطقي للحواسيب الرقمية". [ 12 ] [ 13 ] كان ليندلي يعمل آنذاك في شركة هيوز للطائرات تحت إشراف إلدريد نيلسون، الذي صاغ مصطلح JK للقلاب الذي يغير حالته عندما يكون كلا المدخلين في وضع التشغيل (أي منطقي ) . أما الأسماء الأخرى فقد صاغها فيستر، وهي تختلف قليلاً عن بعض التعريفات الواردة أدناه. يوضح ليندلي أنه سمع قصة قلاب JK من إلدريد نيلسون، الذي يُنسب إليه ابتكار المصطلح، أثناء عمله في شركة هيوز للطائرات. كانت جميع القلابات المستخدمة في هيوز آنذاك من النوع الذي عُرف لاحقًا باسم JK. عند تصميم نظام منطقي، قام نيلسون بتعيين أحرف لمدخلات القلاب على النحو التالي: #1: A و B، #2: C و D، #3: E و F، #4: G و H، #5: J و K. استخدم نيلسون الرموز j-input و k-input في طلب براءة اختراع تم تقديمه في عام 1953. [ 14 ]

تطبيق

دائرة مزلاج شفافة تعتمد على ترانزستورات ثنائية القطب

يمكن بناء المزاليج الشفافة أو غير المتزامنة حول زوج واحد من العناصر العاكسة المترابطة بشكل متقاطع: وقد تم استخدام أنابيب التفريغ ، والترانزستورات ثنائية القطب ، وترانزستورات تأثير المجال ، والعواكس ، وبوابات المنطق العاكسة في الدوائر العملية.

صُممت القلابات المُوَقَّعة خصيصًا للأنظمة المتزامنة؛ إذ تتجاهل هذه الأجهزة مدخلاتها إلا عند انتقال إشارة ساعة مُخصصة (تُعرف بالتوقيت أو النبض أو الوميض). يؤدي التوقيت إلى تغيير إشارة خرج القلاب أو تثبيتها بناءً على قيم إشارات الدخل عند الانتقال. بعض القلابات تُغير خرجها عند الحافة الصاعدة للساعة ، والبعض الآخر عند الحافة الهابطة.

بما أن مراحل التضخيم الأساسية عاكسة، يمكن توصيل مرحلتين على التوالي (كسلسلة) لتشكيل المضخم غير العاكس المطلوب. في هذا التكوين، يمكن اعتبار كل مضخم بمثابة شبكة تغذية راجعة عاكسة فعالة للمضخم العاكس الآخر. وبالتالي، تتصل المرحلتان في حلقة غير عاكسة، على الرغم من أن مخطط الدائرة يُرسم عادةً كزوج متناظر متقاطع (كلا الرسمين مُقدمان في الأصل في براءة اختراع إيكلز-جوردان).

الأنواع

يمكن تقسيم الدوائر الثنائية القلابة والمثبتات إلى أنواع شائعة: SR (ضبط-إعادة ضبط)، D (بيانات)، T (تبديل)، وJK (انظر قسم التاريخ أعلاه). يمكن وصف سلوك نوع معين من خلال المعادلة المميزة التي تستنتج المخرج التالي ( Q next ) بدلالة إشارة (إشارات) الإدخال و/أو المخرج الحالي.سؤال{\displaystyle Q}.

مزاليج الضبط وإعادة الضبط غير المتزامنة

عند استخدام البوابات الثابتة كعناصر بناء، فإن المزلاج الأساسي هو مزلاج الضبط وإعادة الضبط غير المتزامن (SR) .

يمكن لمدخلاتها S و R ضبط الحالة الداخلية إلى 1 باستخدام التركيبة S=1 و R=0، ويمكنها إعادة ضبط الحالة الداخلية إلى 0 باستخدام التركيبة S=0 و R=1. [ ملاحظة 1 ]

يمكن بناء دارة SR من زوج من بوابات NOR أو NAND المنطقية المترابطة بشكل متقاطع . توجد البتة المخزنة على المخرج المسمى Q.

من الملائم اعتبار بوابات NAND وNOR وAND وOR عمليات تحكم، حيث يُختار أحد المدخلات كمجموعة مدخلات تحكم، بينما يُختار المدخل الآخر كمدخل للمعالجة بناءً على حالة التحكم. بالتالي، تحتوي جميع هذه البوابات على قيمة تحكم واحدة تتجاهل المدخل (x) وتُخرج قيمة ثابتة، بينما تسمح قيمة التحكم الأخرى بمرور المدخل (ربما معكوسًا).

ذاكرة NAND(x،0)=1ذاكرة NAND(x،1)=x¯ولا(x،0)=x¯ولا(x،1)=0و(x،0)=0و(x،1)=xأو(x،0)=xأو(x،1)=1{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {NAND} (x,0)&=1&\operatorname {NAND} (x,1)&={\bar {x}}\\\operatorname {NOR} (x,0)&={\bar {x}}&\operatorname {NOR} (x,1)&=0\\\operatorname {AND} (x,0)&=0&\operatorname {AND} (x,1)&={x}\\\operatorname {OR} (x,0)&=x&\operatorname {OR} (x,1)&=1\\\end{aligned}}}

بشكل أساسي، يمكن استخدامها جميعًا كمفاتيح تقوم إما بتعيين قيمة معينة أو السماح بمرور قيمة إدخال.

مزلاج SR NOR

رسم متحرك لدارة SR، مُكوّنة من زوج من بوابات NOR المتقاطعة . اللون الأحمر والأسود يعنيان القيم المنطقية '1' و'0' على التوالي.
مزلاج SR متحرك. اللون الأسود والأبيض يعنيان القيمتين المنطقيتين '1' و '0' على التوالي.
  1. S = 1، R = 0: اضبط
  2. S = 0، R = 0: تثبيت
  3. S = 0، R = 1: إعادة الضبط
  4. S = 1، R = 1: غير مسموح
يؤدي الانتقال من التركيبة المقيدة (D) إلى (A) إلى حالة غير مستقرة.

تتكون دارة SR NOR من بوابتي NOR متوازيتين، حيث يتم توصيل خرج كل بوابة NOR بأحد مدخلات البوابة الأخرى، كما هو موضح في الشكل. تُسمى هذه التوصيلات بين الخرج والمدخلات " مدخلات التغذية الراجعة ". أما المدخلات المتبقية، فسنستخدمها كمدخلات تحكم كما هو موضح سابقًا. لاحظ أنه في هذه المرحلة، نظرًا لتناظر الدائرة، لا يهم أي مدخلات يتم توصيل الخرج بها. الآن، نكسر التناظر باختيار أي من مدخلات التحكم المتبقية ليكون مدخل الضبط ومدخل إعادة الضبط، ويمكننا تسمية بوابة الضبط NOR ببوابة NOR ذات التحكم في الضبط، وبوابة إعادة الضبط NOR ببوابة NOR ذات التحكم في إعادة الضبط؛ في الشكلين، بوابة الضبط NOR هي السفلية، وبوابة إعادة الضبط NOR هي العلوية. سيكون خرج بوابة إعادة الضبط هو البت المخزن Q، بينما سنرى أن خرج بوابة الضبط NOR يخزن مكمله Q.

لفهم سلوك دارة NOR SR، اعتبر S وR مدخلات تحكم، وتذكر أنه من المعادلات السابقة، فإن ضبط وإعادة ضبط دارة NOR باستخدام التحكم 1 سيثبت مخرجاتها عند 0، بينما سيعمل ضبط وإعادة ضبط دارة NOR باستخدام التحكم 0 كبوابة NOT. وبذلك، يُمكن الآن استنتاج سلوك دارة SR كشروط بسيطة (بدلاً من، على سبيل المثال، تعيين قيم لكل سطر، انظر كيف تنتشر هذه القيم):

  • بينما تكون قيمتا R و S صفرًا، فإن كلاً من R NOR و S NOR تفرضان ببساطة أن تكون التغذية الراجعة مكملة للمخرج، ويتحقق هذا الشرط طالما أن المخرجين مكملان لبعضهما البعض. وبالتالي، يبقى المخرجان Q و Q في حالة ثابتة، سواءً كان Q=0 أو Q=1.
  • إذا كانت قيمة S تساوي 1 بينما قيمة R تساوي 0، فإن بوابة NOR الخاصة بالضبط ستثبت قيمة Q عند 0، بينما ستتكيف بوابة NOR الخاصة بإعادة الضبط وتضبط قيمة Q عند 1. وبمجرد إعادة ضبط S إلى الصفر، يتم الاحتفاظ بالقيم كما هو موضح أعلاه.
  • وبالمثل، إذا كانت R=1 بينما S=0، فإن بوابة NOR المُعاد ضبطها تُثبّت Q=0 بينما بوابة NOR المُعدّلة تُثبّت Q =1. ومرة ​​أخرى، يتم الحفاظ على الحالة إذا تم إعادة ضبط R إلى 0.
  • إذا كانت R=S=1، فإن بوابات NOR ستثبت كلا المخرجين على 0، وهي ليست حالة صالحة لتخزين القيم التكميلية.
عملية مزلاج SR [ 5 ]
جدول الخصائصجدول الإثارة
SRالسؤال التاليفعلسؤالالسؤال التاليSR
00سؤالحالة الثبات000X
010إعادة ضبط0110
101تعيين1001
11Xغير مسموح به11X0

ملاحظة: X تعني عدم الاهتمام ، أي أن 0 أو 1 قيمة صالحة.

تُسمى التركيبة R = S = 1 بالتركيبة المقيدة أو الحالة الممنوعة ، لأنها تُخرج أصفارًا عندئذٍ، مما يُخالف المعادلة المنطقية Q = not Q. كما أن هذه التركيبة غير مناسبة في الدوائر التي قد ينخفض ​​فيها كلا المدخلين في آنٍ واحد (أي الانتقال من حالة التقييد إلى حالة الثبات ). قد يبقى الخرج في حالة شبه مستقرة ، وقد يستقر في النهاية عند 1 أو 0 اعتمادًا على علاقات زمن الانتشار بين البوابات ( حالة التنافس ).

كيف يعمل مزلاج SR NOR

للتغلب على مشكلة التركيبات المقيدة، يمكن إضافة بوابات إلى المدخلات لتحويلها (S, R) = (1, 1)إلى إحدى التركيبات غير المقيدة. ويمكن أن تكون هذه البوابات كالتالي:

  • Q = 1 (1, 0) – يُشار إليه باسم مزلاج S (المسيطر عليه)
  • Q = 0 (0, 1) – يُشار إليه باسم مزلاج R (المسيطر عليه)

يتم ذلك في جميع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة تقريبًا .

  • حالة التثبيت (0، 0) - يشار إليها باسم مزلاج إلكتروني

بدلاً من ذلك، يمكن استخدام التركيبة المقيدة لتبديل المخرج . والنتيجة هي مزلاج JK .

المعادلة المميزة لقفل SR هي:

سؤالالتالي=R¯سؤال+R¯S{\displaystyle Q_{\text{next}}={\bar {R}}Q+{\bar {R}}S}أوسؤالالتالي=R¯(سؤال+S).{\displaystyle Q_{\text{next}}={\bar {R}}(Q+S).}[ 15 ]

حيث A + B تعني (A أو B)، و AB تعني (A و B)

وهناك تعبير آخر هو:

سؤالالتالي=S+R¯سؤال{\displaystyle Q_{\text{next}}=S+{\bar {R}}Q}معSR=0{\displaystyle SR=0}[ 16 ]

مزلاج SR NAND

مزلاج SR مصنوع من بوابات NAND متقاطعة

الدائرة الموضحة أدناه هي دائرة NAND أساسية. يُشار إلى المدخلات عادةً بالرمزين S و R للدلالة على الضبط وإعادة الضبط على التوالي. ولأن مدخلات NAND يجب أن تكون منطقية 1 لتجنب التأثير على عملية التثبيت، تُعتبر المدخلات معكوسة في هذه الدائرة (أو فعالة عند انخفاض الجهد).

تستخدم الدائرة نفس آلية التغذية الراجعة المستخدمة في بوابة SR NOR، مع استبدال بوابات NOR ببوابات NAND، وذلك لحفظ حالتها المنطقية حتى بعد تغير إشارات الإدخال المتحكمة. تذكر أن بوابة NAND التي يتم التحكم بها عند 1 تُخرج دائمًا 0، بينما تعمل بوابة NAND التي يتم التحكم بها عند 0 كبوابة NOT. عندما يكون كل من مدخلي S وR عاليين، تحافظ التغذية الراجعة على مخرجات Q عند الحالة السابقة. عندما يكون أي منهما صفرًا، يتم تثبيت بتات الإخراج الخاصة به على 0، بينما يتكيف الآخر مع المكمل. ينتج عن S = R = 0 حالة غير صالحة.

عملية مزلاج SR
SRفعل
00Q = 1، Q = 1؛ غير مسموح به
01Q = 1
10Q = 0
11لا تغيير؛ بداية عشوائية
رمز لقفل SR NAND

مزلاج SR AND-OR

مزلاج SR AND-OR. اللون الأخضر الفاتح يعني القيمة المنطقية 1، واللون الأخضر الداكن يعني القيمة المنطقية 0. المزلاج حاليًا في وضع التثبيت (بدون تغيير).

من وجهة نظر تعليمية، غالبًا ما يصعب على المبتدئين فهم دوائر SR التي تُصوَّر على أنها زوج من المكونات المترابطة (ترانزستورات، بوابات، صمامات، إلخ). ولشرحها بطريقة أسهل، يمكن رسمها كحلقة تغذية راجعة واحدة بدلًا من الترابط المتقاطع. فيما يلي مثال على دائرة SR مبنية باستخدام بوابة AND ذات مدخل معكوس وبوابة OR . لاحظ أن العاكس ليس ضروريًا لوظيفة الدائرة، وإنما لجعل كلا المدخلين في حالة عالية الفعالية.

عملية مزلاج SR AND-OR
SRفعل
00لا تغيير؛ بداية عشوائية
10Q = 1
X1Q = 0

لاحظ أن دارة SR AND-OR تتميز بأن قيمتي S = 1 و R = 1 محددتان بدقة. في الإصدار المذكور أعلاه من دارة SR AND-OR، تُعطى الأولوية لإشارة R على إشارة S. إذا لزم إعطاء الأولوية لإشارة S على إشارة R، فيمكن تحقيق ذلك بتوصيل المخرج Q بمخرج بوابة OR بدلاً من مخرج بوابة AND.

يُعدّ مُثبِّت SR AND-OR أسهل فهمًا، إذ يُمكن شرح كلتا البوابتين على حدة، مع الأخذ بعين الاعتبار طريقة التحكم في بوابتي AND وOR المذكورة سابقًا. عندما لا تكون أيٌّ من البوابتين S أو R مُفعَّلة، تكون كلتاهما في "وضع التثبيت"، أي تسمحان بمرور المُدخل، ويكون مُخرجهما هو المُدخل من حلقة التغذية الراجعة. عندما يكون المُدخل S = 1، تُخرج بوابة OR القيمة 1، بغض النظر عن المُدخل الآخر من حلقة التغذية الراجعة ("وضع التفعيل"). وعندما يكون المُدخل R = 1، تُخرج بوابة AND القيمة 0، بغض النظر عن المُدخل الآخر من حلقة التغذية الراجعة ("وضع إعادة الضبط"). وبما أن بوابة AND تأخذ مُخرج بوابة OR كمُدخل، فإن R لها الأولوية على S. قد تبدو المُثبِّتات المرسومة كبوابات مُتقاطعة أقل وضوحًا، إذ يبدو سلوك إحدى البوابتين مُتشابكًا مع الأخرى. يُمكن أيضًا إعادة رسم مُثبِّتات NOR أو NAND القياسية مع حلقة التغذية الراجعة، ولكن في هذه الحالة، لا تُظهر حلقة التغذية الراجعة نفس قيمة الإشارة طوال مسارها. ومع ذلك، فإن مزلاج SR AND-OR له عيب يتمثل في أنه سيحتاج إلى عاكس إضافي، إذا كانت هناك حاجة إلى خرج Q معكوس.

لاحظ أنه يمكن تحويل مزلاج SR AND-OR إلى مزلاج SR NOR باستخدام التحويلات المنطقية: عكس خرج بوابة OR وأيضًا المدخل الثاني لبوابة AND وتوصيل خرج Q المعكوس بين هذين العاكسين المضافين؛ حيث تكون بوابة AND مع عكس كلا المدخلين مكافئة لبوابة NOR وفقًا لقوانين دي مورغان .

مزلاج JK

يُستخدم مُثبِّت JK بشكل أقل شيوعًا من مُقلِّب JK. ويتبع مُثبِّت JK جدول الحالة التالي:

جدول الحقيقة لمشبك JK
جكالسؤال التاليتعليق
00سؤاللا تغيير
010إعادة ضبط
101تعيين
11سؤالتبديل

وبالتالي، فإن مزلاج JK هو مزلاج SR مصمم لتبديل خرجه (التذبذب بين 0 و 1) عند تمرير مجموعة الإدخال 11. [ 17 ] على عكس قلاب JK، فإن مجموعة الإدخال 11 لمزلاج JK ليست مفيدة جدًا لأنه لا توجد ساعة توجه التبديل.

مزاليج محكمة الإغلاق وشفافية مشروطة

صُممت الدوائر المنطقية لتكون شفافة، أي أن تغيرات إشارة الإدخال تُحدث تغيرات فورية في الإخراج. ويمكن إضافة منطق إضافي إلى الدائرة المنطقية الشفافة لجعلها غير شفافة أو معتمة عندما لا يتم تفعيل إشارة إدخال أخرى ( إشارة التمكين ).

يمكن تسمية إشارة التمكين الدورية بنبضة الكتابة . عندما تكون إشارة التمكين إشارة ساعة ، يُقال إن المزلاج حساس للمستوى (لمستوى إشارة الساعة)، على عكس القلابات ذات الحساسية للحافة كما هو الحال في القلابات الموضحة أدناه.

عندما تتوالى عدة دوائر شفافة ، إذا كانت جميعها شفافة في الوقت نفسه، فإن الإشارات ستنتقل عبرها جميعًا. مع ذلك، فإن تعاقب دائرة شفافة منخفضة على دائرة شفافة عالية (أو العكس) يؤدي إلى تغيير الحالة والخرج فقط عند حواف إشارة الساعة، مما يُشكل ما يُسمى بدائرة قلب-قلب رئيسية-تابعة .

مزلاج SR ذو بوابة

دارة مزلاج SR ببوابة NAND . لاحظ المدخلات المعكوسة.
مخطط دائرة مزلاج SR مُكوّن من بوابات AND (على اليسار) وبوابات NOR (على اليمين)

يمكن صنع دارة مزلاج SR ذات بوابة عن طريق إضافة مستوى ثانٍ من بوابات NAND إلى دارة مزلاج SR معكوسة . تعمل بوابات NAND الإضافية على عكس المدخلات بشكل أكبر، بحيث تصبح دارة مزلاج SR دارة مزلاج SR ذات بوابة ( تتحول دارة مزلاج SR إلى دارة مزلاج SR ذات بوابة مع تمكين معكوس).

بدلاً من ذلك، يمكن صنع مزلاج SR ذي البوابة (مع تمكين غير عاكس) عن طريق إضافة مستوى ثانٍ من بوابات AND إلى مزلاج SR .

عندما تكون E عالية ( تمكين صحيح)، يمكن للإشارات أن تمر عبر بوابات الإدخال إلى المزلاج المغلف؛ جميع تركيبات الإشارة باستثناء (0، 0) = تثبيت ثم يتم إعادة إنتاجها على الفور على مخرج (Q، Q )، أي أن المزلاج شفاف .

عندما تكون قيمة E منخفضة ( تمكين خطأ) يكون المزلاج مغلقًا (معتمًا) ويبقى في الحالة التي تُرك عليها في المرة الأخيرة التي كانت فيها قيمة E عالية.

تشغيل مزلاج SR ذي البوابة
هـفعل
0لا يوجد إجراء (حالة الانتظار)
1وهو نفس مزلاج SR غير المُبَوَّب
رمز مزلاج SR ذي البوابة

مزلاج D ذو بوابة

تستغل هذه الدائرة المنطقية حقيقة أن R، في مجموعتي الإدخال النشطتين (01 و10) لدائرة SR ذات البوابة، هي مكمل S. تقوم مرحلة NAND للإدخال بتحويل حالتي الإدخال D (0 و1) إلى هاتين المجموعتين من الإدخال لدائرة SR التالية عن طريق عكس إشارة إدخال البيانات. ينتج عن الحالة المنخفضة لإشارة التمكين المجموعة 11 غير النشطة . وبالتالي، يمكن اعتبار دائرة D ذات البوابة بمثابة دائرة SR متزامنة ذات مدخل واحد . يمنع هذا التكوين تطبيق مجموعة الإدخال المقيدة. تُعرف أيضًا باسم الدائرة الشفافة ، أو دائرة البيانات ، أو ببساطة الدائرة ذات البوابة . تحتوي على مدخل بيانات وإشارة تمكين (تُسمى أحيانًا إشارة الساعة أو إشارة التحكم ). تأتي كلمة "شفافة" من حقيقة أنه عندما يكون مدخل التمكين قيد التشغيل، تنتشر الإشارة مباشرة عبر الدائرة، من المدخل D إلى المخرج Q. كما أن دوائر D ذات البوابة حساسة لمستوى إشارة الساعة أو إشارة التمكين.

تُستخدم المزالج الشفافة عادةً كمنافذ إدخال/إخراج أو في الأنظمة غير المتزامنة، أو في الأنظمة المتزامنة ثنائية الطور ( الأنظمة المتزامنة التي تستخدم ساعة ثنائية الطور )، حيث يمنع مزلاجان يعملان على مراحل ساعة مختلفة شفافية البيانات كما هو الحال في قلاب رئيسي-تابع.

يوضح جدول الحقيقة أدناه أنه عندما تكون قيمة المدخل E تساوي صفرًا، فإن المدخل D ليس له أي تأثير على المخرج. وعندما تكون قيمة E عالية، يكون المخرج مساويًا لـ D.

جدول الحقيقة لقفل البوابة D
هـ د سؤال سؤالتعليق
0Xس السابقس السابقلا تغيير
1001إعادة ضبط
1110تعيين
رمز مزلاج D ذو بوابة

مزلاج إيرل

تتميز تصميمات الدوائر المنطقية التقليدية ذات البوابة المغلقة ببعض الخصائص غير المرغوب فيها. [ 18 ] فهي تتطلب منطقًا ثنائي المسار أو عاكسًا. وقد يستغرق انتقال الإشارة من المدخل إلى المخرج ما يصل إلى ثلاث فترات تأخير للبوابة. كما أن انتقال الإشارة من المدخل إلى المخرج ليس ثابتًا، فبعض المخارج تستغرق فترتي تأخير للبوابة بينما يستغرق البعض الآخر ثلاث فترات.

بحث المصممون عن بدائل. [ 19 ] يُعدّ مُثبِّت إيرل أحد البدائل الناجحة. فهو لا يتطلب سوى مُدخل بيانات واحد، ويستغرق إخراجه تأخيرًا ثابتًا بمقدار بوابتين. إضافةً إلى ذلك، يُمكن في بعض الحالات دمج مستويي البوابتين في مُثبِّت إيرل مع آخر مستويين من البوابات في الدوائر التي تُشغِّل المُثبِّت، وذلك لأن العديد من دوائر الحوسبة الشائعة تحتوي على طبقة "أو" متبوعة بطبقة "و" كمستويين أخيرين. يُمكن لدمج وظيفة المُثبِّت تنفيذه دون أي تأخيرات إضافية في البوابات. [ 18 ] يُستغلّ هذا الدمج بشكل شائع في تصميم الحواسيب ذات خطوط الأنابيب، وفي الواقع، طُوِّر في الأصل بواسطة جون ج. إيرل لاستخدامه في نظام IBM System/360 Model 91 لهذا الغرض. [ 20 ]

تُعتبر دارة إيرل آمنة من المخاطر. [ 21 ] في حال حذف بوابة NAND الوسطى، نحصل على دارة تثبيت القطبية ، وهي شائعة الاستخدام لأنها تتطلب منطقًا أقل. [ 21 ] [ 22 ] مع ذلك، فهي عرضة لمخاطر المنطق . ويمكن تجنب هذه المخاطر عن طريق تحريف إشارة الساعة عمدًا. [ 22 ]

قلاب D

رمز D flip flop

يُستخدم قلاب D على نطاق واسع، ويُعرف باسم قلاب البيانات . يلتقط قلاب D قيمة المدخل D عند جزء محدد من دورة الساعة (مثل الحافة الصاعدة لإشارة الساعة). تصبح هذه القيمة الملتقطة هي المخرج Q. في الأوقات الأخرى، لا يتغير المخرج Q. [ 23 ] [ 24 ] يمكن اعتبار قلاب D بمثابة خلية ذاكرة، أو دائرة تثبيت من الرتبة الصفرية ، أو خط تأخير . [ 25 ]

جدول الحقيقة:

ساعةدالسؤال التالي
الحافة الصاعدة00
الحافة الصاعدة11
غير صاعدXسؤال

( يشير الرمز X إلى حالة عدم الاكتراث ، مما يعني أن الإشارة غير ذات صلة)

معظم القلابات من النوع D في الدوائر المتكاملة قابلة للإجبار على حالة الضبط أو إعادة الضبط (متجاهلةً مدخلات D والساعة). عادةً، يتم حل شرط S = R = 1 (غير المسموح به في بوابات SR) في القلابات من النوع D. ضبط S = R = 0 يجعل القلاب يعمل كما هو موضح أعلاه. إليك جدول الحقيقة لتكوينات S وR الأخرى الممكنة:

المدخلاتالمخرجات
SRد>سؤالسؤال
01XX01
10XX10
11XX11
مسجل إزاحة تسلسلي الإدخال، متوازي الإخراج (SIPO) ذو 4 بت

تُعدّ هذه القلابات مفيدة للغاية، إذ تُشكّل أساسًا لمسجلات الإزاحة ، التي تُعدّ جزءًا أساسيًا من العديد من الأجهزة الإلكترونية. وتكمن ميزة قلاب D على مزلاج D الشفاف في أن الإشارة على طرف الإدخال D تُسجّل لحظة نبضة الساعة للقلاب، ويتم تجاهل التغييرات اللاحقة على هذا الطرف حتى نبضة الساعة التالية. ويُستثنى من ذلك بعض القلابات التي تحتوي على مدخل إشارة إعادة ضبط ، والذي يُعيد ضبط Q (إلى الصفر)، وقد يكون هذا المدخل متزامنًا أو غير متزامن مع نبضة الساعة.

تقوم الدائرة المذكورة أعلاه بإزاحة محتويات السجل إلى اليمين، بمقدار خانة بت واحدة في كل انتقال نشط لإشارة الساعة. ويتم إزاحة المدخل X إلى خانة البت الموجودة في أقصى اليسار.

قلاب D كلاسيكي ذو حافة موجبة

أنواع قليلة مختلفة من قلابات D ذات الحافة المُشغَّلة
قلاب D ذو حافة موجبة
قلاب D ذو حافة موجبة
قلاب D يعمل بحافة موجبة مع ضبط وإعادة ضبط
قلاب D يعمل بحافة موجبة مع ضبط وإعادة ضبط

تتكون هذه الدائرة [ 26 ] من مرحلتين تُنفذان باستخدام بوابات NAND من نوع SR . تعالج مرحلة الإدخال (البوابتان على اليسار) إشارات الساعة والبيانات لضمان إشارات إدخال صحيحة لمرحلة الإخراج (البوابة الوحيدة على اليمين). إذا كانت إشارة الساعة منخفضة، تكون كلتا إشارتي إخراج مرحلة الإدخال عاليتين بغض النظر عن إدخال البيانات؛ وتبقى بوابة الإخراج ثابتة وتخزن الحالة السابقة. عندما تتغير إشارة الساعة من منخفضة إلى عالية، ينخفض ​​جهد واحد فقط من جهود الإخراج (بحسب إشارة البيانات) ويُفعّل/يعيد ضبط بوابة الإخراج: إذا كانت D = 0، يصبح الإخراج السفلي منخفضًا؛ وإذا كانت D = 1، يصبح الإخراج العلوي منخفضًا. طالما بقيت إشارة الساعة عالية، تحافظ مخارج مرحلة الإدخال على حالتها بغض النظر عن إدخال البيانات، وتُجبر بوابة الإخراج على البقاء في الحالة المقابلة، حيث يظل الصفر المنطقي للإدخال (لمرحلة الإخراج) نشطًا طالما كانت إشارة الساعة عالية. أي تغيير في إدخال البيانات أثناء ارتفاع إشارة الساعة لن يُغير حالة بوابتي الإدخال. وبالتالي فإن دور مزلاج الإخراج هو تخزين البيانات فقط عندما تكون إشارة الساعة منخفضة.

تتشابه هذه الدائرة بشكل كبير مع دائرة المزلاج D المُبَوَّب، حيث تقوم كلتا الدائرتين بتحويل حالتي الإدخال D (0 و1) إلى مجموعتين من الإدخال (01 و10) لمزلاج الإخراج SR عن طريق عكس إشارة إدخال البيانات (تقسم كلتا الدائرتين إشارة D الواحدة إلى إشارتين متكاملتين S و R ). ويكمن الاختلاف في استخدام بوابات NAND المنطقية في دائرة المزلاج D المُبَوَّب، بينما تُستخدم مزاليج SR NAND في دائرة القلاب D المُشغَّلة بالحافة الموجبة. ويتمثل دور هذه المزاليج في تثبيت الخرج النشط بإنتاج جهد منخفض (صفر منطقي)؛ وبالتالي، يمكن اعتبار دائرة القلاب D المُشغَّلة بالحافة الموجبة بمثابة دائرة مزلاج D مُبَوَّب مع بوابات إدخال مُثبَّتة.

قلاب D رئيسي-تابع ذو حافة تشغيل

قلاب D رئيسي-تابع. يستجيب عند الحافة الهابطة لإشارة التمكين (عادةً إشارة الساعة).
تطبيق لقلاب D رئيسي-تابع يتم تشغيله عند الحافة الصاعدة لإشارة الساعة

يُصنع قلاب D الرئيسي-التابع بتوصيل قلابين D موصولين على التوالي، وعكس إشارة التفعيل لأحدهما. يُسمى رئيسي-تابع لأن القلاب الرئيسي يتحكم في قيمة خرج القلاب التابع Q، ويجبر القلاب التابع على الاحتفاظ بقيمته كلما تم تفعيله، حيث ينسخ القلاب التابع قيمته الجديدة من القلاب الرئيسي، ولا يغير قيمته إلا استجابةً لتغير في قيمة القلاب الرئيسي وإشارة الساعة.

في قلاب D الرئيسي-التابع المُفعّل بالحافة الصاعدة، عندما تكون إشارة الساعة منخفضة (منطقيًا 0)، تكون إشارة التمكين التي يراها المزلاج الرئيسي (إشارة الساعة المعكوسة) عالية (منطقيًا 1). يسمح هذا للمزلاج الرئيسي بتخزين قيمة الإدخال عندما تنتقل إشارة الساعة من منخفضة إلى عالية. عندما ترتفع إشارة الساعة (من 0 إلى 1)، تنخفض إشارة التمكين المعكوسة للمزلاج الرئيسي (من 1 إلى 0) وتُقفل القيمة التي يراها مدخل المزلاج الرئيسي . في الوقت نفسه تقريبًا، تنتقل إشارة التمكين المعكوسة مرتين للمزلاج التابع من منخفضة إلى عالية (من 0 إلى 1) مع إشارة الساعة. يسمح هذا للإشارة التي يلتقطها المزلاج الرئيسي المُقفل عند الحافة الصاعدة للساعة بالمرور عبر المزلاج التابع . عندما تعود إشارة الساعة إلى منخفضة (من 1 إلى 0)، يُقفل خرج المزلاج التابع ، وتُحفظ القيمة التي شوهدت عند الحافة الصاعدة الأخيرة للساعة بينما يبدأ المزلاج الرئيسي في قبول قيم جديدة استعدادًا للحافة الصاعدة التالية للساعة.

يؤدي إزالة العاكس الأيسر في الدائرة إلى إنشاء قلاب من النوع D يلتقط إشارة الدخل D عند الحافة الهابطة لإشارة الساعة. ويكون جدول الحقيقة الخاص به كالتالي:

دسؤال>السؤال التالي
0Xهبوط0
1Xهبوط1

قلاب D مزدوج الحافة

تنفيذ قلاب D مزدوج الحافة

تُسمى القلابات التي تقرأ قيمة جديدة عند الحافة الصاعدة والهابطة لإشارة الساعة بالقلابات ثنائية الحافة. ​​يمكن بناء هذا النوع من القلابات باستخدام قلابين من النوع D أحاديي الحافة ومُضاعِف إشارات، أو باستخدام قلابين من النوع D أحاديي الحافة وثلاث بوابات XOR.

رمز الدائرة لقلاب D ثنائي الحافة
قلاب D مزدوج الحافة مُنفذ باستخدام بوابات XOR، وبدون مُضاعِف إشارات.

عنصر تخزين ديناميكي D يعمل عند الحافة

تنفيذ دائرة متكاملة بتقنية CMOS لقلاب ديناميكي يعمل بحافة التشغيل مع إعادة الضبط

يمكن صنع بديل وظيفي فعال لقلاب D باستخدام الدوائر الديناميكية (حيث تُخزن المعلومات في مكثف) طالما يتم تزويدها بنبضات ساعة كافية؛ ورغم أنها ليست قلابًا حقيقيًا، إلا أنها تُسمى قلابًا نظرًا لدورها الوظيفي. بينما يتم تشغيل عنصر D الرئيسي-التابع عند حافة نبضة الساعة، يتم تشغيل كل مكون من مكوناته بمستويات الساعة. قلاب D المُشغَّل بالحافة ، كما يُطلق عليه رغم أنه ليس قلابًا حقيقيًا، لا يمتلك خصائص الرئيسي-التابع.

تُستخدم قلابات D ذات الحافة المُشغَّلة غالبًا في العمليات المتكاملة عالية السرعة باستخدام المنطق الديناميكي . وهذا يعني أن الخرج الرقمي يُخزَّن على سعة المكثف الطفيلي للجهاز أثناء عدم انتقاله بين حالتي التشغيل والإيقاف. يُسهِّل هذا التصميم إعادة الضبط ببساطة عن طريق تفريغ عقدة داخلية واحدة أو أكثر. من أنواع القلابات الديناميكية الشائعة نوع الساعة أحادية الطور الحقيقية (TSPC) الذي يُنفِّذ عملية القلاب باستهلاك طاقة منخفض وسرعات عالية. مع ذلك، لا تعمل القلابات الديناميكية عادةً عند سرعات الساعة الثابتة أو المنخفضة: فمع مرور الوقت الكافي، قد تُفرِّغ مسارات التسريب السعة الطفيلية بشكل كافٍ لتسبب دخول القلاب في حالات غير صالحة.

قلاب على شكل حرف T

رمز الدائرة الكهربائية للقلاب من النوع T

إذا كان مدخل T عاليًا، فإن القلاب T يغير حالته ("يُبدّل") عند حافة إشارة الساعة. أما إذا كان مدخل T منخفضًا، فإن القلاب يحتفظ بالقيمة السابقة. ويُمكن وصف هذا السلوك بالمعادلة المميزة التالية :

سؤالالتالي=تيسؤال=تيسؤال¯+تي¯سؤال{\displaystyle Q_{\text{next}}=T\oplus Q=T{\overline {Q}}+{\overline {T}}Q}(توسيع عامل XOR )

ويمكن وصفها في جدول الحقيقة :

عملية قلب القلاب T [ 27 ]
جدول الخصائصجدول الإثارة
تي{\displaystyle T}سؤال{\displaystyle Q}سؤالالتالي{\displaystyle Q_{\text{next}}}تعليقسؤال{\displaystyle Q}سؤالالتالي{\displaystyle Q_{\text{next}}}تي{\displaystyle T}تعليق
000تثبيت الحالة (بدون ساعة)000لا تغيير
011تثبيت الحالة (بدون ساعة)110لا تغيير
101تبديل011إطراء
110تبديل101إطراء

عندما يكون مستوى الإشارة T مرتفعًا، يقوم القلاب بتقسيم تردد الساعة إلى النصف؛ أي إذا كان تردد الساعة 4  ميجاهرتز، فسيكون تردد الخرج الناتج من القلاب 2  ميجاهرتز. تُستخدم خاصية "التقسيم" هذه في أنواع مختلفة من العدادات الرقمية . يمكن أيضًا بناء قلاب AT باستخدام قلاب JK (حيث يتم توصيل طرفي J وK معًا ويعملان كـ T) أو قلاب D ( حيث يقوم مدخل T بعملية XOR مع Q لتشغيل مدخل D).

شبشب JK

رمز دائرة لقلاب JK يعمل بحافة موجبة
مخطط توقيت قلاب JK

يعمل قلاب JK كقلاب SR ذي حافة التشغيل (J: ضبط، K: إعادة ضبط) الذي يستبدل الحالة غير المسموح بها S = R = 1 بأمر قلب أو تبديل. تحديدًا، يمثل التركيب J = 1، K = 0 أمرًا لضبط القلاب عند حافة إشارة الساعة المُشغِّلة؛ ويمثل التركيب J = 0، K = 1 أمرًا لإعادة ضبط القلاب عند حافة إشارة الساعة المُشغِّلة؛ ويمثل التركيب J = K = 1 أمرًا لتبديل حالة القلاب (أي تغيير خرجه إلى المكمل المنطقي لقيمته الحالية) عند حافة إشارة الساعة المُشغِّلة. ويحافظ ضبط J = K = 0 على الحالة الحالية.

المعادلة المميزة لقلاب JK هي:

سؤالالتالي=جسؤال¯+ك¯سؤال{\displaystyle Q_{\text{next}}=J{\overline {Q}}+{\overline {K}}Q}

وجدول الحقيقة المقابل هو:

عملية قلب JK [ 27 ]
جدول الخصائصجدول الإثارة
جكتعليقالسؤال التاليسؤالالسؤال التاليتعليقجك
00حالة الثباتسؤال00لا تغيير0X
01إعادة ضبط001تعيين1X
10تعيين110إعادة ضبطX1
11تبديلسؤال11لا تغييرX0

يُعتبر قلاب JK قلابًا متعدد الاستخدامات، لأنه يُمكن تهيئته للعمل كقلاب SR أو قلاب D أو قلاب T. على سبيل المثال، لتصميم قلاب D، يكفي ضبط قيمة K لتكون مُكملة J (حيث يعمل المدخل J كمدخل D). وبالمثل، لتصميم قلاب T، اضبط قيمة K لتكون مُساوية لـ J.

اعتبارات التوقيت

معلمات التوقيت

معلمات إعداد القلاب، والتثبيت، وتوقيت الساعة إلى الإخراج

يجب أن يظل الإدخال ثابتًا خلال فترة حول الحافة الصاعدة لإشارة الساعة، والمعروفة باسم "الفتحة". تخيل أنك تلتقط صورة لضفدع على ورقة زنبق الماء. [ 28 ] لنفترض أن الضفدع قفز بعد ذلك في الماء. إذا التقطت صورة للضفدع أثناء قفزه في الماء، فستحصل على صورة ضبابية له وهو يقفز - لن يكون واضحًا في أي حالة كان الضفدع. ولكن إذا التقطت صورة بينما يجلس الضفدع بثبات على الورقة (أو يكون ثابتًا في الماء)، فستحصل على صورة واضحة. وبالمثل، يجب أن يظل إدخال القلاب ثابتًا خلال فترة فتح القلاب.

وقت الإعداد هو الحد الأدنى من الوقت الذي يجب أن يظل فيه إدخال البيانات ثابتًا قبل حدث الساعة، بحيث يتم أخذ عينات البيانات بشكل موثوق بواسطة الساعة.

وقت التثبيت هو الحد الأدنى من الوقت الذي يجب أن يظل فيه إدخال البيانات ثابتًا بعد حدث الساعة، بحيث يتم أخذ عينات البيانات بشكل موثوق بواسطة الساعة.

فتحة العدسة هي مجموع وقت الإعداد ووقت التثبيت. يجب أن يظل إدخال البيانات ثابتًا طوال هذه الفترة الزمنية. [ 28 ]

زمن الاسترداد هو الحد الأدنى من الوقت الذي يجب أن يكون فيه مدخل الضبط أو إعادة الضبط غير المتزامن غير نشط قبل حدث الساعة، وذلك لضمان أخذ عينات البيانات بشكل موثوق بواسطة الساعة. وبالتالي، فإن زمن استرداد مدخل الضبط أو إعادة الضبط غير المتزامن مشابه لزمن إعداد مدخل البيانات.

زمن الإزالة هو الحد الأدنى من الوقت الذي يجب أن يكون فيه مدخل الضبط أو إعادة الضبط غير المتزامن غير نشط بعد حدث الساعة، وذلك لضمان أخذ عينات البيانات بشكل موثوق بواسطة الساعة. وبالتالي، فإن زمن إزالة مدخل الضبط أو إعادة الضبط غير المتزامن مشابه لزمن تثبيت مدخل البيانات.

يجب عدم تطبيق نبضات قصيرة على المدخلات غير المتزامنة (الضبط، إعادة الضبط) بالكامل خلال فترة الاستعادة والإزالة، وإلا سيصبح من المستحيل تحديد ما إذا كان القلاب سينتقل إلى الحالة المناسبة. في حالة أخرى، عندما تقوم إشارة غير متزامنة بانتقال واحد فقط يقع بين فترتي الاستعادة والإزالة، سينتقل القلاب في النهاية إلى الحالة المناسبة، ولكن قد يظهر خلل قصير جدًا على الخرج أو لا، وذلك اعتمادًا على إشارة الدخل المتزامنة. قد يكون لهذه الحالة الثانية أهمية في تصميم الدائرة أو لا .

قد تكون إشارات الضبط وإعادة الضبط (وغيرها) متزامنة أو غير متزامنة، وبالتالي يمكن تمييزها إما بأوقات الإعداد/الاحتفاظ أو أوقات الاسترداد/الإزالة، وتعتمد التزامن بشكل كبير على تصميم القلاب.

يُعد التمييز بين أوقات الإعداد/التثبيت وأوقات الاستعادة/الإزالة ضروريًا في كثير من الأحيان عند التحقق من توقيت الدوائر الكبيرة، لأن الإشارات غير المتزامنة قد تكون أقل أهمية من الإشارات المتزامنة. يتيح هذا التمييز لمصممي الدوائر تحديد شروط التحقق لكل نوع من هذه الإشارات على حدة.

حالة شبه الاستقرار

تُعاني الدوائر المنطقية من مشكلة تُسمى عدم الاستقرار ، والتي قد تحدث عندما يتغير مدخلان، مثل البيانات والساعة أو الساعة وإعادة الضبط، في نفس الوقت تقريبًا. عندما يكون ترتيب التغيير غير واضح، ضمن قيود التوقيت المناسبة، قد يتصرف الخرج بشكل غير متوقع، ويستغرق وقتًا أطول بكثير من المعتاد للاستقرار على حالة معينة، أو حتى يتذبذب عدة مرات قبل الاستقرار. نظريًا، لا يوجد حد زمني للاستقرار. في نظام الحاسوب ، قد يتسبب عدم الاستقرار هذا في تلف البيانات أو تعطل البرنامج إذا لم تكن الحالة مستقرة قبل أن تستخدم دائرة أخرى قيمتها؛ على وجه الخصوص، إذا استخدم مساران منطقيان مختلفان خرج الدائرة المنطقية، فقد يفسره أحدهما على أنه 0 والآخر على أنه 1 عندما لا يكون قد استقر، مما يضع الجهاز في حالة غير متسقة. [ 29 ]

يمكن تجنب عدم استقرار الدوائر الثنائية القلابة (Flip-flops) بضمان ثبات وصحة مدخلات البيانات والتحكم لفترات محددة قبل وبعد نبضة الساعة، تُسمى على التوالي زمن الإعداد (t su ) وزمن التثبيت (t h ). تُحدد هذه الأزمنة في ورقة بيانات الجهاز، وتتراوح عادةً بين بضع نانوثوانٍ وبضع مئات من البيكوثانية في الأجهزة الحديثة. اعتمادًا على البنية الداخلية للدائرة الثنائية القلابة، من الممكن تصميم جهاز بزمن إعداد أو تثبيت يساوي صفرًا (أو حتى سالبًا)، ولكن ليس كليهما في آن واحد.

لسوء الحظ، لا يمكن دائمًا استيفاء معايير الإعداد والتثبيت، لأن القلاب قد يكون متصلًا بإشارة زمنية حقيقية قابلة للتغيير في أي لحظة، خارجة عن سيطرة المصمم. في هذه الحالة، أفضل ما يمكن للمصمم فعله هو تقليل احتمال الخطأ إلى مستوى معين، اعتمادًا على الموثوقية المطلوبة للدائرة. إحدى تقنيات كبح عدم الاستقرار هي توصيل قلابين أو أكثر على التوالي، بحيث يُغذي خرج كل قلاب مدخل البيانات للقلاب التالي، وتتشارك جميع الأجهزة في إشارة ساعة مشتركة. بهذه الطريقة، يمكن تقليل احتمال حدوث حالة عدم استقرار إلى قيمة ضئيلة، ولكن ليس إلى الصفر أبدًا. يقترب احتمال عدم الاستقرار من الصفر كلما زاد عدد القلابات المتصلة على التوالي. يُشار إلى عدد القلابات المتصلة على التوالي بالترتيب ؛ وتُعد القلابات ثنائية الترتيب (قلابان متصلان على التوالي) حالة شائعة.

تتوفر ما يُسمى بالقلابات المقاومة للاستقرار شبه المستقر، والتي تعمل على تقليل زمنَي الإعداد والتثبيت قدر الإمكان، ولكن حتى هذه القلابات لا تستطيع القضاء على المشكلة تمامًا. ذلك لأن الاستقرار شبه المستقر ليس مجرد مسألة تصميم دائرة. فعندما تكون انتقالات إشارة الساعة والبيانات متقاربة زمنيًا، يُجبر القلاب على تحديد أي الحدثين وقع أولًا. ومهما كانت سرعة تصنيع الجهاز، يبقى احتمال أن تكون أحداث الإدخال متقاربة جدًا بحيث لا يستطيع الجهاز تحديد أيها وقع أولًا. لذلك، من المستحيل منطقيًا بناء قلاب مقاوم تمامًا للاستقرار شبه المستقر. تُحدد القلابات أحيانًا بزمن استقرار أقصى (أقصى مدة تبقى فيها شبه مستقرة في ظل ظروف محددة). في هذه الحالة، توفر القلابات ثنائية الرتبة، التي تعمل بتردد ساعة أبطأ من أقصى زمن استقرار شبه مستقر مسموح به، تهيئة مناسبة للإشارات غير المتزامنة (مثل الإشارات الخارجية).

تأخيرات الانتشار

من القيم الزمنية المهمة الأخرى للقلاب (Flip-flop) زمن تأخير الإشارة (t<sub> CO</sub> ) أو زمن الانتشار (t<sub> P</sub> )، وهو الزمن الذي يستغرقه القلاب لتغيير خرجه بعد حافة إشارة الساعة. يختلف زمن الانتقال من حالة عالية إلى حالة منخفضة (t<sub> PHL </sub> ) أحيانًا عن زمن الانتقال من حالة منخفضة إلى حالة عالية (t<sub> PLH</sub> ).

عند توصيل قلابات متتالية تشترك في نفس إشارة الساعة (كما في مسجل الإزاحة )، من المهم التأكد من أن زمن الإيقاف (t<sub> CO</sub>) للقلاب السابق أطول من زمن التثبيت (t<sub> h</sub> ) للقلاب التالي، وذلك لضمان إزاحة البيانات الموجودة عند مدخل القلاب التالي بشكل صحيح بعد الحافة النشطة لإشارة الساعة. تُضمن هذه العلاقة بين t<sub> CO</sub> و t<sub> h </sub> عادةً إذا كانت القلابات متطابقة فيزيائيًا. علاوة على ذلك، ولضمان التشغيل الصحيح، من السهل التحقق من أن دورة الساعة يجب أن تكون أكبر من مجموع t<sub> su</sub>  +  t<sub> h </sub>.

التعميمات

يمكن تعميم القلابات بطريقتين على الأقل: بجعلها من نوع 1 من N بدلاً من 1 من 2، وبتكييفها مع منطق ذي أكثر من حالتين. في الحالات الخاصة لترميز 1 من 3، أو المنطق الثلاثي متعدد القيم ، يُشار إلى هذا العنصر باسم قلاب-قلاب-قلاب . [ 30 ]

في القلاب التقليدي، يكون أحد المخرجين المتكاملين فقط في حالة عالية. ويمكن تعميم ذلك على عنصر ذاكرة ذي N مخرج، يكون واحد منها فقط في حالة عالية (أو يكون واحد فقط من N في حالة منخفضة). وبالتالي، يكون المخرج دائمًا تمثيلًا أحاديًا ساخنًا (أو أحاديًا باردًا ). ​​يشبه هذا التصميم القلاب التقليدي المتقاطع؛ فكل مخرج، عندما يكون في حالة عالية، يمنع جميع المخارج الأخرى. [ 31 ] بدلاً من ذلك، يمكن استخدام قلابات تقليدية إلى حد ما، واحد لكل مخرج، مع دوائر إضافية لضمان أن يكون واحد فقط في كل مرة صحيحًا. [ 32 ]

يُعدّ عنصر الذاكرة للمنطق متعدد القيم تعميمًا آخر للقلاب التقليدي . في هذه الحالة، يحتفظ عنصر الذاكرة بحالة منطقية واحدة فقط حتى تُحدث مدخلات التحكم تغييرًا. [ 33 ] إضافةً إلى ذلك، يمكن استخدام ساعة متعددة القيم، مما يؤدي إلى انتقالات ساعة جديدة محتملة. [ 34 ]

ملحوظات

  1. بدلاً من ذلك، يمكن تسمية المدخلين بـ "المجموعة 1" و"المجموعة 0"، مما قد يزيل الالتباس لدى البعض: إذ قد يُفهم مصطلح "المجموعة" وحده خطأً على أنه ضبط البت على المدخل المُقدّم للضبط. كما أن هذه التسمية تجعل من البديهي في الشرح أدناه أن محاولة ضبط 0 و1 في الوقت نفسه ستؤدي إلى سلوك غير متوقع لدارة SR.

انظر أيضاً

مراجع

  1. على سبيل المثال،يُطلق على طبعة 1969 من كتاب "دليل المنطق لوحدات Flip Chip™" الصادر عن شركة Digital Equipment Corporation اسم "R/S Flip Flops" ( http://www.bitsavers.org/pdf/dec/handbooks/Digital_Logic_Handbook_1969.pdf الصفحة 44).
  2. مثال آخر، من دليل المنطق لوحدات Flip Chip™ الصادر عن شركة Digital Equipment Corporation عام 1969، يصف "قلابات R/S" و"قلابات R/S الموقوتة" مصحوبة بجدول الحقيقة. ( http://www.bitsavers.org/pdf/dec/handbooks/Digital_Logic_Handbook_1969.pdf ، الصفحة 8)
  3. بيدروني، فولني أ. (2008). الإلكترونيات الرقمية والتصميم باستخدام لغة VHDL . مورغان كوفمان. ص  329. ISBN 978-0-12-374270-4.
  4. الأقفال والقلابات مؤرشفة بتاريخ 2016-10-05 في Wayback Machine (محاضرة EE 42/100 رقم 24 من بيركلي) "...أحيانًا يتم استخدام مصطلحي القلاب والقفل بشكل متبادل..."
  5. 1 2 روث، تشارلز هـ. الابن (1995). "المثبتات والقلابات". أساسيات تصميم المنطق ( الطبعة الرابعة). PWS. ISBN  9780534954727.
  6. GB 148582 ، إيكلز، ويليام هنري وجوردان ، فرانك ويلفريد، "تحسينات في المرحلات الأيونية"، نُشر في 5 أغسطس 1920 
  7. انظر:
  8. ↑ بو، إيمرسون دبليو؛ جونسون ، لايل آر؛ بالمر، جون إتش (1991). أنظمة IBM 360 وأنظمة 370 المبكرة . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ص 10. ISBN  978-0-262-16123-7.
  9. فلاورز، توماس هـ. (1983)، "تصميم كولوسوس" ، حوليات تاريخ الحوسبة ، 5 (3): 249، doi : 10.1109/MAHC.1983.10079 ، S2CID 39816473 ، مؤرشف من الأصل في 26-03-2006 ، تم استرجاعه في 16-06-2015 
  10. غيتس، إيرل د. (2000). مقدمة في الإلكترونيات ( الطبعة الرابعة). ديل مار طومسون (سينغيج) ليرنينج. ص 299. ISBN   978-0-7668-1698-5.
  11. فوغيل، ماكس؛ غو، يو-ليانغ (1998). حل مشكلات الإلكترونيات، المجلد 1 ( طبعة منقحة). جمعية البحث والتعليم. ص 1223. ISBN   978-0-87891-543-9.
  12. ليندلي، بي إل (أغسطس 1968). "رسالة مؤرخة في 13 يونيو 1968". إي دي إن .
  13. فيستر، مونتغمري (1958). التصميم المنطقي للحواسيب الرقمية . وايلي. ص 128. ISBN  9780608102658.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  14. US 2850566 ، نيلسون، إلدريد سي، "نظام طباعة عالي السرعة"، نُشر في 1958-09-02، مُخصص لشركة هيوز للطائرات. 
  15. لانغهولز، جيديون؛ كاندل، أبراهام؛ موت، جو إل. (1998). أسس تصميم المنطق الرقمي . وورلد ساينتيفيك. ص 344. ISBN  978-981-02-3110-1.
  16. "ملخص لأنواع سلوك القلاب" مؤرشف بتاريخ 19-04-2018 في أرشيف الإنترنت . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 أبريل 2018.
  17. هينريشسن، ديدريش؛ بريتشارد، أنتوني جيه. (2006). "مثال 1.5.6 (مزلاج R-S ومزلاج J-K)" . نظرية الأنظمة الرياضية 1: النمذجة، تحليل فضاء الحالة، الاستقرار والمتانة . سبرينغر. ص 63-64 . ISBN  9783540264101.
  18. 1 2 كوج، بيتر م. (1981). بنية الحواسيب ذات خطوط الأنابيب . ماكجرو هيل. ص 25-27 . ISBN  0-07-035237-2.
  19. كوتن، ل. و. (1965). "تنفيذ الدوائر لأنظمة خطوط الأنابيب عالية السرعة". وقائع المؤتمر المشترك للحاسوب، خريف 30 نوفمبر - 1 ديسمبر 1965، الجزء الأول حول XX - AFIPS '65 (خريف، الجزء الأول) . الصفحات 489-504 . doi : 10.1145/1463891.1463945 . S2CID 15955626 .  
  20. إيرل، جون ج. (مارس 1965). "جامع التخزين والحمل المُثبَّت". نشرة الإفصاح التقني لشركة IBM . 7 (10): 909-910 .
  21. 1 2 أوموندي، آموس ر. (1999). البنية الدقيقة للحواسيب ذات خطوط الأنابيب والحواسيب فائقة القياس . سبرينغر. ص 40-42 . ISBN  978-0-7923-8463-2.
  22. كونكل ، ستيفن ر.؛ سميث، جيمس إي. (مايو 1986). "التنفيذ الأمثل لخطوط الأنابيب في الحواسيب العملاقة". أخبار هندسة الحاسوب الصادرة عن جمعية آلات الحوسبة (ACM) ومؤتمر SIGARCH . 14 ( 2). ACM: 404-411 [406]. CiteSeerX 10.1.1.99.2773 . doi : 10.1145/17356.17403 . ISSN 0163-5964 . S2CID 2733845 .   
  23. "القلاب D" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 23 فبراير 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 يونيو 2016 .
  24. "شباشب تعمل بحافتها" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-09-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2011-12-15 .
  25. إيكرت، ج. (1953). "دراسة استقصائية لأنظمة ذاكرة الحاسوب الرقمي". وقائع معهد مهندسي الراديو . 41 (10): 1393-1406 . doi : 10.1109/JRPROC.1953.274316 .
  26. ورقة بيانات SN7474 TI
  27. 1 2 مانو، م. موريس؛ كيم، تشارلز ر. (2004). أساسيات المنطق وتصميم الحاسوب، الطبعة الثالثة . أبر سادل ريفر، نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: بيرسون إديوكيشن إنترناشونال. ص 283. ISBN  0-13-191165-1.
  28. 1 2 هاريس، س؛ هاريس، د (2016). التصميم الرقمي وهندسة الحاسوب - إصدار ARM . مورغان كوفمان، والتهام، ماساتشوستس. ISBN 978-0-12-800056-4.
  29. تشاني، توماس جيه؛ مولنار، تشارلز إي. (أبريل 1973). "السلوك الشاذ لدوائر التزامن والتحكيم". معاملات IEEE في الحوسبة . C-22 (4): 421-422 . doi : 10.1109/TC.1973.223730 . ISSN 0018-9340 . S2CID 12594672 .  
  30. يُنسب هذا غالبًا إلى دون كنوث (1969) (انظر مدحت ج. غازال (2000). الرقم: من أحمس إلى كانتور . مطبعة جامعة برينستون. ص 57. ISBN  978-0-691-00515-7.في الواقع ، ظهر مصطلح " قلاب القلاب" في وقت مبكر جدًا في أدبيات الحوسبة، على سبيل المثال، باودون، إدوارد ك. (1960). تصميم وتطبيق "قلاب القلاب" باستخدام ثنائيات النفق (رسالة ماجستير) . جامعة نورث داكوتا.وفي ألكسندر، و. (فبراير 1964). "الحاسوب الثلاثي" . الإلكترونيات والطاقة . 10 (2). IET: 36-39 . doi : 10.1049/ep.1964.0037 .
  31. "ثلاثي "يتقلب-يتقلب-يتقلب"تمت أرشفة هذا النص من المصدر الأصلي بتاريخ 2009-01-05 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2009-10-17 .
  32. US 6975152 ، لابيدوس، بيتر د.، "قلاب يدعم التشغيل بدون خلل على ناقل واحد ساخن وطريقة"، نُشر في 2005-12-13، مُخصص لشركة Advanced Micro Devices Inc. 
  33. إيرفينغ، ثورمان أ.؛ شيفا، ساجان ج.؛ ناغل، هـ. تروي (مارس 1976). "قلابات للمنطق متعدد القيم". معاملات IEEE في الحوسبة . C-25 (3): 237-246 . doi : 10.1109/TC.1976.5009250 . S2CID 34323423 . 
  34. وو، هاومين؛ تشوانغ نان (يوليو 1991). "بحث في قلاب JKL ثلاثي العناصر ذي حافة التشغيل". مجلة الإلكترونيات (الصين) . 8 (3): 268-275 . doi : 10.1007/BF02778378 . S2CID 61275953 .