Счетчик звонков
Кольцевой счетчик — это тип счетчика, состоящий из триггеров, соединенных в сдвиговый регистр , при этом выходной сигнал последнего триггера подается на вход первого, образуя «круговую» или «кольцевую» структуру.
Существует два типа счетчиков звонков:
- , Прямокольцевой счетчик также известный как « горячий счетчик» , соединяет выход последнего сдвигового регистра с входом первого сдвигового регистра и перемещает по кольцу одиночный (или нулевой) бит.
- Счетчик витого кольца , также называемый счетчиком с переключающим хвостом , счетчиком ходячего кольца , счетчиком Джонсона или Мёбиуса счетчиком , соединяет дополнение выхода последнего сдвигового регистра со входом первого регистра и циркулирует поток единиц, за которым следуют нули по кольцу.
Четырехбитные последовательности счетчика звонков
[ редактировать ]| Прямой кольцевой счетчик | счетчик Джонсона | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Состояние | Q0 | 1 квартал | 2 квартал | Q3 | Состояние | Q0 | 1 квартал | 2 квартал | Q3 | |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 2 | 1 | 1 | 0 | 0 | |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 3 | 1 | 1 | 1 | 0 | |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 4 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 5 | 0 | 1 | 1 | 1 | |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 6 | 0 | 0 | 1 | 1 | |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 7 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
Характеристики
[ редактировать ]Кольцевые счетчики часто используются при проектировании аппаратного обеспечения (например, при проектировании ASIC и FPGA ) для создания конечных автоматов . Для двоичного счетчика потребуется сумматорная схема, которая существенно сложнее кольцевого счетчика и имеет более высокую задержку распространения по мере увеличения количества битов, тогда как задержка распространения кольцевого счетчика будет почти постоянной независимо от количества битов в коде. .
Прямая и скрученная формы имеют разные свойства, а также относительные преимущества и недостатки.
Общим недостатком кольцевых счетчиков является то, что они представляют собой коды меньшей плотности, чем обычное двоичное кодирование номеров состояний. Двоичный счетчик может представлять 2 Н состояний, где N — количество битов в коде, тогда как прямой кольцевой счетчик может представлять только N состояний, а счетчик Джонсона может представлять только 2 N состояний. Это может быть важным фактором в аппаратных реализациях, где регистры дороже, чем комбинационная логика.
Счетчики Джонсона иногда предпочтительнее, поскольку они предлагают в два раза больше состояний счета из того же числа сдвиговых регистров, а также потому, что они способны самоинициализироваться из состояния «все нули», не требуя внешнего ввода первого бита счета при запуске. -вверх. Счетчик Джонсона генерирует код, в котором соседние состояния отличаются только на один бит (то есть имеют расстояние Хэмминга, равное 1), как в коде Грея , что может быть полезно, если битовая комбинация будет выбираться асинхронно. [1]
Когда требуется полностью декодированное или оперативное представление состояния счетчика, как в некоторых контроллерах последовательности, предпочтительным является прямой кольцевой счетчик. Свойство one-hot означает, что набор кодов разделен минимальным расстоянием Хэмминга, равным 2, [2] поэтому можно обнаружить любую однобитовую ошибку (как и любой шаблон ошибки, кроме включения одного бита и выключения одного бита).
Иногда используются двунаправленные регистры сдвига (с использованием мультиплексоров для получения входных данных для каждого триггера от его левого или правого соседа), так что можно создать двунаправленные или восходящие кольцевые счетчики. [3]
Логические схемы
[ редактировать ]Прямой кольцевой счетчик имеет логическую структуру, показанную здесь:
Вместо линии сброса, устанавливающей исходный шаблон «горячий» , прямое кольцо иногда делается самоинициализирующимся за счет использования вентиля распределенной обратной связи на всех выходах, кроме последнего, так что на входе отображается 1, когда ни на одном этапе нет единицы, кроме последней. [4]
Счетчик Джонсона, названный в честь Роберта Ройса Джонсона , представляет собой кольцо с инверсией; вот 4-битный счетчик Джонсона:
Обратите внимание на небольшой пузырь, указывающий на инверсию сигнала Q из последнего сдвигового регистра перед обратной подачей на первый вход D, что делает его счетчиком Джонсона.
История
[ редактировать ]До появления цифровых вычислений цифровые счетчики использовались для измерения скорости случайных событий, таких как радиоактивный распад на альфа- и бета-частицы. Быстрые счетчики с «предварительным масштабированием» снизили частоту случайных событий до более управляемых и более регулярных показателей. Кольцевые счетчики с пятью состояниями использовались вместе со счетчиками деления на два для создания декадных (степени десяти) счетчиков до 1940 года, таких как те, которые были разработаны CE Wynn-Williams . [5]
Ранние кольцевые счетчики использовали только один активный элемент (вакуумная лампа, лампа или транзистор) на каскад, полагаясь на глобальную обратную связь, а не на локальные бистабильные триггеры, для подавления состояний, отличных от состояний с перегревом, например, в патентной заявке 1941 года. Роберта Э. Муммы из Национальной компании по производству кассовых аппаратов . [6] Уилкокс П. Овербек изобрел версию, в которой используется несколько анодов в одной вакуумной лампе. [7] [8] В знак признания его работы счетчики колец иногда называют «кольцами Овербека». [9] [10] (а после 2006 года иногда как «счетчики Овербека», поскольку Arc.Ask3.Ru использовала этот термин с 2006 по 2018 год).
ENIAC использовал десятичную арифметику, основанную на счетчиках с одним горячим кольцом с 10 состояниями. Работы Муммы из NCR и Овербека из Массачусетского технологического института были среди работ предшествующего уровня техники, рассмотренных патентным бюро и аннулировавших патенты Дж. Преспера Эккерта и Джона Мочли на технологию ENIAC. [11]
К 1950-м годам появились кольцевые счетчики с двухламповым или двухтриодным триггером на каскад. [12]
Роберт Ройс Джонсон разработал ряд различных счетчиков на основе сдвиговых регистров с целью получения различного количества состояний с простейшей логикой обратной связи и подал заявку на патент в 1953 году. [13] Счетчик Джонсона — самый простой из них.
Приложения
[ редактировать ]Ранние применения кольцевых счетчиков были в качестве преобразователей частоты (например, для счетчиков Гейгера и подобных приборов). [5] в качестве счетчиков для подсчета появления шаблонов в криптоанализе (например, в машине для взлома кодов Хита Робинсона и компьютере Colossus ), [14] и в качестве элементов-счетчиков для десятичной арифметики в компьютерах и калькуляторах, используя либо двоичное пятеричное (как в Colossus), либо одногорячее представление с десятью состояниями (как в ENIAC ).
Счетчики с прямым кольцом генерируют полностью декодированные горячие коды, которые часто используются для выполнения определенного действия в каждом состоянии циклического цикла управления. Горячие коды также можно декодировать с помощью счетчика Джонсона, используя один вентиль для каждого состояния. [15] [номер 1]
Помимо того, что счетчик Джонсона является эффективным альтернативным способом генерации горячих кодов и преобразователей частоты, он также является простым способом кодирования цикла из четного числа состояний, которые могут быть асинхронно дискретизированы без сбоев, поскольку при этом изменяется только один бит. время, как в коде Грея . [16] Ранние компьютерные мыши использовали 2-битные кодировки Джонсона или Грея вверх-вниз (двунаправленные) для обозначения движения в каждом из двух измерений, хотя у мышей эти коды обычно генерировались не кольцами триггеров (а вместо этого электромеханическими или электромеханическими или оптические квадратурные энкодеры ). [17] 2-битный код Джонсона и 2-битный код Грея идентичны, а для 3-битных и более битов коды Грея и Джонсона различны. В 5-битном случае код такой же, как код Либо-Крейга для десятичных цифр. [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25]
Счетчик с шагающим кольцом, также называемый счетчиком Джонсона, и несколько резисторов могут обеспечить аппроксимацию синусоидальной волны без помех. В сочетании с регулируемым прескалером это, пожалуй, самый простой генератор с числовым управлением . Два таких счетчика с шагающими кольцами, возможно, являются самым простым способом генерации непрерывно-фазовой частотной манипуляции. использовался в двухтональной многочастотной сигнализации и ранних модема . тонах [26]
|
|
|
|
|
|
|
|
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Схемы счетчиков Джонсона с одиночными состояниями, декодированными таким образом, можно найти в оригинальных IBM MDA и CGA конструкциях адаптеров видеодисплея 74x174 в логике временного секвенсора: одна или две микросхемы шестнадцатеричного триггера D-типа размером подключены как сдвиговый регистр. , возвращается с инверсией для формирования счетчика Джонсона, а вентили NAND с 2 входами (в MDA) или вентили XOR (в CGA) используются для декодирования состояний, используемых в качестве сигналов, таких как +RAS (строб адреса строки [в DRAM ] ) и S/-L (Сдвиг/НЕ Нагрузка). Источник: Технический справочник по опциям и адаптерам персонального компьютера IBM, адаптер монохромного дисплея и принтера, логические схемы; Технический справочник по опциям и адаптерам персонального компьютера IBM, адаптер цветного графического монитора, логические схемы.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Педрони, Волней А. (2013). Конечные автоматы в аппаратуре: теория и проектирование . МТИ Пресс . п. 50. ISBN 978-0-26201966-8 .
- ^ Менгибар, Луис; Энтрена, Луис; Лоренц, Майкл Г.; Санчес-Рейло, Рауль (2003). «Кодирование состояний для автоматов малой мощности в FPGA» . Проектирование интегральных схем и систем. Моделирование, оптимизация и моделирование мощности и времени: материалы 13-го международного семинара, PATMOS 2003, Турин, Италия, 10–12 сентября 2003 г. Том. 13. Springer Science & Business Media . п. 35. ISBN 9783540200741 .
- ^ Стэн, Мирча Р. (1997). «Синхронный реверсивный счетчик с периодом такта, не зависящим от размера счетчика» (PDF) . Материалы 13-го симпозиума IEEE по компьютерной арифметике : 274–281.
- ^ Холдсворт, Брайан; Вудс, Клайв (2002). Проектирование цифровой логики (4-е изд.). Newnes Books / Elsevier Science . стр. 191–192. ISBN 0-7506-4588-2 . Проверено 19 апреля 2020 г.
{{cite book}}: CS1 maint: игнорируются ошибки ISBN ( ссылка ) (519 страниц) [1] - ^ Перейти обратно: а б Льюис, Уилфрид Беннетт (1942). Электрический счет: с особым упором на подсчет альфа- и бета-частиц . Издательство Кембриджского университета . п. 90. ИСБН 9781316611760 .
- ^ «Электронное накопление», патент США Роберта Э. Муммы № 2405096, поданный в 1941 году.
- ^ «Электронное коммутационное устройство», патент США Уилкокса П. Овербека № 2427533, поданный в 1943 г.
- ^ Дейтонские взломщики кодов: отчет об исследованиях 1942 года, в котором упоминается «Новый высокоскоростной счетчик г-на Овербека, 8 января 1942 года»
- ^ RAMAC 305 — Руководство по проектированию заказчиков IBM (PDF) . ИБМ . 1959.
[…] Кольцо Овербека используется для подачи синхронизированных импульсов в компьютерных цепях так же, как кулачковые автоматические выключатели подают синхронизированные импульсы в механических машинах. Он состоит из набора триггеров с общим входом от линии привода кольца , по которой передаются импульсы, подаваемые с технологического барабана. […] Первоначально триггеры сбрасываются в ВЫКЛ, за исключением домашнего триггера, который включен. Каждый отрицательный входной импульс выключает включенный триггер. Падение напряжения на выводе 10 выключенного триггера приведет к включению следующего триггера. Это продолжается по замкнутому кольцу […]
- ^ Электротехнологии — рекомендуемая двухлетняя учебная программа после окончания средней школы . Серия программ технического образования. США, Отдел профессионального и технического образования. 1960. с. 52.
- ^ Рэндалл, Брайан (2014). «Происхождение цифровых компьютеров: дополнительная библиография» . В Метрополисе, Николас (ред.). История вычислительной техники в двадцатом веке . Эльзевир. стр. 651–652. ISBN 9781483296685 .
- ^ Уильям Альфред Хигинботэм , «Быстрые импульсные схемы» , патент США № 2536808, подан в 1949 г.
- ^ Роберт Ройс Джонсон , «Электронный счетчик» , патент США № 3030581, подан в 1953 г.
- ^ Коупленд, Б. Джек (2010). Колосс: Секреты компьютеров, взламывающих коды в Блетчли-Парке . Издательство Оксфордского университета . стр. 123–128. ISBN 978-0-19957814-6 .
- ^ Лангхольц, Гидеон; Кандель, Авраам; Мотт, Джо Л. (1998). Основы проектирования цифровой логики . Всемирная научная. стр. 525–526. ISBN 978-9-81023110-1 .
- ^ ван Холтен, Корнелиус (август 1982 г.). Написано в Делфтском техническом университете, Делфт, Нидерланды. «Цифровые делители с симметричными выходами. Автор использует счетчики Джонсона с контролируемой обратной связью для обеспечения симметричных четных и нечетных делений тактового импульса» (PDF) . Беспроводной мир . Том. 88, нет. 1559. Саттон, Суррей, Великобритания: IPC Business Press Ltd., стр. 43–46. ISSN 0043-6062 . Архивировано (PDF) из оригинала 21 февраля 2021 г. Проверено 20 февраля 2021 г. [2] [3] (4 страницы)
- ^ Лайон, Ричард Ф. (август 1981 г.), Оптическая мышь и архитектурная методология для интеллектуальных цифровых датчиков (PDF) (отчет), Исследовательский центр Пало-Альто, Пало-Альто, Калифорния, США: Xerox Corporation , VLSI 81-1, в архиве. (PDF) из оригинала от 23 мая 2020 г. , получено 23 мая 2020 г. (
Счетчики, необходимые для X и Y, просто подсчитывают четыре состояния в любом направлении (вверх или вниз), изменяя только один бит за раз т.е. 00, 01, 11, 10). Это простой случай счетчика кода Грея или счетчика Джонсона (счетчик Мебиуса).
(41 страница) - ^ Либау, Уильям Х.; Крейг, Леонард Дж. (октябрь 1953 г.) [сентябрь 1953 г.]. «Фотоэлектрический цифровой преобразователь вала с десятичной кодировкой» . Труды профессиональной группы IRE по электронным компьютерам . ИК-2 (3): 1–4. дои : 10.1109/IREPGELC.1953.5407731 . eISSN 2168-1759 . ISSN 2168-1740 . Проверено 26 мая 2020 г. (4 страницы)
- ^ Пауэлл, Э. Александр (июнь 1968 г.). «Коды, особенно полезные для аналого-цифрового преобразования». Краткое примечание о полезных кодах для схем управления жидкостью (PDF) . Крэнфилд, Великобритания: Колледж аэронавтики , факультет технологии производства. п. 10. S2CID 215864694 . Памятка CoA 156. Архивировано (PDF) из оригинала 15 декабря 2020 г. Проверено 15 декабря 2020 г. (18 страниц) (Примечание. В статье код Гликсона называется модифицированным кодом Грея , а Ричарда В. Хэмминга написано с ошибкой.) имя
- ^ Доктор Фолкерт; Штайнхауэр, Юрген (18 июня 1973 г.). Цифровая электроника . Техническая библиотека Philips (PTL) / Macmillan Education (переиздание 1-го изд. на английском языке). Эйндховен, Нидерланды: The Macmillan Press Ltd. / Gloeilampenfabriken Н.В. Филипс . стр. 43. дои : 10.1007/978-1-349-01417-0 . ISBN 978-1-349-01419-4 . СБН 333-13360-9 . Проверено 11 мая 2020 г. (270 страниц)
- ^ Доктер, Фолкерт; Штайнхауэр, Юрген (1975) [1969]. Цифровая электроника в измерительной технике и обработке данных: Теоретические основы и схемотехника . Специализированные книги Philips (на немецком языке). Том I (улучшенное и расширенное 5-е изд.). Гамбург, Германия: Deutsche Philips GmbH . стр. 52, 58, 98. ISBN. 3-87145-272-6 . (xii+327+3 страницы)
- ^ Доктер, Фолкерт; Штайнхауэр, Юрген (1975) [1970]. Цифровая электроника в измерительной технике и обработке данных: Применение основных цифровых схем и приборотехники . Специализированные книги Philips (на немецком языке). Том II (4-е изд.). Гамбург, Германия: Deutsche Philips GmbH . п. 169. ИСБН 3-87145-273-4 . (xi+393+3 страницы)
- ^ Штайнбух, Карл В. , изд. Написано в Карлсруэ, Германия. Обработка сообщений в мягкой обложке (на немецком языке) (1-е изд.). Берлин / Геттинген / Нью-Йорк: Springer-Verlag OHG . стр. 71–72, 74. LCCN 62-14511 .
- ^ Штайнбух, Карл В .; Вагнер, Зигфрид В., ред. (1967) [1962]. Обработка сообщений в мягкой обложке (на немецком языке) (2-е изд.). Берлин, Германия: Springer-Verlag OHG . ЛЦН 67-21079 . Название №. 1036.
- ^ Штайнбух, Карл В .; Вебер, Вольфганг; Хайнеманн, Трауте, ред. (1974) [1967]. Карманный справочник по информатике - Том II - Структура и программирование компьютерных систем (на немецком языке). Том 2 (3-е изд.). Берлин, Германия: Springer Verlag . ISBN 3-540-06241-6 . LCCN 73-80607 .
{{cite book}}:|work=игнорируется ( помогите ) - ^ Дон Ланкастер. «Поваренная книга для телевизионной пишущей машинки» . ( ТВ-пишущая машинка ). 1976. п. 180-181.