В цифровой электронике буфер с тремя состояниями или с тремя состояниями — это тип цифрового буфера, который имеет три устойчивых состояния: состояние с высоким выходом, состояние с низким выходом и состояние с высоким импедансом . В состоянии с высоким импедансом выход буфера отсоединяется от выходной шины, что позволяет другим устройствам управлять шиной без помех со стороны буфера с тремя состояниями. Это может быть полезно в ситуациях, когда к одной шине подключено несколько устройств и им необходимо по очереди получать к ней доступ. Системы, реализующие логику с тремя состояниями на своей шине, известны как шина с тремя состояниями или шина с тремя состояниями .
Трехстабильные буферы обычно используются в системах на основе шин, где несколько устройств подключены к одной шине и должны ее совместно использовать. Например, в компьютерной системе несколько устройств, таких как ЦП, память и периферийные устройства, могут быть подключены к одной шине данных. Чтобы гарантировать, что только одно устройство может передавать данные по шине одновременно, каждое устройство оснащено трехстабильным буфером. Когда устройство хочет передать данные, оно активирует свой трехстабильный буфер, который подключает его выход к шине и позволяет ему передавать данные. Когда передача завершена, устройство деактивирует свой трехстабильный буфер, который отключает его выход от шины и позволяет другому устройству получить доступ к шине.
Буферы с тремя состояниями могут быть реализованы с использованием вентилей, триггеров или других цифровых логических схем. Они полезны для снижения перекрестных помех и шума на шине, а также для того, чтобы позволить нескольким устройствам совместно использовать одну и ту же шину без помех.
Основная концепция третьего состояния, высокого импеданса (Hi-Z), заключается в эффективном устранении влияния устройства на остальную часть схемы. Если более одного устройства электрически подключено к другому устройству, перевод выхода в состояние Hi-Z часто используется для предотвращения коротких замыканий или когда одно устройство подает высокий уровень (логическая 1) против другого устройства подает низкий уровень (логический 0).
Трехступенчатые буферы также могут использоваться для реализации эффективных мультиплексоров , особенно с большим количеством входов. [1]
Трехступенчатые буферы необходимы для работы общей электронной шины .
Трехступенчатая логика позволяет сократить количество проводов, необходимых для управления набором светодиодов (трехступенчатая логика или Чарлиплексирование ).
Многие запоминающие устройства, предназначенные для подключения к шине (например, чипы RAM и ROM), имеют как контакты CS ( выбор чипа ), так и OE (включение выхода), которые на первый взгляд кажутся выполняющими одну и ту же функцию. Если CS не активизирован, выходы имеют высокий импеданс.
Разница заключается во времени, необходимом для вывода сигнала. Когда выбор чипа не подтвержден, чип не работает внутри, и будет значительная задержка между предоставлением адреса и получением данных. (Конечно, преимущество в том, что чип потребляет минимальное количество энергии в этом случае.)
Когда выбор чипа подтвержден, чип внутренне выполняет доступ, и только конечные выходные драйверы отключаются путем отмены разрешения выхода. Это можно сделать, пока шина используется для других целей, и когда разрешение выхода окончательно подтверждено, данные появятся с минимальной задержкой. Микросхема ПЗУ или статического ОЗУ с линией разрешения выхода обычно будет указывать два времени доступа: одно с момента подтверждения выбора чипа и действительного адреса, а второе, более короткое время, начинающееся с момента подтверждения разрешения выхода.
Когда выходы находятся в трех состояниях (в состоянии Hi-Z), их влияние на остальную часть схемы устраняется, и узел схемы будет «плавающим», если никакой другой элемент схемы не определяет его состояние. Разработчики схем часто используют подтягивающие или стягивающие резисторы (обычно в диапазоне 1–100 кОм) для воздействия на схему, когда выход находится в трех состояниях.
Локальная шина PCI предоставляет подтягивающие резисторы, но им потребуется несколько тактовых циклов, чтобы поднять сигнал до высокого уровня, учитывая большую распределенную емкость шины . Для обеспечения высокоскоростной работы протокол требует, чтобы каждое устройство, подключенное к шине, подавало важные управляющие сигналы на высокий уровень по крайней мере в течение одного тактового цикла, прежде чем перейти в состояние Hi-Z. Таким образом, подтягивающие резисторы отвечают только за поддержание сигналов шины в условиях тока утечки .
Intel называет эту конвенцию «устойчивым тремя состояниями» и также использует ее в шине с низким числом выводов .
Вход /выход с открытым коллектором является популярной альтернативой трехпозиционной логике. Например, протокол шины I²C (двунаправленный протокол шины связи, часто используемый между устройствами) определяет использование подтягивающих резисторов на двух линиях связи. Когда устройства неактивны, они «освобождают» линии связи и переводят свои выходы в трехсостоянное состояние, тем самым устраняя свое влияние на схему. Когда все устройства на шине «освободили» линии связи, единственным влиянием на схему являются подтягивающие резисторы, которые подтягивают линии к высокому уровню. Когда устройство хочет установить связь, оно выходит из состояния Hi-Z и переводит линию в низкий уровень. Устройства, взаимодействующие с использованием этого протокола, либо оставляют линию плавающей в высоком состоянии, либо переводят ее в низкий уровень, тем самым предотвращая любую ситуацию конфликта на шине, когда одно устройство переводит линию в высокий уровень, а другое в низкий.
Ранние микроконтроллеры часто имели некоторые выводы, которые могли работать только как вход, другие выводы, которые могли работать только как двухтактный выход , и несколько выводов, которые могли работать только как вход/выход с открытым коллектором . Типичный современный микроконтроллер имеет много трехпозиционных универсальных входных/выходных выводов, которые можно запрограммировать для работы в качестве любого из этих типов выводов.
Трехступенчатая шина обычно используется между микросхемами на одной печатной плате (ПП) или иногда между ПП, подключенными к общей объединительной плате .
Использование трехуровневой логики не рекомендуется для внутрикристальных соединений, а рекомендуется для межкристальных соединений. [2]
Трехступенчатые буферы, используемые для обеспечения связи нескольких устройств по шине данных , могут быть функционально заменены мультиплексором . [ 3] Это поможет выбрать выходной сигнал из ряда устройств и записать один из них на шину.