В цифровой логике и вычислениях счетчик — это устройство, которое хранит (а иногда и отображает) количество раз, когда произошло определенное событие или процесс , часто в связи с часами . Наиболее распространенным типом является последовательная цифровая логическая схема с входной линией, называемой часами , и несколькими выходными линиями. Значения на выходных линиях представляют собой число в двоичной или BCD- системе счисления. Каждый импульс, подаваемый на вход часов, увеличивает или уменьшает число в счетчике.
Счетная схема обычно состоит из нескольких триггеров, соединенных каскадом. Счетчики являются очень широко используемым компонентом в цифровых схемах и производятся как отдельные интегральные схемы , а также включаются в качестве частей более крупных интегральных схем.
Электронный счетчик — это последовательная логическая схема, которая имеет входной сигнал синхронизации и группу выходных сигналов , которые представляют собой целочисленное значение «счетчиков». При каждом квалифицированном фронте синхронизации схема будет увеличивать (или уменьшать, в зависимости от конструкции схемы) счетчики. Когда счетчики достигнут конца последовательности счета (максимальное количество счетчиков при увеличении; ноль счетчиков при уменьшении), следующий такт вызовет переполнение или опустошение счетчиков, и последовательность счета начнется заново. Внутри счетчики используют триггеры для представления текущих счетчиков и для сохранения счетчиков между тактами. В зависимости от типа счетчика выход может быть прямым представлением счетчиков (двоичным числом) или может быть закодирован. Примерами последнего являются кольцевые счетчики и счетчики, которые выводят коды Грея.
Многие счетчики обеспечивают дополнительные входные сигналы для облегчения динамического управления последовательностью счета, например:
Некоторые счетчики предоставляют выход Terminal Count, который указывает, что следующий такт вызовет переполнение или недополнение. Это обычно используется для реализации каскадирования счетчиков (объединения двух или более счетчиков для создания одного большего счетчика) путем подключения выхода Terminal Count одного счетчика к входу Enable следующего счетчика.
Модуль счетчика — это число состояний в его последовательности счета. Максимально возможный модуль определяется числом триггеров. Например, четырехбитный счетчик может иметь модуль до 16 (2^4).
Счетчики обычно классифицируются как синхронные или асинхронные. В синхронных счетчиках все триггеры используют общие часы и изменяют состояние одновременно. В асинхронных счетчиках каждый триггер имеет уникальные часы, а состояния триггеров изменяются в разное время.
Счетчики классифицируются по-разному. Например:
Счетчики реализуются различными способами, в том числе в виде специализированных интегральных схем MSI и LSI , встроенных счетчиков в микросхемах ASIC , периферийных устройств счетчиков и таймеров общего назначения в микроконтроллерах , а также IP-блоков в ПЛИС .
Асинхронный (пульсирующий) счетчик представляет собой «цепочку» переключаемых (T) триггеров, в которой наименее значимый триггер (бит 0) синхронизируется внешним сигналом (входной тактовый сигнал счетчика), а все остальные триггеры синхронизируются выходом ближайшего, менее значимого триггера (например, бит 0 синхронизирует триггер бита 1, бит 1 синхронизирует триггер бита 2 и т. д.). Первый триггер синхронизируется нарастающими фронтами; все остальные триггеры в цепочке синхронизируются падающими фронтами тактовых импульсов. Каждый триггер вносит задержку от фронта тактового импульса до выходного переключения, тем самым заставляя биты счетчика изменяться в разное время и создавая эффект ряби по мере распространения входного тактового импульса по цепочке. При реализации с использованием дискретных триггеров счетчики пульсаций обычно реализуются с использованием JK-триггеров , при этом каждый триггер настроен на переключение при тактировании (т. е. J и K оба подключены к высокому логическому уровню).
В простейшем случае однобитный счетчик состоит из одного триггера. Этот счетчик будет увеличиваться (переключая свой выход) один раз за тактовый цикл и будет считать от нуля до единицы до переполнения (начиная с нуля). Каждое выходное состояние соответствует двум тактовым циклам; следовательно, выходная частота триггера составляет ровно половину частоты входного тактового сигнала. Если этот выход затем использовать в качестве тактового сигнала для второго триггера, пара триггеров сформирует двухбитный счетчик пульсаций со следующей последовательностью состояний:
К цепочке можно добавлять дополнительные триггеры для формирования счетчиков произвольного размера слова, при этом выходная частота каждого бита будет равна ровно половине частоты ближайшего, менее значимого бита.
Счетчики пульсаций демонстрируют нестабильные выходные состояния, пока входной тактовый сигнал распространяется по схеме. Длительность этой нестабильности (время установления выходного сигнала) пропорциональна количеству триггеров. Это делает счетчики пульсаций непригодными для использования в синхронных схемах , которые требуют, чтобы счетчик имел быстрое время установления выходного сигнала. Кроме того, часто непрактично использовать выходные биты счетчика пульсаций в качестве часов для внешних схем, поскольку эффект пульсации вызывает временной перекос между битами. Счетчики пульсаций обычно используются в качестве счетчиков общего назначения и делителей тактовой частоты в приложениях, где мгновенный счет и временной перекос не важны.
В синхронном счетчике тактовые входы триггеров соединены, и общий тактовый сигнал одновременно запускает все триггеры. Следовательно, все триггеры изменяют свое состояние одновременно (параллельно).
Например, схема, показанная справа, представляет собой возрастающий (считающий вверх) четырехбитный синхронный счетчик, реализованный с помощью JK-триггеров. Каждый бит этого счетчика может переключаться, когда все менее значимые биты находятся в логическом высоком состоянии. При нарастающем фронте тактового сигнала бит 1 переключается, если бит 0 находится в логическом высоком состоянии; бит 2 переключается, если биты 0 и 1 оба находятся в высоком состоянии; бит 3 переключается, если биты 2, 1 и 0 все находятся в высоком состоянии.
Десятичный счетчик считает в десятичных цифрах, а не в двоичных. Десятичный счетчик может иметь каждое из этих значений (то есть он может считать в двоично-десятичном коде , как это делала интегральная схема 7490 ) или другие двоичные кодировки. Десятичный счетчик — это двоичный счетчик, предназначенный для счета до 1001 (десятичное 9). Обычный четырехступенчатый счетчик можно легко модифицировать в десятичный счетчик, добавив вентиль NAND, как на схеме справа. Обратите внимание, что FF2 и FF4 обеспечивают входы для вентиля NAND. Выходы вентиля NAND подключены к входу CLR каждого из FF. [1] Он считает от 0 до 9, а затем сбрасывается в ноль. Выход счетчика можно установить в ноль, подавая на линию сброса низкий уровень. Затем счет увеличивается с каждым тактовым импульсом, пока не достигнет 1001 (десятичная 9). Когда он увеличивается до 1010 (десятичная 10), оба входа вентиля NAND переходят в высокий уровень. В результате выход NAND переходит в низкий уровень и сбрасывает счетчик в ноль. Переход D в низкий уровень может быть сигналом CARRY OUT, указывающим на то, что был произведен подсчет до десяти.
Кольцевой счетчик представляет собой циклический регистр сдвига, который инициируется таким образом, что только один из его триггеров находится в состоянии «1», а остальные находятся в нулевых состояниях.
Кольцевой счетчик — это сдвиговый регистр (каскадное соединение триггеров ), выход последнего из которых соединен со входом первого, то есть в кольце. Обычно циркулирует шаблон, состоящий из одного бита, поэтому состояние повторяется каждые n тактов, если используется n триггеров.
Счетчик Джонсона (или счетчик с переключающим хвостом , счетчик с витым кольцом , счетчик с шагающим кольцом или счетчик Мёбиуса ) — это модифицированный кольцевой счетчик, в котором выход с последней ступени инвертируется и возвращается в качестве входа на первую ступень. [2] [3] [4] Регистр циклически проходит по последовательности битовых комбинаций, длина которых равна удвоенной длине регистра сдвига, продолжаясь бесконечно. Эти счетчики находят специализированные применения, аналогичные десятичному счетчику (примечание: десятичное счетчик 74x4017 — это счетчик Джонсона), цифро-аналоговому преобразованию и т. д. Их можно легко реализовать с помощью триггеров D- или JK-типа.
В теории вычислимости счетчик считается типом памяти. Счетчик хранит одно натуральное число (изначально ноль ) и может быть произвольной длины. Счетчик обычно рассматривается в сочетании с конечным автоматом (FSM), который может выполнять следующие операции над счетчиком:
Следующие машины перечислены в порядке мощности, причем каждая следующая машина строго мощнее предыдущей:
Для первого и последнего не имеет значения, является ли FSM детерминированным конечным автоматом или недетерминированным конечным автоматом . Они имеют одинаковую мощность. Первые два и последний являются уровнями иерархии Хомского .
Первая машина, FSM плюс два счетчика, эквивалентна по мощности машине Тьюринга . Доказательство см. в статье о счетчиковых машинах .
Веб-счетчик или счетчик посещений — это компьютерная программа, которая показывает количество посетителей или посещений определенной веб-страницы . После настройки эти счетчики будут увеличиваться на единицу каждый раз, когда веб-страница будет доступна в веб-браузере .
Номер обычно отображается как встроенное цифровое изображение или в виде обычного текста или на физическом счетчике, например, механическом счетчике. Изображения могут быть представлены в различных шрифтах или стилях; классический пример — колеса одометра .
Веб-счетчики были популярны в середине-конце 1990-х и начале 2000-х годов, а затем их заменили более подробные и полные измерения веб-трафика .
Многие системы автоматизации используют ПК и ноутбуки для мониторинга различных параметров машин и производственных данных. Счетчики могут подсчитывать такие параметры, как количество произведенных деталей, номер партии продукции и измерения количества использованного материала.
Задолго до того, как электроника стала обычным явлением, для подсчета событий использовались механические устройства. Они известны как счетчики подсчета . Обычно они состоят из ряда дисков, установленных на оси, с цифрами от нуля до девяти, нанесенными на их края. Самый правый диск перемещается на один шаг с каждым событием. Каждый диск, кроме самого левого, имеет выступ, который перемещает следующий диск влево на один шаг после завершения одного оборота. Такие счетчики использовались в качестве одометров для велосипедов и автомобилей, а также в магнитофонах , топливораздаточных колонках , в производственном оборудовании, а также в другом оборудовании. Одним из крупнейших производителей была компания Veeder-Root, и ее название часто использовалось для этого типа счетчиков. [5]
Ручные счетчики используются в основном для учета и подсчета людей, посещающих мероприятия.
Электромеханические счетчики использовались для накопления итогов в счетных машинах , которые стали пионерами в области обработки данных.
Медиа, связанные с Counter circuits на Wikimedia Commons.jpg/1280px-Teller_(3).jpg)
