stringtranslate.com

Счетчик звонков

Кольцевой счетчик — это тип счетчика, состоящий из триггеров , соединенных в сдвиговый регистр , причем выходной сигнал последнего триггера подается на вход первого, образуя «круговую» или «кольцевую» структуру.

Существует два типа счетчиков звонков:

Четырехбитные последовательности счетчика звонков

Характеристики

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 более сложна, чем кольцевой счетчик, 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 обычные двоичные кодировки номеров состояний. Двоичный счетчик может представлять 2 N 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 ошибок, кроме включения одного бита и выключения одного бита). .

Иногда используются двунаправленные сдвиговые регистры (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

Прямой кольцевой счетчик имеет логическую структуру, показанную здесь:

4-битный кольцевой счетчик с использованием четырех триггеров D-типа. Показаны синхронные часы и линия сброса.

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:

4-битный счетчик Джонсона с использованием четырех триггеров D-типа. Показаны синхронные часы и линия сброса.

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

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, например, разработанных CE Wynn-Williams . [5]

Ранние кольцевые счетчики использовали только один активный элемент (вакуумная лампа, лампа или транзистор) на ступень, 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, использующую несколько анодов в одной вакуумной лампе, [7] [8] В знак признания его работы кольцевые счетчики иногда называют «кольцами Овербека» [9] [10] (и после 2006 года, иногда как «счетчики Овербека», поскольку Википедия 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 максимально простой логикой обратной связи и подал заявку на патент в 1953 году. [13] Счетчик Джонсона является самым простым из них.

Приложения

Ранние применения кольцевых счетчиков были в качестве прескалеров частоты (например, для счетчика Гейгера и подобных приборов), [5] в качестве счетчиков для подсчета вхождений шаблонов в криптоанализе (например, в машине для взлома кодов Хита Робинсона и компьютере Colossus ), [14] и в качестве аккумулятора. элементы счетчика для десятичной арифметики в компьютерах и калькуляторах, использующие 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 -механические или оптические квадратурные энкодеры ). [17] 2-битный код Джонсона и 2-битный код Грея идентичны, тогда как для 3 и более битов коды Грея и Джонсона различны. В 5-битном случае код такой же, как код Либо-Крейга  [de] 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 шагающим кольцом, возможно, являются самым простым способом создания непрерывной фазовой частотной манипуляции , используемой в двухтональной многочастотной сигнализации и ранних модемных тонах. [26]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Схемы счетчиков Джонсона с одиночными состояниями, декодированными таким образом, можно найти в оригинальных конструкциях адаптеров видеодисплея IBM MDA и CGA в логике временного секвенсора: одна или две микросхемы шестнадцатеричного триггера D-типа размером 74x174 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.

Рекомендации

  1. ^ Педрони, Волней А. (2013). Конечные автоматы в аппаратном обеспечении: теория и проектирование. МТИ Пресс . п. 50. ISBN 978-0-26201966-8.
  2. ^ Менгибар, Луис; Энтрена, Луис; Лоренц, Майкл Г.; Санчес-Рейло, Рауль (2003). «Кодирование состояния маломощных автоматов в FPGA». Проектирование интегральных схем и систем. Моделирование мощности и времени, оптимизация и моделирование: материалы 13-го международного семинара, PATMOS 2003, Турин, Италия, 10–12 сентября 2003 г. Том. 13. Springer Science & Business Media . п. 35. ISBN 9783540200741.
  3. ^ 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.
  4. ^ 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]
  5. ^ Аб Льюис, Уилфрид Беннетт (1942). Электрический счет: с особым упором на подсчет альфа- и бета-частиц. Издательство Кембриджского университета . п. 90. ИСБН 9781316611760.
  6. ^ «Электронное накопление», патент США Роберта Э. Муммы № 2405096, поданный в 1941 году.
  7. ^ «Электронное коммутационное устройство», патент США Уилкокса П. Овербека № 2427533, поданный в 1943 году.
  8. ^ Дейтонские взломщики кодов: отчет об исследованиях 1942 года, в котором упоминается «Новый высокоскоростной счетчик г-на Овербека, 8 января 1942 года»
  9. ^ RAMAC 305 - Руководство по проектированию клиентов 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 […]
  10. ^ Электротехнологии — рекомендуемая двухлетняя учебная программа после окончания средней школы. Серия программ технического образования. США, Отдел профессионального и технического образования. 1960. с. 52.
  11. ^ Рэндалл, Брайан (2014). «Происхождение цифровых компьютеров: дополнительная библиография». В Метрополисе, Николас (ред.). История вычислительной техники в двадцатом веке . Эльзевир. стр. 651–652. ISBN 9781483296685.
  12. ^ Уильям Альфред Хигинботэм , «Быстрые импульсные схемы», патент США № 2536808, поданный в 1949 г.
  13. ^ Роберт Ройс Джонсон , «Электронный счетчик», патент США № 3030581, поданный в 1953 г.
  14. ^ Коупленд, Б. Джек (2010). Колосс: Секреты компьютеров, взламывающих коды в Блетчли-Парке . Издательство Оксфордского университета . стр. 123–128. ISBN 978-0-19957814-6.
  15. ^ Лангхольц, Гидеон; Кандель, Авраам; Мотт, Джо Л. (1998). Основы проектирования цифровой логики. Всемирная научная. стр. 525–526. ISBN 978-9-81023110-1.
  16. ^ 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)
  17. ^ 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, заархивировано (PDF) из оригинала 23 мая 2020 г. , получено 23 мая 2020 г. Счетчики, необходимые для X и Y , просто считают 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)
  18. ^ 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. doi : 10.1109/IREPGELC.1953.5407731. eISSN  2168-1759. ISSN  2168-1740 . Проверено 26 мая 2020 г.(4 страницы)
  19. ^ 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 имя Ричарда В. Хэмминга написано с ошибкой.)
  20. ^ Доктер, 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. / Gloeilampenfabrieken NV Philips . п. 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)
  21. ^ Доктер, Фолкерт; Штайнхауэр, Юрген (1975) [1969]. Digitale Elektronik in der Meßtechnik und Datenverarbeitung: Theoretische Grundlagen und Schaltungstechnik . Philips Fachbücher (на немецком языке). Том. Я (улучшенное и дополненное 5-е изд.). Гамбург, Германия: Deutsche Philips GmbH . стр. 52, 58, 98. ISBN. 3-87145-272-6.(xii+327+3 страницы)
  22. ^ Доктер, Фолкерт; Штайнхауэр, Юрген (1975) [1970]. Digitale Elektronik in der Meßtechnik und Datenverarbeitung: Anwendung der digitalen Grundschaltungen und Gerätetechnik . Philips Fachbücher (на немецком языке). Том. II (4-е изд.). Гамбург, Германия: Deutsche Philips GmbH . п. 169. ИСБН 3-87145-273-4.(xi+393+3 страницы)
  23. ^ Штайнбух, Карл В. , изд. (1962). Написано в Карлсруэ, Германия. Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung (на немецком языке) (1-е изд.). Берлин / Геттинген / Нью-Йорк: Springer-Verlag OHG . стр. 71–72, 74. LCCN  62-14511.
  24. ^ Штайнбух, Карл В .; Вагнер, Зигфрид В., ред. (1967) [1962]. Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung (на немецком языке) (2-е изд.). Берлин, Германия: Springer-Verlag OHG . LCCN  67-21079. Титул № 1036.
  25. ^ Штайнбух, Карл В .; Вебер, Вольфганг; Хайнеманн, Трауте, ред. (1974) [1967]. Taschenbuch der Informatik – Band II – Struktur und Programmierung von EDV-Systemen (на немецком языке). Том. 2 (3-е изд.). Берлин, Германия: Springer Verlag . ISBN 3-540-06241-6. LCCN  73-80607. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
  26. ^ Дон Ланкастер. «Поваренная книга для телевизионной пишущей машинки». ( ТВ-пишущая машинка ). 1976. с. 180-181.