Общая характеристика счетчиков

Счетчиком называется типовой функциональный узел компьютера, предназначенный для счета входных импульсов. Счетчик представляет собой связанную цепочку Т-триггеров, образующих память с заданным числом устойчивых состояний (Рис. 5.12)

Рисунок 5.12-Логическая структура счетчика

Разрядность счетчика п равна числу Т-триггеров. Каждый входной импульс изменяет состояние счетчика, которое сохраняется до поступления следующего сигнала. Значения выходов триггеров счетчика Q_n,Q_n-1, … Q₁ -отображают результа счета в принятой системе счисления.

Логическая функция счетчика обозначаете буквами СТ (counter).

Список микроопераций счетчика включает:

-предварительную установку в начальное состояние,

-инкремент или декремент хранимого слова,

-вы­дачу слов параллельным кодом и др.

Входные импульсы могут поступать на счетчик как периодически, так и произ­вольно распределенными во времени. Амплитуда и длительность счетных импуль­сов должны удовлетворять техническим требованиям для используемых серий микросхем.

Счетчик является одним из основных функциональных узлов компьютера, а также различных цифровых управляющих и информационно-измерительных систем.

Основное применение счетчиков:

• образование последовательности адресов команд программы (счетчик ко­манд или программный счетчик);

• подсчет числа циклов при выполнении операций деления, умножения, сдви­га (счетчик циклов);

• получение сигналов микроопераций и синхронизации; аналого-цифровые преобразования и построение электронных таймеров (часов реального времени).

Счетчик характеризуется модулем и емкостью счета.

Модуль счета К_Сч опре­деляет число состояний счетчика.

Модуль двоичного n -разрядного счетчика выра­жается целой степенью двойки М = 2ⁿ.

После счета числа импульсов N_Bx = Ксч счетчик возвращается в начальное состояние. Таким образом, модуль счета, который часто называют ко­эффициентом пересчета, определяет цикл работы счетчика, после которого его со­стояние повторяется. Поэтому число входных импульсов и состояние счетчика од­нозначно определены только для первого цикла.

Емкость счета N_mаx определяет максимальное количество входных импульсов, которое может зафиксировать счетчик при одном цикле работы.

Емкость счета N_Сч=Ксч - 1 при условии, что работа счетчика начинается с нулевого начального состояния.

В счетчиках используются три режима работы: управления, накопления и деления.

В режиме управления считывание информации производится после каждого аходного счетного импульса, например, в счетчике адреса команд.

В режиме накоп­ления главным является подсчет заданного числа импульсов либо счет в течение определенного времени.

В режиме деления (пересчета) основным является уменьшение частоты поступления импульсов в Ксч раз.

Большинство счетчиков может работать во всех режимах, однако в специальных счетчиках-делителях состояния в процессе счета могут изменяться в произвольном порядке, что позволяет упростить схему узла.

Счетчики классифицируют по следующим признакам:

• способу кодирования — позиционные и непозиционные;

• модулю счета — двоичные, десятичные, с произвольным постоянным или переменным (программируемым) модулем;

• направлению счета — простые (суммирующие, вычитающие) и реверсив­ные;

• способу организации межразрядных связей — с последовательным, сквоз­ным, параллельным и комбинированным переносами (заемом);

• типу используемых триггеров — Т, JK, D в счетном режиме;

• элементному базису - потенциальные, импульсные и потенциально-импульсные.

В счетчиках с позиционным кодированием числовое выражение текущего со­стояния счетчика определяется формулой:

N = Q_i = r_n Q_n + r_n-1 Q_n-1 + … + r₁ Q₁

где r_i -вес i- го разряда;

Q_i — значение выхода i- го разряда;

п — число разрядов.

Нулевое значение всех разрядов обычно принимается за начальное состояние счетчика. Остальные состояния нумеруют по числу поступивших входных импуль­сов.

В счетчиках с непозиционным кодированием (например, в кодах Грея) разряды не имеют постоянных весов и каждом набору состояний Q_n, Q_n-1,…Q₁ приписыва­ется определенное количество входных импульсов.

В компьютерах преимуществен­но используют счетчики с позиционным кодированием.

По виду переходов простые счетчики (Сч) подразделяются на суммирующие (прямого счета) и вычитающие (обратного счета).

В суммирующих счетчиках каждый прибавляемый импульс U⁺ увеличивает состояние на единицу, то есть реализуется микрооперация инкремента Сч: = Сч + 1.

В вычитающих счетчиках каждый вычитаемый импульс U^- уменьшает состояние на единицу, то есть реализуется микрооперация декремента Сч: = Сч - 1.

Реверсивные счетчики имеют переходы в прямом и обратном направлениях, что позволяет считать прибавляемые и вычитаемые импульсы.

К временным характеристикам счетчиков относятся:

- разрешающая способность,

- быстродействие

- время установления (переключения) кода.

Разрешающая способность t_pc -определяется минимальным интервалом времени между двумя входными импульсами, при котором еще сохраняется работоспо­собность счетчика. Параметр t_pc задают временем переключения t_T первого (младшего) триггера счетчика, то есть t_pc = t_T, поскольку он переключается под воздействием каждого входного импульса.

Быстродействие счетчика определяется максимальной частотою F_m поступления входных импульсов в режиме деления и вычисляется по формуле: F_m = 1/t_T.

Bремя установления кода t_уст отсчитывается от начала входного импульса до момента получения нового состояния. Данный параметр позволяет рассчитать быстродействие счетчика в режиме управления из соотношения: F_mK = 1/(t_уст + t_сч), где t_сч - время считывания информации.

Межразрядные связи обеспечивают выработку сигналов переноса в старшие разряды при суммировании импульсов и сигналов заема — при вычитании.

От вида реализации межразрядных связей существенно зависят параметры t_yct и F_m.k.

В счетчиках с последовательными переносами триггеры переключаются пооче­редно после каждого входного импульса в направлении от младших разрядов к старшим. Такие счетчики называются последовательными или асинхронными. В счетчиках с параллельными переносами триггеры переключаются одновременно после каждого входного импульса, такие счетчики называются параллельными или синхронными.