Logika trójstanowa
W elektronice cyfrowej bufor trójstanowy lub trójstanowy jest rodzajem bufora cyfrowego, który ma trzy stabilne stany: wysoki stan wyjściowy, niski stan wyjściowy i stan wysokiej impedancji. W stanie wysokiej impedancji wyjście bufora jest odłączone od szyny wyjściowej, umożliwiając innym urządzeniom sterowanie magistralą bez zakłóceń z bufora trójstanowego. Może to być przydatne w sytuacjach, gdy wiele urządzeń jest podłączonych do tej samej magistrali i trzeba na zmianę uzyskiwać do niej dostęp. Systemy implementujące logikę trójstanową na swojej magistrali są znane jako magistrala trójstanowa lub magistrala trójstanowa .
Bufory trójstanowe są powszechnie stosowane w systemach opartych na magistrali, w których wiele urządzeń jest podłączonych do tej samej magistrali i muszą ją współdzielić. Na przykład w systemie komputerowym wiele urządzeń, takich jak procesor, pamięć i urządzenia peryferyjne, może być podłączonych do tej samej magistrali danych. Aby mieć pewność, że tylko jedno urządzenie może jednocześnie przesyłać dane po magistrali, każde urządzenie jest wyposażone w bufor trójstanowy. Gdy urządzenie chce przesłać dane, aktywuje swój trójstanowy bufor, który łączy jego wyjście z magistralą i umożliwia transmisję danych. Po zakończeniu transmisji urządzenie dezaktywuje swój trójstanowy bufor, który odłącza jego wyjście od magistrali i umożliwia innemu urządzeniu dostęp do magistrali.
Bufory trójstanowe można zaimplementować za pomocą bramek, przerzutników lub innych cyfrowych obwodów logicznych. Są przydatne do redukcji przesłuchów i szumów na magistrali oraz do umożliwienia wielu urządzeniom współdzielenia tej samej magistrali bez zakłóceń.
| WEJŚCIE | WYJŚCIE | |
|---|---|---|
| A | B | C |
| 0 | 0 | Z (wysoka impedancja) |
| 1 | Z (wysoka impedancja) | |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | |
Używa
Podstawową koncepcją trzeciego stanu, wysokiej impedancji (Hi-Z), jest skuteczne usunięcie wpływu urządzenia z reszty obwodu. Jeśli więcej niż jedno urządzenie jest połączone elektrycznie z innym urządzeniem, przełączenie wyjścia w stan Hi-Z jest często stosowane w celu zapobieżenia zwarciom lub przesterowaniu jednego urządzenia w stan wysoki (logiczna 1) w stosunku do drugiego urządzenia w stan niski (logiczne 0).
Bufory trójstanowe można również wykorzystać do implementacji wydajnych multiplekserów , zwłaszcza tych o dużej liczbie wejść.
Bufory trójstanowe są niezbędne do działania wspólnej magistrali elektronicznej .
Logika trójstanowa może zmniejszyć liczbę przewodów potrzebnych do zasilania zestawu diod LED (multipleksowanie trójstanowe lub Charlieplexing ).
Włączenie wyjścia a wybór chipa
Wiele urządzeń pamięci zaprojektowanych do podłączenia do magistrali (takich jak układy RAM i ROM) ma zarówno styki CS ( chip select ), jak i OE (włączanie wyjścia), które pozornie wydają się robić to samo. Jeśli CS nie jest zapewnione, wyjścia mają wysoką impedancję.
Różnica polega na czasie potrzebnym do wysłania sygnału. Gdy wybór chipa jest cofnięty, chip nie działa wewnętrznie, a między podaniem adresu a otrzymaniem danych wystąpi znaczne opóźnienie. (Oczywiście zaletą jest to, że chip zużywa minimalną moc w tym przypadku.)
Po zatwierdzeniu wyboru chipa, chip wewnętrznie wykonuje dostęp i tylko końcowe sterowniki wyjścia są wyłączane przez cofnięcie potwierdzenia włączenia wyjścia. Można to zrobić, gdy magistrala jest używana do innych celów, a po ostatecznym włączeniu wyjścia dane pojawią się z minimalnym opóźnieniem. Układ pamięci ROM lub statycznej pamięci RAM z linią włączenia wyjścia zwykle zawiera dwa czasy dostępu: jeden od potwierdzonego wyboru układu i prawidłowego adresu oraz drugi, krótszy czas, rozpoczynający się po potwierdzeniu włączenia wyjścia.
Wykorzystanie podciągnięć i podciągnięć
Gdy wyjścia są trójstanowe (w stanie Hi-Z), ich wpływ na resztę obwodu jest usunięty, a węzeł obwodu będzie „pływający”, jeśli żaden inny element obwodu nie określa jego stanu. Projektanci obwodów często używają rezystorów podciągających lub obniżających (zwykle w zakresie 1–100 kΩ), aby wpływać na obwód, gdy wyjście jest trójstanowe.
Lokalna magistrala PCI zapewnia rezystory podciągające, ale wymagałyby one kilku cykli zegara, aby uzyskać wysoki sygnał, biorąc pod uwagę dużą rozproszoną pojemność magistrali . Aby umożliwić działanie z dużą szybkością, protokół wymaga, aby każde urządzenie podłączone do magistrali wysyłało ważne sygnały sterujące w stan wysoki przez co najmniej jeden cykl zegara przed przejściem do stanu Hi-Z. W ten sposób rezystory podciągające są odpowiedzialne tylko za utrzymanie sygnałów magistrali w obliczu prądu upływu .
Intel określa tę konwencję jako „trwały trójstan” i używa jej również w magistrali Low Pin Count .
Alternatywy dla autobusu trójstanowego
Wejście /wyjście z otwartym kolektorem jest popularną alternatywą dla logiki trójstanowej. Na przykład I²C (dwukierunkowy protokół magistrali komunikacyjnej często używany między urządzeniami) określa użycie rezystorów podciągających na dwóch liniach komunikacyjnych. Kiedy urządzenia są nieaktywne, „zwalniają” linie komunikacyjne i trójstanowo wyprowadzają swoje wyjścia, usuwając w ten sposób ich wpływ na obwód. Kiedy wszystkie urządzenia na magistrali „zwolniły” linie komunikacyjne, jedynym wpływem na obwód są rezystory podciągające, które podciągają linie do góry. Kiedy urządzenie chce się komunikować, wychodzi ze stanu Hi-Z i ustawia linię w stan niski. Urządzenia komunikujące się za pomocą tego protokołu albo pozwalają linii unosić się wysoko, albo obniżają ją – zapobiegając w ten sposób wszelkim sytuacjom rywalizacji o magistralę, w których jedno urządzenie steruje linią wysoko, a drugie nisko.
Wczesne mikrokontrolery często mają kilka styków, które mogą działać tylko jako wejście, inne styki, które mogą działać tylko jako wyjście przeciwsobne i kilka styków, które mogą działać tylko jako wejście/wyjście z otwartym kolektorem . Typowy nowoczesny mikrokontroler ma wiele trójstanowych pinów wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia , które można zaprogramować tak, aby działały jak dowolny z tych pinów.
Magistrala trójstanowa jest zwykle używana między układami scalonymi na pojedynczej płytce drukowanej (PCB) lub czasami między płytkami drukowanymi podłączonymi do wspólnej płyty montażowej .
Użycie logiki trójstanowej nie jest zalecane dla połączeń na chipie, ale raczej dla połączeń między chipami.
Bufory trójstanowe, gdy są używane do umożliwienia wielu urządzeniom komunikacji na magistrali danych , można funkcjonalnie zastąpić multiplekserem . Pomoże to wybrać wyjście z szeregu urządzeń i zapisać je na magistrali.
Zobacz też
- Wzmacniacz buforowy
- Poziom logiczny
- Metastabilność
- Logika trójwartościowa
- Logika czterowartościowa
- Logika dziewięciowartościowa
- Nie przejmuj się
- Pojedynczy biegun, wyśrodkowany (SPCO)
Uwagi i odniesienia
- Bibliografia _ Horowitz, Paweł (1989). Sztuka elektroniki . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. s. 495–497. ISBN 0-521-37095-7 .
- Bibliografia Linki zewnętrzne _
- ^ „Bufor trójstanowy” .
Linki zewnętrzne
- Specjalne bramki wyjściowe we wszystkim o obwodach
- Zasada multipleksowania trójstanowego