フリップフロップ
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- ともなり りゅうとう
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1 第 3 章フリップ フロップ 大阪大学大学院情報科学研究科 今井正治 imai@ist.osaka-u.ac.jp /10/ , Masaharu Imai 1
2 講義内容 フリップ フロップの基本原理 RS フリップ フロップ D ラッチ D フリップ フロップ JK フリップ フロップ T フリップ フロップ まとめ 2005/10/ , Masaharu Imai 2
3 フリップ フロップの基本原理 (1/2) 帰還を持つインバータ回路 (1 個の場合 ) スイッチング遅延 (2 ns) を仮定 発振する H L /10/ , Masaharu Imai 3
4 フリップ フロップの基本原理 (2/2) 帰還を持つインバータ回路 (2 個の場合 ) 2 つの安定状態を持つ H L H L H L インバータの個数と安定 / 発振の関係 奇数個の場合 : 発振 偶数個の場合 : 2 つの安定状態を持つ 2005/10/ , Masaharu Imai 4
5 講義内容 フリップ フロップの基本原理 RS フリップ フロップ D ラッチ D フリップ フロップ JK フリップ フロップ T フリップ フロップ まとめ 2005/10/ , Masaharu Imai 5
6 RS フリップ フロップ (RSFF) MIL 記号 ( 出力 Q のみ ) 4043 (NAND) 4044 (NOR) R RSFF Q 動作表 R S Q Q 0 0 Q Q S Q 1 1 X X R= 1 & S= 1 は, 禁止入力 2005/10/ , Masaharu Imai 6
7 RSFF の NAND ゲートによる実現 S Q R S Q Q 0 0 Q Q R Q /10/ , Masaharu Imai 7
8 RSFF の NOR ゲートによる実現 R Q R S Q Q 0 0 Q Q S Q /10/ , Masaharu Imai 8
9 RSFF のエンティティ記述 library IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all; entity RSFF is generic( Tpd: time := 1 ns ); port( s_in: in std_logic; r_in: in std_logic; q_out: out std_logic; qb_out: out std_logic ); end entity RSFF; 2005/10/ , Masaharu Imai 9
10 RSFF のビヘイビア記述 (1/2) architecture BEHAVIOR of RSFF is begin process( s_in, r_in ) begin if s_in = '0' and r_in = '0' then NULL; elsif s_in = '0' and r_in = '1' then q_out <= '0'; qb_out <= '1'; elsif s_in = '1' and r_in = '0' then q_out <= '1'; qb_out <= '0'; 2005/10/ , Masaharu Imai 10
11 RSFF のビヘイビア記述 (2/2) else q_out <= 'X'; qb_out <= 'X'; end if; end process; end architecture BEHAVIOR; 2005/10/ , Masaharu Imai 11
12 RSFF のデータフロー記述 (NAND ゲートによる実装 ) architecture DF_NAND of RSFF is signal temp1, temp2: std_logic; begin temp1 <= ( not s_in ) nand temp2 after Tpd; temp2 <= ( not r_in ) nand temp1 after Tpd; q_out <= temp1; qb_out <= temp2; end architecture DF_NAND; S Q R Q 2005/10/ , Masaharu Imai 12
13 RSFF のデータフロー記述 (NOR ゲートによる実装 ) architecture DF_NOR of RSFF is signal temp1, temp2: std_logic; begin temp1 <= r_in nor temp2 after Tpd; temp2 <= s_in nor temp1 after Tpd; q_out <= temp1; qb_out <= temp2; end architecture DF_NOR; R Q S Q 2005/10/ , Masaharu Imai 13
14 RSFF の動作 set hold rst hold set inh hold rst inh hold S Q NAND R Q NAND Q NOR Q NOR /10/ , Masaharu Imai 14
15 RSFF への 禁止入力 について (S, R) = ( 1, 1 ) は 禁止入力 (S, R) = ( 1, 1 ) が入力されると, 出力は (Q, Q) = ( 1, 1 ) または ( 0, 0 ) となる 禁止入力自体には大きな問題はない むしろ, 禁止入力の直後に (S, R) = ( 0, 0 ) が入力されると回路が発振することが問題 2005/10/ , Masaharu Imai 15
16 講義内容 フリップ フロップの基本原理 RS フリップ フロップ D ラッチ D フリップ フロップ JK フリップ フロップ T フリップ フロップ まとめ 2005/10/ , Masaharu Imai 16
17 D ラッチ (D Latch) MIL 記号 7475, 7477 など 4042, 4508 D Latch D Q 真理値表 G D Q Q 0 0 Q Q 0 1 Q Q G Q 別名 : トランスペアレント ラッチ 2005/10/ , Masaharu Imai 17
18 D ラッチの等価回路 D Q G Q 2005/10/ , Masaharu Imai 18
19 D ラッチの動作 1G の値が 1 の間,D の値をそのまま出力する (3D の値は筒抜けになる ) 2G の値が 1 から 0 に変化すると, その時の D の値が保持される D G Q 2005/10/ , Masaharu Imai 19
20 D ラッチのエンティティ記述 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity D_LATCH is generic( Tpd_lh: time := 2 ns; -- Rising Delay ( '0' to '1' ) Tpd_hl: time := 4 ns -- Falling Delay ( '1' to '0' ) ); port ( en: in std_logic; d_in: in std_logic; q_out: out std_logic ); end entity D_LATCH; 2005/10/ , Masaharu Imai 20
21 D ラッチのビヘイビア記述 (1/2) architecture BEHAVIOR of D_LATCH is begin P1: process( en, d_in ) variable q_nxt: std_logic; begin if en = '1' then q_nxt := d_in; end if; 2005/10/ , Masaharu Imai 21
22 D ラッチのビヘイビア記述 (2/2) if q_nxt = '1' then q_out <= q_nxt after Tpd_lh; else q_out <= q_nxt after Tpd_hl; end if; end process P1; end architecture BEHAVIOR; 2005/10/ , Masaharu Imai 22
23 D ラッチのデータフロー記述 architecture DATA_FLOW of D_LATCH is constant DELAY: time := 1 ns; signal temp1, temp2, temp3, temp4: std_logic; begin temp1 <= en nand d_in after DELAY; temp2 <= en nand not d_in after DELAY; temp3 <= temp1 nand temp4 after DELAY; temp4 <= temp2 nand temp3 after DELAY; q_out <= temp3; end architecture DATA_FLOW; 2005/10/ , Masaharu Imai 23
24 講義内容 フリップ フロップの基本原理 RS フリップ フロップ D ラッチ D フリップ フロップ JK フリップ フロップ T フリップ フロップ まとめ 2005/10/ , Masaharu Imai 24
25 D フリップ フロップ (DFF) MIL 記号 7474, など 4013 CK の端子の 印はエッジトリガー型である事を表す PR,CLR の 印は, Low Active である事を表す DFF PR D Q CK Q CLR 2005/10/ , Masaharu Imai 25
26 DFF の動作表 入力 出力 CLOCK D PRESET CLEAR Q Q Q 0 Q /10/ , Masaharu Imai 26
27 DFF のエンティティ記述 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity DFF is port ( clock: in std_logic; pr_b: in std_logic; -- preset cl_b: in std_logic; -- clear d_in: in std_logic; q_out: out std_logic; qb_out: out std_logic ); end entity DFF; 2005/10/ , Masaharu Imai 27
28 DFF のビヘイビア記述 (1/2) architecture BEH_PE_ASR of DFF is begin P1: process( clock, preset, clear ) variable q_nxt, qb_nxt: std_logic; begin if pr_b = 0' and cl_b = 0' then q_nxt := '1'; qb_nxt := '1'; elsif pr_b = 0' then q_nxt := '1'; qb_nxt := '0'; elsif cl_b = 0' then q_nxt := '0'; qb_nxt := '1'; 2005/10/ , Masaharu Imai 28
29 DFF のビヘイビア記述 (2/2) elsif rising_edge( clock ) then q_nxt := d_in; qb_nxt := not d_in; end if; if q_nxt = '1' then q_out <= q_nxt after Tpd_lh; else q_out <= q_nxt after Tpd_hl; end if; end process P1; end architecture BEH_PE_ASR; 2005/10/ , Masaharu Imai 29
30 エッジトリガーの原理 Step 1 Step 2 Step /10/ , Masaharu Imai 30
31 D ラッチを用いた DFF の構成 マスタースレーブ データ ロックアウト型 m_out d_in D Q D Q q_out G Q G Q clock clk_b 2005/10/ , Masaharu Imai 31
32 D ラッチを用いた DFF の実現 (1) library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use work.all; entity DFF_MS is generic( Tpd_lh: time := 2 ns; -- Rising Delay ( '0' to '1' ) Tpd_hl: time := 4 ns ); -- Falling Delay ( '1' to '0' ) port ( clock: in std_logic; d_in: in std_logic; q_out: out std_logic ); end entity DFF_MS; 2005/10/ , Masaharu Imai 32
33 D ラッチを用いた DFF の実現 (2) architecture STRUCTURE of DFF_MS is component D_LATCH is port ( sel: in std_logic; d_in: in std_logic; q_out: out std_logic ); end component D_LATCH; signal clk_b: std_logic; signal m_out: std_logic; for M_LAT: D_LATCH use entity work.d_latch( DATA_FLOW ); for S_LAT: D_LATCH use entity work.d_latch( DATA_FLOW ); 2005/10/ , Masaharu Imai 33
34 D ラッチを用いた DFF の実現 (3) begin clk_b <= not clock; M_LAT: D_LATCH port map( en => clk_b, d_in => d_in, q_out => m_out ); S_LAT: D_LATCH port map( en => clock, d_in => m_out, q_out => q_out ); end architecture STRUCTURE; 2005/10/ , Masaharu Imai 34
35 DFF の動作 clock clk_b d_in m_out d_out 2005/10/ , Masaharu Imai 35
36 講義内容 フリップ フロップの基本原理 RS フリップ フロップ D ラッチ D フリップ フロップ JK フリップ フロップ T フリップ フロップ まとめ 2005/10/ , Masaharu Imai 36
37 JK フリップ フロップ (JKFF) MIL 記号 7473, 7476 など 4027, 4095, 4096 JKFF J CK PR Q K CLR Q 2005/10/ , Masaharu Imai 37
38 JKFF の動作表 J K preset clear clock Q Q Q Q Q Q Q Q /10/ , Masaharu Imai 38
39 JKFF のエンティティ記述 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity JKFF is port ( clock: in std_logic; pr_b: in std_logic; clr_b: in std_logic; J_in: in std_logic; K_in: in std_logic; Q_out: out std_logic; Qb_out: out std_logic ); end entity JKFF; 2005/10/ , Masaharu Imai 39
40 JKFF のビヘイビア記述 (1/4) architecture BEAVIOR of JKFF is begin P1: process( clock, pr_b, clr_b ) variable q_nxt: std_logic; variable qb_nxt: std_logic; variable q_tmp: std_logic; begin 2005/10/ , Masaharu Imai 40
41 JKFF のビヘイビア記述 (2/4) if pr_b = 0' and clr_b = 0' then -- Preset & Clear q_nxt := '1'; qb_nxt := '1'; elsif pr_b = 0' and clr_b = 1 then -- Preset q_nxt := 1'; qb_nxt := 0'; elsif pr_b = 1 and clr_b = 0' then -- Clear q_nxt := 0'; qb_nxt := 1'; elsif pr_b = 1 and clr_b = 1' then -- Normal Action 2005/10/ , Masaharu Imai 41
42 JKFF のビヘイビア記述 (3/4) if falling_edge( clock ) then -- Load New Data or Toggle if j_in = '0' and k_in = '0' then -- No Change NULL; elsif j_in = '0' and k_in = '1' then-- Set 0 q_nxt := '0'; qb_nxt := '1'; elsif j_in = '1' and k_in = '0' then -- Set 1 q_nxt := '1'; qb_nxt := '0'; elsif j_in = '1' and k_in = '1' then -- Toggle q_tmp := q_nxt; q_nxt := qb_nxt; qb_nxt := q_tmp; end if; end if; 2005/10/ , Masaharu Imai 42
43 JKFF のビヘイビア記述 (4/4) else q_nxt qb_nxt end if; end if; := 'X'; := 'X'; -- Unexpected Control Signals q_out <= q_nxt; qb_out<= qb_nxt; end process P1; end architecture BEH_ARS; 2005/10/ , Masaharu Imai 43
44 DFF を用いた JKFF の実現 J K CK D Q DFF CK Q 2005/10/ , Masaharu Imai 44
45 講義内容 フリップ フロップの基本原理 RS フリップ フロップ D ラッチ D フリップ フロップ JK フリップ フロップ T フリップ フロップ まとめ 2005/10/ , Masaharu Imai 45
46 T フリップ フロップ (TFF) 入力パルスが入るたびに出力が反転 エッジ トリガー タイプ TFF T Q CLR CLR T Q 0 ー 0 1 Q 2005/10/ , Masaharu Imai 46
47 TFF の動作 clr_b T Q ns 2005/10/ , Masaharu Imai 47
48 TFF のエンティティ記述 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity TFF is port ( clr_b: in std_logic; T_in: in std_logic; Q_out: out std_logic ); end entity TFF; 2005/10/ , Masaharu Imai 48
49 TFF のビヘイビア記述 (1/2) architecture BEHAVIOR of TFF is begin P1: process( clr_b, T_in ) variable d_nxt: std_logic; begin if clr_b = 0' then -- Clear d_nxt := '0'; elsif clr_b = 1 then if rising_edge( T_in ) then d_nxt := not d_nxt; end if; -- Normal Action -- Toggle 2005/10/ , Masaharu Imai 49
50 TFF のビヘイビア記述 (1/2) else end if; d_nxt := X ; -- Unexpected Control Signal Q_out <= d_nxt; end process P1; end architecture BEHAVIOR; 2005/10/ , Masaharu Imai 50
51 DFF による TFF の実現 T_in clear D Q DFF CK Q CLR Q_out 2005/10/ , Masaharu Imai 51
52 DFF を用いた TFF の動作 clr_b T_in Q_out Qb_out D_in ns 2005/10/ , Masaharu Imai 52
53 JKFF による TFF の実現方法 (1) JKFF 1 J Q Q_out T_in CK 1 K CLR Q clear 2005/10/ , Masaharu Imai 53
54 JKFF による TFF の実現方法 (2) JKFF T_in clear J CK K CLR Q Q Q_out 2005/10/ , Masaharu Imai 54
55 講義内容 フリップ フロップの基本原理 RS フリップ フロップ D ラッチ D フリップ フロップ JK フリップ フロップ T フリップ フロップ まとめ 2005/10/ , Masaharu Imai 55
56 まとめ (1/2) フリップ フロップの基本原理は, 帰還を持つインバータ回路. RS フリップ フロップは,NAND ゲートまたは NOR ゲートによって実現できる. RS フリップ フロップは禁止入力を持つ. D ラッチは, レベルセンシティブな記憶素子. D フリップ フロップは, クロック信号のエッジでトリガーされる記憶素子. 2005/10/ , Masaharu Imai 56
57 まとめ (2/2) D フリップ フロップは,D ラッチを用いて実現できる. JK フリップ フロップは,D フリップ フロップと論理ゲートを用いて実現できる. T フリップ フロップは, 入力パルスが入るたびに出力が反転する. T フリップ フロップは,D フリップまたは JK フリップ フロップを用いて実現できる. 2005/10/ , Masaharu Imai 57
1 1 2 2 2-1 2 2-2 4 2-3 11 2-4 12 2-5 14 3 16 3-1 16 3-2 18 3-3 22 4 35 4-1 VHDL 35 4-2 VHDL 37 4-3 VHDL 37 4-3-1 37 4-3-2 42 i
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