פליפ פלופ

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

פליפ פלופ (בעברית: דלגלג) באלקטרוניקה ומעגלים אלקטרונים הוא מעגל דו יציב שמסוגל לזכור ביט אחד.

בעבר נבנו מעגלי פליפ פלופ סביב שתי שפופרות ריק מסוג טריודה. מצב יציב ראשון היה כאשר שפופרת אחת הוליכה זרם והשפופרת השנייה לא הוליכה זרם המצב היציב השני היה הפוך. במחשב הראשוני אניאק השתמשו בשפופרת טריודה כפולה מדגם 6SN7 למעגל פליפ פלופ אחד לשם זיכרון של ביט אחד. עם המצאת הטרנזיסטור בשנות ה-50 של המאה ה-20, נבנו המעגלים סביב שני טרנזיסטורים שהחליפו את הטריודות. עם פיתוחם של המעגלים המשולבים בשנות ה-60 של המאה ה-20, יוצרו שבבים המכילים פליפ פלופ אחד.

פליפ פלופ מכיל בדרך כלל אפס, אחת או שתי כניסות, אות שעון ואות מוצא יחיד. בפליפ פלופים רבים מופיע אותו המוצא והיפוך אות המוצא. פליפ פלופים מסוימים מכילים כניסת איפוס שמאפסת את המוצא. כמו כן יש שתי כניסות חשמל. שינוי באות השעון גורם לפליפ פלופ לשנות את המוצא או לשמור על הערך הקודם של המוצא, על פי המאפיינים של הפליפ פלופ.

ארבעה סוגים של פליפ פלופים נמצאים בשימוש במערכות סינכרוניות: T פליפ פלופ, S-R פליפ פלופ, J-K פליפ פלופ וה-D פליפ פלופ. התנהגות הפליפ פלופ נקבעת על פי משוואת המצב של הפליפ פלופ שקובעת את מוצאו $Q n e x t$ על פי ערכי הכניסות ו/או ערך המוצא הנוכחי $Q$ .

הפליפ הפלופ האלקטרוני הראשון הומצא בשנת 1919 על ידי ויליאם אקלס ופ. ו. ג'ורדן. תחילה הוא נקרא מעגל מעורר אקלס-ג'ורדן.

הערה: כל סוגי הפליפ פלופים משנים את המוצא רק בעליית או בירידת השעון (לפי החלטת היצרן). מעבר של השעון מ-0 לוגי ל-1 לוגי או להפך נקרא מעבר אקטיבי של השעון, או שפה דוגמת של השעון.

[עריכה] סוגי פליפ פלופים

[עריכה] T פליפ פלופ

אם כניסת T בפליפ פלופ גבוהה, הפליפ פלופ הופך את המוצא בשפה הדוגמת של השעון. אם כניסת הT פליפ פלופ נמוכה הוא שומר על הערך הקודם של היציאה. ההתנהגות הזאת מתוארת על פי המשוואה הבאה:

$Q_{next}=T \oplus Q$

וזאת טבלת האמת שלו:

T	Q	Q_next
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

מימין סימון של הT פליפ פלופ. < היא כניסת השעון, T כניסת הנתונים ו-Q מוצא הפליפ פלופ שמוציא את המידע השמור.

[עריכה] S-R פליפ פלופ

דיאגרמת מעברים של פליפ פלופ S-R

פליפ פלופ Set/Reset מוציא ערך לוגי גבוה אם כניסת Set שלו גבוהה וכניסת Reset נמוכה בשפה הדוגמת של השעון.הפליפ פלופ מוציא ערך לוגי נמוך אם כניסת Reset שלו גבוהה וכניסת Set נמוכה בשפה הדוגמת של השעון. אם שתי הכניסות Set ו-Reset נמוכות הפליפ פלופ שומר על ערכו הנוכחי והמוצא לא משתנה בשפה הדוגמת של השעון (הפליפ פלופ זוכר את המוצא הקודם). אולם, אם שתי הכניסות Set ו-Reset גבוהות בשפה הדוגמת של השעון, המוצא לא מובטח. זאת טבלת האמת של פליפ פלופ S-R:

S	R	Q_next
0	0	hold
0	1	0
1	0	1
1	1	unstable

הטבלה הבאה מראה את ערך המוצא לפני עלית השעון כאילו היה כניסה נוספת:

S	R	Q	Q_next
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	X	0
1	0	X	1
1	1	X	unstable

X בטבלת האמת מסמן "don't care", כלומר ערך הכניסה לא חשוב לנו והמוצא לא תלוי בערך זה.

מימין סימון חשמלי של פליפ פלופ S-R. < היא כניסת השעון, S היא כניסת Set, כניסת R היא Reset, היציאה Q מוציאה את הסיבית שנשמרה ו-'Q את ההיפוך שלה.

באחריות מתכנן המעגל להבטיח שלא יווצר מצב בו S=R=1. בהינתן תנאי זה, בדרך כלל נמנעים מרשימת משוואה אופיינית לפליפ פלופ S-R. קיימים חיבורי Master-Slave שונים של פליפ פלופים מסוג S-R שמשיגים תוצאות שונות, בדרך כלל כדי להימנע ממצב שבו S=R=1 ולהביא להתנהגות דטרמיניסטית.

[עריכה] פליפ פלופ J-K

דיאגרמת גלים של פליפ פלופ J-K

פליפ פלופ J-K דומה לפליפ פלופ S-R, אך ההבדל ביניהם הוא במצב שבו שתי הכניסות שוות ל-1. פליפ פלופ J-K מפרש מצב זה בתור היפוך הכניסה. בפירוט, הצירוף J=1, K=0 קובע את מוצא הפליפ פלופ ב-1 לוגי, הצירוף J=0, K=1 מאפס את מוצא הפליפ פלופ, והצירוף J=K=1 הופך את מוצא הפליפ פלופ (קובע את המוצא החדש בתור ההופכי של המוצא הישן. אם קובעים שתמיד J=K הפליפ פלופ הופך להיות T פליפ פלופ.

מימין סימול חשמלי של פליפ פלופ J-K. < היא כניסת השעון,

J ו-K הן כניסות המידע, Q היא מוצא הפליפ פלופ שמוציא את הסיבית שנשמרה ו-'Q היא ההופכי של Q.
המשוואה האופיינית של פליפ פלופ J-K היא:

$Q_{next} = J\overline Q + \overline KQ$

וטבלת האמת שלו היא:

J	K	Q	Q_next
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	X	0
1	0	X	1
1	1	0	1
1	1	1	0

הפליפ פלופ קרוי על שם ג'ק קילבי, מי שהמציא את המעגל המשולב בשנת 1958. על המצאה זו הוא קיבל פרס נובל לפיזיקה בשנת 2000. ראשי התיבות של הפליפ פלופ מפורשים בהומור בתור Jump-Kill.

[עריכה] פליפ פלופ D

פליפ פלופ מסוג D (קיצור ל-data) הוא בעל כניסה אחת שמועברת למוצא בשפה הדוגמת של השעון, ללא תלות במוצא הנוכחי. אם D=1, בשפה הדוגמת של השעון המוצא יהיה 1 ואם D=0 בשפה הדוגמת של השעון המוצא יהיה 0. התנהגות הפליפ יכולה להתפרש כהשהייה, כי המידע עובר דרך הפליפ פלופ בהשהייה של מחזור שעון מאז שהגיעו לכניסתו.

מימין סימול חשמלי של פליפ פלופ D. < היא כניסת השעון, D היא כניסת הנתונים ו-Q היא מוצא המידע השמור.

המשוואה המאפיינת את הפליפ פלופ היא:

$Q n e x t = D$

וטבלת האמת שלו היא:

D	Q	Q_next
0	X	0
1	X	1

[עריכה] שימושים

הפליפ פלופ יכול לשמור סיבית אחת של מידע. המידע ששמור בכמה פליפ פלופים יכול לייצג מצב של אוטומט סופי (מכונת מצבים), ערך של מונה, תו ASCII של בזיכרון המחשב או כל אינפורמציה אחרת.

שימוש אחד הוא בניית אוטומט סופי בעזרת לוגיקה צירופית. הפליפ פלופים זוכרים את המצב הנוכחי של המכונה והלוגיקה הצירופית מחשבת את המוצא ואת המצב הבא כפונקציה של הכניסות והמצב הנוכחי.

פליפ פלופ T שימושי לספירה. בשפה הדוגמת של השעון הפליפ פלופ הופך את המוצא אם כניסתו T היא 1. המוצא מפליפ פלופ אחד יכול להתחבר לכניסת השעון של פליפ פלופ אחר וכן הלאה. אם נתבונן על המוצא הסופי של המעגל כרצף של סיביות שהן מוצאי הפליפ פלופים, הוא מספר בינארי שמייצג את מספר מחזורי השעון שעברו. המספר המקסימלי הוא 2ⁿ -1 כאשר n הוא מספר הפליפ פלופים בהם משתמשים.

אחת הבעיות במונה כזה (שנקרא Ripple counter) היא שהיציאה לא תקפה בזמן שהשינוי בכניסה מתפשט דרך המעגל. קיימים שני פתרונות לבעיה זו. אחד מהם הוא לדגום את מוצא המעגל רק בזמן שהוא תקף (אפשר למשל לשים פליפ פלופ D במוצא). פתרון אחר הוא להשתמש במעגל מסוג אחר שנקרא מונה סינכרוני. המימוש שלו מסובך יותר כדי להבטיח שהמוצאים של המונה משתנים בו זמנית ברגע ידוע מראש.

מחלק תדר: שרשרת של פליפ פלופים מסוג T כמו שתוארה לעיל מחלקת את התדר פי 2ⁿ, כאשר n הוא מספר הפליפ פלופים בין הכניסה ליציאה.

רגיסטרים לשמירת מספרים במחשבים. פליפ פלופ D מייצג סיבית אחת במספר בינארי. ברגיסטר במחשב יש בדרך כלל 32 פליפ פלופים ששומרים תוצאות חישוב של המעבד.

[עריכה] תיזמון ומטה סטביליות

פליפ פלופ סינכרוני מועד לבעיה שנקראת מטה סטביליות שמתרחשת כשכניסת הנתונים משתנה בזמן השפה הדוגמת של השעון. התוצאה היא שהפליפ פלופ עלול להתנהג בצורה לא צפויה. עלול לקחת זמן רב יותר עד שהיא תעבור לערך לוגי חוקי כלשהו, אך ערך זה עלול להיות לא נכון. במערכות מחשב מצב זה עלול לגרום לקריסת תוכנה והשחתת מידע.

מטה סטביליות ניתן למנוע אם מוודאים שכניסות המידע תקפות בפרק זמן כלשהו לפני ואחרי השפה הדוגמת, שנקראים זמן setup (מסומן t_su) וזמן hold (מסומן t_h) בהתאמה. זמנים אלה ניתנים בדפי המידע שמספק היצרן, והם בדרך כלל בין כמה ננו שניות לכמה מאות ננו שניות ברכיבים מודרניים. כל הזמנים במעגל סינכרוני נמדדים ביחס לשפה הדוגמת של השעון.

אולם לא תמיד ניתן לעמוד בתנאי setup ו-hold כי כניסת הפליפ פלופ יכול להתחבר לאות שעלול להשתנות בזמן שלא בשליטת המתכנן. במצב כזה, הדבר הטוב ביותר שהמתכנן יכול לעשות הוא להפחית את הסיכוי לתקלה עד מידה מסוימת, שתלויה בדרישות האמינות של המעגל. שיטה אחת למנוע מטה סטביליות היא לחבר כמה פליפ פלופים בשרשרת, כך שהמוצא של פליפ פלופ אחד מזין את המבוא של הפליפ פלופ הבא ולכולם שעון משותף. בשיטה זו הסיכוי למטה סטביליות יורד לערך זניח, אבל אף פעם לא לאפס.

קיימים פליפ פלופים עמידים במיוחד בפני מטה סטביליות. בהם זמני setup ו-hold הם קצרים מאוד, אבל גם הם לא פותרים את הבעיה לחלוטין. זה מפני שמטה סטביליות היא לא רק עניין של תכנון המעגל. כששינויי השעון והמידע סמוכים זה לזה, מתרחש מירוץ מידע והפליפ פלופ מוכרח להכריע מה התרחש קודם. גם אם הפליפ פלופ יהיה מהיר מאוד, אם שינוי המידע והשעון יהיו סמוכים מאוד קיים סיכוי שהפליפ פלופ לא יכריע מי התרחש קודם ויכנס למצב מטה סטבילי. לכן לא ניתן לבנות פליפ פלופ חסין בפני מטה סטביליות.

זמן חשוב אחר נקרא זמן השיהוי מהשעון למוצא (שמסומן t_pC-Q) שהוא הזמן שלוקח לפליפ פלופ לשנות את המוצא אחרי השפה הדוגמת. לעתים זמן שינוי המוצא מערך נמוך לגבוה (t_plh) שונה מזמן שינוי המוצא מערך גבוה לנמוך (t_phl).

זמן חשוב נוסף הוא שיהוי הזיהום (contamination delay שמסומן t_cC-Q) שהוא הזמן שמובטח שמוצא הפליפ פלופ נשאר בערכו הקודם לאחר השפה הדוגמת של השעון. לאחר זמן זה מוצא הפליפ פלופ עלול להשתנות ולהיות לא תקף. אולם מובטח שלאחר שעבר זמן t_pC-Q במוצא יופיע ערך לוגי תקף ונכון.

כשמחברים כמה פליפ פלופים ברצף כשביניהם לוגיקה צירופית (CL) ומחזור שעון באורך Tclk, חשוב להבטיח שבמסלול הארוך ביותר בין שני פליפ פלופים יתקיים התנאי הבא:

$\ t_pC-Q + t_{pd}CL + t_{su} < T_{clk}$