Троичный триггер

Троичный триггер (ternary trigger, ternary latch, ternary flip-flop) — электронное, механическое, пневматическое, гидравлическое, оптическое или другое устройство, имеющее три устойчивых состояния, возможность переключения из любого одного из трёх устойчивых состояний в любое из двух других устойчивых состояний и возможность определения, в каком из трёх устойчивых состояний находится это устройство. Например, троичная ячейка памяти, с возможностью записи и чтения (записанных) троичных кодов (чисел) в ней.

Графы переходов в физических троичных системах 3L LCT, 2B BCT и 3B BCT

Граф троичных триггеров в физических троичных системах 3B BCT ("трёхпроводной") и 2B BCT ("двухпроводной") — треугольник с двухсторонними переходами от любой вершины к любой другой вершине.
Граф же троичных триггеров в физической троичной системе 3L LCT ("однопроводной") не имеет прямых переходов из -1 в +1 и из +1 в -1, а эти переходы совершаются через прохождение через "0" на 1/3 длительности фронта переключения, что приводит к ложным срабатываниям в последующих логических элементах в более, чем однокаскадных, схемах. В однокаскадных схемах с индикаторами, из-за инерционности зрения, мельтешения из-за этих переходов не видно.

Реверсивный счётчик на 3 и реверсивный регистр сдвига на 3 также являются троичными триггерами.

Троичные триггеры могут быть построены[1]:
1. на двухуровневых логических элементах в двухуровневой трёхбитной системе троичных логических элементов (3Bit BinaryCodedTernary, 3B BCT, «трёхпроводной»),
2. на двухуровневых логических элементах в двухуровневой двухбитной системе троичных логических элементов (2Bit BinaryCodedTernary, 2B BCT, «двухпроводной») и
3. не очень хорошего качества на трёхуровневых логических элементах в трёхуровневой системе троичных логических элементов (3-Level LevelCodedTernary, 3L LCT, «однопроводной»).

История

В 1956—1958 годах Николай Петрович Брусенцов с группой единомышленников (Механико-математический факультет МГУ) построил первую серийную электронную троичную ЭВМ с позиционной симметричной троичной системой счисления Сетунь.

В 1970 г. Брусенцов из МГУ построил электронную троичную ЭВМ Сетунь-70.

Известный советский компьютерный специалист профессор Д. А. Поспелов писал: «Барьеры, стоящие на пути приложения троичной симметричной системы счисления в компьютерах, являются препятствиями технического порядка. До сих пор не разработаны экономичные и эффективные элементы с тремя устойчивыми состояниями. Как только такие элементы будут разработаны, бо́льшая часть компьютеров универсального типа и многие специальные компьютеры по всей вероятности будут разработаны таким образом, чтобы они функционировали в троичной симметрической системе счисления».

Известный американский учёный Дональд Кнут выражал мнение, что «замена двоичного триггера („flip-flop“) на троичный триггер („flip-flap-flop“) в один прекрасный день обязательно произойдёт».[2](«Flip-flop» означает двухступенчатость, «flip-flap-flop» — трёхступенчатость, Кнут же думал, что «flip-flop» означает двоичность (двухзначность), а «flip-flap-flop» — троичность (трёхзначность)).

Применение

Механический троичный счетный триггер применяется в однокнопочных секундомерах.

Элементы и узлы троичных ЭВМ

Подключение относительно простой логики на входе трёхбитного троичного триггера позволяет создать трёхбитный троичный D-триггер с тремя D-входами (троичный D-триггер)[1].
Также возможны трёхбитные троичные аналоги двоичных T-триггеров, троичные регистры данных, троичные полусумматоры, троичные полные сумматоры, троичные арифметико логические устройства (АЛУ), троичные процессоры, троичная статическая оперативная память (SRAM), троичные микроконтроллеры, троичные компьютеры, троичные микроЭВМ.

Преимущества и недостатки

Быстродействие

За один такт один разряд в троичных системах передаёт один троичный разряд (трит), имеющий три состояния, один разряд в двоичных системах передаёт один бит, имеющий два состояния, то есть один троичный разряд передаёт в 3/2=1,5 (полтора) раза больше чисел (кодов), чем один двоичный разряд.

При использовании трёхбитных и двухбитных триггеров число переключений триггеров, в среднем, такое же, как и в трёхуровневых триггерах, но на выходе трёхбитных и двухбитных триггеров частота переключений в отдельных линиях B2, B1 и B0 на 1/3 меньше, чем в трёхуровневом триггере.

При использовании в трёхбитной и в двухбитной системах обычных двоичных триггеров частота переключения в линиях B2, B1 и B0 на 1/3 меньше, чем в трёхуровневом триггере, то есть применение в троичных трёхбитной и двухбитной системах обычных двоичных триггеров и троичных триггеров на обычных двоичных триггерах позволяет применять логические элементы на 1/3 менее высокочастотные, чем в трёхуровневой однопроводной троичной системе.

Аппаратные затраты

В большинстве случаев при построении логических схем на троичных триггерах аппаратные затраты увеличиваются приблизительно в 2 раза по сравнению с обычными двоичными триггерами и только в очень редких случаях, при решении задач имеющих троичность (Задача «Светофор»[3]), удаётся немного уменьшить аппаратные затраты.

Надёжность

Так как двухуровневые трёхбитные троичные триггеры могут работать и в трёхбитном и в двухбитном режимах, то, в случае обрыва одной из трёх выходных линий (проводников), можно перейти на двухбитный режим, что повышает надёжность устройств на этих триггерах.

В трёхбитном режиме, при обрыве одного из трёх выходных проводников, по уровням на оставшихся двух проводниках возможно полное аппаратное или программное восстановление трёхбитного кода.

Конструкция

Система обратных связей у всех триггеров одинаковая. Выход каждого из трёх элементов соединяется со входами двух других элементов. В триггерах на трёх элементах 3ИЛИ-НЕ и на трёх элементах 3И-НЕ три входных сигнала подаются на три входа трёх элементов и «землю». Триггеры на трёх элементах 3ИЛИ-НЕ и на трёх элементах 3И-НЕ переключаются подачей сигнала переключения на два из трёх входов. В триггерах на элементах 4И-НЕ (SN7420, К155ЛА1[4], 164ЛА8, К176ЛА8, CD4012, 564ЛА8, К561ЛА8, CD4012A, К555ЛА1) и 4ИЛИ-НЕ (164ЛЕ6, К176ЛЕ6, CD4002, 564ЛЕ6, К561ЛЕ6, CD4002A, КР1561ЛЕ6, CD4002B[5]) оставшиеся 6 входов объединяются в три пары, каждая из трёх пар подключена к двум элементам. Три входных сигнала подаются на три объединённые пары и «землю». Триггеры на трёх элементах 4И-НЕ и на трёх элементах 4ИЛИ-НЕ переключаются подачей сигнала переключения на одну из трёх пар. На выходе триггеров три выходные шины и «земля» (общая), подобно трёхфазной электрической сети.

Трёхразрядный одноединичный троичный триггеры на трёх элементах 2ИЛИ-НЕ и трёхразрядный однонулевой троичный триггер на трёх элементах 2И-НЕ целесообразно использовать в ячейках троичной статической сверхоперативной памяти (троичной SRAM).

Так как при «закреплении» уровня хранения на третьем входе монтажной «1» или монтажным «0» эти триггеры работают как обычный двоичный асинхронный RS-триггер, то эти триггеры в троичной цифровой электронике являются троичными аналогами двоичного асинхронного RS-триггера.

Входы и выходы

В троичном аналоге RS-триггера три входа: S0 (Set0) — установка в 0 (аналог R-входа), S1 (Set1) — установка в 1 (аналог S-входа), S2 (Set2) — установка в 2 (без аналога) и «земля», и три выхода: Q0 — выход инвертора 0 (аналог Q), Q1 выход инвертора 1 (аналог инверсного Q) и Q2 выход инвертора 2 (без аналога) и «земля».

Двухуровневые троичные триггеры

Двухуровневые троичные триггеры строятся на двухуровневых элементах, а троичность работы достигается с помощью системы обратных связей. Двухуровневые троичные триггеры могут быть двухбитными (двухпроводная двухуровневая троичная система) и трёхбитными (трёхпроводная двухуровневая троичная система).

Двухуровневые двухпроводная и трёхпроводная троичные системы более помехоустойчивы, чем трёхуровневая однопроводная троичная система, так как трёхуровневая однопроводная система работает до относительной ЭДС сигнала помехи до Uп/4=0,25 (до 25 % от Uп), а двухуровневые двухпроводная и трёхпроводная троичные системы работают до относительной ЭДС сигнала помехи до Uп/2=0,5*Uп (до 50 % от Uп).

Двухуровневые 2-разрядные

Одну из множества возможных троичных двухбитных двухпроводных систем кодирования («-»={00}, «0»={01}or{10}, «+»={11}) предложил Carl W. Nelson, Jr. в 1969 г.[6]. Двухбитные двухуровневые троичные триггеры работают в троичной двухбитной двухпроводной системе кодирования {00}, {01}, {10} и имеют трёхбитный или двухбитный вход и двухбитный выход.

В качестве двухбитного троичного триггера можно использовать двухуровневые трёхбитные троичные триггеры в двухбитном режиме (с отключенным выходом TQB2).

Двухуровневые трёхбитные

Трёхбитные двухуровневые (трёхфазные[7]) троичные триггеры имеют однозначный трёхбитный вход и однозначный трёхбитный выход. Двухуровневость позволяет строить однозначные трёхбитные троичные триггеры на обычных элементах двухуровневых логик (РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, МОП, КМОП и др.).

Известны нижеследующие однозначные трёхбитные троичные триггеры:

  • Однонулевой трёхбитный троичный триггер на трёх логических элементах 2И-НЕ (функция f2,1,0710).

  • Одноединичный трёхбитный троичный триггер на трёх логических элементах 3ИЛИ-НЕ (функция f3,1,110) (триггер с сайта А. П. Стахова)[9](К155ЛЕ4, SN7427).

  • Однонулевой трёхбитный троичный триггер на трёх логических элементах 3И-НЕ (функция f3,1,12710) (К155ЛА4, SN7410).

  • Однонулевой трёхбитный троичный триггер на трёх логических элементах 4И-НЕ (применён в тристабильной ячейке памяти Takashi Nanya, Tokyo, Japan Assignee: Nippon Electric Company, Limited, Tokyo, Japan US Patent 3,893,086 July 1, 1975 Filed: Dec. 11, 1973 Fig.2. Блок 1) (К155ЛА1, SN7420), подобный триггер с немного усложнённой схемой управления применён в регистре сдвига описанном в патенте "«SU374663 Asynchronous shift register», В. П. Морин и Е. Е. Попов.

  • Трёхбитный троичный триггер на трёх логических элементах 2И-2И-2ИЛИ-НЕ (патент SU661606 Memory cell for buffer register. А. И. Бахштаб, В. И. Варшавский, В. Б. Мараховский, В. А. Песчанский, Л. Я. Розенблюм, Н. А. Стародубцев и Б. С. Цирлин).
  • Трёхбитный троичный триггер на трёх логических элементах 2И-4ИЛИ-НЕ (АС СССР 599332 25.12.76 Троичный триггер. Н. Г. Коробков, И. Н. Корнет, П. Н. Дмитриев, Л. В. Коробкова, В. И. Гордиенко и В. Д. Близнюк. Харьковский авиационный институт)[11]

Трёхуровневые троичные триггеры

Троичные триггеры на трёхуровневых элементах.
В трёхуровневых элементах трём состояниям соответствуют три уровня напряжения — отрицательное, ноль, положительное, (низкое, среднее, высокое).
В работе[12] на рис.9 приведена схема «троичного статического триггера» на двух трёхуровневых инверторах. Этот триггер имеет три состояния (-1,+1), (+1,-1) и (0,0), но не имеет вращения, а качается как качели или весы.

Схемы троичных трёхуровневых триггеров приведены также в[13] и[14].

Смешанные троичные триггеры
С двухуровневым (трёхфазным) входом и с трёхуровневым (однофазным) выходом
С трёхуровневым (однофазным) входом и с двухуровневым (трёхфазным) выходом

На сайте[15] приводится проект смешанного троичного аналога двоичного тактируемого D-триггера с последовательным тактируемым трёхуровневым D-входом и с параллельным двухуровневым (трёхфазным) выходом, состоящий из 11 блоков, от 3 до 5 транзисторов в каждом блоке, то есть, как минимум 33 транзистора на один троичный трёхуровневый D-триггер.

В «Приёмник троичного кода»[16] приводится схема и описание приёмника последовательных трёхуровневых троичных разрядов в «троичном полярном коде» и преобразования их в параллельные двоичные двухразрядные троичные разряды, который является троичным триггером с однолинейным трёхуровневым входом и с двухлинейным двухразрядным выходом с демультиплексором.

Троичные триггеры данных (D-триггеры)
  • Триггер Robert C. Braddock USPat.3,662,193 May 9, 1972, Filed May 24, 1971[17] ссылка на прототип из журнала «Electronic Design»,May 10, 1966, раздел «Ideas for Design»
  • Троичные триггеры данных (D-триггеры) приведены на странице Троичные триггеры.

Троичные счётные триггеры (Т-триггеры)
  • Троичный счётный триггер. АС СССР 764138 27.11.78 Н. Г. Коробков, В. И. Гордиенко, Л. В. Коробкова, Н. Т. Березюк и К. К. Фурманов. Харьковский авиационный институт.[18]
  • Троичный счётный триггер. АС СССР 780207 26.12.78 Н. Г. Коробков, Л. В. Коробкова, А. Е. Лебеденко, и К. К. Фурманов. Харьковский авиационный институт им. Н. Е. Жуковского.[19]
  • Троичный счётный триггер. SU 1078632 24.12.82 Н. Г. Коробков, Л. В. Коробкова, А. Е. Лебеденко и К. К. Фурманов. Харьковский авиационный институт им. Н. Е. Жуковского.[20]
  • Троичный счётный триггер. SU 1188887 28.02.84 Б. С. Цирлин. Институт социально-экономических проблем АН СССР.[21]
  • Троичный счётный триггер. SU 1422405 21.01.87 А. С. Галкин, В. П. Грибок, Л. Б. Лимановская и В. О. Твердохлебова[22]. При проверке модели троичного счётного триггера на элементах ИЛИ-НЕ в логическом симуляторе реального времени Atanua триггер оказался работоспособным.
  • Троичные счётные триггеры приведены на странице Троичные триггеры и на странице Троичные трёхбитные счётные триггеры (T-триггеры).
  • Экономичный трёхбитный (3B BCT UU) троичный счётный триггер (Т-триггер)[23]

См. также

Литература
  • Гурвич И. С. Многоустойчивые потенциальные схемы,-«Приборы и системы управления», 1968, № 10. АС СССР 599332
  • Бухреев И. Н. и др. «Микроэлектронные схемы цифровых устройств». М., «Сов. радио», 1975, с.215, рис.5.51. АС СССР 599332
  • Патент США № 3508033 1970
  • АС СССР № 319078 1971
  • АС СССР № 851785 1979

Ссылки

Примечания
  1. Троичные триггеры
  2. «Троичный принцип» Николая Брусенцова. (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 июня 2008. Архивировано 11 июня 2008 года.
  3. Экономичность троичной трёхбитной системы троичных логических элементов (3B BCT) на примере задачи «Светофор»
  4. Транзисторно-транзисторная логика
  5. Справочник по низкочастотным КМОП микросхемам
  6. US Patent 3,641,327 Feb. 8, 1972 Filed: Aug. 13, 1969
  7. Д. А. Поспелов. Логические методы анализа и синтеза схем. Издание третье, переработанное и дополненное. «Энергия» Москва 1974. Стр.352. Определение 9-1.
  8. Using CMOS gates/US5815436 Multi-level nonvolatile semiconductor memory Такая же схема, не являющаяся предметом патентования, приведена в патенте US5815436 Sep. 29, 1998 Multi-level nonvolatile semiconductor memory device having improved programming level and read/write multi-level data circuits. Tomoharu Tanaka, Hiroaki Hazama, Yokohama, Japan
  9. Троичный триггер («flip-flap-flop») (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 марта 2008. Архивировано 3 марта 2008 года.
  10. A.Turecki US Pat. 3,508,033 April 21, 1970. Filed Jan. 17, 1967 Fig.2.
  11. http://www.ee.bgu.ac.il/~kushnero/ternary/Binary%20coded%20ternary/SU599332%20Fast%20ternary%20trigger.pdf Троичный триггер. АС СССР 599332 Заявлено 25.12.76
  12. Троичная цифровая техника. Перспектива и современность. 28.10.05 Александр Кушнеров, Университет им. Бен-Гуриона, Беэр-Шева, Израиль.
  13. Figure Архивная копия от 12 мая 2010 на Wayback Machine D.45. PZN tri-flop, from Mouftah’s Image:Mouftah-8a-PZN Tri-flop.png from Mouftah’s patent[15]
  14. http://jeff.tk:81/wiki/Trinary/Circuits#D.5.2._PZN_Tri-Flop Архивная копия от 12 мая 2010 на Wayback Machine Figure D.48. Mouftah’s clocked PZN tri-flop, from Image:Mouftah-9-Clocked PZN Tri-flop.png
  15. trinary.cc
  16. «Приёмник троичного кода» М. А. Буркова, К. А. Гусакова, Озёрский технологический институт (филиал) МИФИ, Научная сессия МИФИ-2007. Том 1.
  17. TRI-STABLE CIRCUIT (недоступная ссылка)
  18. Троичный счётный триггер АС СССР 764138 Заявлено 27.11.78
  19. Троичный счётный триггер АС СССР 780207 Заявлено 26.12.78
  20. Троичный счётный триггер АС СССР 1078632 Заявлено 24.12.84
  21. Троичный счётный триггер (его варианты) АС СССР 1188887 Заявлено 28.02.84
  22. Троичный счётный триггер АС СССР 1422405 Заявлено 21.01.87
  23. Экономичный трёхбитный (3B BCT UU) троичный счётный триггер (Т-триггер)
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.