11.2 ARDIŞIL DEVRELERİN ANALİZİ

11.2.1 Tanım
Ardışıl devre, bileşiminde en az bir FF bulunduran, bunun ötesinde giriş-çıkış durumunu belirleyen bileşik devreler (lojik kapılar) içeren düzeneklerdir. Ardışıl devrelerin davranışı; girişlerine, çıkışlarına  ve mevcut  durum ile alabilecekleri  gelecek  durumlara  göre  belirlenir. Ardışıl bir devrenin analizi; girişlerin, çıkışların ve iş sırası tablosu veya şemasının elde edilmesi şeklinde gerçekleştirilir. Ardışıl devrelerin davranışını tanımlayan boolean ifadeleri yazılabilir. Ancak, bu ifadelerin doğrudan veya dolaylı olarak gerekli zaman sırasını içermesi gerekir.

Genel özellikleri tanımlanan bir ardışıl devrenin analizi üç değişik yöntemle yapılabilir :

I- Durum Geçiş Şeması Yöntemi,
II- Durum Geçiş Tablosu Yöntemi,
III- Durum Denklemleri Yöntemi,

Bu yöntemleri sırası ile açıklayalım.

11.2.2 Durum Geçiş Şeması Yöntemi
Durum geçiş şeması yöntemi;  ardışıl  devrenin  sözel  anlatımını  en  iyi  yansıtan, mevcut durum-gelecek durum ilişkisini görsel biçimde sergileyen bir yöntemdir. Bu yöntemde, devrenin her durumu bir daireyle,  durumlar arasındaki  geçişler  ise  daireleri  birbirine  bağlayan  yönlü oklar ile gösterilir. Her dairenin içindeki ikili sayı, dairenin temsil ettiği durumu tanımlar. Geçişleri gösteren oklar  üzerine  ise  söz konusu  durum  geçişinin  hangi girdilerle gerçekleştiği ve çıktının ne olduğu yazılır. Bu gösterim için kesme işareti (/) kullanılır ve bu kesme işaretinin soluna girdiler, sağına ise çıktılar yazılır. Bir durum değişikliği söz konusu değil ise, durum geçiş oku başladığı noktaya döner (Şekil 11.14).

 

Örnek 11.2 Tam toplayıcı işlemini ardışıl devre ile gerçekleştirmede oluşan olayları inceleyelim.

Bir  toplayıcı  devresinde  elde  terimi  ‘E’,  giriş  değişkenleri  ise  ‘A’  ve  ‘B’ sembolleriyle gösterilebilir. Sözgelimi E=0 iken, giriş değerleri A=1, B=1 olduğunda E=1 durumuna geçer ve toplayıcının çıkışı ‘0’ olur. E=1 durumunda iken; A=0, B=0 dışındaki giriş değerlerinde devrenin durumunda bir değişiklik olmaz (Şekil 11.14).

Kesme  ‘/’  işaretinin  solundaki  değerler  ‘A’  ve  ‘B’  girişlerini,  sağındaki terim ise ‘Q’ çıkışının durumunu ifade eder. Giriş değerlerinin toplamı daire içerisindeki ‘E’ değerini, ‘Q’ ise devrenin alacağı  konumu  ve  E’ nin yeni değerini belirler. Örneğin  E=0  iken; girişlerin ‘0,1’ olması durumunda E=0 konumunu korurken, Q=1 değerini alır. Bu durumda geçiş oku başladığı daireye geri döner.  E=1  iken; girişlere  ‘0, 0’  uygulanması durumunda  Q=1  değerini  alırken,  ‘E’ durum değiştirerek ‘0’ değerini alır. Geçiş oku E=0 olan diğer daireye doğru değişimi gösterir.

 

 

A B /Q

0,0 /0 0,1 /1 1,0 /1

A B / Q

1,1 /1 1,0 /0 0,1 /0

   

a) Ardışıl toplayıcı blok şeması.


 

b) Ardışıl toplayıcı durum geçiş şeması.

Şekil 11.14 Ardışıl toplayıcı blok şeması ve durum geçiş şeması.

 

Örnek 11.3 Paralı satıcı kutu kola makinesi

Değişik yerlerde karşılaştığımız  paralı  kola satıcı makinenin durum geçiş şemasını çizelim. Makinenin girdilerinin 25, 50, 100 ve 250 birimlik madeni paralar olduğunu varsayalım. Çıkışında ise kutu kola düşsün ve gereğinde paranın  üzerini  versin.  Kolanın  150  birim değerinde olduğunu varsayarak, makinenin alacağı durumları; boş, kasada 25 var, kasada 50 var, kasada 75 var, kasada 100 var ve kasada 125 var diye sıralayabiliriz. Bu değerleri kasanın alacağı durumlar kabul ederek daireler içerisinde gösterebiliriz.

Makine ‘kasada  125 birim  var   durumuna  geldikten  sonra  hangi  para  atılırsa  atılsın  bir  kola  kutusu  düşmekte,  paranın üstü geri verilip makine boş durumuna dönmektedir. Kasada olabilecek paraları durumlar olarak tespit  ettikten  sonra atılabilecek para birimlerini ‘/’ işaretinin solunda gösterip, ‘/’ işaretinin sağında ise kolanın düşüp (1), düşmediği (0) ve ayrıca kalan para miktarı gösterilirse, (şekil 11.15)’deki durum şeması elde edilir.

Şekil 11.15 Kutu kola makinası için durum geçiş şeması.


Bu örnekte sözel anlatımla geçiş şemasını çıkardık. Lojik şeması çizilen ardışıl devrede durum geçiş şeması da oluşturulabilir.

 

Örnek 11.4 Şekil 11.16’da verilen mantık devresi,  ardışıl  bir  fonksiyonu  gerçekleştirmektedir.  Devrenin  girişi ‘x’, çıkışı ‘y’ olarak; durumları da ‘A’ ve ‘B’ ifade edilidiğinde devrenin durum şemasını oluşturalım. Devrenin incelenmesine bir başlangıç durumundan (örneğin AB=00 gibi) başlanır. X=1 olduğunda, FF girişleri;

 

değerini alır. Bu giriş değerlerine sahip FF’lerin bir sonraki durumu AB=01 olarak belirlenir. Bu anda devrenin çıkışı; olur.

Devrenin incelenmesinden; devrenin alabileceği durumları temsil eden  AB  değişkenlerinin, 00,  01,  10 ve 11 kombinasyonlarını alabileceği anlaşılır. Bu kombinasyonlar devrenin durumları olarak alınıp devredeki durum değişkenleri incelenirse,  şekil 11.17 ’deki  durum  geçiş  şeması elde edilir. Devrenin çalışmasını yorumlamaya yardımcı olan durum şemasını bu şekilde elde etmek karmaşık bir yöntemdir. Bu nedenle, bir devrenin durum şeması daha sonra anlatılacak durum tablosundan doğrudan çizilebilir.

Şekil 11.16 Ardışıl devre lojik şeması.

 

 

Şekil 11.17 Ardışıl devrenin durum şemasının çizilmesi.

11.2.3 Durum Geçiş Tabloları Yöntemi
Durum geçiş tablosu, ardışıl bir devrede mevcut  durum  ve  giriş-çıkış  değişkenleri  arasındaki ilişkileri sergileyen bir tablodur. Bu tablo hazırlanırken, devrenin durum değişkenleri sayısı ile girdilerin sayısı göz önüne alınır. Durum geçiş tablosunda, flip-flopların tetiklenme  palsinden  önceki  durumunu belirten ‘mevcut durum’, tetiklenme palsi uygulandıktan sonraki durumu ifade eden ‘sonraki durum’ ve ‘çıkış’ olmak üzere üç kısım bulunur. Hem sonraki durum, hem de çıkış bölümleri, X=0 ve X=1 için olmak üzere 2 sütundan oluşur. Tabloyu oluştururken, durum değişkenleri sayısı ile girdi sayısı göz önüne alınır. Buna göre devrede ‘m’ tane  FF varsa, ‘m’ tane durum değişkeni tanımlanır ve devrede 2m tane değişik durum söz konusu olur. Ayrıca devrenin ‘n’ tane girişi varsa, 2n tane farklı giriş değerleri birleşimi söz konusu olur. Tablo oluşturulurken, önce değişken bileşimlerini içeren bir sütun hazırlanır. Daha sonra, durum tablosunun  oluşturulmasına  varsayılan  bir  ilk değerle başlanır. Analiz her ne kadar keyfi bir durumla başlayabilirse de, şekil 11.16’da ki devreyi incelemeye ‘00’ durumu ile başlayacağız. Mevcut durum  ‘00’ iken; A=0 ve B=0 olur. Bu anda her iki FF reset konumunda ve X=0’dır. Bu değerlerin uygulandığı şekil  11.16’da ki, ‘VE’  kapılarından   hiç  birisi  lojik '1'  sinyali  üretmez   ve dolayısıyla   sonraki  durum  değişmeden kalır. Bu  durumda, AB=00 ve X=0 iken, tetikleme sinyalinden sonraki durum ‘00’ olarak belirlenir. AB=00 iken X=1 olunca; 1. kapı  B  FF’ sinin  S  girişine  ‘1’  sinyali  üretirken, 4. Kapı A FF’sinin R girişine ‘1’ sinyali üretir. Tetikleme sinyali FF’leri tetikleyince, A FF’si çıkışı ‘0’ ve B FF’si çıkışı ‘1’ olur. Bu bilgiler tabloya taşınırsa, sonraki durum AB=01  olarak  oluşur.  Aynı  şekilde diğer üç olası mevcut durumdan başlayarak sonraki durumlar elde edilebilir. Elde edilen değerler; girişlerin, mevcut durumun ve kullanılan FF türünün bir fonksiyonudur (Tablo 11.4).

Tablo 11.4 Şekil 11.16’daki devrenin durum geçiş tablosu.

Mevcut Durum

Sonraki Durum
 X=0                            X=1

Çıkış
X=0              X=1

AB

 AB                               AB

Y                       Y

00
01
10
11

 00                                 01
 11                                 01
 10                                 00
 10                                 11

 0                        0
 0                        0
 0                        1
 0                        0

Lojik devreden  çıkış  bölümünün  değerlerini  bulmak  daha  kolaydır.  Örnek devrede, yalnızca  X=1,  A=1  ve  B=0  iken  ‘y’  çıkışı  1’e  eşittir. Bu  nedenle; mevcut durum=10 ve X=1 durumunda y=1, bu durum dışındaki bütün durumlarda çıkış sütunları '0' olarak yazılır. Ardışık bir devrenin  harici  çıkışları , mantık elemanlarından  ve  FF  çıkışlarından  alınabilir.  Mantık kapılarından çıkış alınması halinde durum tablosunda  çıkış bölümü gereklidir. Çıkış olarak yalnızca FF çıkışları söz konusu ise, FF’lerin çıkışları mevcut durum sütununda zaten verildiğinden durum tablosunun çıkış bölümü iptal edilebilir. 

Tablo 11.5 Ardışıl makinaya ilişkin durum tablosu

 

(a) Bir ardışıl makinaya ilişkin genel durum tablosu

(b) Seri toplayıcıya ilişkin durum tablosu

Durum diyagramı, düğümler ve topolojik elemanlardan oluşmuş bir diyagramdır. Düğümler durumlara karşı düşer. Makine Di durumunda iken Gi girişi altında DJ bir sonraki durumuna gidiyor ve çıkış zm ise, Di düğümünden DJ düğümüne yönlendirilmiş bir topolojik eleman çizilir ve üzerine Gi / zm yazılır.(Şekil 11.18 a)'da durum diyagramının bir parçası gösterilmiştir. Örnek 11.1 deki seri toplayıcı için durum diyagramı (Şekil 11.18 b) deverildiği gibidir. Girişler ve durumlar ilgili değişkenler cinsinden verilmiştir

 

 

11.2.4 Durum Denklemleri Yöntemi
Durum  denklemleri,  flip-flop’ların  durum  geçiş  şartlarını  tanımlayan  matematiksel  bir ifadedir. Denklemin  sol tarafı FF’ nin sonraki durumunu, bir boolean fonksiyonu olan sağ taraf ise sonraki durumu 1’e  eşitleyen mevcut  durum  şartlarını  tanımlar.  Sonraki  durum  şartlarının  harici  giriş  değişkenleri  ve FF  değerleriyle tanımlaması dışında, durum denklemi şeklen FF karakteristik denklemine benzer. Durum denklemi, doğrudan doğruya durum tablosundan elde edilir. Örneğin; A FF’sine ait durum  denklemi Tablo11.4 ’den elde edilebilir. Sonraki durum sütunlarından  A  FF’ sinin  ‘1’  durumuna  dört kez geçtiğini  görürüz. Bu durumlar; X=0 iken AB= 01, 10, 11 durumları ile, X=1 iken AB=11 olduğu bileşenlerdir. Anlatılanlar bir durum denkleminde matematiksel olarak;

formülü ile ifade edilebilir. Denklemin sol tarafı; FF’nin harf sembolünü ve FF’nin  bir sonraki alacağı değeri ifade eden zaman fonksiyon sembolünü içerir [A(t+1)]. Aynı şekilde, B FF’sinin dört kere ‘1’ değerine sahip olduğu durum tablosunda görülmektedir. Bu durumda, tablodan faydalanarak B FF’si için;

denklemi yazılabilir.
Durum denklemlerinin sağ tarafı mevcut durum için bir boolean fonksiyonudur. Bu fonksiyon 1’e eşit olunca, bir sonraki tetikleme palsi ile A FF’sinin sonraki durumu ‘1’ olur. Fonksiyonun ‘0’ olması ise sonraki durumu ‘0’a eşitler.

Şekil 11.19 FF durum denklemlerinin Karnaugh haritası yardımıyla sadeleştirilmesi

A ve B FF’ lerinin durum denklemleri, (şekil 11.19) ’daki Karnaugh haritaları ile sadeleştirilebilir. Yukarıda bulunan  durum  denklemleri Karnaugh haritalarına taşınır ve Karnaugh yardımıyla sadeleştirme yapılırsa sadeleştirme sonucunda;

denklemleri bulunur.