Sıralı Mantık Devreleri

Girişlerine uygulanan sinyallere bağlı olarak anlık durumu değiştiren Kombinasyonel (birleşimsel) mantık devrelerinin aksine, sıralı mantık devreleri yerleşik bir tür “belleğe” sahiptir. Bu sıralı mantık devreleri yalnızca mevcut giriş sinyallerine değil, aynı zamanda geçmişteki lojik sinyal durumlarına (yani mevcut çıkış durumuna) da bağlı olarak işlem gerçekleştirir. Sıralı mantık devreleri, geçmiş koşulları depolama yeteneğiyle öne çıkar. Herhangi bir yeni saat (clock) veya tetikleme sinyali durumlarını değiştirene kadar devre mevcut durumunu korur ve bu özellik sıralı mantık devrelerine “bellek” vasfını kazandırır.

Sıralı mantık devreleri genellikle çıkış durumunu iki temel düzeyden birine (Lojik seviye “1” veya Lojik seviye “0”) ayarlayıp kilitleyebilen bistable (çift kararlı) cihazlar olarak da adlandırılırlar. Yeni bir giriş tetikleme darbesi uygulanana kadar sistem bu mevcut kararlı durumda süresiz olarak kalacaktır.

Sıralı Mantık Gösterimi

“Sıralı” (sequential) kelimesi, sürecin adım adım ve belli bir sırayla gerçekleştiği anlamına gelir. Uygulanan gerçek bir saat (clock) sinyali, mantık seviyelerindeki değişimin ne zaman meydana geleceğini zamanlayarak süreci senkronize eder.

Basit sıralı mantık devreleri, standart çift kararlı (bistable) bellek öğelerinden oluşmaktadır. Bunlara verilebilecek en yaygın örnekler şunlardır:

1. Flip-floplar
2. Sayıcılar (Counters)

Daha karmaşık bir sıralı devre oluşturabilmek için, lojik kapı teorisinde öğrendiğimiz evrensel (universal) NAND kapılarını veya NOR kapılarını belirli geri besleme kombinasyonlarıyla birbirine bağlayabiliriz.

Sıralı Mantığın Sınıflandırılması

Nasıl ki standart lojik kapılar kombinasyonel devrelerin yapı taşlarıysa, flip-floplar da sıralı mantık devrelerinin temel yapı taşlarıdır. Temel kenar tetiklemeli flip-floplar bir araya getirilerek hafıza aygıtları (registerlar) veya sayıcılar gibi daha karmaşık sıralı devre mimarileri üretilebilir. Sıralı mantık devreleri tetiklenme biçimlerine göre üçe ayrılır:

1. Olay Odaklı (Asenkron)
2. Saat Odaklı (Senkron)
3. Darbe Odaklı (Pulse-driven)

Yukarıda belirtilen iki kararlı mantık durumunun yanı sıra, sıralı mantık devrelerini kombinasyonel mantık devrelerinden net bir şekilde ayıran üçüncü unsur “zaman”dır. Sıralı mantık devreleri tetiklendikten sonra yeni bir durumu koruyabilir veya ilgili reset sinyali geldiğinde orijinal kararlı durumlarına geri dönebilirler. Kendi içerisinde geri besleme (feedback) yolları barındıran sıralı devrelerin kapalı bir döngü şeklinde çalıştığı söylenmektedir.

Sıralı mantık devreleri, mevcut durumlarını hafızalarında tutmak için bu geri besleme yollarına bağımlıdır. Çıkış sinyalinin bir kısmının tekrardan giriş terminaline bağlanmasıyla bu durum sağlanır. Geri besleme mekanizmasının temel çalışma mantığını aşağıdaki basit diyagramla özetleyebiliriz:

Sıralı Geri Besleme Döngüsü (Sequential Feedback Loop)

Bu yapıda, iki adet evirici (inverter) mantık kapısı seri bağlanmıştır ve Q çıkışından elde edilen sinyal doğrudan ilk kapının girişine geri beslenmektedir. Ancak bu yalın konfigürasyon, dışarıdan müdahale edilecek tetikleme pinlerine sahip olmadığı için çıkış durumunu değiştiremez. Devreye ilk güç verildiğinde oluşan rastgele lojik “1” veya “0” durumu kalıcı olarak sisteme kilitlenir (latch edilir). Bu mantığı daha işlevsel hale getirmek için dışarıdan kontrol edilebilen S (Set) ve R (Reset) girişlerine sahip en temel sıralı mantık bileşenlerinden biri olan SR flip-flop yapısını incelemeliyiz.

SR Flip-Flop Yapısı

SR Latch (mandallayıcı) olarak da bilinen SR flip-flop, mevcut en temel sıralı mantık elemanıdır. Tüm gelişmiş flip-flop türleri (D, T, JK vb.) aslında bu temel hafıza elemanının üzerine inşa edilir. Standart bir çapraz bağlı NAND kapısı SR flip-flop devresinde, her iki NAND kapısının çıkışı diğerinin girişine geri besleme sağlayacak şekilde bağlanmıştır. Bu yapı tek bir veri bitini hafızada depolamak için kullanılır.

SR flip-flop yapısı dışarıdan kontrol edilebilir üç değişkene dayanır: S (Set/Kurma) girişi, R (Reset/Sıfırlama) girişi ve devrenin geçmiş belleğini ifade eden mevcut çıkış durumu (Q).

Set-Reset (Kur/Sıfırla) İşlemleri İçin Doğruluk Tablosu

NAND kapılarıyla kurulan bu mandalda, her iki giriş aktif değilken yani S = “1” ve R = “1” iken, devre mevcut Q çıkış durumunu (“1” veya “0”) belleğinde korumaya devam eder. Ancak her iki girişin aynı anda sıfıra çekilmesi (S = “0” ve R = “0”), Q ve Q’ (Q değil) çıkışlarının aynı anda “1” olmasını zorlayacağı için lojik tasarım kurallarına göre bu durum istenmeyen (geçersiz/yasak) durum olarak kabul edilir ve kullanılmaz.

S-R Flip-Flop Anahtarlama Şeması

Yasaklı durumdan çıkılırken oluşacak elektriksel veya gecikme (delay) dengesizlikleri, çıkışlardan birinin diğerinden daha hızlı geçiş yapmasına neden olabilir. Bu senaryo “yarış durumu” (race condition) olarak bilinir ve flip-flop’un hangi kararlı duruma oturacağının kestirilememesine, dolayısıyla sistemin kararsızlaşmasına yol açar.

Temel NAND kapılı SR flip-flop, “Set” veya “Reset” işlemini gerçekleştirmek için girişlerinde lojik “0” (Aktif Düşük) sinyaline ihtiyaç duyar. Ancak devreyi daha kullanışlı olan Aktif Yüksek (lojik “1” ile tetiklenen) formata çevirmek istersek, devrenin S ve R girişlerine basitçe iki adet evirici (inverter/NOT) kapısı ekleyebiliriz.

Aktif Yüksek (Pozitif) NAND Kapılı SR Flip-Flop

NOR Kapısı Kullanılarak Tasarlanan SR Flip-Flop

Sıralı mantık devreleri ve temel bellek elemanlarının çalışma mekanizmaları hakkında detaylı bilgi sahibi olduğumuza göre konuyu toparlayabiliriz. Gerçek dünya uygulamalarında bu yapıların endüstriyel karşılıklarını görmek isterseniz, oldukça popüler bir SR Latch entegresini (74LS279 Datasheet) inceleyebilirsiniz.

• Dörtlü (Quad) SR Bistable Latch Entegresi: 74LS279

Bu entegrenin lojik diyagramına ait iç yapısını aşağıdaki şekilde detaylı olarak görebilirsiniz.