E12 Sequentielle Systeme und Zustandsmaschinen

Thema

Im Gegensatz zu einer rein kombinatorischen Schaltung, deren Ausgang ausschließlich von ihren aktuellen Eingängen abhängt, besitzt eine sequentielle Schaltung einen Speicher: Ihr Ausgang hängt sowohl von den aktuellen Eingängen als auch von einem gespeicherten internen Zustand aus vorherigen Taktzyklen ab. Das grundlegendste Speicherelement ist das D-Flipflop: Sobald der Systemtakt seinen Zustand ändert, erfasst dieses Element den Wert an seinem Eingang und speichert ihn an seinem Ausgang bis zum nächsten Taktzyklus.

Für den zuverlässigen Betrieb einer synchronen Schaltung muss eine strenge Timing-Bedingung erfüllt sein: Das Signal muss rechtzeitig vor der Taktflanke am Eingang jedes Flipflops eintreffen und sich stabilisieren und nach dieser Flanke für einen kurzen Moment stabil bleiben. Die Zeit, die das Signal benötigt, um den langsamsten Logikpfad in der Schaltung zu durchlaufen, zuzüglich dieser Stabilisierungsreserve, bestimmt die maximale Taktfrequenz, bei der die gesamte Schaltung zuverlässig arbeiten kann.

Endliche Zustandsautomaten bilden den konzeptionellen Rahmen zur Modellierung von Systemen, die je nach ihren Eingängen zwischen einer begrenzten Anzahl diskreter Zustände wechseln. Sie bilden die Grundlage nahezu aller digitalen Steuerungen, von Kommunikationsprotokollen bis hin zu Peripheriesteuerungen. Binärzähler, bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Flipflops, teilen die Frequenz eines Taktsignals durch aufeinanderfolgende Zweierpotenzen und bieten damit die einfachste Methode, niedrigere Frequenzen aus einer Referenzfrequenz zu erzeugen.

Wie in der gleichen kombinatorischen Logik des vorherigen Modells steigt der dynamische Leistungsverbrauch einer sequenziellen Schaltung linear mit ihrer Betriebsfrequenz und deutlich schneller mit ihrer Versorgungsspannung.

Daher wiederholt dieses Modul, das zunächst zwischen einem vom vorherigen Wert abhängigen und einem vom vorherigen Wert unabhängigen Ausgang unterscheidet, die bereits im Modell der kombinatorischen Logik getroffene Schlussfolgerung zum Energieverbrauch: Das Hinzufügen eines Speichers zu einer Schaltung ändert nichts an dem effektivsten Hebel zur Steuerung ihres Verbrauchs, der weiterhin die Versorgungsspannung und nicht die Taktfrequenz ist.

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