E12 Systèmes séquentiels et machines à états

Topique

Contrairement à un circuit purement combinatoire, dont la sortie dépend uniquement de ses entrées à l'instant présent, un circuit séquentiel possède une mémoire : sa sortie dépend à la fois des entrées actuelles et d'un état interne stocké à des instants antérieurs. L'élément de mémoire le plus élémentaire est la bascule D : dès que l'horloge système change d'état, cet élément capture la valeur présente à son entrée et la maintient à sa sortie jusqu'au cycle d'horloge suivant.

Pour qu'un circuit synchrone fonctionne de manière fiable, une condition de synchronisation stricte doit être respectée : le signal doit arriver et se stabiliser à l'entrée de chaque bascule bien avant le front d'horloge, et rester stable un bref instant après ce front ; le temps nécessaire au signal pour parcourir le chemin logique le plus lent du circuit, augmenté de cette marge de stabilisation, détermine la fréquence d'horloge maximale à laquelle le circuit entier peut fonctionner de manière fiable.

Les automates finis constituent le cadre conceptuel utilisé pour modéliser les systèmes qui transitent entre un nombre limité d'états discrets en fonction des entrées qu'ils reçoivent. Ils forment la base de la quasi-totalité des commandes numériques, des protocoles de communication aux contrôleurs de périphériques. Les compteurs binaires, composés de plusieurs bascules en cascade, divisent la fréquence d'un signal d'horloge par des puissances de deux successives, offrant ainsi la méthode la plus simple pour générer des fréquences plus basses à partir d'une fréquence de référence.

Comme dans la logique combinatoire décrite dans le modèle précédent, la puissance dynamique consommée par un circuit séquentiel croît linéairement avec sa fréquence de fonctionnement et beaucoup plus rapidement avec sa tension d'alimentation.

Par conséquent, ce module, qui commence par distinguer une sortie dépendant du passé d'une sortie indépendante, conclut en réaffirmant la conclusion relative à la consommation d'énergie établie par le modèle de logique combinatoire : doter un circuit d'une mémoire ne modifie pas le levier le plus efficace pour contrôler sa consommation, qui demeure la tension d'alimentation plutôt que la fréquence d'horloge.

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