Bascule D flip-flop active sur front montant - Logique séquentielle

Bonjour à tous et bienvenue dans cette nouvelle leçon consacrée à la logique séquentielle. Aujourd'hui, nous allons découvrir la bascule D sensible au front montant de l'horloge. Dans la vidéo précédente, nous avons étudié la bascule D latch, active lorsque l'horloge est au niveau haut, que nous avons construite à partir de la bascule RS. Rappelons le fonctionnement de la bascule D latch. Lorsque l'horloge est à 1, la bascule devient transparente et la sortie Q copie directement la valeur de l'entrée D. Lorsque l'horloge est à 0, la bascule se bloque et la sortie conserve sa valeur précédente. C'est ce qu'on appelle l'état mémoire. En réalité, ce type de bascule D sensible au niveau haut est rarement employé dans des circuits modernes. La raison est qu'elle reste transparente tant que l'horloge est à 1. En effet, la sortie Q suit directement les variations de D pendant toute cette durée. Cela peut provoquer des comportements indésirables. Par exemple, quand plusieurs bascules D latch transparentes sont placées en série et que l'horloge reste à 1, une donnée appliquée à l'entrée peut traverser instantanément tous les étages. Comme résultat, la sortie finale change sans contrôle, ce qui rend le circuit imprévisible et difficile à synchroniser. Ce phénomène est connu sous le nom d'emballement ou race condition. Pour éviter ces effets de transparence et assurer une capture fiable de l'entrée, on utilise plutôt la bascule déclenchée sur front d'horloge. Celles-ci ne prennent en compte la valeur de D qu'à un instant précis, au moment du changement d'état d'horloge. C'est exactement le rôle de la bascule D sur front, aussi appelée D flip-flop. Dans cette leçon, nous allons considérer la bascule D latch étudiée précédemment comme un simple bloc fonctionnel, sans détailler sa structure interne. Une méthode classique pour transformer ce D latch en bascule D flip-flop consiste à utiliser la configuration maître-esclave. Le principe est de placer 2 bascules D latch en série. La première joue le rôle de maître, la seconde celui d'esclave. Elles partagent la même horloge, mais celle du maître est inversée, ce qui permet de transférer la donnée uniquement au moment du front montant. Voyons maintenant en détail le fonctionnement de cette bascule. Nous allons placer 2 bascules D latch comme celles étudiées précédemment. La première jouera le rôle de maître, la seconde celui d'esclave. La sortie du maître est directement reliée à l'entrée de l'esclave. Concernant l'horloge, il est appliqué aux 2 bascules en même temps, mais passe d'abord par un inverseur avant d'attaquer le maître. Ainsi, lorsque l'horloge est au niveau bas, le maître est actif, c'est-à-dire qu'il devient transparent, et l'esclave est bloqué. Et lorsque l'horloge passe au niveau haut, le maître se fige et l'esclave devient transparent et capture la valeur de son entrée. La sortie principale de la bascule D flip-flop correspond donc à la sortie de l'esclave. Vous avez sûrement remarqué que la différence entre une bascule D classique et une bascule D flip-flop vient du fait que le maître et l'esclave ne sont jamais actifs en même temps. Grâce à l'inversion de l'horloge, quand l'un est transparent, l'autre est bloqué et inversement. Ce fonctionnement empêche la donnée d'entrée de traverser directement les 2 bascules pendant un même niveau d'horloge. Concrètement, quand l'horloge est au niveau bas, le maître est actif, car son horloge est inversée, et transmet sa valeur en sortie, mais l'esclave reste bloqué et garde son ancienne valeur. Quand l'horloge passe à 1, les rôles s'inversent, le maître se bloque et mémorise sa sortie, tandis que l'esclave s'active et copie la valeur reçue du maître vers la sortie finale. Ainsi, pour qu'une donnée puisse traverser les deux bascules, il faut que l'horloge change d'état, c'est-à-dire passer de 0 à 1. La sortie n'est donc mise à jour qu'au moment du front montant de l'horloge. Si l'on souhaite obtenir la bascule des flip-flops actifs sur front descendant, il suffit d'inverser la logique de commande. L'horloge directe est appliquée au maître tandis que l'horloge inversée est appliquée à l'esclave. Dans ce cas, Le transfert de données du maître vers l'esclave se produit uniquement lorsque l'horloge passe de 1 à 0, autrement dit au front descendant. Pour mieux comprendre ce fonctionnement, traçons maintenant le chronogramme de la bascule D flip-flop obtenue. Dans cet exemple, nous allons considérer la bascule D active sur front montant. Nous allons représenter le signal d'horloge CLK, le signal d'horloge inversé, l'entrée principale D, la sortie du maître qu'on nomme l'entrée QM et qui correspond également à l'entrée de l'esclave, et enfin la sortie de l'esclave notée Q qui constitue la sortie principale de la bascule flip-flop. Cette fois, nous n'allons pas tracer la sortie Q-bar car elle n'est rien d'autre que l'inverse de la sortie Q. Il faut garder à l'esprit qu'en pratique, la sortie d'un composant ne réagit jamais instantanément à son entrée. On observe toujours un léger décalage dans le temps. Appelé délai de propagation, qui correspond au temps nécessaire aux composants, que ce soit une porte logique ou un circuit complet, afin de traiter le signal et produire la sortie. Cependant, pour faciliter la compréhension et éviter de compliquer nos schémas, nous allons supposer ici que nos composants fonctionnent de manière idéale, c'est-à-dire qu'ils réagissent immédiatement et sans retard. Pour tracer le signal de la sortie QM, il suffit d'observer 2 éléments: le signal d'horloge inversée et l'entrée D. En effet, comme le mètre est commandé par l'horloge inversée, son comportement dépend directement de ces 2 signaux. Lorsque l'horloge inversée est à 1, le mètre est transparent et QM copie la valeur de D. Et lorsqu'elle est à 0, le mètre se bloque et QM conserve sa valeur précédente. Au départ, CLK barre vaut 1, donc le mètre est actif et sa sortie QM copie directement la valeur de D. Comme D vaut 1, Qm prend la valeur 1. Lorsque CLK barre repasse à 0, le mètre se bloque, Qm conserve alors son état précédent et reste à 1. Plus tard, quand CLK barre égal à 1, le mètre est à nouveau transparent, et puisque D vaut 0, Qm prend la valeur 0. Ensuite, lorsque CLK barre revient à 0, le mètre se bloque et Qm garde cette valeur, même si D change entre-temps. Enfin, lors d'un nouveau passage de CLK barre à 1, il se trouve que D vaut 1 aussi, donc QM repasse à 1. Et quand CLK barre redescend à 0, le maître se bloque à nouveau et QM conserve cette valeur en mémoire. Pour tracer le signal de la sortie principale Q, nous allons nous concentrer sur 2 signaux qui commandent directement l'esclave: l'horloge CLK et la sortie du maître QM. Ce sont eux qui déterminent le comportement de l'esclave et par conséquent, la valeur finale de la sortie Q de la bascule des flip-flops. Au départ, CLK= 0, ce qui signifie que l'esclave est bloqué. Il garde en sortie la dernière valeur qu'il avait. Comme on ne connaît pas son état initial, on suppose qu'il vaut 0. Lorsque CLK passe à 1, l'esclave devient transparent et copie la valeur de son entrée. Ici, c'est 1. Donc la sortie Q prend la valeur 1. Quand CLK redescend à 0, l'esclave se bloque à nouveau et mémorise la dernière valeur, c'est-à-dire 1. La sortie Q reste donc à 1. Ensuite, quand CLK repasse à 1, l'entrée QM vaut 0. L'esclave copie cette valeur et la sortie Q devient 0. Au retour de CLK à 0, l'esclave se bloque et conserve cette valeur, Donc Q reste à 0. Enfin, lors d'un nouveau passage de CLK à 1, l'entrée QM vaut cette fois 1. L'esclave copie cette valeur et la sortie Q repasse à 1. Maintenant, voyons comment notre bascule D flip-flop résultante se comporte. Pour ceci, nous allons nous intéresser au signal d'horloge original CLK et l'entrée D du circuit. À première vue, on remarque que les changements de la sortie Q se produisent uniquement lors des fronts montants de l'horloge. Cependant, examinons plus en détail ce mécanisme pour bien comprendre ce qui se passe à chaque étape. Avant le premier front montant de l'horloge, la bascule des flip-flops reste en état mémoire. Elle conserve sa valeur précédente, que l'on suppose égale à 0. Au moment du premier front montant, la bascule copie l'entrée qui vaut 1 vers la sortie et Q devient 1. Cette valeur est ensuite maintenue en mémoire jusqu'au front montant suivant. À ce moment-là, comme l'entrée est à 0, la sortie Q passe à 0. Encore une fois, la sortie reste figée dans cet état jusqu'au prochain front montant, même si l'entrée D change entre-temps. Lors du front montant suivant, l'entrée vaut 1. La sortie Q reprend donc la valeur 1 et la conserve jusqu'au prochain front montant, et ainsi de suite. Je vous invite à refaire le même raisonnement, mais cette fois en considérant le front descendant de l'horloge. Cela permet de mieux saisir le principe. Il suffit simplement d'intervertir l'application du signal d'horloge, le maître reçoit l'horloge directe tandis que l'esclave reçoit l'horloge inversée. Merci pour votre attention et à la vidéo prochaine.