Bascule RS - Logique séquentielle

Bonjour à tous et bienvenue dans cette nouvelle leçon sur la logique séquentielle. Aujourd'hui, nous allons nous intéresser aux bascules et on commence par la plus simple et la plus fondamentale d'entre elles, à savoir la bascule RS. Dans la première vidéo, nous avons découvert ce que c'est que la logique séquentielle et en quoi il se distingue de la logique combinatoire. Nous avons vu que la logique séquentielle introduit la notion de mémoire, permettant aux circuits de conserver un état et de traiter les informations dans le temps. En réalité, c'est comme si l'on bouclait sur les entrées en ramenant un échantillon de la sortie précédente. La sortie suivante dépend donc à la fois des entrées actuelles et de l'état passé de la sortie. Cette rétroaction est ce qui donne aux circuits séquentiels leur capacité de se souvenir et à évoluer au fil des changements d'entrées. Qu'ils soient synchronisés par une horloge ou simplement déclenchés par les signaux eux-mêmes. Nous allons aborder la notion d'horloge qui est fondamentale à la logique séquentielle dans les prochaines vidéos. Parmi les applications les plus fondamentales de la logique séquentielle, on trouve les bascules. Une bascule est un petit circuit capable de mémoriser un bit, c'est-à-dire une information binaire. Il joue un rôle essentiel dans la construction de registres, compteurs et plus généralement de toute forme de mémoire numérique. Il existe plusieurs variantes de bascules, chacune adaptée à un usage spécifique. J'en cite: la bascule RS, la bascule D, la bascule JK et la bascule T. Ces différents modèles reposent sur le même principe de base, c'est-à-dire conserver un état en fonction des signaux reçus, mais apportent des améliorations ou des simplifications selon les besoins des circuits. Dans cette vidéo, nous allons commencer par la bascule RS, la plus simple et la plus intuitive. Elle permet de comprendre le rôle fondamental des bascules. C'est à partir de la bascule RS que l'on peut ensuite dériver et comprendre les autres modèles plus évolués. La bascule RS, aussi appelée set-reset latch, est l'une des bascules les plus simples et fondamentales en logique séquentielle. Elle est construite à partir de 2 portes NAND ou non ET interconnectées de manière croisée, ce qui lui permet de mémoriser un état binaire. L'entrée S ou set force la sortie principale à 1, tandis que l'entrée R ou reset la remet à 0. Lorsque les 2 entrées sont à 1, la bascule conserve son état précédent grâce à la rétroaction interne. C'est comme si la sortie était réinjectée dans le circuit pour influencer son évolution. En revanche, si les 2 entrées sont mises à 0 simultanément, l'état devient indéfini, ce qui constitue un cas interdit. La bascule RS illustre parfaitement le passage de la logique combinatoire instantanée à la logique séquentielle capable de se souvenir et de gérer le temps. Examinons tout ça de plus près. Nous allons noter la sortie principale Q et la sortie complémentaire Q-barre. Comme d'habitude, nous allons utiliser la table de vérité pour illustrer tous les cas de figure possibles. Puisque nous avons 2 entrées R et S, alors on aura 4 combinaisons possibles. Commençons par le cas où R vaut 0 et S vaut 1. Selon la table de vérité de la porte NAND, si au moins une des entrées vaut 0, alors la sortie vaut systématiquement 1, indépendamment de la valeur de l'autre entrée. Donc on se retrouve avec la sortie Q qui vaut 1. Concernant la deuxième porte NAND, l'une de ses entrées vaut 1, qui correspond à la valeur qu'on a fixée pour S. L'entrée restante étant directement connectée à la sortie de la première porte NAND, alors elle vaut aussi 1. Et selon toujours la table de vérité de la porte NAND, on aura cette fois 0 comme sortie. Donc Q barre vaut 0. Notez que Q et Q barre ne sont que des notations conventionnelles. Ce qui compte, c'est qu'elles représentent normalement deux sorties opposées. Cependant, comme nous allons le voir dans un instant, cette opposition n'est pas toujours garantie. Dans ce premier scénario, on observe que la sortie principale s'active lorsque l'entrée S ou set est à 1 et que l'entrée R ou reset reste à 0. Ce comportement correspond exactement à ce que l'on attend de la bascule RS. Passons maintenant au cas où R est mise à 1 et S est mise à 0. Dans ce cas, la deuxième porte NAND se retrouve avec une entrée qui vaut 0. Donc la sortie qui correspond à Q barre sera forcée à 1, toujours selon la table de vérité de la porte NAND. Pour la première porte NAND, ses deux entrées sont à l'état logique 1. Ces entrées correspondent d'une part à la valeur actuelle de R, et d'autre part à la sortie complémentaire Q barre qui est reliée directement à l'autre entrée. Par conséquent, la sortie Q sera mise à 0. Ici encore, on remarque que la sortie principale se désactive dès que l'entrée reset est activée, tandis que l'entrée set reste désactivée. Ce comportement illustre parfaitement la fonction de remise à 0 de la bascule RS. Lorsque les 2 entrées R et S sont à 1, le comportement des portes NAND dépend alors des valeurs précédemment mémorisées par les sorties. Autrement dit, on doit tenir compte de l'état antérieur de Q et de Q'. Supposons que l'on se trouve juste dans le cas précédent, où Q valait 0 et Q' valait 1. Dans cette situation, la première porte NAND reçoit 2 entrées à 1, R et Q', ce qui force sa sortie à 0, qui est une valeur identique à celle qu'elle avait déjà. Quant à la deuxième porte NAND, elle reçoit comme entrée 0, qui correspond à la valeur de Q, et 1, qui correspond à la valeur de S. Ce qui conduit sa sortie à 1. Là encore, une valeur conforme à son état précédent. Ainsi, lorsque les 2 entrées R et S sont à 1, les sorties ne changent pas et conservent en mémoire les valeurs qu'ils avaient auparavant. Autrement dit, la bascule maintient son état précédent. Bien entendu, le même raisonnement s'applique si l'on considère que les valeurs antérieures de Q et de Q-barre étaient respectivement 1 et 0. Je vous encourage à refaire ce raisonnement par vous-même pour bien assimiler le principe. Voyons maintenant ce qui se passe lorsque R et S sont toutes les deux mises à 0. Comme nous l'avons déjà expliqué, une porte NAND produit toujours une sortie à 1 dès qu'au moins une de ses entrées est à 0. Dans ce cas précis, nos deux portes NAND se retrouvent donc avec des sorties égales à 1. On obtient alors Q égal à 1. Et Q barre égal à 1 simultanément. Ce comportement est contre-intuitif car en logique, on attend normalement que les 2 sorties soient complémentaires. C'est pour cette raison qu'on qualifie cette situation d'état invalide, parfois même appelé état interdit, puisqu'elle brise la règle fondamentale de la complémentarité entre Q et Q barre. La bascule RS a des usages pratiques très variés dans les circuits numériques. Il peut servir de mémoire élémentaire capable de stocker un seul bit d'information, mais elle est aussi utilisée comme brique de base pour construire des registres qui conservent plusieurs bits en parallèle. On la retrouve dans les compteurs qui permettent de suivre le nombre d'impulsions ou d'événements, ainsi que dans les automates logiques pour gérer différents états. Elle est également utile pour la synchronisation des signaux ou pour détecter et maintenir un événement bref, comme l'appui sur un bouton-poussoir. En résumé, la bascule RS illustre parfaitement comment un principe simple peut être décliné dans de nombreuses applications essentielles de l'électronique numérique. Nous aurons l'occasion de concevoir des architectures pratiques basées sur les bascules et plus largement sur d'autres circuits séquentiels une fois que nous aurons bien maîtrisé les fondements essentiels. Merci pour votre attention et à la vidéo prochaine.