بافر منطقی و اصول کاری آن - بخش آخر

کنترل بافر سه حالته

تا این قسمت متوجه شدیم که یک بافر می‌تواند منجر به تقویت جریان در یک مدار دیجیتال شود و همچنین می‌تواند به منظور معکوس کردن ورودی به کار گرفته شود. همچنین دیدیم که بافر‌های دیجیتال در انواع سه حالته نیز وجود دارند که این امکان را فراهم می‌آورند که خروجی به صورت موثری قطع شود و شرایط امپدانس بالا، که معادل با مدار باز است، فراهم شود.

بافر سه حالته، در مدارات الکترونیکی و میکروپروسسوری فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا به چندین گیت منطقی اجازه می‌دهد تا به یک سیم یا ترمینال متصل شوند، بدون این که خطری ایجاد شود و یا منجر به از دست رفتن داده‌ها شود. به عنوان مثال فرض کنید که یک خط یا باس داده به تعدادی حافظه، لوازم جانبی (Peripherals) و CPU و پورت‌های ورودی و خروجی (I/O) متصل است. هر کدام از این ادوات قادر به دریافت و یا ارسال داده به دیگری از طریق این خط داده به صورت همزمان هستند. این روش منجر به مشکلی در تبادل داده می‌شود که به پدیده مجادله یا contention مشهور است. مشکل contention زمانی اتفاق می‌افتد که چند وسیله به یکدیگر متصل شوند و بعضی از آن‌ها بخواهند که خروجی خود را به حالت HIGH و بعضی به حالت LOW درایو کنند. اگر این ادوات در یک زمان بخواهند که داده ارسال و یا دریافت کنند، ممکن است منجر به ایجاد مدار اتصال کوتاه شود. در واقع اگر یکی از ادوات به باس، سطح یک منطقی (ولتاژ تغذیه) را بفرستد، اما وسیله دیگری در سطح صفر منطقی یا زمین تنظیم شود، اتصال کوتاه به وجود می‌آید و مدار آسیب دیده و منجر به از دست رفتن داده‌ها می‌شود.

داده‌های دیجیتالی در طول خط داده یا گذرگاه داده به صورت سریال یا موازی ارسال می‌شوند. در انتقال سریال، یک بیت در هر زمان ارسال می‌شود. البته امکان دارد هشت و یا تعداد بیشتر سیم وجود داشته باشد و در نتیجه داده‌ها به صورت موازی منتقل شوند. مثلا باس داده در یک میکروپروسسور که به چندین بافر سه حالته اجازه می‌دهد که بدون آسیب و یا از دست رفتن داده‌ها به گذرگاه داده متصل شوند. نمایی از این روش انتقال داده در تصویر زیر نشان داده شده است.

کنترل گذرگاه داده با بافر سه حالته

بنابراین می‌توان از یک بافر دیجیتالی سه حالته برای ایزوله کردن ادوات و مدار‌ها از یکدیگر و نیز از گذرگاه داده استفاده کرد. اگر خروجی چند بافر سه حالته به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل شده باشند، از دیکودر‌ها (Decoder) برای تنظیم و کنترل استفاده می‌شود تا در هر زمان فقط یکی از بافر‌های سه حالته فعال باشد و بقیه بافر‌ها در حالت امپدانس بالا باشند. مثالی از بافر‌های سه حالته در شکل زیر دیده می‌شود که به یک گذرگاه داده چهار سیمی متصل شده‌اند.

کنترل بافر سه حالته

این مثال ساده نشان می‌دهد که چگونه یک دیکودر باینری می‌تواند برای کنترل تعدادی از بافر‌های سه حالته هم به صورت منفرد و هم به صورت جمعی مورد استفاده قرار گیرد. دیکودر می‌تواند خروجی مناسب را متناظر با ورودی باینری انتخاب کند و فقط به یکی از مجموعه داده‌ها اجازه دهد تا منطق صفر و یا منطق یک خروجی را به گذرگاه داده منتقل کنند. در این زمان، سایر بافر‌های سه حالته متصل به گذرگاه داده از طریق قرار گرفتن در حالت امپدانس بالا، غیرفعال می‌شوند؛ بنابراین مثلا داده‌های موجود در مجموعه داده A فقط زمانی می‌توانند به گذرگاه عمومی منتقل شوند که یک سیگنال فعال‌سازی HIGH به پایه Enable بافر‌های سه حالته متناظر اعمال شود. در تمام زمان‌های دیگر، بافر امپدانس بسیار بالایی را از خود نشان می‌دهد و به صورت موثری از گذرگاه داده ایزوله می‌شود.

به صورت مشابه، مجموعه داده‌های B فقط زمانی به گذرگاه داده ارسال می‌شوند که سیگنال فعال‌سازی به پایه EN B اعمال شود. مثال بسیار خوبی از اتصال چند بافر سه حالته به یکدیگر برای کنترل مجموعه داده‌ها، آی‌سی بافر TTL ۷۴۲۴۴ Octal است.

همچنین ممکن است که بافر‌های سه حالته را به صورت پشت به پشت به یکدیگر متصل کرد. در این حالت، مداری تولید می‌شود که بافر دو جهته (Bi-directional Buffer) نام دارد. در این مدار یک بافر Active-High به صورت موازی، اما معکوس به یک بافر Active-Low دیگر متصل می‌شود. در این نوع بافر، ورودی کنترلی Enable بیشتر شبیه یک سیگنال کنترلی جهت‌دار عمل می‌کند و این امکان را فراهم می‌کند که هم داده‌ها را به یک سیم انتقال داده واحد منتقل کرد و هم از آن داده‌ها را خواند. در این کاربردها، بافر‌های دیجیتال سه حالته با توانایی کلید‌زنی دو جهته مانند آی‌سی TTL ۷۴۲۴۵ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همان‌طور که گفتیم یک بافر سه حالته، وسیله‌ای غیر معکوس‌کننده (Non-Inverting) است و خروجی را تولید می‌کند که دقیقا با مقدار ورودی برابر است. این خروجی فقط زمانی تولید می‌شود که سیگنال کنترلی اعمالی به پایه Enable دارای مقدار HIGH باشد، در غیر این صورت خروجی بافر به وضعیت امپدانس بالا تغییر می‌یابد. خروجی‌های سه حالته در بسیاری از مدارت مجتمع (Integrated Circuits) و سیستم‌های دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند و کاربرد آن‌ها محدود به بافر‌های سه حالته نیست.

هم بافر‌های دیجیتال و هم بافر‌های سه حالته به جای گیت‌های منطقی معمولی می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند تا تقویت جریان مناسب را برای درایو بار‌های بزرگ (مانند رله‌ها، لامپ‌ها و ترانزیستور‌های قدرت) فراهم کنند. به علاوه یک بافر می‌تواند منجر به ایجاد ایزولاسیون الکتریکی بین دو و یا تعداد بیشتری مدار شود.

همان‌طور که در قسمت‌های قبل توضیح دادیم، اگر چند وسیله سه حالته به یکدیگر متصل شوند، می‌توانند یک گذرگاه داده تشکیل دهند. در این شرایط تا زمانی که در هر لحظه فقط یکی از ادوات فعال باشند، مشکلی وجود نخواهد داشت. گذرگاه‌های سه حالته به چندین وسیله دیجیتالی اجازه می‌دهند که از یک خط، هم داده بخوانند و هم به آن داده منتقل کنند. این کار با استفاده از سیگنال‌های I/O و کدگشایی آدرس‌ها امکان پذیر است.

بافر‌های سه حالته در فرم مجتمع مانند دو تایی (Quad)، شش تایی (Hex) و هشت تایی (Octal) و در هر دو فرم تک جهته و دو جهته وجود دارند. متداول‌ترین نوع این آی‌سی‌ها TTL ۷۴۲۴۰ و TTL ۷۴۲۴۴ و TTL ۷۴۲۴۵ هستند. در شکل زیر نمایی از مدار داخلی بافر دیجیتال ۷۴LS۰۷ دیده می‌شود.

بافر دیجیتال ۷۴LS۰۷

در شکل زیر نمایی از آی‌سی بافر سه حالته هشت تایی TTL ۷۴۲۴۴ نشان داده شده است.

بافر سه حالته هشت تایی ۷۴LS۲۴۴

متداول‌ترین آی‌سی‌های بافر دیجیتال و بافر سه حالته TTL و CMOS به صورت زیر هستند.

TTL

بافر غیر معکوس‌کننده شش تایی ۷۴LS۰۷
بافر/درایور شش تایی ۷۴LS۱۷
بافر/درایور خط هشت تایی ۷۴LS۲۴۴
بافر دو جهته هشت تایی ۷۴LS۲۴۵

CMOS

بافر غیر معکوس‌کننده شش تایی CD۴۰۵۰
بافر سه حالته شش تایی CD۴۵۰۳
بافر سه حالته هشت تایی HEF۴۰۲۴۴