کنترل بافر سه حالته

کنترل بافر سه حالته:
تا این قسمت متوجه شدیم که یک بافر می تواند منجر به تقویت جریان در یک مدار دیجیتال شود و همچنین می تواند 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 می آورند 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 می گیرد؛ زیرا به چندین گیت منطقی اجازه می دهد تا به یک سیم یا ترمینال متصل شوند، بدون این که خطری ایجاد شود و یا منجر به از دست رفتن داده ها شود.

به عنوان مثال فرض کنید که یک خط یا باس داده به تعدادی حافظه، لوازم جانبی (Peripherals) و CPU و پورت های 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 می شود که به پدیده مجادله یا contention مشهور است.

مشکل contention زمانی اتفاق می افتد که چند وسیله به یکدیگر متصل شوند و بعضی از آن ها 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 می آید و مدار آسیب دیده و منجر به از دست رفتن داده ها می شود.

داده های دیجیتالی در طول خط داده یا گذرگاه داده به صورت سریال یا موازی ارسال می شوند. در انتقال سریال، یک بیت در هر زمان ارسال می شود. البته امکان دارد هشت و یا تعداد بیشتر سیم وجود داشته باشد و در نتیجه داده ها به صورت موازی منتقل شوند.

مثلا باس داده در یک میکروپروسسور که به چندین بافر سه حالته اجازه می دهد که بدون آسیب و یا از دست رفتن داده ها به گذرگاه داده متصل شوند. نمایی از این روش انتقال داده در تصویر زیر نشان داده شده است.

بنابراین می توان 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 می شود 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 می شود که به یک گذرگاه داده چهار سیمی متصل شده اند.

این مثال ساده نشان می دهد که چگونه یک دیکودر باینری می تواند برای کنترل تعدادی از بافرهای سه حالته هم به صورت منفرد و هم به صورت جمعی مورد استفاده قرار گیرد.

دیکودر می تواند خروجی مناسب را متناظر با ورودی باینری انتخاب کند و فقط به یکی از مجموعه داده ها 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 می شوند.

بنابراین مثلا داده های موجود در مجموعه داده A فقط زمانی می توانند به گذرگاه عمومی منتقل شوند که یک سیگنال فعال سازی HIGH به پایه Enable بافرهای سه حالته متناظر اعمال شود. در تمام زمان های دیگر، بافر امپدانس بسیار بالایی را از خود نشان می دهد و به صورت موثری از گذرگاه داده ایزوله می شود.

به صورت مشابه، مجموعه داده های B فقط زمانی به گذرگاه داده ارسال می شوند که سیگنال فعال سازی به پایه EN B اعمال شود. مثال بسیار خوبی از اتصال چند بافر سه حالته به یکدیگر برای کنترل مجموعه داده ها، آی سی بافر TTL 74244 Octal است.

همچنین ممکن است که بافرهای سه حالته را به صورت پشت به پشت به یکدیگر متصل کرد. در این حالت، مداری تولید می شود 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 می شود.

در این نوع بافر، ورودی کنترلی Enable بیشتر شبیه یک سیگنال کنترلی جهت دار عمل می کند و اینامکان را فراهم می کند که هم داده ها را به یک سیم انتقال داده واحد منتقل کرد و هم از آن داده ها را خواند. در این کاربردها، بافرهای دیجیتال سه حالته با توانایی کلید زنی دو جهته مانند آی سی TTL 74245 مورد استفاده قرار می گیرند.

همان طور که گفتیم یک بافر سه حالته، وسیله ای غیر معکوس کننده (Non-Inverting) است و خروجی را تولید می کند که دقیقا با مقدار ورودی برابر است.

این خروجی فقط زمانی تولید می شود که سیگنال کنترلی اعمالی به پایه Enable دارای مقدار HIGH باشد، در غیر این صورت خروجی بافر به وضعیت امپدانس بالا تغییر می یابد. خروجی های سه حالته در بسیاری از مدارت مجتمع (Integrated Circuits) و سیستم های دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرند و کاربرد آن ها محدود به بافرهای سه حالته نیست.

هم بافرهای دیجیتال و هم بافرهای سه حالته به جای گیت های منطقی معمولی می توانند مورد استفاده قرار گیرند تا تقویت جریان مناسب را برای درایو بارهای بزرگ (مانند رله ها، لامپ ها و ترانزیستورهای قدرت) فراهم کنند. به علاوه یک بافر می تواند منجر به ایجاد ایزولاسیون الکتریکی بین دو و یا تعداد بیشتری مدار شود.

همان طور که در قسمت های قبل توضیح دادیم، اگر چند وسیله سه حالته به یکدیگر متصل شوند، می توانند یک گذرگاه داده تشکیل دهند. در این شرایط تا زمانی که در هر لحظه فقط یکی از ادوات فعال باشند، مشکلی وجود نخواهد داشت.

گذرگاه های سه حالته به چندین وسیله دیجیتالی اجازه می دهند که از یک خط، هم داده بخوانند و هم به آن داده منتقل کنند. این کار با استفاده از سیگنال های I/O و کدگشایی آدرس ها 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. متداول ترین نوع این آی سی ها TTL 74240 و TTL 74244 و TTL 74245 هستند. در شکل زیر نمایی از مدار داخلی بافر دیجیتال 74LS07 دیده می شود.

در شکل زیر نمایی از آی سی بافر سه حالته هشت تایی TTL 74244 نشان داده شده است.

متداول ترین آی سی های بافر دیجیتال و بافر سه حالته TTL و CMOS به صورت زیر هستند.

TTL:

• بافر غیر معکوس کننده شش تایی 74LS07.
• بافر/درایور شش تایی 74LS17.
• بافر/درایور خط هشت تایی 74LS244.
• بافر دو جهته هشت تایی 74LS245.

CMOS:

• بافر غیر معکوس کننده شش تایی CD4050.
• بافر سه حالته شش تایی CD4503.
• بافر سه حالته هشت تایی HEF40244.