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Composants avec Sorties 3 États (Tri-State) ; Buffer Bidirectionnel :
Dans cette pratique, nous allonsexaminer les mémoires. Elles ont une grande importance en électronique numériqueet sont très utilisées dans les systèmes à microprocesseurs.
Dans les expériences précédentes,vous avez déjà utilisé divers composants pour mémoriser des données. Leplus simple est la bascule qui permet d'enregistrer un seul bit ; unexemple a été donné dans la pratique précédente dans laquelle une bascule aété utilisée pour conserver la retenue.
Puisqu'une bascule ne peut mémoriserqu'un seul bit, lorsqu'elle est utilisée comme mémoire, on dit qu'elle a unecapacité de 1 bit.
Les registres à décalages examinésprécédemment permettent d'enregistrer une série de bits dont le nombre dépenddu nombre d'étages.
Les bascules sont également utiliséescomme diviseurs, convertisseurs série-parallèle ou parallèle-série, ou commeéléments de comptage.
Il existe par contre des composantsuniquement utilisés pour conserver des données et qui, par conséquent,prennent le nom de mémoires.
Dans les exercices prévus danscette pratique, vous allez expérimenter une mémoire permettant de mémoriserplusieurs milliers de bits.
Vous savez qu'il existe de nombreuxtypes de mémoires, différentes entre elles selon l'usage auquel elles sontdestinées. Toutes sont caractérisées par leur capacité définie par lenombre de bits qu'elles peuvent contenir, par leur temps d'accès (temps nécessairepour lire ou écrire l'information).
Il existe, en outre, des mémoires detype RAM (Random Access Memories)ou mémoires à accès aléatoire, ROM (ReadOnly Memories) ou mémoires n'autorisant que la lecture, PROM (Programmable Read Only Memories) ou mémoiresprogrammables à lecture autorisée seule, les EPROMou UVPROM mémoires programmables à lectureautorisée uniquement, effaçables par ultra-violets, EAROMou mémoires PROM effaçables électriquement.
Ces mémoires peuvent être de typestatique ou dynamique et perdre l'information en l'absence d'alimentation (mémoiresvolatiles) ou la conserver (mémoires permanentes).
Nous ne pourrons expérimenterchaque catégorie de mémoires ; les EPROMpar exemple, nécessitent un équipement spécial pour être programmées ;les mémoires dynamiques doivent être générées par des circuits dits de "rafraîchissem*nt" assez complexes.
Nous utiliserons pour nos expériencesune mémoire statique dont la capacité est 2kilo-octets soit 2 x 8 x 1024 = 16 384 bits exactement.
Avec cette mémoire, vous allezutiliser deux autres circuits intégrés ; un compteur à douze étageset un buffer bidirectionnel TRI-STATE.Puisque ce dernier composant est tout nouveau, avant de vérifier pratiquementson fonctionnement, il convient de l'étudier au préalable.
1. - COMPOSANTSAVEC SORTIES TROIS ÉTATS (TRI-STATE)
La figure 1 représente un exemplede raccordements réalisés entre cinq composants échangeant les données entreeux.
La flèche indique sur le schéma lesens de l'information (émetteur ou récepteur).
Nous pouvons voir sur cette figurela complexité et la structure anarchique du montage. En effet, le nombre desconducteurs de liaisons croît rapidement avec la complexité du circuit. Commevous pouvez le remarquer dans la figure 1, nous avons besoins de 20conducteurs pour cinq composants.
En général, pour un nombre nde composants, il faut un nombre de liaisons N = n(n - 1).
Il en résulte que le nombre deconducteurs croît avec l'augmentation du nombre de composants ce qui élève lecoût des systèmes d'une manière inacceptable.
Ce problème est typique des mémoiresde micro-ordinateurs dans lesquels on utilise de nombreux boîtiers de mémoiresintégrées afin de disposer d'une mémoire importante.
Chaque circuit de mémoire contientune partie des données qui servent au micro-ordinateur et il est nécessaire depouvoir "lire"ou "écrire"ces données dans une mémoire indépendamment des autres mémoires.Habituellement, c'est l'unité centraledecalcul, c'est-à-dire l'élément essentiel du micro-ordinateur qui utilise cesboîtiers mémoires et doit donc communiquer avec chacun d'eux.
Dans ce cas, la liaison entre l'unitécentrale et chaque circuit de mémoire nécessite pour les raisons exposées précédemmentun nombre excessif de conducteurs.
C'est pourquoi, afin de réduire lenombre de liaisons, il a été imaginé un autre système n'utilisant qu'uneseule liaison pour mettre en communication entre eux tous les composants (figure2).
Chacun des circuits de mémoire quise présente à cette ligne commune de liaison avec l'unité centrale peuttransmettre et recevoir des données de l'un des autres circuits ; cetteligne est généralement appelée en anglais bus (figure 3).
Sur cette ligne, plusieurs circuitsde mémoire ne peuvent transmettre des données simultanément ; siplusieurs circuits cherchaient à le faire, il y aurait mélange desinformations ce qui les rendraient inexploitables par le circuit récepteur. Parcontre, plusieurs circuits de mémoire peuvent recevoir et utiliser les donnéestransmises par un émetteur unique.
Voyons qu'elle est la techniqueutilisée pour parvenir à ce résultat. Nous supposerons pour la commodité denotre étude que nous voulons prélever avec un unique conducteur les niveauxfournis par deux inverseurs.
Si on réalisait simplement leraccordement en parallèle des deux sorties, comme on le voit dans la figure 4,en sortie on ne pourrait obtenir aucun signal utile. En effet, si la sortie del'inverseur A est à1,et la sortie de l'inverseur B à0par exemple, l'état sera 0 enTTL,et indéterminé mais généralement pris en compte comme un 1(4 V pour une alimentation 5V) en technologie MOS.
Nous avons vu dans la théoriedigitale 11 comment un multiplexeur permet de transmettre des signaux issus deplusieurs sources à travers une seule ligne (figure 5).
Cependant, il existe des composantsparticuliers appelés TRI-STATE, aveclesquels il est possible d'obtenir le même résultat qu'avec un multiplexeur.Ces composants présentent la particularité de posséder outre un état bas etun état haut, un état dit "hauteimpédance".
La figure 6-a présente le symboled'un circuit de ce type : il s'agit d'un buffer inverseur TRI-STATEqui, outre les classiques entrée et sortie, comporte une entrée de validationrepérée dans la figure 6-a par la lettre E,initiale du mot anglais ENABLE qui signifieprécisément valide.
Lorsque le niveau de l'entrée Eest haut, le composant se comporte comme un inverseur normal, c'est-à-dire quesa sortie donne toujours un niveau complémentaire de celui qui est appliqué àson entrée.
Par contre, lorsque le niveau de E est bas, la sortie se met à l'état appelé "hauteimpédance".
Dans ces conditions, le circuit secomporte comme si sa sortie était connectée au point milieu d'un pont diviseurconstitué de deux résistances de très fortes valeurs comme cela est représentéschématiquement à la figure 6-b.
En pratique, lorsque la sortie dubuffer inverseur est à l'état "hauteimpédance",celle-ci est virtuellement isolée vis-à-vis de la masse et de la tension d'alimentation.
En utilisant desbuffers inverseurs de type TRI-STATE, il estpossible d'atteindre le but que nous nous étions fixés précédemment, àsavoir, relier les deux sorties entre elles comme représenté figure4 ; il suffit, en effet, que l'un des deux inverseurs se trouve à l'état"haute impédance"pour pouvoir lire leniveau disponible en sortie de l'autre inverseur TRI-STATE.
En procédant ainsi, les signaux délivréspar chacun des TRI-STATE ne peuvent sesuperposer ni s'influencer mutuellement (figure 7).
Du point de vue structure, uncomposant avec sortie trois états n'est pas plus complexe qu'un composant classique.
La figure 8 représente le schémade principe du circuit permettant de transformer un circuit CMOSstandard en un circuit de type TRI-STATE.
Comme nous pouvons le voir, ilcomprend simplement deux transistors MOSreliés en série aux deux bornes d'alimentation (plus et masse).
Lorsque l'entrée de validation E est portée au niveau bas, les deux transistorsMOSsont bloqués. Ils se comportent alors comme des résistances de valeurs extrêmementélevées (ROFF= 1012MW)et le circuit CMOS se trouve en conséquenceisolé de l'alimentation et donc isolé des autres circuits.
On trouve dans le commerce, outreles buffers précités, des portes, des bascules, des registres, des décodeurset des multiplexeurs possédant un troisième état haute impédance.
Dans la figure 9, on peut voir leschéma de principe d'un inverseur TRI-STATEde type CMOS.
Pour les composants de technologie T.T.L.,la configuration des TRI-STATE est différentede celle des circuits MOS.
La figure 10 représente le schémaélectrique d'une porte NAND T.T.L. TRI-STATE.
La partie du circuit marquée encouleur bleue est celle qui, ajoutée au circuit de la porte NANDclassique, la transforme en porte à trois états.
Lorsque l'entrée de validation Ese trouve au niveau haut, la sortie de la porte se met à l'état haute impédance,tandis que lorsque E est au niveau bas, ellefonctionne normalement.
Il est très facile avec des TRI-STATEde constituer des circuits autour de lignes bus, il suffit en effet, que tousles circuits ayant accès au bus soient de type TRI-STATE.
En les validant au bon moment, onfait en sorte qu'un seul transmette à la fois et que les autres circuits soientà l'état "hauteimpédance" (figure 11).
Si par contre, les composants utilisésne sont pas de type TRI-STATE, il est nécessaired'interposer entre-eux et le bus, des buffers de type TRI-STATE.
1. 1. - BUFFERBIDIRECTIONNEL
Lorsque la sortie d'un circuit doitcommander un nombre élevé d'autres circuits, la puissance utile du signal decommande peut être insuffisante pour garantir une transmission correcte desdonnées. Ce problème peut se résoudre en intercalant entre la sortie ducircuit de commande et les entrées des circuits commandés un buffer qui permetd'amplifier la puissance du signal de commande.
Dans le cas où le buffer est reliéau bus, on appelle ce circuit "circuit de pilotage debus" ou en anglais "BUSDRIVER" (figure 12).
Cependant,il arrive aussi qu'un circuit transmettant des données doit également enrecevoir, comme nous l'avons vu précédemment dans l'exemple de la figure3.
Il est donc nécessaire que le"driver de bus" autorise le passage de l'information dans les deuxsens. On utilise alors des composants contenant deux buffers de type TRI-STATE reliés comme indiqué figure 13-a.
Lorsque l'entréeD (initiale de direction) est à un niveau bas, le premier buffer estvalidé et le second est "hauteimpédance",le signal peut alors être acheminé dans la direction de haut en bas.
Lorsque par contre l'entrée Dest à un niveau haut, la situation s'inverse : le buffer 1 est "hauteimpédance",et le buffer 2 est validé ; lesignal peut être acheminé de bas en haut.
En raison de cette caractéristique,on appelle ce type de buffer : "bufferbidirectionnel" ou "driver de busbidirectionnel" ou encore "transceiver",terme formé par la contraction de l'expression anglaise :transmitter-receiver (émetteur-récepteur).
On utilise quelquefois pour cecircuit le symbole graphique représenté figure 13-b.
Après cette explication théorique,vous pouvez préparer le matériel et effectuer le premier exercice au coursduquel vous allez vérifier pratiquement le fonctionnement du bufferbidirectionnel TRI-STATE.
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