Cours 5 : Bascules, Registres, Compteurs, Mémoires

Ce cours aborde les composants fondamentaux de la logique séquentielle : les bascules, registres, compteurs et mémoires. Il s’inscrit dans un enseignement d’électronique numérique, où ces éléments sont essentiels pour la conception de circuits capables de stocker et manipuler des informations en fonction d’un signal d’horloge.

Les bascules : principes et types

Une bascule est un circuit électronique capable de mémoriser un état binaire. On distingue deux grandes catégories : les bascules asynchrones, dont la sortie réagit immédiatement à un changement des entrées, et les bascules synchrones, qui ne modifient leur sortie qu’en présence d’un signal d’horloge actif.

Bascule RS asynchrone

La bascule RS (Reset-Set) asynchrone est la plus simple. Elle possède deux entrées, R (Reset) et S (Set), et deux sorties complémentaires Q et Q̅. La sortie Q passe à 1 lorsque S=1 et R=0, et à 0 lorsque R=1 et S=0. L’état R=0 et S=0 maintient la mémoire (Q reste inchangé). L’état R=1 et S=1 est interdit car il crée une condition instable.

R	S	Q(t)	Q(t+1)	Fonction
0	0	Q0	Q0	Mémoire
0	1	Q0	1	Mise à 1
1	0	Q0	0	Mise à 0
1	1	-	-	Interdit

Bascule synchrone RS T

La bascule synchrone RS fonctionne uniquement lorsque le signal d’horloge est actif. Elle intègre un signal d’horloge qui contrôle le moment où la sortie peut changer. Par exemple, un latch RS déclenché sur niveau haut ou bas ne modifie sa sortie que lorsque le signal d’horloge est à l’état actif. En l’absence de ce signal, la sortie conserve son état.

Bascule JK et bascule T (Toggle)

La bascule JK est une amélioration de la bascule RS qui élimine l’état interdit. Elle possède deux entrées J et K et réagit au front actif de l’horloge. Son comportement est résumé dans la table suivante :

J	K	Q(t+1)	Fonction
0	0	Q(t)	Mémoire
0	1	0	Reset
1	0	1	Set
1	1	¬Q(t)	Inversion (Toggle)

La bascule T est une bascule JK avec J=K=1, elle change d’état à chaque front actif d’horloge, ce qui la rend utile pour les compteurs.

Bascule D

La bascule D (Data ou Delay) possède une seule entrée de donnée D et une entrée d’horloge. Sur front actif de l’horloge, la sortie Q prend la valeur de D. Elle est souvent utilisée pour synchroniser des données. Elle peut être asynchrone avec des entrées Set et Reset permettant de forcer la sortie à 1 ou 0 indépendamment de l’horloge.

Fonctionnement :

• Quand le signal d’horloge est actif, Q = D (écriture)
• Quand le signal est inactif, Q conserve son état (mémoire)

Contraintes temporelles des bascules

Pour assurer un fonctionnement correct, il faut respecter :

• Setup time (tsetup) : le temps minimal pendant lequel l’entrée D doit rester stable avant l’arrivée du front actif d’horloge.
• Hold time (thold) : le temps minimal pendant lequel l’entrée D doit rester stable après le front actif d’horloge.
• Propagation time : délai entre l’apparition du front actif d’horloge et la modification effective de la sortie Q.

Les registres

Un registre est un ensemble de bascules permettant de stocker plusieurs bits simultanément. Il existe plusieurs types :

• Registre parallèle : toutes les bascules sont chargées simultanément par des entrées parallèles.
• Registre à décalage (shift register) : les données sont transférées bit par bit, soit vers la droite, soit vers la gauche, à chaque impulsion d’horloge.
• Registre universel : capable de réaliser plusieurs fonctions comme la mémoire, le décalage à droite ou à gauche, et le chargement parallèle, contrôlé par des signaux de sélection.

Exemple : un registre 4 bits actif sur front d’horloge avec clear asynchrone à niveau bas peut être configuré pour charger les données en parallèle ou en série selon les signaux de contrôle.

Les compteurs

Les compteurs sont des circuits séquentiels capables de compter des impulsions d’horloge. Ils peuvent être configurés pour compter vers le haut (compteur) ou vers le bas (décompteur).

Compteur 4 bits

Un compteur 4 bits compte de 0 à 15 (modulo 16) avec des signaux de commande :

• Enable (En) : active le comptage.
• Reset (Raz) : remet le compteur à zéro de manière synchrone.
• Fin de comptage (FC) : signal indiquant la fin du cycle de comptage.

Il existe aussi des compteurs modulo 10, qui se réinitialisent après avoir atteint 9, utilisés dans les applications décimales.

Décompteurs et diviseurs de fréquence

Les décompteurs fonctionnent de manière inverse aux compteurs, décrémentant la valeur à chaque impulsion. Les compteurs peuvent aussi servir de diviseurs de fréquence en exploitant la bascule T qui change d’état à chaque impulsion, divisant ainsi la fréquence d’horloge par 2 à chaque étage.

Compteurs d’événements et compteurs de temps

Un compteur d’événements sert à mesurer la fréquence d’un signal en comptant le nombre d’impulsions reçues. Un compteur de temps mesure la durée d’un événement en comptant le nombre d’impulsions d’horloge pendant cet intervalle.

Automate à états et logique séquentielle

Un automate à états utilise des compteurs et des variables de contrôle pour gérer des séquences complexes. Par exemple, un compteur qui compte par 1, 2, 3 ou 4 à chaque impulsion d’horloge selon une variable de contrôle V1 et V2. L’état présent et l’état futur sont déterminés par des fonctions logiques combinatoires, et la sortie est pilotée par une bascule D synchronisée à l’horloge.

Les mémoires

Les circuits mémoire sont des ensembles de cellules capables de stocker des données. Ils sont organisés en mots et octets, avec des adresses permettant l’accès aux données.

Un exemple de circuit mémoire 1 Mo est constitué d’un million de mots de 32 bits. Chaque mot est accessible via une adresse (20 bits pour 1 Mo), un signal de sélection (CS) et un signal de lecture/écriture (R/W). Les données sont réparties sur 4 octets (8 bits chacun).

Banc mémoire

Un banc mémoire regroupe plusieurs circuits mémoire identiques, organisés en parallèle pour augmenter la capacité ou la largeur des données. Chaque circuit est contrôlé par des signaux d’adresse, de sélection et de commande, permettant un accès coordonné aux données.

Points clés

• Les bascules sont les éléments de base pour stocker un bit, avec des variantes asynchrones (RS) et synchrones (RS, JK, D, T).
• Les bascules synchrones changent d’état uniquement sur un signal d’horloge actif, permettant une meilleure maîtrise temporelle.
• Les registres permettent de stocker plusieurs bits et peuvent fonctionner en mode parallèle ou série (décalage).
• Les compteurs comptent les impulsions d’horloge, avec des fonctions de comptage, décomptage, division de fréquence et mesure de temps ou d’événements.
• Les contraintes temporelles (setup, hold, propagation) sont essentielles pour garantir un fonctionnement fiable des bascules et registres.
• Les mémoires sont organisées en mots et octets, avec des circuits de sélection et de commande pour accéder aux données.