Logischer Entwurf digitaler Systeme

3 Asynchron-Schaltwerke (S. 198-199)

3.1 Schaltungsstruktur und Funktionsweise

Asynchron-Schaltwerke haben im Gegensatz zu Schaltnetzen speichernden Charakter, ein „Gedächtnis". Ihrer Struktur nach sind Asynchron-Schaltwerke rückgekoppelte Schaltnetze, wobei nur ein Teil der Ausgänge rückgekoppelt ist (Vektor u), der andere Teil nicht (Vektor y). Demgemäß erscheint die Funktion des Schaltnetzes aufgespalten in zwei Teile: die Übergangsfunktion f und die Ausgangsfunktion g. Mit der Signalverzögerung ihrer Bauelemente bewirkt f einen Speichereffekt (hochgestellter Index d – delay – an u, also ui einen Moment später).1 Diese Delays werden i.allg. nicht extra aufgebaut, ggf. zur Verlängerung der in den Bauelementen vorhandenen Signalverzögerungen (siehe 3.4). – Die Funktion von Asynchron-Schaltwerken folgt den Gesetzen der Automatentheorie, wobei die Zustandsfortschaltung aufgrund der Änderung der Eingangsignale (Vektor x) geschieht (siehe ereignisgesteuerte Zustandsfortschaltung, S. 70). Damit läßt sich der Begriff Asynchron-Schaltwerk wie folgt definieren: • Ein Asynchron-Schaltwerk ist die schaltungstechnische Realisierung eines booleschen Automaten/Algorithmus. Es wird mathematisch beschrieben durch die Übergangsfunktion f und die Ausgangsfunktion g mit u als Rückkopplungsvektor, x als Eingangsvektor und y als Ausgangsvektor.

In der Praxis ist es bei Asynchron-Schaltwerken durchaus möglich, ja bei großen Systemen sogar üblich, daß Rückkopplungen wie auch Eingänge über Taktsignale synchronisiert sind. Solche Schaltwerke spielen gewissermaßen eine Doppelrolle: Sie werden Synchron-Schaltwerke genannt, wenn der Takt als rein technisches Signal betrachtet wird und Zustandsänderungen ausschließlich durch den Takt erfolgen. Sie werden Asynchron-Schaltwerke genannt, wenn der Takt wie alle anderen Signale, nämlich als rein logisches Signal behandelt wird, d.h., wenn Zustandsänderungen nicht nur durch den Takt, sondern durch mindestens ein weiteres Signal möglich sind.

Natürlich sind alle Schaltwerke, bei denen wenigstens ein Signal nicht taktsynchronisiert ist, keine Synchron-Schaltwerke, sondern Asynchron-Schaltwerke, Schaltwerke ganz ohne Taktsignale sind per se Asynchron-Schaltwerke. Man spricht hinsichtlich ihrer Zustandsfortschaltung von asynchronem Verhalten und hinsichtlich Entwurf und Darstellung von Asynchrontechnik.

Zur Signalverzögerung. Bild 3-1 zeigt eine sehr einfache Übergangsfunktion, gebildet mit einem Minimum an Variablen: nämlich die ODER-Verknüpfung mit einer einzigen Rückkopplungs- und einer einzigen Eingangsvariablen. Zwei Interpretationen sind möglich:

1. Unter der Annahme nicht existierender Signalverzögerungen in der Verknüpfung stellt die Übergangsfunktion eine Gleichung dar mit der Maßgabe, sie z.B. mit Hilfe einer Tabelle zu lösen (Interpretation Bestimmungsgleichung), wie man sieht, existieren nur für 3 von 4 Kombinationen von u- und x-Werten Lösungen der Gleichung.