Modèle d’un circuit séquentiel
Les circuits logiques séquentiels sont ceux qui comportent de la mémoire. Le modèle général d’un circuit séquentiel est illustré sur la figure ci-dessous. On y voit qu’il y a une boucle de rétroaction, qui fait que les valeurs binaires stockées dans les éléments de mémoire contribuent au calcul des sorties. Les sorties du circuit à un instant donné ne dépendent donc pas seulement des entrées présentes à ce moment, mais aussi de ces valeurs qui sont mémorisées dans le système. Pour décrire cette situation dans laquelle se trouvent les valeurs stockées en mémoire, on parle de l’état du système. Selon les entrées et l’état à un instant donné, le système pourra changer d’état selon les changements qui seront apportés par la portion combinatoire aux valeurs mémorisées.
On verra donc le système évoluer au fil du temps, passant d’un état à un autre, et générant des sorties en fonction des entrées et de l’état du moment. Intuitivement, on peut penser que le nombre d’états distincts sera fonction du nombre de valeurs binaires qui seront mémorisées. Le comportement d’un système séquentiel est donc caractérisé par une séquence temporelle d’entrées, de sorties et de valeurs internes d’état.
Modèle de circuit séquentiel
On peut distinguer les circuits séquentiels selon la relation de synchronisation qui existe entre les différents signaux du système. Dans un circuit séquentiel synchrone, le comportement du système peut se définir en fonction des valeurs de ses signaux à des instants discrets prédéterminés. Le comportement d’un circuit séquentiel asynchrone dépend à tout moment des signaux d’entrée et de l’ordre dans lequel ces signaux changent.
Un circuit séquentiel synchrone fait appel à un signal spécial appelé horloge qui rythme les changements d’état et de sorties afin qu’ils se produisent à des instants discrets. Les éléments de mémoire qui stockent les valeurs binaires sont appelés bascules (flip-flops en anglais). Il existe différents types de bascules. Nous les étudierons en détail, car elles sont à la base des circuits séquentiels les plus utilisés. La figure suivante présente le modèle général d’un circuit séquentiel synchrone.
Modèle de circuit séquentiel synchrone
Le signal d’horloge est typiquement une onde carrée, comme illustré sur la figure suivante.
Signal d’horloge
Éléments de mémoire
Un élément de mémoire peut maintenir son état binaire indéfiniment (à condition, évidemment, qu’il soit alimenté). Son état est observable par l’intermédiaire de ses sorties. On doit agir via la ou les entrées de l’élément pour le faire changer d’état. Les différents types d’éléments de mémoire sont caractérisés par le nombre et le type d’entrées.
Les éléments de mémoire qui sont contrôlés par les niveaux de leurs entrées sont appelés des loquets (latches en anglais). Les éléments contrôlés par des changements ou transitions de niveaux sont appelés des bascules. Les transitions sont appliquées à une entrée spéciale d’horloge qui sert à déclencher les changements d’état à des instants précis. Les loquets sont des ingrédients de base dans la conception des bascules. Nous les étudierons en premier.