2.4. Гонки в комбинационных логических устройствах

Комбинационное устройство (КУ) – это устройство с несколькими логическими входами и выходами. Если КУ выполнено на базе идеальных, т.е. безинерционных элементов, то состояние выходов однозначно определяется состоянием входов в тот же момент времени. Однако инерционность элементов и наличие различных факторов, приводящих к задержке распространения сигнала, приводят к задержке появления выходных сигналов КУ, т.е. сигналы на выходе КУ, соответствующие новому состоянию входных сигналов, появляются не сразу, а с некоторой задержкой. При этом в переходный период возможно появление на выходах устройства некоторых промежуточных значений сигналов, не соответствующих заданному состоянию устройства. Такое явление получило название состязаний или гонок.

Обычно, вырабатываемые узлами КУ промежуточные значения сигналов, представляют собой импульсы очень малой длительности, являющиеся помехой для всей цифровой системы.

Рассмотрим в качестве примера фрагмент схемы комбинационного устройства (рис. 2.3), где может наблюдаться явление гонок.

Для наглядности процесса формирования промежуточного значения выходного сигнала приведены временные диаграммы состояний различных цепей распространения в идеальном и реальном случаях (рис.2.4, а, рис. 2.4, б).    

Время задержки импульсов в цепях определяется средним временем задержки распространения сигнала всеми элементами этой цепи tз. Момент времени появления импульса помехи определяется соотношением числа инвертирующих элементов (n и m) в конкурирующих цепях фрагмента схемы КУ (см. рис. 2.3).

Как следует из рис. 2.4, а в идеальном случае, если элементы схемы не вносят задержки сигнала, а X1 и X2 находятся в противофазе, т.е. , то . Однако в реальных схемах  каждый из логических элементов имеет задержку tз ¹ 0. В этом случае X1 запаздывает относительно X2 на (n×mtз и на выходе схемы возникает незапланированный «отрицательный» импульс (помеха), как показано на рис. 2.4, б.