Les portes logiques et les opérateurs arithmétiques que nous avons construits calculent des fonctions de leurs entrées. Ils n'ont pas de mémoire et ne stockent pas d'information. On dit que ce sont des circuits combinatoires car leurs sorties sont obtenues en combinant la valeur de leurs entrées.

Nous allons maintenant construire des circuits qui mémorisent de l'information. Ces circuits ont un état permanent, et leurs sorties dépendent de leurs entrées et de cet état.

La bascule RS

Afin de mémoriser une valeur dans un circuit, on reboucle une sortie de ce circuit sur une de ses entrées. Ainsi, le circuit auto-alimente une de ses entrées et peut conserver un état permanent. Les autres entrées sont utilisées pour changer cet état. L'exemple le plus simple d'un tel circuit est la bascule RS (Reset/Set) qui permet de mémoriser un bit. On met ce bit à 1 avec l'entrée Set, et on le met à zéro avec l'entrée Reset.

Dans le circuit ci-dessus, la sortie peut initialement prendre une valeur quelconque. En effet, lorsque les boutons R et S ne sont pas enfoncés, les entrées correspondantes des portes NAND sont à 1. Si la sortie vaut 1, l'entrée supérieure de la porte du bas est à 1, donc sa sortie est à 0, et l'entrée inférieure de la porte du haut est donc à 0, la sortie vaut donc 1. On a bien un état stable. Si la sortie vaut 0, l'entrée supérieure de la porte du bas vaut 0, donc sa sortie vaut 1, ainsi que l'entrée inférieure de la porte du haut. La sortie vaut donc 0, et on a un autre état stable.

Si on appuie sur le bouton S, sa sortie passe à 1, et l'inverseur fait passer l'entrée supérieure de la porte du haut à 0. Sa sortie passe donc à 1, et le circuit bascule dans l'état stable où sa sortie vaut 1. Cet état est conservé même lorsqu'on relâche le bouton S car la porte du bas maintient l'entrée inférieure de la porte du haut à 0.

Si on appuie sur le bouton R, sa sortie passe à 1, et l'inverseur fait passer l'entrée inférieure de la porte du bas à 0. Sa sortie passe donc à 1, et la sortie de la porte supérieure passe à 0. Le circuit bascule dans l'état stable où sa sortie vaut 0. Cet état est conservé lorsqu'on relâche le bouton R car la porte du haut maintient l'entrée supérieure de la porte du bas à 0.

Ce circuit mémorise donc le dernier bouton sur lequel on a appuyé : sa sortie vaut 1 s'il s'agit du bouton S, elle vaut 0 s'il s'agit du bouton R.

Bascule D simple

On peut utiliser une bascule RS pour mémoriser un bit sur commande d'un signal que l'on appelle généralement une horloge, notée Clk (abréviation de l'anglais clock). On appelle la donnée à mémoriser D (pour data). Il suffit pour cela de construire les entrées R et S de la bascule RS à partir de D et de Clk, de façon à ce que la sortie prenne la valeur de D quand Clk vaut 1, et ne change pas quand Clk vaut 0. On obtient alors une bascule D :

Les deux portes de droite constituent une bascule RS dont les entrées sont calculées par les trois portes de gauche à partir de D et Clk. On a {$S=Clk\wedge D$} et {$R=Clk\wedge \overline{D}$}. Ainsi, la bascule RS ne change d'état que si Clk vaut 1, et elle passe à 1 si D vaut 1, et à 0 si D vaut 0. On a donc bien un circuit qui enregistre la valeur de D quand Clk vaut 1, et qui la conserve quand Clk vaut 0.

Un tel circuit, qui peut changer d'état à n'importe quel moment (ici, quand Clk vaut 1, la sortie suit la valeur de l'entrée D), est dit asynchrone. Il est souvent beaucoup plus facile de concevoir des circuits complexes quand on maîtrise l'instant auquel ont lieu les changements d'état. Nous allons pour cela construire une autre version de la bascule D, qui mémorise la valeur de D au moment précis où son horloge Clk passe de 0 à 1.

Bascule D maître-esclave

Pour construire une bascule D qui fonctionne de manière synchrone, c'est-à-dire qui ne change d'état que sur les fronts montants de son horloge Clk, le principe est de mettre en cascade deux bascules D classiques dont les horloges sont en opposition de phase. La première bascule, dite maître, a pour horloge l'inverse de Clk. Sa sortie suit donc la valeur de D quand l'horloge Clk est à 0. La seconde bascule, dite esclave, a pour horloge Clk. Sa sortie suit la valeur de la sortie de la bascule maître quand Clk vaut 1. Ainsi, quand Clk vaut 0, la bascule maître suit la valeur de D, et la bascule esclave est figée. Quand Clk vaut 1, la bascule maître est figée, et la bascule esclave suit sa sortie. La sortie de la bascule maître-esclave ne change donc que lorsque Clk passe de 0 à 1.

Initialement, Clk = 0, donc la bascule maître suit son entrée (son horloge est à 1), et la bascule esclave est figée. La sortie Q est donc la dernière valeur de D mémorisée.

Lorsque Clk passe de 0 à 1, l'horloge de l'esclave passe à 1, et l'esclave passe en mode transparent, sa sortie devient celle de la bascule maître. Avec un petit décalage dû à la traversée de l'inverseur, la bascule maître se fige sur la valeur courante de D. La sortie Q = Qm est donc la nouvelle valeur de D mémorisée.

Lorsque Clk passe de 1 à 0, la bascule esclave se fige, et la sortie reste donc la valeur de D mémorisée lors du front montant de Clk. Avec un petit décalage dû à l'inverseur, la bascule maître devient transparente, et sa sortie Qm suit l'entrée D. La sortie globale ne varie pas car la bascule esclave est figée.

Lorsque Clk passe de 0 à 1, les deux bascules sont en mode transparent pendant un court instant. Il faut donc que l'entrée D reste stable autour du front montant de Clk.

Le temps pendant lequel D doit être stable avant le front montant de l'horloge est appelé temps de préparation (ou de setup), il garantit que Qm a le temps de prendre la valeur de D avant que la bascule maître se fige. Le temps après le front est appelé temps de maintien (ou de hold), il évite un changement de D, et donc l'amorçage d'un basculement, pendant que la bascule maître se fige. Les changements d'état d'une bascule ne sont en effet pas instantanés, les signaux D et Clk doivent se propager à travers les inverseurs et les portes NAND, ce qui introduit des retards.

On remarquera que la bascule esclave n'utilise pas d'inverseur pour inverser son entrée, on utilise directement la sortie inversée de la bascule maître.

Les circuits présentés sur cette page sont disponibles pour Logisim.