ЭЛЕМЕНТАХ

Цель работы:

- изучение принципов построения и функционирования регистров различных типов;

- построение регистров на основе логических элементов (вентилей, триггеров и т.д.), входящих в состав лабораторной установки, и исследова­ния их работы.

2.1 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

2.1.1 Общие сведения о регистрах

Регистром называется цифровой узел, предназначенный для записи и хранения цифровой информации. Кроме функций записи, хранения и перезаписи информации определенные виды регистров могут преобразо­вывать информацию, например, из последовательной (во времени) формы представления в параллельную и наоборот, сдвигать записанный цифро­вой код на один или несколько разрядов, как вправо, в сторону младшего значащего разряда, так и влево, в сторону старшего значащего разряда двоичного числа, выводить информацию в прямом и инверсном коде и т.д.

По принципу хранения информации регистры разделяются на статические и динамические. Статические регистры строят на потенци­альных элементах памяти - различных триггерах (как одноступенчатых, так и типа «ведущий-ведомый»). В статических регистрах записанная информация может храниться сколь угодно долго (при наличии напряже­ния питания). Для построения динамических регистров, рассчитанных на кратковременное хранение информации, используется входная емкость МОП-транзистора логического элемента вентиля, выполненного по КМОП-технологии. Очевидно, что записанная таким образом информация хранится в течение короткого промежутка времени и находится в постоянном движении.

Основными характеристиками регистра являются:

- разрядность N, определяемая числом разрядов записываемого и хранимого слова (числа) А_n = {a_n-1 ...a₁, a₀};

- быстродействие, определяемое максимальной тактовой частотой, с которой может производиться запись, считывание и преобразование информации.

Регистры широко применяются в цифровых устройствах для записи и кратковременного хранения информации - двоичного числа, слова, вводимого извне или полученного в результате предыдущей операции и предназначенного для последующей обработки. Так, например, регистры входят в состав структуры микропроцессора, где выполняют функции хранения кодов команд, адреса чисел и т. д., извлекаемых из соответст­вующих запоминающих устройств (ЗУ) в процессе работы устройства.

2.1.2 Регистр хранения

Наиболее простые функции выполняет регистр хранения, функцио­нальная схема и условное обозначение которого представлены на рис. 2.1

Рис.2.1 Функциональная схема (а) и условное обозначение (б) одного разряда регистра хранения

. i

Основу регистра хранения составляют одноступенчатые асинхрон­ные RS-триггеры (T₀ ... T_n-1), снабженные соответствующей входной и выходной логикой (D1 ... D4), предназначенной для осуществления операций записи, ввода и т. д.

Каждый триггер служит для хранения одного бита информации, т. е. одного разряда числа А, и, следовательно, число триггеров в схеме равно числу разрядов N.

Перед записью информации положительным импульсом по шине «Установка 0» все триггеры устанавливаются в нулевое состояние. Записываемое число подается к установочным входам S триггеров через вентили Dl.i, управляемые сигналом по шине «Запись». При С₃ = 1 на входе S, появляется значение а_i и триггер устанавливается в соответст­вующее состояние Q_i = S_i = а_i , т. е. число А оказывается записанным в триггерах. При Сз=0 входы блокируются и обеспечивается режим хранения информации. Такой способ записи информации называют параллельным.

Вывод информации из регистра осуществляется также параллельно, в прямом и в обратном коде через вентили D3.1i, D3.2i, управляе­мые сигналами С_ч1 и С_ч2. Для считывания информации в соответствую­щем коде на соответствующую шину необходимо подать единичный сигнал. Например, пусть Qi= 1 , тогда при С_ч1=l откроется вентиль D3.1i и на его выходе появится значение Qi = 1, которое через D4.i(схема «ИЛИ») поступит на соответствующий выход регистра. При подаче сигнала считывания в обратном коде (С_ч2=1) открывается вентиль D3.2i и на выход регистра поступит значение Q_i= 0. Регистр с такими же свойствами можно получить, если использовать одноступенчатые D-триггеры, в этом случае уменьшается число соедине­ний в узле и число вспомогательных входных и выходных логических вентилей.

2.1.3 Регистр сдвига

Регистр сдвига помимо записи и хранения дает возможность преобразования информации, в частности путем сдвига ее в заданном направлении под воздействием тактовых импульсов. Такие регистры представляют собой совокупность последовательно соединенных триггеров двухступенчатой структуры (триггеров типа «ведущий- ведомый»), Число триггеров определяется разрядностью записываемого слова. По направлению сдвига различают регистры прямого сдвига (вправо, т. е. в сторону младшего значащего разряда), обратного сдвига (влево в сторону старшего значащего разряда) и реверсивные, допускаю­щие сдвиг в обоих направлениях.

Наиболее широко распространены регистры сдвига на JK и D- триггерах. Схема четырехразрядного регистра сдвига приведена на рис.2.2 a, и его условное обозначение на рис.2.2 б.

Регистр выполнен на JK-триггерах, запускаемых по заднему фронту импульса, поступившего на вход С, т. е. при переходе С из «1» в «О», причем значение выходного сигнала Q_n+1 определяется комбинацией сигналов на входах J и К и предыдущим состоянием триггера Q_n (табл.1).

В схеме на рис.2.2, а,б вход R обеспечивает установку триггеров T₁...T₄ в нуль, вход С является тактовым, а вход D ~ информационным, на него подается записываемая информация в виде последовательного кода. При подаче С = 1 в промежуточную ячейку Т₁ записывается код J = D1 и К = D1 (так как схема содержит инвертор), который при переходе С из «1» в «О» появляется на выходе Т₁ т. е. Q, = DI, а К = D1 (табл.1)

_{1 2 3 4}

Теперь подадим на информационный вход другую информацию D2. После следующего тактового импульса, который подается на входы всех триггеров регистра одновременно, триггер Т₂ воспримет выходной код Т₁ т.е. Q₂ = DI ( ₂ = ₁), а триггер Т₁ - новую информацию ( ₁ = ₂ , Q₁=D2). После третьего тактового импульса Q₃ = Dl, Q₂ = D2 и Q₁ = D3 (D3 - состояние на входе регистра в момент прихода третьего импульса). Таким образом, каждый тактовый сигнал приводит к сдвигу содержимого регистра на один разряд вправо и вводу новой информации (табл.2). Регистр, схема которого представлена на рис.2.2, является четырех­разрядным, т. е. может хранить четыре бита информации. После четверто­го такта на выходах Q₁...Q₄ хранится код D₁ ... D₄ и можно осуществить параллельный вывод записанной информации в прямом (Q₁...Q₄) и в обратном ( ₁... ₄) кодах.

Наряду с параллельным возможен и последовательный вывод содержимого регистра, так как для тактовых импульсов с четвертого по седьмой, информация D1-D4 последовательно поступает на выход Q₄(табл.2). Регистр сдвига можно реализовать и на двухступенчатых D-триггерах (рис.2.3). В этом случае число межкаскадных связей уменьше­но, информация выдается в прямом и обратном кодах с соответствующих выходов триггеров. Шины R и С играют ту же роль, что и в схеме регистра на JK – триггерах, а число разрядов (триггеров) может быть произвольным.

Таблица 2.1

Таблица состояний JK – триггера типа «ведущий – ведомый» (изменение выходного сигнала происходит в момент перехода С из «1» в «0»)

Таблица 2.2

Таблица работы четырехразрядного регистра сдвига

1

2

2.1.4 Кольцевой регистр.

Как следует из рассмотрения работы регистра сдвига, при последо­вательном выводе его содержимого происходит стирание записанной информации (начиная с D1 на пятом такте работы). Если необходимо осуществить последовательный вывод информации без ее стирания, следует применять кольцевой регистр, схема которого представлена на рис.2.4.

В схеме кольцевого регистра информация, появляющаяся на выходе Q_N, может вводиться снова при помощи цепи обратной связи, состоящей из вентилей D2.1 -D2.2. При _упр = 1 вентиль D 2.2 заблокирован _упр = 0, а D 2.1 открыт и на вход D_N регистра поступает информация D_вх (D_n = D_вх). При _упр= 0 D 2.1 блокирован, a D 2.2 открыт (так как _упр = 1) и на вход D_N поступает информация со схемы, т. е. D_N = Q_N, причем после N тактовых импульсов регистр вновь находится в исходном состоянии. Таким образом, состояние _упр определяет, вводится ли в регистр новая информация.

N

2.1.5 Регистр сдвига с параллельным вводом

В тех случаях, когда одновременно с последовательным вводом информации необходимо иметь возможность ее параллельного ввода в регистр сдвига, он дополняется входной логикой, позволяющий осущест­вить параллельный ввод.

Схема двухразрядного регистра сдвига с параллельным вводом представлена на рис. 2.5.

Регистр собран на D-триггерах двухступенчатой структуры, в которых запись информации происходит также при изменении значения сигнала на тактовом входе С из «1» в «0» . Для осуществления параллель­ного ввода числа А {а₂, a₁} предусмотрена входная логика D1 - D3.

Так, при С_УПР = 0 ( _упр = 1) вентили D1.2 и D2.2 блокированы и информационный вход триггера Т₁ через открытый D1.1 и D1.3 подклю­чен к входу регистра D_ВХ, а вход Т₂ через D2.1 и D2.3 - к выходу Q₁ триггера Т₁ , что позволяет осуществить последовательный сдвиг информа­ции. При С_УПР = 1 ( _упр = 0) вентили D 1.1 и D 2.1 оказываются блокиро­ванными, a D 1.1 и D 2.1 - открытыми, что позволяет вводить в разряды (триггеры) регистра число А { а₂, a₁}, т. е. осуществить параллельный ввод информации. Очевидно, число разрядов может быть любым, т. е. схема регистра организована вокруг шин С, R, С_упр.

D2.1

a2}

2.1.6. Реверсивные регистры

Реверсивные регистры объединяют в себе свойства регистров прямого и обратного сдвига. Строятся они по тем же схемотехническим принципам, что и однонаправленные регистры сдвига, но с использовани­ем дополнительной логики в межразрядных связях.

На рис.2.6 представлена функциональная схема разряда реверсивного регистра. Он состоит из тактируемого (двухступенчатого или динамиче­ского) D-триггера Тi и логической схемы Di, типа «2И-ИЛИ», на входы которой поданы:

Q_i-1- сигнал с выхода младшего значащего разряда или выход­ной cигнал,

если i= 1, т. е. рассматриваемый разряд - первый;

Q_i+1- сигнал с выхода старшего значащего разряда;

C_упр- управляющий сигнал и его инверсное значение С_упр

Ti

_упр

При С_упр = 1 ( _упр. =0) вентиль Di.1 открыт, a Di.2 блокирован и на вход триггера поступает сигнал с младшего значащего разряда (Q_i-1), т. е. схема работает как регистр сдвига вправо. При С_упр = 0 ( _упр. = 1) блокиро­ванным оказывается вентиль Di.1 и на вход триггера попадает сигнал со старшего значащего разряда (Qi+1), т. е. осуществляется обратный сдвиг записанной информации. Как и во всех предыдущих схемах, вход R служит для установки нуля, а вход С - для подачи тактового импульса. Схема реверсивного регистра показана на рис.2.7

_Cупр

упр

Схема работает как регистр прямого сдвига при С_упр = 1 и обратного при _упр= 1. Так как в качестве входной логики использованы элементы «2И-ИЛИ-НЕ», информация в следующий разряд снимается с инверсных выходов триггеров.

2.1.7 Микросхемы регистров

В сериях цифровых микросхем имеются различные однокристаль­ные регистры, в том числе и многофункциональные. Так, серия 564, выполненная по КМОП-технологии, содержит:

564ИР9 - четырехразрядный универсальный регистр сдвига;

564ИР2 - два четырехразрядных регистра сдвига в одном корпусе;

564ИР6 - восьмиразрядный универсальный регистр сдвига;

564ИР11 и 564ИР12 - многоцелевые регистры.

В состав ТТЛ серии 155 входит микросхема К155ИР1, представ­ляющая собой четырехразрядный универсальный регистр сдвига. Включены микросхемы регистров различного назначения и в состав других серий.

2.2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

См. разд.2 лабораторной работы №1 "Исследование счетчиков на интегральных элементах".

2.3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Задание №1

При выключенном питании макета собрать четырехразрядный ре­гистр сдвига вправо на JK-триггерах в соответствии со схемой, представ­ленной на рис.2.2,а. Вместо входного инвертора следует входы J и К первого триггера соединить соответственно с парой гнезд «+» и «0» тумблерного регистра макета. Тогда в верхнем положении комбинация входных сигналов составляет JK=10 (в первый триггер будет записываться единица), в нижнем - наоборот.

Для обеспечения работы триггеров в синхронном режиме входы R и S подсоединить к гнездам «+» макета. Свободные информационные входы триггеров (&J и &К) можно оставить открытыми.

Прямые выходы триггеров следует дополнительно подключить к гнездам элементов индикации макета, что позволяет фиксировать состояние разрядов регистра.

Входы синхронизации (С) попарно подключаются к гнездам «П» генератора одиночных импульсов, на вход «СИНХР» которого следует подать положительные импульсы частотой 500 кГц от генератора синхроимпульсов.

Для упрощения соединений сборку схемы (подключение входов С, R, S и подключение к индикации) следует выполнять сдвоенными перемычками.

Собранную схему показать преподавателю или лаборанту.

Включить питание макета. Обнулить разряды регистра. Для чего подать входной сигнал J = 0 и К = 1. Затем нажатием и отпусканием кнопки «ПУСК» добиться, чтобы все четыре индикатора погасли.

Исследовать работу схемы, варьируя комбинации входных сигна­лов и пользуясь кнопкой «ПУСК».

Результаты представить в виде таблицы, аналогичной табл.2, под­ставляя вместо D1...D7 значения записанных входных сигналов (на входе J первого триггера).

5. Показать работу схемы и результаты исследований преподавате­лю. Разобрать соединения схемы.

Задание №2

Собрать на выключенном макете двухразрядный регистр с управ­ляемым направлением сдвига на D-триггерах по схеме, приведенной на рис.2.7.

Для сборки рекомендуется воспользоваться ЛЭ «2И-ИЛИ-НЕ», обозначенными цифрами 2 и 6, и любой парой D-триггеров (например, 5 и 7).

Для обеспечения синхронного режима работы входы R и S тригге­ров следует подсоединить к гнездам «+» на панели макета.

Входы С триггеров подключаются к выходу « » генератора оди­ночных импульсов, на вход «СИНХР» которого подаются положительные импульсы частотой 500 кГц от генератора синхроимпульсов. Для подачи управляющих сигналов и входной переменной D следует воспользоваться тумблерами, расположенными в нижней части макета. Например, первый тумблер можно применить для формирования направления сдвига _упр и _упр, подсоединив соответствующие входы ЛЭ D1 и D2 к гнездам «+» и «0», находящимися над тумблером. Второй тумблер используется для формирования входного сигнала («1» и «0» в верхнем и нижнем его положениях), а третий - для формирования сигнала Q, подаваемого на вход 1D2 (выход старшего значащего разряда). Инверсные выходы триггеров необходимо подключить к элементам индикации макета.

Для упрощения соединений сборку рекомендуется выполнять, где это необходимо, сдвоенными перемычками. Собранную схему показать представителю.

Включить макет и, изменяя состояния сигналов на С_упр ( _упр.), D и Q3 проанализировать работу схемы.

Как следует из описания, при С_упр = 1 и любых значениях Q3 в регистр записываются значения D(сдвиг вправо), а при С_упр = 0 ( _упр.= 1) и любых значениях D в регистр справа налево записываются значения Q3. Все изменения состояния триггеров происходят при нажатии кнопки «ПУСК». Данные свести в таблицу (в произвольной форме).

Показать полученные результаты преподавателю. Выключить макет и разобрать схему соединений.

2. 4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать (в соответствии с выполненным заданием на работу):

- схему исследуемого регистра;

- таблицы состояний разрядов регистра;

- выводы по проделанной работе.

2.5 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

См. разд. 1.8 лабораторной работы №1 "Исследование счетчи­ков на интегральных элементах".