2.3.3. Лабораторная работа № 3 Моделирование регистров
Цель работы: моделирование работы цифровых регистров.
3.1. Краткие теоретические сведения
Регистры – это узлы ЭВМ, служащие для хранения информации в виде машинных слов или их частей; а также для выполнения над словами некоторых преобразований. С помощью регистра можно выполнять следующие операции: установка всех разрядов регистра в состояние логического нуля или логической единицы;
• прием и хранение в регистре n–разрядного слова;
• сдвиг хранимого в регистре слова вправо или влево на заданное число разрядов;
• преобразование параллельного двоичного кода в последовательный, и наоборот.
Регистр состоит из связанных друг с другом триггеров, каждый из которых служит для хранения 0 или 1. Количество триггеров определяет разрядность регистра.
В зависимости от выполняемых функций регистры подразделяются на параллельные и сдвиговые.
На рис. П3.1, а приведено условное обозначение простейшего двухразрядного параллельного регистра, выполненного на RST-триггерах, а на рис. П3.1, б показана его функциональная схема. Для записи информации в двоичном коде сначала выполняют операцию обнуления триггеров путем подачи соответствующих сигналов на все R- и S-входы. После этого через S-входы осуществляют либо переключения триггеров (для записи лог. 1), либо не меняют их состояния (для сохранения лог. 0). Считывание информации, заключенной в регистре, производится с Q-выходов триггеров регистра.
Важнейшими показателями регистра являются число разрядов и быстродействие устройства. Низкое быстродействие ограничивает максимальную частоту тактовых импульсов системы управления, которая обеспечивает запись, считывание и простейшую обработку информации.
|
Рис. П3.1. Условное обозначение (а) и функциональная схема (б) двухразрядного регистра |
Операция сдвига достигается в сдвиговых регистрах путем перемещения информации вправо и влево – в соответствии с операциями деления и умножения двоичных чисел на значения (n = 0, 1, 2…). В регистрах сдвига обычно применяют соединенные последовательно D-триггеры с тремя входами: информационным (D-вход), сдвигающим (С-вход) и установочным (R-вход). При этом С- и R-входы всех триггеров объединяют для одновременного управления (при сдвигах или установке нуля) всем устройством.
3.2. Задание на лабораторную работу
1. Смоделировать работу параллельного четырехразрядного регистра на RS-триггерах, схема которого представлена на рис. П3.2. Ключи D0 – D3 обеспечивают подачу на соответствующие разряды регистра записываемого четырехразрядного слова, т. е. сигналов лог. 1 или лог. 1. При подаче сигнала лог. 1 единицы с ключа запись записываемого слова начинает воздействовать на входы S RS-триггеров через элементы И (AND).
Запись слова в регистр производится по сигналу запуска процесса моделирования (Simulation Start), что может быть проконтролировано на дисплеях Q0 – Q3.
Запишите в регистр произвольное четырехразрядное двоичное слово и убедитесь в правильности его записи.
Считывание хранимого в регистре слова может осуществляться в прямом или обратном коде, в зависимости от положения ключей Считывание в прямом коде/Считывание в обратном коде. Считывание производится по сигналу запуска процесса моделирования (Simulation Start).
Произведите считывание записанного в регистре слова в прямом и обратном коде и убедитесь в правильности его считывания.
Обнуление всех разрядов регистра производится путем подачи сигнала логической единицы с ключа Установка 0 и запуска процесса моделирования.
Произведите обнуление всех разрядов регистра.
|
Рис. П3.2. Схема моделирования четырехзначного параллельного регистра |
2. Смоделировать работу четырехразрядного сдвигающего регистра на D-триггерах, схема которого представлена на рис. П3.3. В схеме моделирования применяются D-триггеры на основе JК-триггеров, которые моделировались в предыдущей лабораторной работе.
|
Рис. П3.3 Схема моделирования четырехразрядного сдвигающего регистра |
Требуется собрать схему D-триггера в соответствии с рис. П3.4 в отдельном окне моделирования, выделить все элементы схемы и, используя опцию меню Редактирование\Создать подсистему (Edit\Create Subsystem), создать блок D-триггера, который будет использован в схеме моделирования сдвигающего регистра (рис. П3.3). В схеме моделирования применяются блоки Память (Memory), которые находятся в библиотеке Simulink/Non-linear и необходимы для запоминания предыдущего состояния триггеров в процессе моделирования. В схеме моделирования используются два блока Ступенчатое воздействие (Step, Step l), которые в комбинации с сумматором формируют одиночный импульс на входе сдвигающего регистра. В блоке Step нужно установить Step time: 1, Initial value: 0, Final value: 1. В блоке Step l нужно установить Step time: 2, Initial value: 0, Final value: -1. Последовательный сдвиг импульса на один разряд от триггера D к триггеру D3 будет осуществляться с приходом каждого нового синхроимпульса от генератора синхроимпульсов Clock.
|
Рис. П3.4. D-триггер на основе JK-триггера |
Результатом моделирования должна быть временная диаграмма на осциллографе (рис. П3.5), иллюстрирующая последовательный сдвиг импульса от триггера D к триггеру D3 с приходом на вход регистра каждого нового синхроимпульса.
|
Рис. П3.5 Временные диаграммы работы сдвигающего регистра |
3. Разработать и начертить схему электрическую функциональную и временную диаграмму четырехразрядного параллельного регистра на базе D-триггеров синхронизируемых фронтом для четных вариантов или на базе RS-триггеров, синхронизируемых фронтом для нечетных вариантов.
4. Разработать и начертить схему электрическую функциональную и временную диаграмму четырех разрядного регистра сдвига на базе на RS-триггеров, синхронизируемых фронтом, для четных вариантов или на базе D-триггеров, синхронизируемых фронтом, для нечетных вариантов.
5. Смоделировать параллельный регистр в среде Electronics Workbench. Поочередно подать на входы D0...D3 код, соответствующий четырем младшим разрядам двоичного числа, равного номеру варианта, и код на единицу меньший с помощью соответствующих ключей. Подать синхроимпульса С с помощью генератора слов Word Generation, включив его в ручном режиме Step, и убедиться в правильной работе параллельного регистра по состоянию логических пробников на его выходах.
6. Смоделировать регистр сдвига в среде Electronics Workbench. Для имитации работы схемы подключить ее синхровход к генератору слов Word Generation, включив его в циклическом режиме Sycle. Подать на входы D0...D3 регистра код, соответствующий четырем младшим разрядам двоичного числа, равного номеру варианта плюс три. Получить временные диаграммы входных и выходных сигналов сдвигающего регистра на экране логического анализатора Logic Analizer.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение регистров?
2. Перечислите операции, которые можно выполнить над словами, хранящимися в регистре.
3. Назовите различия между регистрами параллельными и сдвиговыми.
4. Каким арифметическим операциям соответствует операция сдвига числа, хранящегося в сдвиговом регистре?
5. Какие элементы из библиотек системы Simulink необходимо использовать при моделировании работы регистров?
6. Как выглядит стандартизированное условное изображение регистра?
7. По каким признакам классифицируют регистры?
8. Чем определяется разрядность регистров?
9. Как работает параллельный регистр?
10. Каким образом осуществить операции умножения и деления в двоичной системе счисления в реверсивном регистре?
11. Как произвести с помощью регистра преобразование последовательного кода числа в параллельный код и обратно?
12. Как обозначаются регистры на схемах электрических функциональных и принципиальных?