Исследование регистров и счетчиков

Цель работы. Ознакомление с устройством и принципом работы регистров и счетчиков, спо­собами ввода и вывода цифровой информации.

Краткие теоретические сведения

Регистры и счетчики являются рас­пространенными функциональными узлами последовательностного типа в устройствах вы­числительной техники. Они строятся на основе триггеров – элементов, обладающих памятью и, поэтому их состояние оказывается зависимым не только от сигналов, воздействующих на входы в данный момент времени, но также и от предыдущих состояний.

Регистром называют цифровой узел, предназначенный для за­писи и хранения числа. Помимо хранения информации некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например, из последовательной во времени формы представления в параллельную, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону младшего разряда (вправо) или старшего разряда (вле­во), инвертировать код.

В соответствии с назначением различают регистры хранения и регистры сдвига. Важнейшей характеристикой регистров хранения является разряд­ность, которая определяется количеством триггеров для хранения числа. Основу регистра хранения составляют одноступенчатые асин­хронные RS-триггеры, каждый из которых служит для хранения одного разряда (рис. 1).

Рис. 1. Регистр хранения:

а – функциональная схе­ма;

б – условное обозначение

Регистры сдвига предназначены для преобразования информа­ции путем ее сдвига под воздействием тактовых импульсов. Такие регистры пред­став­ляют совокупности последовательно соединенных триггеров, как правило, двухступен­чатой структуры. Число тригге­ров определяется разрядностью записываемого слова. Различают регистры прямого сдвига (вправо, т. е. в сторону младшего разряда), обратного сдвига (вле­во, т. е. в сторону старшего разряда) и реверсивные, допускающие сдвиг в обоих направлениях.

Наиболее широко распространены регистры сдвига на D-триггерах со статическим управлением (рис. 2). Такие регистры имеют один информационный вход, вход для так­товых импульсов (импульсов сдвига) и установочный вход. Выходы в регистре могут быть с каждого разряда для считывания информации одновременно со всех разрядов, т.е. параллельным кодом. Запись осуществляется поразрядно со стороны старшего или младшего разряда. Для записи N-разрядного слова необходимы N импульсов сдвига. С помощью регистра сдвига можно осуществлять преобразование информации из последовательной формы представления в параллельную, а если предусмотрена запись информации параллельным кодом, то можно преобразовать информацию из параллельной формы представления в последовательную.

Рис. 2. Регистр сдвига:

а – функциональная схе­ма; б – условное обозначение

Цифровым счётчиком импульсов называют цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в за­данном коде и может храниться требуемое время.

Счетчики строят на Т-триггерах и JK-триггерах с применением при необходимости логических элементов в цепях межразрядных связей. Количество триггеров N должно быть таким, чтобы множе­ство внутренних состояний счетчика 2^N было не меньше максимального числа импульсов, которое должно быть зафиксировано. С приходом очередного счетного импульса изменяется состояние счетчика, которое в заданном коде отображает результат счета.

Считывание результата параллельным N-разрядным кодом может быть произведено после каждого счетного импульса. Если ко­личество счетных импульсов не ограничивать, то счетчик будет работать в режиме деления их числа на коэффициент (модуль) счета К_СЧ, равный 2^N. Через каждые 2^N импульсов он будет возвращать­ся в начальное состояние и снова считать импульсы. Эта операция часто называется пересчетом, а счетчики, ее осуществляющие, пере­счетными устрой­ствами, либо делителями, либо счетчиками-дели­телями.

Если необходимый коэффициент счета не равен 2^N, применяют различные способы сокращения числа внутренних состояний счетчи­ка. Для построения счетчика применяются не только триггеры со счетным входом, но и D-триггеры, и JK-триггеры двухступенча­той структуры или с динамическим управлением.

Счетчики можно классифицировать по ряду признаков. По на­правлению счета их делят на суммирующие (с прямым счетом), вычитающие (с обратным счетом) и реверсивные. В суммирующих счетчиках с приходом очередного счетного импульса результат уве­личивается на единицу, а в вычитающих – уменьшается на единицу. Реверсивными называются счетчики, которые могут работать как в режиме суммирующего счетчика, так и в режиме вычитающего.

По способу организации переноса различают счетчики с по­следовательным, параллельным и комбинированным (параллельно-последовательным) переносом.

Порядок смены состояний суммирующего счетчика показан в табл. 1. В качестве исходного принято состояние, определяемое нулевым уровнем на выходах всех триггеров, т.е. Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0. С приходом очередного счетного импульса к содержимому счетчика прибавляется единица.

Из таблицы 1 также следует, что триггер первого, самого младшего разряда, на который поступают входные сигналы, должен менять свое состояние каждый раз с при­ходом очередного счетного импульса, а триггер каждого последую­щего разряда – вдвое реже триггера предыдущего разряда.

Описанные порядок смены состояний счетчика и характер про­цесса их установления могут быть реализованы, если счетчик будет построен на последовательно соединен­ных Т-триггерах (рис. 3). Каждый по­следующий разряд при этом будет переключаться сигналом пере­носа, формируемым на выходе предыдущего разряда. Счетчики, построенные таким образом, получили название счетчиков с последо­вательным переносом.

Широко применяют триг­геры с прямым динамическим входом, которые для опрокидывания требуют перепада уровня от 0 к 1. При использовании таких триггеров для построения сумми­рующего счетчика с последо­вательным переносом необходимо вход каждого после­дующего триггера соеди­нять с ин­версным вы­хо­дом предыдущего. При­мер такого счетчика на Т-триг­герах, по­лученных из D-триг­геров с динами­че­ским управлением, приве­ден на рис. 4.

1Таблица

Рис. 3. Счетчик с последовательным переносом:

а – функциональная схе­ма;

б – условноеобозна­чение;

в– временные диаграммы

Рис. 4. Счетчик на D–триг­герах с динами­ческим управ­лением:

а – функциональная схе­ма;

б – условное обозначение

Вычитающий счетчик с последовательным переносом имеет об­ратный порядок смены состояний: с приходом очередного счетного импульса содержащееся в счетчике число уменьшается на единицу.

Счетчики-делители предназначены для деления числа или ча­стоты повторения импульсов на заданный коэффициент К_СЧ . Обыч­но требуемый коэффициент меньше числа состояний счетчика 2^N, что обусловливает необходимость исключения «лишних» состояний. Например, для построения счетчика-делителя с К_СЧ = 10 необходим четырехразрядный счетчик, число состояний которого следует умень­шить с 16 до 10 исключением шести лишних.

Счетчик-делитель может быть реализован и на D-триггерах. Однако функцио­нальная схема получается более сложной из-за большого числа дополнительных логических элементов. Поэтому для таких делителей предпочтительнее JK-триггеры с входной логикой.

Широкое применение на практике находят делители, построен­ные на основе счетчиков с последовательным переносом, в схему которых вводится обратная связь для исключения лишних состояний. Такой счетчик работает в режиме суммирова­ния или вычитания до некоторого состояния, задаваемого коэффициентом счета К_СЧ. Это состояние дешифрируется устройством, на выходе которого формируется сигнал сброса счетчика в исходное нулевое состояние. Сигнал сброса по цепи обратной связи поступает на R-входы всех триггеров одновременно, благодаря чему они устанавливаются в нуль.

На рис. 5 приведен счетчик-делитель на JK-триггерах с К_сч=10.

Рис. 5. Счетчик-делитель на 10 с устройством сброса

Дешифратором служит логический элемент И. Поскольку из-за наличия на его входе состязаний сигналов возможны сбои в работе счетчика, то к нему добавляется RS-триггер Т₅, который, переключившись, сохраняет на выходе единичный уровень до прихода следующего счетного импульса, возвращаю­щего триггер в нулевое состояние, чем обеспечивается функциональная надежность счетчика. При достижении в счетчике дешифрируемой комбинации 1010, благодаря тому, что входы логического элемента И соединены с выходами второго и четвертого разрядов счетчика, происходит воздействие на RS-триггер, который формирует сигнал сброса и схема возвращается в исходное состояние.

Функциональные возможности регистров и счетчиков широко используются в различных цифровых устройствах. Например, на основе схем счетчиков могут быть составлены схемы для пространственно-временного распределения тактовых импульсов. Простейшей реали­зацией такого распределителя импульсов является кольцевой регистр (рис. 6), в котором с каждым очередным тактовым импульсом единица, предварительно записанная в первый триггер T₁, передвигается в соседний триггер и т. д. Число вы­ходов распределителя, очевидно, равно числу триггеров в регистре.

Рис. 6. Распределитель импульсов на кольцевом регистре:

а – функциональная схе­ма;

б – временные диаграммы

Задание к лабораторной работе

1. С использованием логических элементов памяти, входящих в состав лабораторного стенда, собрать схему четырехразрядного регистра хранения и записать в него код, заданный преподавателем. Проверить правильность записи кода с помощью дешифратора с индикатором.

2. С использованием логических элементов памяти, входящих в состав лабораторного стенда, собрать схему четырехразрядного регистра сдвига. Записать в регистр код, заданный преподавателем. Проверить правильность записи кода с помощью дешифратора с индикатором.

3. С использованием логических элементов памяти, входящих в состав лабораторного стенда, собрать схему трехразрядного суммирующего счетчика. Составить временные диаграммы его работы, используя контрольно-измерительные приборы стенда.

4. Собрать схему счетчика-делителя с устройством сброса с коэффициентом пересчета, заданным преподавателем. Проверить его функционирование с помощью дешифратора с индикатором и составить временные диаграммы его работы.

5. Собрать схему четырехразрядного распределителя импульсов на кольцевом регистре. Проверить его функционирование с помощью дешифратора с индикатором и сравнить временные диаграммы его работы с диаграммами, представленными на рис. 6.

Контрольные вопросы

1. В чем сходство и различие между регистром хранения и регистром сдвига?

2. Как можно осуществить преобразование информации из последовательной формы представления в параллельную и наоборот?

3. В чем сходство и различие между регистром хранения и регистром сдвига?

4. В чем разница в работе счетчиков со статическим и динамическим управ­лением?

5. Описать принцип работы счетчика-делителя с заданным коэффициентом пересчета.

6. Описать принцип работы распределителя импульсов на кольцевом счетчике.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8