1.1.9 Регістри. Паралельний регістр. Послідовний регістр. Універсальний регістр

Регістр – це послідовністний цифровий пристрій (цифровий автомат), який призначено для тимчасового зберігання інформації, яка подана у вигляді двійкових слів та виконання деяких операцій над ними. Кожен розряд двійкового слова зберігається в окремій комірці, яка являє собою тригер, тип котрого визначається вибіром схеми керування процесами запису/зчитування інформації в регістрі. Двійкове слово, що зберігається в регістрі може відповідати будь-якій інформації. Це може бути число, код команди, логічна функція тощо.

Як усі цифрові автомати регістри можуть бути синхронним або асинхронними.

Регістри використовуються для виконання мікрооперацій запису, зберігання та читання інформ ації, а також для:

• оперативного зберігання інформації;

• затримки інформації на певний час;

• перетворення послідовного коду представлення інформації в паралельний та навпаки;

• зсуву коду, що зберігається на один чи декілька розрядів вліво або вправо.

Регістри також можуть використовуватися для побудування лічильників імпульсів та генераторів послідовностей імпульсів.

Головною класифікаційною ознакою регістрів є спосіб запису інформації до нього. Відповідно до цієї ознаки регістри можливо розподіліти на три групи:

• паралельні (регістри зберігання);

• послідовні (зсувні регістри);

• послідовно-паралельні (універсальні регістри).

У паралельні регістри запис коду відбувається одночасно в усі розряди регістра. Паралельні регістри можуть бути побудовані з будь-яких типів тригерів.

У послідовні регістри запис інформації відбувається у результаті зсуву двійкової інформації вправо або вліво. Для побудування послідовних регістрів можливо використовувати лише двохступеневі синхронні тригери.

Послідовно-паралельні забезпечують можливість організації схеми регістра будь-якого типу, для цього вони доповнюються логічними схемами, які забезпечують необхідну організацію подавання сигналів на входи тригерів регістра, відповідно до сигналів керування цими логічними схемами.

Регістри є важливими елементами цифрової та мікропроцесорної техніки.

Паралельний регістр.

Паралельний регістр – це пристрій, який призначено для введення, зберігання й виведення інфомації в параллельному коді. На рис. 1.46 a показано схему паралельного регістра, який побудовнний з асинхронних RS-тригерів, а на рис.1.46 b – паралельний регістр з синхронних D-тригерів. Кожен з цих регістрів призначений для роботи з 4-х розрядними даними й складається з 4-х тригерів (розрядів).

a) b)

Рисунок 1.46 – Схеми асинхронного (a) і синхронного (b) паралельних регістрів

Обидва регістри, які показано на рис. 1.46 мають назву однофазні паралельні регістри, тому що вхідний код (D₀ … D₃) подано лише у вигляді прямого коду.

Запис інформації в асинхронний регістр відбувається за два такти. У першому такті в усі розряди регістра записуються одиниці (регістр обнулюється), а в другому відбувається запис одиниць в усі розряди, на які надійшли одиниці. Запис відбувається за появою сигналу на вході «Сигнал запису». Цей сигнал повинен бути сформованим тільки після встановлення інформації на входах даних. При цьому, в залежності від вхідного коду D₀…D₃, кожен з розрядів регістру буде або встановлено у 1, або залишеться у стані зберігання 0.

Запис інформації у синхронний регістр, який зображено на рис. 1,46 b овівідбувається за один такт сигналу «Сигнал запису». При цьому, у кожен розряд регістра буде записано значення інформаційного сигнала, який надходить по шині D₀ … D₃.

Послідовний регістр.

У такому регістрі запис інформації, яка надходить у послідовному коді, відбувається побітно, у відповідності до її надходження. При цьому, інформація просувається від розряду до розряду, відповідно до надходження сигналів синхронізації (запису інформації). У відповідності до того, в якому напряму відбувається зсув інформації, розрізнюють регістри з сувом вліво, якщо інформація переміщується від молодшого розряду до старшого (зсув старшим розрядом уперед), як показано на рис. 1.74. На цьому рисунку показано, як відбувається зсув чотирьохрозрядної інформації у межах байту. Зсув відбувається порозрядно у відповідності до надходження тактового сигналу.

D 7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
х	х	х	х	1	1	0	1

х

х

х

1

1

0

1

х

х

х

1

1

0

1

х

х

х

1

1

0

1

х

х

х

1

1

0

1

х

х

х

х

Рисунок 1.74 – Процес зсуву інформації уліво

Інформація, яка висувається з біту D₇, якщо не прийняти спеціальних заходів, безповорото втрачається. У біт D₀ може вводитися будь-який символ (0 чи 1), що на рисунку показано символами х. З рисунку видно, що повне пересування інформації відбувається за стількі тактів, скількі бітів вміщує сама інформація (число).

Послідовні регістри будуються, звичайно, будуються з тригерів таким чином, щоб інформаційні виходи і входи були з’єднані послідовно, а сигал синхронізації (запису) надходив на всі розряди одночасно (паралельно). Схема чотирьохрозрядного послідовного регістру показана на рис. 1.75.

Рисунок 1.75 – Схема чотирьохрозрядного послідовного регістру

Напрям зсуву на схемі послідовного регістра позначається тим, яку нумерацію будуть мати виходи (DO – date output) окремих розрядів. На рис. 1.75 показано послідовний регістр зі зсувом уліво, таким чином, щоб після закінчення циклу запису на виході останнього тригеру повинен бути старший біт прийнятої інформації. Часові діаграми, які показують функціонування цього регістра, при надходженні на його інформаційний вхід одного одиничного біту (число 1000) наведено на рис. 1.76. Вважаємо, що до початку запису в усіх розрядах регістру було записано 0.

Рисунок 1.76 – Часові діаграми роботи послідовного регістру зі зсувом уліво

На рис. 1.76 бачимо, що у момент t₀ відбувається запис одиничного значення у перший розряд регістру, а потім з приходом кожного наступного сінхроімпульсу це значення зсувається до кожного наступного розряду і після чотирьох тактів (момент t₄) інформація виводиться з регістру. Важливо є та обставина, що полягає в представленні вхідної інформації в параллельному вигляді на виходах усіх розрядів регрісту протягом часу t₃ … t₄, що використовується для перетворення послідовного коду у паалельний.

Таким же чином будується схема регістра зі зсувом управо. Відміни будуть плягати лише у позначенні усіх виходів розрядів регістру. Якщо розглядати чотирьохрозрядний регістр зі зсувом управо, то вихід першого розряду буде мати позначення DO₃, наступний – DO₂ і так далі. Вхідний сигнал у такий регістр буде подаватися починаючи з молодшого розряду.

універсальні регістри.

Якщо доповнити послідовний регістр комбінаційними схемами, які забезпечуть можливість запису інформації в паралельному вигляді, то отримаємо регістр, що має назву послідовно-паралельного.

Схема такого регістра приведена на рис. 1.77.

Рисунок 1.77 – послідовно-паралельний регістр

В цифровій техниці також використовуються регістри в яких можливо змінювати напрям зсуву у процесі роботи. Такі регістри будуються аналогічно розглянутому вище і мають назву реверсивних. В них з’єднання розрядів між собою виконується за допомогою логічних схем, які здійснюють комутацію відповідно до вхідних сигналів керування напрямом зсуву. Приклад побудови такого регістру показано на рис. 1.78.

Рисунок 1.78 – Реверсивний регістр

На рис. 1.78 виводи мають наступні позначення:

SL – сигнал керування зсувом уліво, повинен мати активний рівень впродовж всього циклу зсуву інформації;

DL – вхід даних при зсуві уліво;

SR – сигнал керування зсувом управо, повинен мати активний рівень впродовж всього циклу зсуву інформації;

DR – вхід даних при зсуві управо;

C – вхід синхронізації;

DO₀ …DO₃ – виходи даних.

Лінії по яким проходять різні сигнали мають різну товщину. Більш товстими лініями показано шлях проходження сигналів при зсуві управо.

При використанні мультиплексування вхідних сигналів і сигналів порозрядного перенесення інформації, можливо побудувати регістр, в якому можливо виконувати всі перелічені операції. Саме такий регістр має назву універсального.

Умовне графічне позначення універсального чотирьохрозрядного регістру показано на рис. 1.79.

Рисунок 1.79 – Умовне графічне позначення універсального чотирьохрозрядного регістру

Промисловість випускає мікросхеми регістрів з різною кількістю розрядів і різнимі можливостями з точки зору, як з можливості запису так і кількості регістрів у одному корпусі.