Міністерство Освіти і науки України

Технічний коледж НУ «Львівська політехніка»

Циклова комісія

«Інформаційні технології»

Лабораторна робота № 4

Дослідження роботи регістрів та лічильників у програмі Multisim.

Львів 2018

I. Назва лабораторної роботи

Дослідження роботи регістрів та лічильників у програмі Multisim.

II. Мета лабораторної роботи

Вивчення роботи основних типів регістрів та лічильників.

Регістром називається пристрій, призначений для запису, зберігання і ⁄ або зсуву інформації, представленої у вигляді багаторозрядного коду. Число може бути представлене в будь-якій двійково-кодованій системі числення: двійковій, двійково-десятковій, вісімковій тощо. Регістр складається з набору тригерів. Кожен тригер призначений для зберігання певних розрядів двійкового коду.

За способом прийому інформації регістри поділяють на:

• паралельні (статичні), в яких інформація записується і прочитується тільки в паралельній формі;

• послідовні (зсуву), в яких інформація записується і прочитується тільки в послідовній формі;

• послідовно-паралельні, в яких інформація записується і прочитується як в паралельній, так і в послідовній формах.

Регістри виконують ряд мікрооперацій над словами:

1. Прийом слова в регістр в прямому і зворотному коді, дані зберігаються в регістрі доки не з'явиться команда на їх зміну.

2. Видача слова з регістра в прямому і зворотному коді.

3. Виконання порозрядних логічних операцій над декількома словами.

4. Зсув коду праворуч або ліворуч на необхідну кількість розрядів, перетворення паралельного коду в послідовний і навпаки.

Паралельний регістр. У паралельних регістрах операції запису і прочитування інформації здійснюються в усіх розрядах одночасно. Схема трирозрядного регістра на D-тригерах, побудованого в пакеті Multisim, приведена на рис.1. Інформація поступає у вигляді паралельного коду, тобто всі розряди одночасно по n (n=3) проводах. Таким чином інформація в паралельному регістрі зберігається в паралельному коді, тому паралельний регістр називають регістром пам'яті. Інформація, що прочитується з виходів тригерів, проілюстрована на часовій діаграмі (див. рис. 2).

Послідовний регістр. У послідовних регістрах запис коду числа починається з першого розряду шляхом послідовного просування інформації за допомогою тактових імпульсів. Схема трирозрядного послідовного регістра, виконаного на D-тригерах, приведена на рис. 3. Часова діаграма, що ілюструє роботу регістра показана на рис. 4. Записуване число поступає через один вхід у вигляді послідовного коду, тобто значення розрядів передаються послідовно так само як ми прочитуємо багаторозрядне число, наприклад: "тисяча триста сорок два" - 1342. У загальному вигляді: n -розрядний регістр запам'ятовує n-розрядне число за n -тактових імпульсів. Послідовний код, що поступив на вхід, перетвориться в регістрі в паралельний код: число може бути лічене з виходів тригерів. Із кожним тактовим імпульсом записана інформація зсовується в регістрі (рух від входу до виходу), тому послідовний регістр називають регістром зсуву.

Рис.1. Схема паралельного регістра

Рис. 2. Діаграма роботи паралельного регістра

Рис. 3. Схема послідовного регістра

 

Рис. 4. Діаграма роботи послідовного регістра

Зсув інформації на один розряд рівнозначний множенню коду на 2. Наприклад, записано число 101 (у десятковому коді 5), зсовуємо його на один розряд ліворуч і отримуємо 1010 (десятковому коді 10). Інформація, записана в послідовному регістрі, може бути лічена з виходу його старшого розряду у вигляді послідовного коду: якщо після запису в регістр числа знову подати тактові імпульси, число порозрядно прочитуватиметься на виході старшого розряду і звідти може бути передано до інших прочитуючих кіл.

Для зберігання і обробки інформації в ЕОМ широко використовуються регістри зсуву. Вони зазвичай реалізуються на пристроях, виконаних із застосуванням RS-, JK- або D-тригерів, і відмінності між ними пов'язані головним чином з методом обробки вхідних і вихідних даних.

3. Дослідження паралельно-послідовного регістра

а. Складіть схему, приведену на рис. 5. Увімкніть схему.

б. Встановіть перемикач [P] (послідовне/паралельне занесення) у стан P = 0 (послідовний запис).

в. За допомогою перемикачів [D] і [C] послідовно занесіть в регістр коди з таблиці (завдання 1). Складіть таблицю станів регістра.

г. Наберіть коди з таблиці на входах паралельного запису за допомогою перемикачів S0..S3. Поясніть, чому входи паралельного запису не впливають на код, що зберігається в регістрі.

д. Встановіть перемикач [P] у стан P = 1.

е. За допомогою перемикачів [S0..S3] послідовно наберіть коди, представлені в таблиці і, за допомогою перемикача [C], запишіть їх в регістр. Складіть таблицю станів регістра. Поясніть, чому вхід послідовного запису не впливає на код, що зберігається в регістрі.

Рис.5.

4. Дослідження реверсивного регістра

а. Складіть схему, приведену на рис. 6. Увімкніть схему.

Рис.6

б. Встановіть перемикач [N] (напрям зсуву) у стан N = 0.

в. За допомогою перемикачів [D] і [C] послідовно занесіть в регістр коди з таблиці (завдання 1).

г. Складіть таблицю станів регістра. Визначте напрям зсуву.

д. Встановіть перемикач [N] у стан N = 1.

е. Виконайте пункти в і г.

Контрольні питання

1. Яке призначення регістрів?

2. Чим обмежена кількість розрядів числа, що записується в регістр?

3. Запропонуєте схему паралельного регістра на JK-тригерах.

ІІ. Вивчення схем і логіки роботи лічильників імпульсів К155ИЕ1, К155ИЕ2, К155ИЕ5, К155ИЕ6.

1. Скорочені теоретичні відомості:

Мікросхеми транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) широко застосовуються в цифровій апаратурі. У них вдало поєднуються хороші функціональні показники: швидкодія, перешкодостійкість, здатність навантаження – з помірним використанням енергії і невисокою вартістю. Основні електричні параметри для всіх серій ТТЛ узгоджені, завдяки чому мікросхеми, що відносяться до різних серій можуть безпосередньо з'єднуватися одна з другою. Додатковою гідністю мікросхем ТТЛ є їх узгодженість з мікросхемами інших видів логіки – безпосередньо, як в разі діодно-транзисторної логіки (ДТЛ), або за допомогою перетворювачів рівнів.

Випускається декілька різновидів ТТЛ мікросхем: універсальних (стандартних серій), серій підвищеної швидкодії, серій з малим споживанням потужності, а також на транзисторах Шотки в двох варіантах звичайному і малопотужному. Принцип дії різних модифікацій ТТЛ однаковий і різняться вони головним чином часом затримки сигналу і споживаної потужності.

Номенклатура мікросхем ТТЛ є досить різною і містить різні вироби, від простих логічних елементів до готових функціональних вузлів: лічильників, регістрів, запам’ятовуючих пристроїв і арифметико-логічних.

Для опису роботи логічних мікросхем задають полярність і амплітуду (або рівень) вхідних і вихідних сигналів. Для елементів 155 (74) серії прийнята позитивна логіка, тобто сигнал логічної одиниці задається позитивнішим, ніж сигнал логічного нуля. Елементи вважаються справними, якщо при Е_ж, що дорівнює 5± 0,25 В, вихідна напруга при логічному нулі на виході не перевищує 0,4 В і при логічній одиниці на виході не менше 2,4 В, тобто U_0вих ≤ 0,4 В і U_1вих≥2,4 В.

Нумерація виводів починається з ключа (крапка на корпусі). На принципових схемах елементи, що знаходяться в одному корпусі, можуть бути відображеними в різних місцях схеми. Виводи живлення на схемах зазвичай не відображаються.

ЛІЧИЛЬНИКОМ називають пристрій, призначений для лічби кількості імпульсів поданих на вхід. Лічильники імпульсів виконуються на основі тригера. Головною властивістю будь-якого тригера є можливість фіксації одного із стійких станів. На кожному з них тригер може знаходитися до тих пір, поки подається живлення і не прийдуть керуючі імпульси. Ланцюжок тригерів може служити для рахунку імпульсу. Для визначення кількості підрахованих імпульсів, можна користуватися наступним правилом: загальна кількість імпульсів дорівнює сумі “ваги” розрядів (тригерів), що знаходяться в одиничному стані. Вага тригера визначається, як 2^n-1, де n - порядковий номер тригера. Якщо, наприклад, в ланцюжку в одиничному стані знаходяться 1 і 4 тригери, то це означає, що на вхід було подано 9 імпульсів, оскільки вага 1-го тригера 1, а 4-го - 8; якщо в одиничному стані знаходиться 2 і 3–ий, то на вхід було подано 6 імпульсів.

Число 2ⁿ називається коефіцієнтом (модулем) лічби (К_ліч). Якщо кількість вхідних імпульсів N_вх > K_ліч, то при N_вх= K_ліч відбуваються переповнювання, після чого лічильник повертається в нульовий стан і повторює цикл роботи. Коефіцієнт лічби, таким чином, характеризує кількість вхідних імпульсів, необхідну для виконання одного циклу і повернення у вихідний стан. Кількість вхідних імпульсів і стан лічильника взаємно визначені лише для першого циклу.

У загальному випадку число, записане у лічильник, характеризується співвідношенням М = N_вх – iK_ліч (i = 0,1,2 . n). Після кожного циклу лічби на виходах останнього тригера виникають перепади напруги. Ця властивість визначає друге призначення лічильника: ділення кількості вхідних імпульсів. У лічильника в режимі ділення використовується вихідний сигнал лише останнього тригера. Проміжні стани останніх тригерів не враховуються. Всякий лічильник може бути використаний, як дільник частоти. Тому подібні пристрої називають часто лічильниками-дільниками. Основними експлуатаційними показниками лічильника є ємкість і швидкодія. Ємкість лічильника, що дорівнює коефіцієнту лічби, характеризує кількість імпульсів, яка доступна лічбі за один цикл.

Часові властивості лічильників залежать від часових характеристик тригерів, з яких вони складені і від способу їх (тригерів) з'єднання між собою.

Спосіб представлення чисел на виході лічильника називають кодом. Якщо число, лічене лічильником, може бути визначене сумою ваги його розрядів (тригерів), що знаходяться в одиничному стані, то код роботи такого лічильника називається ваговим.

Лічильники, що складаються з ланцюжка тригерів працюють в двійковому коді 1-2-4-8-16 тощо. Цифрові лічильники класифікуються таким чином:

• за коефіцієнтом лічби - двійкові, двійково-десяткові або з іншою основою лічби.

• за напрямом лічби - підсумовуючі, віднімаючі, реверсивні.

• за способом організації внутрішніх зв'язків - з послідовним перенесенням, з паралельним перенесенням, комбінованим перенесенням, кільця.

Кваліфікаційні ознаки незалежні і можуть зустрічатися в різних станах. У цій лабораторній роботі будуть досліджені лічильники, виконані на мікросхемах К155ИЕ2, К155ИЕ5, К155ИЕ6.

К155ИЕ2 (7490) – двійково-десятковий лічильник на десять.

К155ИЕ5 (7493) – двійковий лічильник на 16.

К155ИЕ6 (74192) – двійково-десятковий реверсивний лічильник з передвстановленням інформації.

Для дослідження логіки елементів на входи подають комбінації сигналів 0 і 1 і фіксують напругу на виході. Рівні сигналів можна виміряти за допомогою вольтметра або осцилографа з відкритим входом. Оскільки при дослідженні логічних схем нас не цікавлять абсолютні значення вхідних і вихідних сигналів, а лише рівність їх рівнів логічному 0 або 1, то можна застосовувати і простіші індикатори, наприклад, світлодіодні.

Світлодіод починає випромінювати видиме світло, коли через нього проходить струм, більший деякого граничного, при цьому падіння напруги на світлодіоді близько двох вольт. Включивши послідовно зі світлодіодом резистор R такої величини, щоб струм діода був більше граничного струму (I_гран.) лише при U≥2,4В, можна отримати індикатор логічного рівня.

Мікросхема К155ИЕ2 (7490).

Схема і часова діаграма приведена на рис.7, а логічна структура на рис.8.

Рис.7

Рис.8

До складу К155ИЕ2 входять тригер з рахунковим входом і дільник на 5. Лічба здійснюється за зрізом імпульсів. Лічильник має входи встановленння на нуль (R0) і входи встановленння у 9 (R9).

Мікросхема К155ИЕ5 (схема, часова діаграма приведені відповідно на рис.9, логічна структура на рис.10.).

Рис.9.

Рис.10.

К155ИЕ5 – містить лічильний тригер (вхід С1) і дільник на 8 (вхід С2), утворений трьома послідовно сполученими тригерами. Тригери спрацьовують за зрізом вхідного імпульсу (за переходом з 1 в 0). Лічильник має входи примусового встановлення в 0.

Мікросхема К155ИЕ6 (74192) (схема, часова діаграма приведені відповідно на рис.9)

Рис.9

К155ИЕ6 – двійково-десятковий реверсивний лічильник, з передустановкою інформації. Лічильник може складати і віднімати числа (імпульси) (реверсування – зміна напряму рахунку). У лічильник можна у будь-який момент записати довільне число (від 0 до 9). Це число в двійковому коді подається на входи D1-D4 . Введення цього числа відбувається у момент низького рівня на вході С. Прі цьому інформація з входів D1-D4 переписується на виходи Q1-Q8. Входи +1 і –1 є рахунковими. При подачі імпульсів на вхід +1 відбувається підсумовування даних, а на вхід –1 віднімання. Інформація на виходах змінюється по зрізу негативних вхідних імпульсів.

Каскадування мікросхем – з'єднання послідовне декількох мікросхем, при якому можливий рахунок імпульсів до числа 10n, де n - число послідовно сполучених лічильників. Наприклад, при 2-х лічильниках сигнал перенесення з виходу ( 9 поступає на вхід +1 наступної мікросхеми (для складання) і з виходу ( 0 на вхід –1 для віднімання. Вхід R(скидання) служить для установки 0 на всіх виходах.

Порядок виконання завдання.

Завдання на виконання лабораторної роботи