5. Последовательностные цифровые устройства

5.1. Регистры

Регистром называется ЦА, предназначенный для хранения и выполнения логических преобразований над n-разрядным двоичным кодом.

Для регистрации n-разрядного двоичного кода регистр содержит n ячеек памяти в виде триггеров, связанных логическими цепями управления.

Состояние регистра как цифрового автомата описывается совокупностью логических переменных на выходах всех n триггеров:

.

Этой совокупности соответствует n-разрядный двоичный код, индекс определяет номер состояния регистра =0,1,…,2.

Логические цепи управления, входящие в состав регистра, позволяют осуществлять:

• установку регистра в нулевое состояние;

• ввод (запись кода) и вывод (считывание) его из регистра;

• сдвиг кода вправо и влево;

• преобразование кода параллельного в последовательностный и наоборот.

Регистры в зависимости от функциональных свойств подразделяются на две группы: накопительные (регистры памяти или хранения) и сдвигающие.

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

• по способу ввода и вывода информации на параллельные, последовательностные и комбинированные (параллельно-последовательные);

• по направлению передачи (сдвига) информации на нереверсивные (однонаправленные) и реверсивные.

В зависимости от числа входных и выходных каналов регистры делятся на однофазные (сигналы передаются по одному каналу) и парафазные (передача сигналов по двум каналам). Парафазные регистры реализуются на RS-триггерах, а однофазные – на Д-триггерах.

Регистры характеризуются числом разрядов и быстродействием, определяемым максимальной тактовой частотой приема передачи и сдвига информации.

Регистры памяти

Регистр с параллельным приемом и выдачей информации (цифрового кода) называется регистром памяти. Его основное назначение – хранить двоично-кодированную информацию. Эти триггеры строят на асинхронных RS-триггерах либо на любых синхронных, кроме Т-триггеров. На рис.5.1 приведены схемы регистров на синхронных Д-триггерах при однофазных входных сигналах и синхронных RS-триггерах при парафазных входных сигналах.

На рис. 5.2, 5.3 приведены соответствующие условные обозначения регистров памяти.

Р ис. 5.1

Рис. 5.2 Рис. 5.3

5.1.1. Понятие о синтезе цифрового автомата с памятью

При синтезе ЦА последовательно выясняются, а затем удовлетворяются условия его устойчивой работы (без нарушения заданной логики), в том числе помехоустойчивости.

Критерием устойчивости ЦА может служить следующее положение: ЦА устойчив, если любой набор входных сигналов x₁, x₂, …, x_n вызывает в данный дискретный момент времени конечное число изменений выходных сигналов.

В частности, для обеспечение устойчивости ЦА необходимо и достаточно, чтобы набор входных сигналов x₁, x₂, …, x_n вызывал в данный дискретный момент однократное изменение внутреннего состояния автомата Q₁, Q₂, …, Q_n.

Синтез ЦА обычно осуществляют в три этапа:

- вначале определяют минимальное число внутренних состояний автомата N_мин, обеспечивающее устойчивую его работу в заданных условиях. Затем выбирают тип элемента памяти (триггеров) путем сравнения правил работы ЦА и триггера по таблицам переходов. Часто оказывается, что в ЦА могут успешно работать триггеры различных типов, и, следовательно, допускается известная свобода выбора элементной базы;

- определяют функции возбуждения всех триггеров. Функция возбуждения формируется комбинационной схемой и представляет собой логическую зависимость сигналов на входах триггеров от сигналов на входе автомата и выходных сигналов предыдущего состояния триггеров. Очень часто функция возбуждения оказывается неопределенной и допускает применение факультативных условий для эффективной ее минимизации с целью упрощения схемы;

- минимизируют функцию возбуждения и реализуют ее на выбранном базисе ЛЭ. В заключении составляется функциональная схема всего автомата.