5. Регистры

Регистрами называют функциональные узлы, предназначенные для приёма, хранения, передачи и преобразования информации. В зависимости от способа за­писи информации (кода числа) различают параллельные, последовательные и па­раллельно-последовательные регистры. Параллельные регистры. В параллельных регистрах запись двоичного числа (слова) осуществляется параллельным кодом, т. е. во все разряды регистра одновременно. Их функция сводится только к приёму, хранению и передаче информации (двоичного числа).

Считывание кода из регистра может производиться многократно без разруше­ния информации. Параллельный N-разрядный регистр состоит из N-триггеров, каждый из которых имеет информационный вход, на которые и подаётся входная информация. Установка выходов регистра в состояния, соответствующие со­стояниям информационных входов, производится при воздействии импульса синхронизации (тактирующего) на соответствующий управляющий вход. Регистры могут иметь отдельный управляющий вход переустановки выходных состояний в нулевое значение («R», переустановка, обнуление).

При построении параллельных регистров наибольшее применение получи­ли D‑триггеры (триггер-«защёлка»), позволяющие выполнять параллельные регист­ры на малом количестве элементов. Полупроводниковая элементная база, выпус­каемая электронной промышленностью, имеет в своём составе многоразрядные параллельные регистры (рисунок 15.1) или позволяет изготавливать их на инте­гральных схемах малой степени интеграции.

Входы			Выходы
	С	D	O
0	1	1	1
0	I	0	0
0	0	X	Q0
1	X	X	Z

1533ИРЗЗ 8-разрядный параллельный регистр на D-триггерах

Таблица состояний

Рис.108 - Многоразрядный параллельный регистр с Z-состоянием

Такие регистры (например, ИС 1533ИР22, ИРЗЗ, ИР34) могут использоваться в качестве:

• регистра памяти;

• буферного регистра, способного работать на низкоомные нагрузки (20-100 Ом) и большие ёмкости нагрузки (до 50 пФ и более);

- регистра ввода-вывода и магистрального передатчика, что обеспечено наличием в них режима большого выходного сопротивления («третье состоя­ние», «Z-состояние»), за счёт чего они физически всегда подключены к линиям шин магистрали микропроцессорной системы через сопротивления порядка не­ скольких мегаом. А передача информации происходит только во время действия управляющего импульса (вход ЕО на рисунке 15.1), когда управляющее устрой­ство выводит регистр из Z-состояния.

Параллельные регистры имеются и в составе серий современных скоростных микромощных ИС (серии 1554, 1594, 5514 и 5554). Параметры таких регистров определяются параметрами D-триггеров, входящих в их состав. Это параметры, которые важно знать и при самостоятельном применении D-триггеров:

• время предустановки t_ПРУСТ показывает, насколько ранее должен быть по­дан сигнал на D-вход относительно момента поступления сигнала на на вход С;

• время удержания t_УД отражает время удержания сигнала на D-входе по­сле момента прихода сигнала на С-вход.

Последовательные регистры (регистры сдвига). Характеризуются записью числа последовательным кодом и, кроме операции хранения, осуществляют преобразование последовательного кода в параллельный, служат в качестве элементов вре­менной задержки, выполняют арифметические и логические операции. Регистр со­стоит из последовательно соединенных ячеек памяти, состояния которых передают­ся (сдвигаются) на последующие ячейки под действием тактовых импульсов. Однотактные регистры сдвига выполняют по функциональной схеме (рис.109), по­казанной для четырех разрядов.

Рис.109 - Последовательный 4-разрядный однотактный регистр

Тактовые импульсы управляют работой регистра. Регистры сдвига могут управ­ляться одной последовательностью тактовых импульсов. В этом случае регистры на­зывают однотактными. Частота следования тактовых импульсов обычно неизменна. В многотактных регистрах последовательности тактовых импульсов следуют с вза­имным фазовым сдвигом , где т - количество последовательностей тактовых импульсов. Наиболее простая реализация регистра сдвига использует последова­тельное соединение D-триггеров таким образом, чтобы для некоторого n-го разряда выполнялось условие:

; .

Первая ячейка регистра относится к его младшему разряду, а четвертая - к стар­шему. При таком расположении разрядов запись числа в регистр производится начиная со старшего разряда числа. При обратном расположении разрядов в регистре запись числа должна начинаться с его младшего разряда. Тактовые импульсы по­даются на все триггеры ячеек одновременно. Их воздействие направлено на пере­ключение триггеров из состояния «1» в состояние «0» с записью единицы в триггер следующей ячейки.

Операция считывания информации из последовательного регистра может быть проведена в параллельном или последовательном коде. Для передачи информации в параллельном коде используют выходы разрядов регистра. Таким образом, последовательный регистр позволяет осуществить операцию преобразования последова­тельного кода в параллельный. Считывание информации в последовательном коде реализуется подачей серии тактовых импульсов.

В последовательном регистре записанное число может быть сдвинуто тактовы­ми импульсами на один или несколько (k) разрядов. Операции сдвига соответствуют умножению числа на . Например, сдвиг кода 0010 числа 2 на один разряд дает код 0100 (число 4), на два разряда - код 1000 (число 8).

При построении модулей памяти на однотактных регистрах сдвига необходимо учитывать, что тактовые импульсы воздействуют на перевод в состояние «0» тригге­ров всех разрядов одновременно. Поэтому в однотактных регистрах должна быть решена задача разделения во времени (по меньшей мере на длительность тактовых импульсов ) операций считывания единицы с триггера каждого разряда и ее пере­писи в триггер следующего разряда. В противном случае перепись единицы в сле­дующий разряд не будет произведена.

Эта задача может быть решена включением в цепь передачи сигнала от одной ячейки к другой элемента задержки. Элемент задержки будет задерживать импульс записи единицы в последующую ячейку на время действия тактового импульса. Од­нако наличие элементов задержки обусловливает критичность работы схемы в от­ношении длительности тактовых импульсов. Кроме того, для элементов задержки, состоящих из реактивных элементов L и С, затруднено интегральное исполнение. В связи с указанным, разнесение во времени операций считывания и переписи едини­цы осуществляют схемными средствами, например выполнением ячеек на триггерах с внутренней задержкой ( ,  , -триггерах).

Параллельно-последовательные и реверсивные регистры. В параллельно-последовательных регистрах сочетаются свойства регистров параллельного и по­следовательного действия. Они записывают информацию как в последовательном, так и параллельном коде, в связи с чем могут быть использованы для преобразова­ния кодов из последовательного в параллельный и обратно. Эти регистры допускают однотактный (рис.110) и многотактный принципы построения.

Рис.110 - Параллельно-последовательный регистр

Для преобразования последовательного кода в параллельный серией тактовых импульсов в регистр записывается информация (число) последовательного кода. Выходы разрядов регистра при этом представляют ту же информацию в параллель­ном коде. Для обратного преобразования информация в регистр вводится по входам параллельного кода. Посредством серии тактовых импульсов с выхода последнего разряда регистра информация считывается в последовательном коде.

Реверсивные регистры предназначены для осуществления сдвига кода числа в сторону как старшего, так и младшего разрядов. Регистр содержит связи последовательной передачи информации в направлении от младших разрядов к старшим, а также от старших разрядов к младшим.

Прямой или обратный сдвиг кода осуществляют управляющим сигналом, вво­дящим в действие либо прямую, либо обратную связи между разрядами.