Лабораторная работа № 2
«Регистры»
Цель работы: изучение структуры и исследование работы регистров.
Краткие теоретические сведения
Регистр – это объединение триггеров, позволяющее единообразно оперировать с множеством, как правило, связанных между собой, переменных (разрядов), составляющих информационное слово. Регистры состоят из разрядных схем, которые содержат триггеры и другие логические элементы. С помощью регистров осуществляют прием, хранение, выдачу данных, перемещение (сдвиг) информационного слова в сторону младшего или старшего разряда, поразрядные логические операции. Регистры входят практически в любое устройство цифровой вычислительной техники.
Регистры классифицируют:
а) по количеству линий передачи переменных: одна линия связи для передачи информации между разрядными схемами – однофазные, две линии связи, то есть передаются прямой и инверсный сигналы, - парафазные;
б) по системе синхронизации: однотактная – обработка данных осуществляется с помощью одной последовательности сигналов или двухтактная (многотактная) – используются две (несколько) последовательности;
в) по способу приему и выдачи данных: параллельные – прием или выдача осуществляется одновременно со всех разрядов, последовательные или сдвигающие – данные принимаются и выдаются разряд за разрядом и последовательно-параллельные. Последние имеют входы-выходы последовательного и параллельного типа.
В параллельных регистрах разрядные схемы не обмениваются информацией между собой. Общими для разрядных схем таких регистров являются цепи синхронизации, установки в состояние 0 или 1, записи входных данных, разрешения выхода, т.е. цепи управления.
На рис. 2.1 приведена схема параллельного регистра на D-триггерах, имеющего общие вход установки нуля и записи данных по фронту синхронизирующего сигнала. В некоторых случаях выходные каскады регистра дополняют схемами с тремя устойчивыми состояниями, позволяющими подключать регистр непосредственно к шинам. Кроме того, регистр может содержать элементы, разрешающие прием или выдачу данных.
Рис.
2.1 Схема параллельного регистра
П
араллельный
регистр может быть построен и на триггерах
других типов, например, RS-триггерах.
Для того, чтобы уменьшить время приема
данных,
входную
информацию подают одновременно по двум
линиям на входы S
и
R,
то есть парафазным кодом. В этом случае
предварительную установку регистра в
состояние ноль (единицу) проводить не
требуется. Большинство регистров строят
на основе D-триггеров
с записью информации фронтом или срезом
импульса. Условное графическое изображение
параллельного регистра показано на
рис. 2.2.
Рис.
2.2 Обозначение параллельного регистра
регистра, информационные входы которых объединены.
Сдвигающие или последовательные регистры представляют собой цепочку разрядных схем, связанных цепями переноса. В них каждый тактовый импульс перезаписывает (сдвигает) содержимое триггера каждой разрядной схемы в триггер соседней разрядной схемы без изменения порядка следования единиц и нулей (хранимой информации). Входы и выходы этих регистров последовательные. При сдвиге информации вправо после каждого тактового импульса бит из более старшего разряда сдвигается в младший, а при сдвиге влево – наоборот.
На рис. 2.3 показана схема последовательного регистра, обеспечивающего смещение информации вправо. На рис. 2.4 приведены временные диаграммы работы этого сдвигающего регистра. Если в регистре не содержалось единиц, например, он был обнулен сигналом установки нуля (R), а на входе поддерживалась единица только во времени формирования одного импульса синхронизации (СИ), то каждым очередным импульсом синхронизации она будет перемещаться в триггер соседней разрядной схемы. Таким образом, единица, поступившая на D вход регистра, окажется на его выходе (последнем триггере DDn) после поступления n импульсов синхронизации.
Рис.
2.3 Последовательный регистр, смещающий
данные вправо
Рис.
2.4 Временная диаграмма работы
последовательного сдвигающего регистра
(сдвиг вправо)
На рис. 2.5 показана схема последовательного регистра, обеспечивающего сдвиг информации влево. В этой схеме выход триггера текущей разрядной схемы соединен с входом триггера не следующей, как это было в ранее рассмотренной схеме, а предыдущей разрядной схемы.
В реверсивном сдвигающем регистре входы триггера текущей разрядной ячейки соединены с выходами триггеров как предыдущей, так и последующей разрядной ячейки, но с помощью элементов 2И-2И-ИЛИ и управляющих сигналов «Сдвиг данных вправо» или «Сдвиг данных влево» разрешается работа только одних из этих связей.
Рис.
2.5 Последовательный сдвигающий регистр
(сдвиг влево)
Условные обозначения сдвигающих регистров вправо, влево и реверсивных показаны соответственно на рис. 2.6a, рис. 2.6б, рис. 2.6в. Схема реверсивного сдвигающего регистра на D-триггерах приведена на рис. 2.7.
Рис.
2.6 Условные обозначения сдвигающих
регистров
Кольцевые сдвигающие регистры могут быть использованы при построении счетчиков с постоянно взвешенными кодами, для которых число единиц и нулей в каждом устойчивом состоянии постоянно. Простейшим счетчиком этого класса является счетчик Джонсона, работающий в коде Либау-Крейга. Он реализуется на сдвигающем регистре с одной инверсной связью между пятым и первым разрядом, схема приведена на рис. 2.8.
Рис.
2.7 Реверсивный сдвигающий регистр на
D-триггерах
Рис.
2.8 Счетчик Джонсона
Применяются различные типы регистров. Несколько типов являются многофункциональными (универсальными). Многофункциональность обеспечивается объединением в одной и той же микросхеме узлов, позволяющих реализовывать различные операции. Выбор операции, выполняемой в данное время, производится активизацией необходимых узлов с помощью управляющих сигналов.
Регистры широко используются для хранения данных, например, на их основе строится статическая оперативная память, накапливающий сумматор, преобразователи параллельных кодов в последовательные и наоборот, и другие устройства.