397

функционального обозначения; -описание микроопераций (МО), т.е. элементарных действий, выполняемых узлом.

Описание регистра на ЯОС приведено ниже (п. 3.2.2.). Классификация регистров.

а) По количеству линий передачи переменных:

-однофазные (на i – вход подается только прямое значение разряда);

-парафазные (на i – вход наряду с прямым значением подается ещё и инверсия разряда).

б) По виду синхронизации:

-однотактные;

-двухтактные.

Вид синхронизации в регистре, как правило, определяется типом используемых триггеров. Для регистров применимы все варианты синхронизации, используемые в триггерах.

в) По способу приёма и выдачи данных:

-параллельного действия (статические);

-последовательного действия (сдвиговые);

-параллельно – последовательного действия.

В регистрах параллельного действия приём и выдача кода проводится одновременно по всем разрядам. В регистрах последовательного действия может быть организовано преобразование параллельного кода в последовательный. Для этого необходима МО сдвига кода числа в разрядной сетке. МО сдвига необходима также при выполнении операций машинной арифметики в арифметико-логическом устройстве и в некоторых других

71

случаях. Регистры, в которых выполняется МО сдвига, считаются регистрами последовательного действия.

3.2.2. Регистры параллельного действия

В регистрах параллельного действия выполняется микрооперации:

-установки;

-присваивания (присваивания с преобразованием);

-выдачи.

Рассмотрим описание регистра параллельного действия на на ЯОС

(рис. 71).

Рис. 71. Описание регистра параллельного действия на ЯОС

Здесь Х[1:2] и B[1:2] – входная и выходная однофазные шины, а Y0 - Y3 – микрооперации, выполняемые узлом. Построим функциональную схему (ФЭС) регистра на асинхронных RS-триггерах и логических элементах основного базиса (И, ИЛИ, НЕ). Очевидно, что микрооперациями входной логики являются МО Y0, Y1, Y2, так как они предназначены для установки триггеров в новое состояние. Выходная логика – реализация МО Y3 – микрооперации выдачи. Ключевыми этапами проектирования являются:

а) Определение частных функций возбуждения триггеров для каждой из МО:

72

б) Определение обобщенных функций возбуждения для МО входной логики (получаются из частных функций возбуждения путем их сборки по ИЛИ):

S[1]=0vY1vX[1]&Y2=Y1vX[1]&Y2;

R[1]=Y0v0v0=Y0; S[2]=0vY1vX[2]&Y2=Y1vX[2]&Y2; R[2]=Y0v0v0=Y0.

в) Определение оператора присваивания для МО выдачи:

В[1]:=Рг[1]&Y3;

В[2]:=Рг[2]&Y3.

Из анализа обобщенных функций возбуждения видно, что для построения входной логики необходимо два двухвходовых элемента ИЛИ (2ИЛИ), и два двухвходовых элемента И (2И), а для выходной логики два элемента 2И. Для реализации блока хранения двухразрядного регистра понадобятся два триггера. ФЭС регистра приведена на рис. 72.

X[2]

Рис. 72. Функциональная схема регистра

73

Логические элементы И, управляемые по одному из входов импульсами микроопераций, и, следовательно, осуществляющие стробирование приема и выдачи кода числа, называются входными и выходными вентилями регистра.

Примененный в регистре однофазный приём кода требует предварительного обнуления регистра. От этого недостатка свободен парафазный приём кода, когда на S-вход триггера подается прямое значение разряда, а на R-вход – его инверсия. Для этого необходима входная парафазная шина (рис. 73) или дополнительные инверторы.

Рис. 73. УГО входной парафазной шины

Для МО парафазного приёма Yi в разряде с номером j функции возбуждения и схемное решение представлены на рис.74.

Yi

Рис.74. Реализация парафазного приема кода

По своей сути получили реализацию D-триггера, синхронизируемого импульсом микрооперации Yi [5].

3.2.3. Регистры последовательного действия

В регистрах последовательного действия наряду с рассмотренными выше микрооперациями для регистров параллельного действия выполняется МО сдвига.

74

В цифровых устройствах используется сдвиги:

-в сторону старших разрядов (влево);

-в сторону младших разрядов (вправо);

-с заполнением освободившихся разрядов нулями;

-с заполнением освободившихся разрядов единицами;

-циклические сдвиги (кольцевые);

-на один или несколько разрядов.

Для реализации сдвиговых регистров необходимы либо двухтактные триггеры, либо триггеры с динамическим управлением, так как процесс считывания информации с выхода триггеров и установки триггеров в новое состояние должны быть разделены во времени.

МО сдвига для трехразрядного регистра может иметь вид: Yi: Рг[1:3]:=Рг[2:3].1;

Это МО сдвига влево с заполнением освободившихся разрядов единицами. Очевидно, что при сдвиге также необходима парафазная установка триггеров, на каждый разряд необходимо два вентиля – для прямого и для инверсного значения сдвигаемого разряда, причем инверсное значение берется с инверсного выхода триггера соответствующего разряда. Фрагмент ФЭС для j-разряда приведен на рис. 75 [5].

Рис.75. Реализация МО сдвига

На рис. 76 приведено УГО и режимы работы ИМС универсального четырехразрядного сдвигового регистра ИР11 (технология ТТЛ) [12]. У К555ИР11 (LS) задержка при сдвиге – 20 нс, у К531ИР11 (S) – 12 нс.

75

Рис. 76. Универсальный регистр ИР11 и режимы его работы

Назначении выводов ИМС:

-D0-D3 и Q0-Q3 – информационные входы и выходы регистра;

-DR (DSR) – вход для заполнения при сдвиге вправо, либо для реализации многоразрядных регистров;

-DL (DSL) – то же самое, только при сдвиге влево;

Рис.77. Вариант организации восьмиразрядного сдвигового регистра из двух ИМС ИР 11

76

3.3. Счетчики

3.3.1. Определение и классификация счетчиков

Счетчиками называются узлы цифровых устройств, которые под действием входных импульсов переходят из одного состояния в другое, фиксируя тем самым число поступивших на вход импульсов в том или ином коде.

Для счетчиков характерными микрооперациями являются МО счета

В общем виде МО счета может быть записана:

Yi : Сч[1 : n] := Сч[1 : n] ± 1(mod K )

То есть сложение и вычитание производятся по модулю К. Если К=2n, где n – число разрядов счетчика, то модуль счета не указывается. Такой счетчик называется двоичным. Модуль счета указывает число состояний счетчика (иначе - его емкость).

После поступления на вход К-импульсов начинается новый цикл, повторяющий предыдущий. Так для четырехразрядного двоичного счетчика (Сч[1:4]) емкость будет равна К=24=16. В счетчиках также могут выполняться все микрооперации, характерные для регистров [5].

Классификация счетчиков.

По способу кодирования: -двоичные счетчики;

-счетчики других систем счисления. По направлению счета:

-суммирующие счетчики (+1); -вычитающие счетчики (-1);

-реверсивные счетчики (с изменением направления счета). Возможны два режима использования счетчиков:

1)Регистрация числа поступивших на вход сигналов. Здесь результатом является содержимое разрядов счетчика.

2)Деление частоты. Здесь результатом является импульс переполнения, т.е. переноса из старшего разряда.

77

3.3.2. Счетчики с последовательным переносом

Рассмотрим реализацию только МО счета. Счетчики строятся на триггерах, имеющих счетный режим (T, JK). Описание простейших трехразрядных счетчиков на ЯОС и их функциональные схемы приведены на рис. 78.

Здесь реализованы лишь характерные для счетчиков микрооперации (декремент, инкремент) и микрооперация установки в ноль, однако в счетчиках могут быть реализованы и все микрооперации, выполняемые в регистрах.

Рис. 78 Вычитающий (а) и суммирующий (б) счетчики

Счетчики построены на двухтактных RST – триггерах. Рассмотрим структуру такого триггера, построенного на основе синхронизируемого RS-триггера (рис. 79).

В роли Т-входа выступает вход синхронизации С. По высокому уровню счетного импульса Т осуществляется установка в новое состояние

78

триггера первой ступени, по низкому уровню - перепись в триггер второй ступени.

Рис. 79. Двухтактный RST-триггер

У суммирующего счетчика съём сигналов переноса осуществляется с прямых выходов триггеров, у вычитающих - с инверсных.

Могут быть использованы триггеры с динамическим управлением (одноступенчатые, управляемые фронтом или срезом). В этом случае схемная организация цепей переноса может отличаться.

В приведенных простейших схемах счетчиков применен последовательный перенос.

Рассмотрим такое состояние двоичного счетчика, когда в соседних разрядах несколько единиц:

0 111 111

+1

1 000 000

В этом случае единица переноса должна пройти из младшего разряда до старшего. Ситуация является наихудшей с точки зрения быстродействия, так как для фиксации нового состояния счетчика необходима последовательная установка в новое состояние триггеров нескольких разрядов.

Если tуст = время установки счетчика, то t уст ≤ ntТГ

где tТГ – время установки триггера; n – разрядность счетчика.

Поэтому счетчики с последовательным переносом имеют наихудшее быстродействие.

79

3.3.3. Счетчики с параллельным и групповым переносом

Рассмотрим схему реализации параллельного переноса на примере четырехразрядного счетчика (рис. 80). Кроме счетных триггеров схема содержит логический элемент И с нарастающим (по старшинству разряда) числом входов. В приведенной схеме счетчика реализована только МО счета Y1.

Из анализа схемы видно, что перенос в состоянии, когда рядом несколько единиц, осуществляется параллельно, т.е. триггеры устанавливаются в новое состояние одновременно, и быстродействие счетчика определяется формулой:

t уст = tЛЭ + tТГ

где tЛЭ – задержка ЛЭ.

Однако для многоразрядных счетчиков число входов логического элемента И будет велико, поэтому используют групповой перенос: в груп-

80