Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровая и микропроцессорная техника. Учебное пособие
.pdf
3.5. Регистры
В зависимости от функциона льных свойств и схемной реали-
зации различают:
• регистры памяти;
• регистры сдвига;
• универсальные регистры.
Регистры памяти. Назначение регистров памяти – сохранять
двоичный код на протяжении некоторого промежутка времени.
Их еще называют элементарными, или фиксаторами. Они состоят из набора триггеров, каждый из которых сохраняет один
разряд кода. Следовательно, для хранения n-разрядного двоичного кода регистр должен иметь n-триггеров. Структура регистра
памяти представлена на рисунке 3.14.
Q
Х
0
Т Т
0
Х
1
D
Q
1
Х
2
D
Q
2
Т
C
R
C
R
C
C
R
Уст. «0»
C
Рис. 3.14. Структура регистра памяти
Двоичный код поступает в параллельной форме на входы Х0,
Х1, Х2, после чего на вход С подается тактирующий импульс, ко-
торым производится запись в соответствующий триггер.
Сдвигающие регистры. Сдвиг – одновременное пространственное перемещение двоичного слова в разрядной сетке с сохранением порядка следования нулей и единиц.
Выделяют следующие типы сдвигов:
• арифметический (знаковый разряд не сдвигается):
Rа(А) = An 0 А
... A2; Lа(А) = AnА
n–1
... A1 0;
n–2
• логический (одновременно сдвигаются все разряды):
Rл(А) = 0 An А
... A2; Lл(А) = A
n–1
n–1 Аn–2
... A10;
• циклический (между старшим и младшими разрядами
имеется кольцевая связь):
Rц(А) = A1 An А
... A2; Lц(А) = A
n–1
n–1 Аn–2
... A1An.
61
Глава 3. Типовые элементы и узлы цифровой техники
Сдвигающий регистр – это группа триггеров, соединенных
таким образом, что информация из каждого триггера может передаваться в следующий триггер, сдвигая код, записанный в регистре.
В зависимости от направления сдвига различают регистры:
• со сдвигом вправо (в сторону младших разрядов);
• со сдвигом влево (в сторону старших разрядов);
• реверсивные (сдвигающие и вправо, и влево).
Условное графическое обозначение сдвигающего вправо регистра показано на рисунке 3.15. Стрелкой указано направление
сдвига.
11
1
23
2
3
5
7
9
15
17
19
21
22
13
C
S
S
DR
D
D
D
D
D
D
D
D
DL
R
RG
0
1
0
1
2
3
4
5
6
7
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
4
0
6
1
8
2
10
3
14
4
16
5
18
6
20
7
Рис. 3.15. Условное графическое обозначение сдвигающего регистра
Сдвигающий регистр, состоящий из соединенных последовательно D-триггеров, изображен на рисунке 3.16, а функциональная схема сдвигающего регистра на основе RS-триггеров – на
рисунке 3.17. Важной особенностью сдвигающих регистров является их исполнение на триггерах исключительно двухступенчатой MS-структуры.
По переднему фронту синхронизирующего импульса С информация со входа записывается в М-часть первого триггера, а
с выхода первого – в М-часть второго, со второго – в третий
и т. д. По спаду синхронизирующего импульса С информация пе-
реписывается из М-части в S-часть. Таким образом, информация
сдвигается на один разряд после каждого синхронизирующего
импульса.
62
3.5. Регистры
Вход
Q
0
ТТ
D
С
ТТ
D
С
Q
1
R R R
Q
2
ТТ ТТ
D
С
D
С
R
Q
3
Выход
Уст. «0»
С
Рис. 3.16. Функциональная схема сдвигающего регистра на основе D-триггеров
Вход
Q
n
ТТ
Q
С
1
R
n
ТТ
SS
С
R
S
С
R
ТТ
Q
0
Выход
Q
0
С
Рис. 3.17. Функциональная схема сдвигающего регистра на основе RS-триггеров
Такой регистр сдвигает коды в одном направлении. Информация, поступившая на вход во время какого-либо такта, появится на выходе Qn сдвигающего регистра через n тактов.
Если Qn считать старшим разрядом, то сдвиг данных происходит в сторону старших разрядов, т. е. влево. Если Qn – младший разряд, то происходит сдвиг данных вправо от старших разрядов к младшим.
В рассмотренном регистре запись информации производится
по входу последовательным кодом (разряд за разрядом).
Существуют регистры, которые могут сдвигать данные в обоих направлениях. Такие регистры называют реверсивными. Принцип построения реверсивных регистров показан на рисунке 3.18.
Направление сдвига задается сигналом, подаваемым на вход V.
Если V = 1, то открыты нижние по схеме вентили & элементов
2И-ИЛИ, на управляющие входы которых поступает сигнал «1»,
и происходит сдвиг вправо. Если V = 0, то открыты верхние по
схеме вентили & элементов 2И-ИЛИ, так как сигнал управления
поступает на них через инвертор, и происходит сдвиг влево.
63
Глава 3. Типовые элементы и узлы цифровой техники
1
Вход
влево
Вход
вправо
1
&
&
ТТ
D
Q
C
1
&
3
&
ТТ
D
Q
C C
1
&
&
2
ТТ
D
Q
1
Выход
вправо
C
Выход
влево
Рис. 3.18. Функциональная схема реверсивного регистра на основе D-триггеров
Универсальные регистры. Часто требуются более сложные
регистры с параллельной и параллельно-последовательной синхронной записью информации, реверсивные. Такие регистры называют универсальными.
Условное графическое обозначение универсального регистра
типа К155ИР1 показано на рисунке 3.19.
V
2
RG
Q
C
1
V
1
C
2
D
1
D
2
D
3
D
4
1
Q
2
Q
3
Q
4
Рис. 3.19. Условное графическое обозначение универсального
регистра типа К155ИР1
Это четырехразрядный сдвигающий регистр с возможностью последовательной и параллельной записи информации. Его
функциональная схема показана на рисунке 3.20.
Регистр выполнен на четырех RS-триггерах и имеет два тактирующих входа С1, С2 и один вход V2, управляющий режимом
работы регистра. Информационный вход V1 служит для занесе-
64
3.5. Регистры
ния данных в последовательном коде, а входы D1–D4 – для занесения данных в параллельном коде.
DD
1.1
V
1
D
1
D
2
D
3
D
4
&
&
DD
&
&
DD
&
&
DD
&
&
1
1.2
1
1.3
1
1.4
1
DD
DD
DD
1
DD
2.1
DD
S
C
TT
3.1
Q
1
R
DD
2.2
1
3.2
TT
S
C
Q
2
R
2.3
1
DD
S
C
TT
3.3
Q
3
R
DD
2.4
1
3.4
TT
S
C
Q
4
R
1
DD
2.5
V
2
1
DD
2.6
DD
1.5
1
&
C
2
&
C
1
Рис. 3.20. Функциональная схема универсального регистра типа К155ИР1
Регистр может работать в четырех различных режимах, при
которых выполняются сдвиг кодов вправо, сдвиг кодов влево,
65
Глава 3. Типовые элементы и узлы цифровой техники
параллельное занесение данных, хранение информации. Выбор
того или иного из них осуществляется подачей соответствующего уровня логического сигнала на управляющий вход V2. При
V2 = 0 производится сдвиг кодов в сторону старших разрядов,
при V2 = 1 происходит параллельное занесение информации по
входам D1–D4.
При работе регистра в режиме преобразования последовательного кода в параллельный со сдвигом в сторону старших разрядов (V2 = 0) отключаются входы параллельной записи D1–D4,
разрешаются занесение данных в регистр по входу V1 в последовательном коде и прохождение тактирующих сигналов по входу С1, а также устанавливаются связи выхода каждого младшего
разряда со входом последующего старшего. Сдвиг на один разряд
вправо осущест в л яется при каждом спаде тактиру ющего им п ульса на входе С1. Информация в виде четырехразрядного параллельного кода появится на выходах Q1, Q2, Q3, Q4 через четыре
такта входного импульса.
Параллельное занесение данных происходит через входы D1–
D4 при наличии управляющего сигнала V2 = 1 с приходом спада
импульса на вход С2. При этом вход последовательного занесения V1 и вход тактирующих сигналов С1 отключаются.
При организации сдвига кодов в сторону младших разрядов
необходимо выполнить внешние соединения (рис. 3.21).
V
«1»
2
RG
Q
C
1
V
1
C
2
D
1
D
2
D
3
D
4
1
Q
2
Q
3
Q
4
Рис. 3.21. Схема внешних соединений для сдвига в сторону младших разрядов
Последовательная запись в регистр осуществляется по входу D4 при управл я ющем сигна ле V2 = 1. Сдвиг кодов влево происходит при каждом спаде тактирующего импульса С2. Параллельная запись при сдвиге кодов влево невозможна, поскольку кана-
66
3.6. Счетчики
лы параллельного занесения используются для передачи данных
от младших разрядов к старшим.
3.6. СЧЕТЧИКИ
Счетчиком называют типовой функциональный узел компьютера, предназначенный для счета входных импульсов. Счетчик представляет собой связанную цепочку Т-триггеров, образующих память с заданным числом устойчивых состояний. Логическая структура счетчика представлена на рисунке 3.22.
ТТ ТТ ТТ
Q
Т
1
Т
Q
2
Т
Q
n
R
R
Рис. 3.22. Логическая структура счетчика
R
R
Разрядность счетчика п равна числу Т-триггеров. Каждый
входной импульс изменяет состояние счетчика, которое сохраняется до поступления следующего сигнала. Значения выходов
триг геров счетчика отображают результат счета в принятой системе счисления. Логическую функцию счетчика обозначают
буквами СТ. Микрооперации счетчика:
• предварительная установка в начальное состояние;
• инкремент или декремент хранимого слова;
• выдача слов параллельным кодом и др.
Входные импульсы могут поступать на счетчик как периодически, так и произвольно распределенными во времени. Амплитуда и длительность счетных импульсов должны удовлетворять
техническим требованиям для используемых серий микросхем.
Счетчик является одним из основных функциональных узлов компьютера, а также различных цифровых управляющих и
информационно-измерительных систем. Основное применение
счетчиков:
• образование последовательности адресов команд програм-
мы (счетчик команд, или программный);
• подсчет числа циклов при выполнении операций деления,
умножения, сдвига (счетчик циклов);
• получение сигналов микроопераций и синхронизации;
67
Глава 3. Типовые элементы и узлы цифровой техники
• аналого-цифровые преобразования и построение элек-
тронных таймеров (часов реального времени).
Счетчик характеризуется модулем и емкостью счета. Модуль
счета Ксч определяет число состояний счетчика. Модуль двоичного n-разрядного счетчика выражается целой степенью двойки М = 2, в счетчиках других типов справедливо неравенство
Ксч ≤ М. После счета числа импульсов Nвх = Ксч счетчик воз-
вращается в начальное состояние. Таким образом, модуль счета,
который часто называют коэффициентом пересчета, определяет
цикл работы счетчика, после которого его состояние повторяется. Поэтому число входных импульсов и состояние счетчика
однозначно определены только для первого цикла.
Емкость счета N
определяет максимальное количество
max
входных импульсов, которое может зафиксировать счетчик при
одном цикле работы. Емкость счета N
= Ксч – 1 при условии,
mах
что работа счетчика начинается с нулевого начального состояния.
В счетчиках используют три режима работы: управления, накопления и деления (пересчета). В режиме управления считывание информации производится после каждого входного счетного
импульса (например, в счетчике адреса команд). В режиме накопления главным является подсчет заданного числа импульсов
либо счет в течение определенного времени. В режиме деления
(пересчета) основным является уменьшение частоты поступления импульсов в Ксч раз. Большинство счетчиков может работать
во всех режимах, однако в специальных счетчиках-делителях состояния в процессе счета могут изменяться в произвольном порядке, что позволяет упростить схему узла.
Счетчики классифицируют по следующим признакам:
• способу кодирования: позиционные и непозиционные;
• модулю счета: двоичные, десятичные, с произвольным по-
стоянным или переменным (программируемым) модулем;
• направлению счета: простые (суммирующие, вычитающие)
и реверсивные;
• способу организации межразрядных связей: с последователь-
ным, сквозным, параллельным и комбинированным переносами;
• типу используемых триггеров: T, JК, D;
• элементному базису: потенциальные, импульсные и потен-
циально-импульсные.
По виду переходов простые счетчики подразделяют на суммирующие (прямого счета) и вычитающие (обратного счета).
68
3.6. Счетчики
1 11 0
11
N QQQ Q
В суммирующих счетчиках каждый прибавляемый импульс U+
увеличивает состояние на единицу, т. е. реализуется микрооперация инкремента.
В вычитающих счетчиках каждый вычитаемый импульс U–
уменьшает состояние на единицу, т. е. реализуется микрооперация декремента.
Реверсивные счетчики имеют переходы в прямом и обратном
направлениях, что позволяет считать прибавляемые и вычитаемые импульсы.
К временным характеристикам счетчиков относят разрешающую способность, быстродействие и время установления (переключения) кода.
Двоичные суммирующие и вычитающие счетчики. Двоичные
счетчики реализуют счет входных импульсов в двоичной системе
счисления. Число разрядов n двоичного суммирующего счетчика
для заданного модуля М находят из выражения
n = log2М.
Значение текущего числа N+ входных импульсов n-разрядного суммирующего счетчика при отсчете с нулевого начального
состояния определяют по формуле
n
i nn
i
i nn
1
где 2
2 2 2 2 ,
i–1
– вес i-го разряда; Qi ∈ {0, 1} — логическое значение пря-
мого выхода триггера i-го разряда.
Разряды двоичного счетчика строятся на двухступенчатых Тили D-триггерах с динамическим управлением по фронту синхросигнала (в счетном режиме).
В двоичном суммирующем счетчике перенос Pi в соседний
старший разряд Q
возникает в том случае, если в момент по-
n+1
ступления очередного счетного импульса U+ все младшие разряды находятся в единичном состоянии. После выработки переноса старший разряд переключается в состояние «1», а все младшие
разряды – в состояние «0».
Асинхронные суммирующие счетчики на двухступенчатых
Т-тригерах строятся так, чтобы входные U+ поступали на счетный
вход только первого (младшего) разряда. Сигналы переноса передаются асинхронно (последовательно во времени) с прямых выходов младших разрядов на Т-входы соседних старших (рис. 3.23).
69
Глава 3. Типовые элементы и узлы цифровой техники
Q
Т
+
U
1
R
Q
Т
2
R
Q
3
ТТТТТТ
Т
R
R
а
+
U
Q
1
Q
2
Q
3
t
t
t
t
б
Рис. 3.23. Асинхронный суммирующий счетчик на двухступенчатых Т-триггерах:
а – схема; б – временны е диаграммы
Изменение состояний триггеров происходит по спаду счетного импульса для первого разряда, а для остальных – по спаду
сигнала переноса.
После подсчета семи импульсов на выходе трехразрядного
счетчика устанавливается двоичный код Q3Q2Q1 = 111, т. е. максимальное значение, или емкость счета. После прихода восьмого входного импульса U+ трехразрядный суммирующий счетчик
переключается в исходное нулевое состояние последовательно
(асинхронно) во времени: вначале спадает напряжение на выходе Q1, затем – на выходе Q2 и т. д.
С помощью импульса по входу сброса R счетчик возвращается в нулевое состояние в любой момент времени.
Достоинством асинхронных счетчиков является простота
схемы: увеличение разрядности производится подключением необходимого числа триггеров. К недостаткам асинхронных счетчиков относят сравнительно низкое быстродействие в режиме
управления и его зависимость от числа разрядов, а также появление промежуточных выходных двоичных кодов.
При построении многоразрядных синхронных счетчиков появляются рост числа входов вентилей в цепи переноса и увеличение нагрузки на выходы триггеров.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]