Контрольные вопросы и задания

1. Что такое счетчик, какого типа они бывают?

2. Как создаются счетчики с коэффициентом счета, не кратным 2?

3. Что такое программируемый счетчик?

4. Используя схемы на рисунках 33 и 34, составьте схему реверсивного счетчика с переключением режима работы суммирование/вычитание.

5. Составьте схему реверсивного счетчика на базе схемы на рис.35.

6. Разработайте схему счетчика с коэффициентом счета 3 на JK- и D-триггерах (см. схему на рис.39).

7. Проведите моделирование всех функциональных узлов часов на рисунке 37, выявите недостатки и устраните их.

8. Проведите моделирование и опишите порядок работы счетчика на рис.37.

10. Регистры

Основное назначение регистров — хранение и преобразование многоразрядных двоичных чисел. Регистры наряду со счетчиками и запоминающими устройствами являются наиболее распространенными устройствами цифровой техники. При сравнительной простоте регистры обладают большими функциональными возможностями. Они используются в качестве управляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей частоты, узлов временной задержки. Элементами структуры регистров являются синхронные триггеры D- или JK-типа с динамическим или статическим управлением. Одиночный триггер может запоминать (регистрировать) один разряд (бит) двоичной информации. Такой триггер можно считать одноразрядным регистром. Занесение информации в регистр называют операцией ввода или записи. Выдача информации к внешним устройствам характеризует операцию вывода или считывания. Запись информации в регистр не требует его предварительного обнуления.

Понятие "весовой коэффициент" к разрядам регистра в отличие от счетчика неприменимо, поскольку весовая зависимость между отдельными разрядами целиком определяется записанной в регистр информацией. По этой причине на условных изображениях регистров нумерация информационных входов и выходов наносится подряд.

Все регистры в зависимости от функциональных свойств подразделяются на две категории — накопительные (регистры памяти, хранения) и сдвигающие. В свою очередь, сдвигающие регистры делятся по способу ввода и вывода информации на параллельные, последовательные и комбинированные (параллельно-последовательные и последовательно-параллельные), по направлению передачи (сдвига) информации — на однонаправленные и реверсивные.

Наиболее простыми регистрами являются регистры памяти. Их назначение — хранение двоичной информации небольшого объема в течение короткого промежутка времени. Эти регистры представляют собой набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд двоичного числа. Ввод (запись) и вывод (считывание) информации производится параллельным кодом. Ввод обеспечивается тактовым импульсом, с приходом очередного тактового импульса записанная информация обновляется. Считывание производится в прямом или в обратном коде (в последнем случае с инверсных выходов).

Регистры хранения представляют собой наборы триггеров с независимыми информационными входами и обычно общим тактовым входом. В таком качестве используются синхронные триггеры, составленные из микросхем, содержащих в одном корпусе несколько самостоятельных триггеров, например К155ТМ8 (74175), К155ТМ9 (74179) и другие, которые можно рассматривать как 4—6-разрядные регистры памяти. Наращивание разрядности регистров памяти достигается добавлением нужного числа триггеров, тактовые входы которых подсоединяют к шине синхронизации.

Регистр К155ИР15 (74173) является библиотечным компонентом EWB и может служить примером устройства хранения с тремя выходными состояниями. Схема его включения приведена рис.41. Отметим крайне неудачное расположение выводов регистра 74173 и их несоответствие оригиналу. Как видно из рисунка 41, К155ИР15 — четырехразрядный регистр. Он имеет выходы 1Q...4Q с третьим Z-состоянием (при сигнале 1 на выводах G2, G1), а его входы 1D...4D снабжены логическими элементами разрешения записи путем подачи логического 0 на входы М, N (в EWB ошибочно показаны прямыми). Используется регистр как четырехразрядный источник кода, способный обслуживать непосредственно шину данных цифровой системы.

Рис.41

Загрузка информации в регистр производится синхронно с положительным перепадом тактового импульса, если на входах М, N присутствуют напряжения низкого уровня. Если на одном из этих входов напряжение высокого уровня, после прихода положительного тактового перепада в регистре имеет место Z-состояние (размыкание) для выходных линий. При этом данные из регистров шину данных систем не проходят. Вход сброса CLR имеет высокий активный уровень. Если на входы G2, G1 подано напряжение активного низкого уровня, данные, содержащиеся в регистре, отображаются на выходах 1Q...4Q, присутствие хотя бы одного напряжения высокого уровня на входах разрешения G2 и G1 ведет к тому, что регистре остаются прежние данные. Выходы регистра не влияют на работу других аналогичных выходов, присоединенных к проводникам шины. На работу входов сброса CLR и тактового СLK смена уровней на входах разрешения влияния не оказывает.

Регистр К155ИР15 потребляет ток 72 мА и имеет тактовую частоту до 25 МГц; вариант 74LS173 потребляет ток 30 мА, его тактовая частота 30 МГц.

Вторым наиболее распространенным классом регистров являются регистры сдвига, которые отличаются большим разнообразием как в функциональном отношении, так и в отношении схемных решений и характеристик.

Регистры сдвига, помимо операции хранения, осуществляют преобразование последовательного двоичного кода в параллельный, а параллельного кода— в последовательный, выполняют арифметические и логические операции, служат в качестве элементов временной задержки. Своим названием они обязаны характерной для этих устройств операции сдвига. С приходом каждого тактового импульса происходит перезапись (сдвиг) содержимого триггера каждого разряда в соседний разряд без изменения порядка следования единиц и нулей. При сдвиге информации вправо после каждого тактового импульса бит из более старшего разряда сдвигается в младший, а при сдвиге влево — наоборот. Этот процесс иллюстрируется сдвиговым регистром на рис.42.

Рис.42

На отечественных схемах символом регистра служат буквы RG. Для регистров сдвига указывается также направление сдвига: > — вправо; < — влево; <-> — реверсивный (двунаправленный).

На рис.43 показана схема универсального регистра, который может выполнять следующие функции: последовательный прием информации (вход Ds, на шине управления сигнал Р=0); параллельная загрузка (входы D1-D3, P=1); сдвиг вправо и влево (на входе управления R/L сигнал 1 и 0 соответственно). Регистр выполнен на D-триггерах с предустановкой сигналами низкого уровня по R-входам (нижний вывод) в нулевое состояние и в единичное состояние по S-входу (нижний уровень).

При двоичной комбинации 10100000 сигналы Ds=1 и R/L=1, поэтому на выходе U21 формируется сигнал 1, который через U31 передается на D-вход триггера D1 и под действием тактового сигнала переводит его в единичное состояние. При двукратной подаче комбинации вида 00100000имеем сигнал R/L=1, поэтому сигнал 1 с первого триггера перезаписывается во второй (через U22, U32), а затем через U23 в третий (сдвиг вправо). При комбинациях вида 00000000 сигнал R/L=0, при этом элементы U21, U22 блокируются и на выходе U6 формируется сигнал 1, под действием которого сигнал 1 с выхода триггера D3 через U12 и U32 перезаписывается в триггер D2, а затем через U11 и U31 – в D1 (сдвиг влево). При комбинации 01000001 сигнал разрешения параллельной нагрузки Р=1, при этом на входы D1-D3 поступает сигнал 001, в результате чего триггеры D1 (через U41,U51) и D2 (через Г42б Г52) устанавливаются по R-входам в нулевое состояние, а триггер D3 через U43, U53 переводится по S-входу в единичное состояние. Далее при нулевых комбинациях происходит сдвиг влево, а при 00100000 – вправо.

Рис.43

Работу еще одного регистра сдвига рассмотрим на примере библиотечного регистра 74195 (К155ИР12), схема включения которого показана на рис.44. ИМС 74195 — быстродействующий регистр для выполнения операций сдвига, счета, накопления и взаимного параллельно-последовательного преобразования цифровых слов. Через вход LD/SH загружаются параллельные данные и производится их сдвиг вправо. Если на этом входе присутствует напряжение высокого уровня, через входы первого триггера J и К в регистр вводятся последовательные данные. Вход J имеет высокий активный уровень, вход К — низкий; если эти входы соединить, получим простой D-вход. Данные сдвигаются в направлении от QA к QB, QC, а затем к QD после каждого положительного перепада на тактовом входе CLK.

Если на входе LD/SH присутствует напряжение низкого (активного) уровня, все четыре триггера регистра запускаются одним тактовым перепадом (от низкого уровня к высокому). Тогда данные от параллельных входов A...D передаются на соответствующие выходы QA...QD. Сдвиг данных влево обеспечивается в схеме, где каждый выход Qn соединен внешней перемычкой со входом Dni, т.е. схема включения на рис.44 соответствует только режиму приема и хранения данных.

Рис.44

Схема включения ИМС в режиме сдвига показана на рис.45. Для режима сдвига напряжение на входе LD/SH надо зафиксировать на высоком уровне. Из-за того, что все операции в регистре ИР12 строго синхронны и запускается он фронтом импульса, логические уровни на входах J, К, Dn, LD/SH можно произвольно изменять до прихода тактового сигнала. Напряжение низкого уровня на входе CLR, кроме операции обнуления, означает так же запрет на действие тактового импульса CLK; для правильного сброса данных выбирается момент, когда на входе CLK присутствует напряжение низкого уровня.

Рис.45

Исследование работы ИМС 74195 целесообразно провести, подавая с генератора слова последовательности вида:

00000011

00011110

10001110

01001110

00101110

10011110

В заключение рассмотрим пример применения регистра для генерации псевдослучайных последовательностей. Простейший генератор такой последовательности на базе 4-разрядного регистра сдвига на триггерах D0-D3 показан на рис.46, его характерной особенностью является применения обратной связи через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ U4.

Рис.46

Апериодические кодовые последовательности, которые может генерировать n-разрядный регистр сдвига, имеют разрядность N=2^n-1 бит, то есть генератор на рис.46 позволяет получить псевдослучайную последовательность максимальной длиной 15 бит. Как можно убедиться с помощью осциллографа, распределение временных интервалов логических единиц и нулей действительно произвольно, то есть в их последовательности не наблюдается закономерности. Причем форма сигналов не зависит, с выхода какого триггера она снимается. Очевидно, что нулевое состояние всех триггеров данного регистра в данном случае является запрещенным, поскольку нечего «сдвигать».

Для предотвращения такого состояние служит элемент ИЛИ-НЕ U3: при нулевом состоянии триггеров на ее выходе формируется сигнал 1, который разрешает И U1 и ИЛИ U2 записать 1 в триггер D0 с кодового генератора, работающего в данном случае в циклическом (непрерывном) режиме. В общем случае можно обойтись и без элемента U1, если синхронизация не требуется.