Импульсная и цифровая техника

10

Регистры

1. Назначение, классификация и применение (регистров)

Регистром (РГ) называется запоминающий узел электронной техники, который служит для приёма, хранения и выдачи кода одного n-разрядного числа в двоичной системе счисления. В отличие от запоминающих устройств ЦВМ (ПЗУ, КЭШ-памяти, ДЗУ или ФЛЭШ-памяти), которые сохраняют записанную информацию в течение всего времени обработки заданной программы, регистры хранят информацию только в течение времени «командного цикла» - времени реализации выполняемой команды.

Основными функциональными элементами регистров являются RS-триггеры, которые принимают, хранят и выдают только одно двоичное число по соответствующим управляющим сигналам контроллера или устройства управления (УУ).

При работе РГ используется принцип замещения информации: старое число, хранимое регистром, стирается только перед записью в него нового.

Основными классификационными признаками приняты принцип работы и назначение РГ.

По принципу работы различают:

- РГ параллельного действия или РГ без сдвига;

- РГ последовательного действия или сдвигающие (сдвиговые) РГ.

По назначению различают:

- регистры чисел, где соответствующие триггеры кодируют, например, знак числа, его мантиссу, знак порядка и сам порядок числа;

- регистры команд, где одна часть триггеров кодирует код операции, подлежащей выполнению по данной команде, а вторая – код адреса (одного, двух или трёх – в зависимости от системы команд данной ЦВМ);

- буферные регистры устройств ввода и вывода;

- регистры общего назначения и т.д.

Условно-графические обозначения РГ приведены на рис. 20. 1 а и б.

а) б)

D₀ RG Q₀

D₁ Q₀

D₂ Q₁

D₃ Q₁

…

R Q₃

Q₃

D₀ RG Q₀

D₁ Q₀

D₂ Q₁

D₃ Q₁

…

R Q₃

Q₃

х₁ у₁ х₁ у₁

х₂ х₂ у₂

х₄ у₂ х₄

х₈ у₄ х₈ у₄

у₈ у₈

У«0» У«0»

Рис. 20. 1. УГО регистров а) без сдвига, б) сдвигового (реверсивного)

В системе обозначений интегральных микросхем по функциональному назначению с июля 1974 г. по настоящее время для регистров предусмотрены две отличительные буквы: «ИР». Например, в серию микросхем К155 включены К155ИР13 – четырёхразрядный РГ параллельного действия и К155ИР17 – 12-разрядный РГ последовательного действия (реверсивный)

2. Схема и принцип действия параллельного (без сдвига) регистра

Регистры параллельного действия принимают и хранят коды двоичных чисел всеми разрядами одновременно. Разрядность принимаемых и выдаваемых чисел определяется количеством RS-триггеров. При этом числовое значение каждого символа, хранимого в РГ, определяется его разрядной сеткой.

Вместе с этим, параллельные регистры позволяют выдавать хранимые числа или в прямом или в обратном коде. Эта операция получила самостоятельное название – «обращение кодов».

Для управления процессами записи, выдачи и обращения кодов хранимого в РГ двоичного числа он оборудуется соответствующими узлами приёма (УПч) и выдачи числа (ИВПК – в прямом коде, ИВОК – в обратном коде).

Структурная схема трёхразрядного фрагмента РГ параллельного действия показана на рис.20. 2.

УПч УВчПК УВчОК УРВ

х

8

S T₂

R

&

1

₂

&

у₂

1 4

К 1 К

&

S T₁

R

&

7

х

1

₁

&

у₁

Ш 2 5 2 Ш

8

х

&

S T₀

R

&

&

1

₀

у₀

3 6

Ч 9 3 Ч

ППч Уст.«0» ИВчПК ИВчОК

Рис. 20. 2. Структурная схема трёхразрядного РГ без сдвига

На схеме рис. 20. 2 применены обозначения:

ППч – потенциал приёма числа (управляющий сигнал);

Уст.«0» - гашение РГ, очистка его перед записью нового числа;

ИВчПК – импульс выдачи числа в прямом коде (управляющий сигнал);

ИВчОК - импульс выдачи обратного кода числа (управляющий сигнал);

УПч – узел приёма числа (записи или занесения в РГ);

УВчПК – узел выдачи прямого кода числа;

УВчОК – узел выдачи обратного кода числа;

УРВ – узел разделения выходов (триггеров – прямого и обратного).

Работу регистра рассмотрим на примере записи, хранения и выдачи в прямом коде двоичного числа 101. При этом необходимо иметь в виду два принципиальных положения: 1. Запись числа в регистр производится на основе принципа замещения информации (хранимая информация стирается только непосредственно перед записью новой информации в регистр) и 2. Поскольку рассматриваемый регистр работает без сдвига, то все эти процессы выполняются над всеми разрядами числа одновременно.

Итак, перед записью двоичного числа 101 в регистр его (РГ) (по принципу замещения информации) необходимо очистить от предыдущего числа, что и осуществляется подачей из УУ ЦВМ (контроллера процессора) импульсного управляющего сигнала Уст. «0» - «стирание» на R-входы всех триггеров РГ одновременно. При этом происходит «обнуление» всех разрядных триггеров регистра, т.е. на их основных выходах появляются нулевые потенциалы, что служит прямыми кодами принятого нулевого состояния каждого из разрядов. После этого на управляющие входы всех ЛЭ «И» (в рассматриваемом случае - № 1,2 и 3) УПч, опять – таки из УУ ЦВМ, одновременно подаётся потенциальный управляющий сигнал ППч приёма числа в данный РГ. Он обеспечивает прохождение на соответствующие S-входы РГ информационных сигналов, действующих в разрядных шинах КШЧ: х₀ = 1, х₁ = 0 и х₂ = 1. Это приводит к установке разрядных триггеров РГ в состояние 101 и появлению на его основных выходах соответствующих потенциалов: у старшего и младшего разрядов + Uип (коды 1), а у среднего – 0 (код 0). Запись двоичного числа 101 в РГ закончена. Теперь оно будет храниться РГ неизменным до момента замены его на новое число. Так РГ выполняет свою функцию приёма и хранения числа всеми разрядами одновременно.

Вместе с тем, РГ должен ещё обеспечивать и дополнительную функцию - производить обращение хранимых кодов чисел, т.е. иметь возможность выдавать (воспроизводить) их в прямом (101) или обратном (010) коде. Эти операции осуществляются по импульсным управляющим сигналам ИВчПК или ИВчОК, подаваемым из УУ на управляющие входы ЛЭ «И» узлов УВчПК (№ 4, 5 и 6) или УВчОК (№ 7, 8 и 9), на информационные входы которых воздействуют потенциалы соответствующих выходов разрядных триггеров РГ. Узел УРВ обеспечивает подключение выбранных выходов к соответствующим разрядным шинам КШЧ, а значит считывание выбранных кодов для их дальнейшей обработки другими элементами и узлами ЭВМ.

Таким образом, регистры параллельного действия или РГ без сдвига хранимого числа способны выполнять две основные функции:

1. Приём и хранение двоичного числа всеми его разрядами одновременно (функция памяти);

2. Выдачу хранимого числа либо в прямом коде, либо в обратном (функция обращения кодов) коде.

3. Схема и принцип действия последовательного (сдвигового) РГ.

Наряду с двумя основными функциями (памяти и обращения кодов), свойственными любому регистру, зачастую возникает необходимость:

- сдвигать хранимое в РГ число всеми разрядами одновременно: влево: каждый сдвиг содержимого РГ влево на 1 разряд соответствует умножению хранимого двоичного числа на 2 (например, сдвиг двоичного числа 0101. (десятичное 5) на 1 разряд по разрядной сетке РГ влево превращает его в 1010. (десятичное 10) или вправо: каждый сдвиг вправо на 1 разряд соответствует делению записанного в РГ двоичного числа на 2 (например, сдвиг по разрядной сетке РГ двоичного числа 0101. (десятичное 5) на 1 разряд вправо превращают его в 0010.1 (десятичное 2,5);

- преобразовывать при выводе хранимый в РГ параллельный код многоразрядного двоичного числа в последовательный, выдавая его последовательно разряд за разрядом, начиная или с его старшего или с младшего разряда (например, это необходимо, при умножении: сначала умножают множимое на младший разряд множителя, затем на соседний с ним старший и т.д.);

- преобразовывать при вводе последовательный код многоразрядного двоичного числа в параллельный, вводя его в РГ последовательно разряд за разрядом, начиная с младшего или старшего разряда (например, это требуется при выполнении операции деления – при формировании частного).

Для выполнения таких функций служат сдвиговые (или сдвигающие) регистры или РГ последовательного действия. Они могут быть сдвигающими содержимое РГ только вправо, а могут быть – только влево, но наиболее распространены так называемые реверсивные РГ, позволяющие перемещать хранимые в РГ двоичные числа по разрядной сетке вправо или влево в зависимости от вида управляющих сигналов, определяемых кодом выполняемой операции.

Конечно, для выполнения этих дополнительных функций такие РГ имеют соответствующие дополнительные логические узлы

Структурная схема реверсивного сдвигового РГ (РГ последовательного действия) показана на рис. 20. 3. В её состав, наряду с общими для всех РГ узлами УПч, УВчПК, УВчОК и УРВ с соответствующими цепями подачи сигналов управления, дополнительно включены узлы УСчЛ, УСчП с собственными цепями управления их работой.

А

С

К

Ш

Ч

УВчПК УСчЛ

УПч РГ УРВ

К

Ш

Ч

1

® УВчОК УСчП

В

ИВчПК ИВчОК D

ППч Уст.«0» ИСчЛ ИСчП

Рис. 20. 3 Структурная схема сдвигового (реверсивного) регистра

Примечание: - ИСчЛ, ИСчП – управляющие импульсы сдвига числа, хранимого в РГ, всеми разрядами одновременно соответственно влево или вправо;

- УСчЛ, УСчП – узлы сдвига числа – набор ЛЭ«И», подсоединённых входами к основным (прямым) выходам разрядных триггеров РГ;

- С и D – выходы РГ для выдачи последовательного кода хранимого числа, начиная со старшего или с младшего разряда соответственно, А и В – входы для последовательного (поразрядного) ввода числа в РГ.

Работу реверсивного РГ (РГ последовательного действия) при осуществлении сдвигов рассмотрим на примере трёхразрядного РГ, функциональная схема которого приведена на рис. 20. 4, где его разрядной сеткой для хранения символов двоичного числа определены: триггер Т₀ – разряд 2⁰ («единиц»), Т₁ – разряд 2¹ («двоек») и Т₂ – разряд 2² («четвёрок»).

Для лучшего показа процессов сдвига схема РГ упрощена исключением из её состава элементов типовых узлов УПч, УВчПК и УВчОК.

РГ УСчЛ УСчП УРВ

х

1

S T₂

R

&

1

₂ Вход А 4 Выход С

&

7 11 у₂

1

К

1

S T₁

R

&

5

х

1

₁

&

8 12 у₁

2 Ш

6

х

1

S T₀

R

&

1

₀

9 13 у₀

&

Вход В 3

1

Ч

10 Выход D

Уст. «0» ИСчЛ ИСчП

Рис. 20. 4. Структурная схема трёхразрядного сдвигового РГ (фрагмент)

Последовательность работы сдвигового РГ рассмотрим на частном примере преобразования параллельного кода двоичного числа 110 (десятичное 6) в последовательный, начиная с младшего разряда, для выдачи которого служит выход D. При этом заметим, что число 110 могло быть предварительно записано в РГ одним из трёх способов: либо параллельным кодом (всеми разрядами одновременно) из КШЧ через входы х₂, х₁ и х₀ УПч по одному управляющему сигналу ППч; либо последовательно, поразрядно, начиная со старшего разряда - через вход В (сначала 1, затем опять 1 и, наконец, 0); либо, начиная с младшего разряда - через вход А (тогда сначала 0, потом 1 и, в заключении, опять 1) за 3 управляющих сигнала ИСчЛ или ИСчП соответственно.

Операция преобразования параллельного кода двоичного числа 110 в последовательный будет осуществлена при подачи из УУ 3-х следующих друг за другом управляющих сигналов ИСчП, каждый из которых обеспечит сдвиг содержимого РГ на 1 разряд вправо.

Рассмотрение работы элементов схемы по выполнению требуемой операции предварим графической иллюстрацией принципа её осуществления, показанной табл. 1 соответствующими состояниями разрядных триггеров РГ после воздействия каждого из 3-х управляющих сигналов ИСчП.

Таблица 1. Диаграммы изменений состояния разрядных триггеров РГ при сдвигах

Состояние триггеров Т₂ Т₁ Т₀ Состояние выхода D

Начальное: 1 1 0 0

После 1-го ИСчП: 0 1 1 0

После 2-го ИСчП: 0 0 1 1

После 3-го ИСчП: 0 0 0 1

Примечание: 1. Стрелками в табл. 1 обозначены перемещения разрядных символов преобразуемого числа при его сдвигах по разрядной сетке РГ.

2. После подачи последовательности из «k» импульсов сдвига на РГ, содержащий «k» разрядных триггеров, РГ «очищается» (его триггеры «обнуляются»).

Итак, поскольку содержимое РГ проявляется наличием соответствующих высоких или низких потенциалов на выходах прямого кода его триггеров (Uип В – код «1» или 0 В – код «0»), то в исходном состоянии схемы (см. рис. 20. 4 - до подачи импульсов сдвига) для рассматриваемого варианта (110) на информационных входах логических элементов (ЛЭ) «И» № 4, 5, 7 и 8 будут действовать высокие потенциалы (коды «1»), а № 6 и 9 – низкие (коды «0»). Тогда, при подаче первого управляющего сигнала ИСчП (код «1») будут сформированы выходные сигналы (коды «1») у ЛЭ «И» № 7, 8 и у ЛЭ «ИЛИ» № 10, а, значит, они появятся R-входах всех триггеров и обнулят их. Но в это же время они появятся и на входах ЛЭ «ИЛИ» № 2 и 3, которые, в свою очередь, сформируют импульсы (коды «1») на своих выходах. Выходные импульсы ЛЭ «ИЛИ» № 2 и 3, воздействуя на S–входы триггеров Т₁ и Т₀ соответственно переведут их в состояние кода «1», в результате чего содержимым РГ окажется двоичное число 011 (десятичное 3), т.е. сдвинутое вправо на 1 разряд исходное число 110. При этом на выходе D регистра сигнала не будет (код «0» - младший разряд исходного числа).

Теперь высокие потенциалы действуют на информационные входы ЛЭ «И» № 5, 6, 8 и 9. При поступлении следующего управляющего сигнала ИСчП будут сформированы выходные сигналы у ЛЭ № 8, 9 и 10, каждый из которых выполнит свою функцию: Uвых_ЛЭ10 «обнулит» триггеры РГ, Uвых_ЛЭ8 через ЛЭ «ИЛИ» № 3 переведёт триггер Т₀ в состояние «1», а Uвых_ЛЭ9 служит сигналом (код «1») на выходе D.

Наконец, с поступлением третьего управляющего сигнала ИСчП будут, как и прежними, обнулены все триггеры РГ и на выходе D появится код символа старшего разряда – в рассматриваемом варианте - «1».

Аналогичным образом, можно рассмотреть работу реверсивного РГ при сдвигах его содержимого влево, как и выполнение других функций.