14.4. Регистры

Регистром(РГ) называется запоминающий узел электронной техники, который служит для приёма, временного хранения и выдачи кода одногоn-разрядного двоичного числа. В отличие от запоминающих устройств (ЗУ) ЦВМ (постоянных – ПЗУ или долговременных – ДЗУ), которые сохраняют записанную информацию в течение всего времени обработки заданной программы, регистры хранят информацию только в течение времени одногокомандного цикла, т. е. времени реализации выполняемой команды.

Основой построения регистров обычно являются асихронные RS-триггеры, которые принимают, хранят и выдают поразрядно или всеми разрядами сразу обрабатываемое двоичное число.

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

Основными классификационнымипризнаками РГ являются:

1. Принципработы регистра, по которому различают РГ параллельного действия или РГ без сдвига и РГ последовательного действия или сдвигающие (сдвиговые) РГ. Их УГО приведены соответственно на рис. 14.4.1,аиб.

2. Назначениерегистра, по которому различают регистры чисел (Рч), где одни триггеры кодируют знак числа, другие – его мантиссу, третьи – знак порядка и четвёртые - сам порядок числа; регистры команд (РК), где одна часть триггеров кодирует код операции (КОП), подлежащей выполнению по данной команде, а вторая – код адреса (КА – одного, двух или трёх – в зависимости от системы команд данной ЦВМ); буферные регистры (БР) устройств ввода и вывода; регистры общего назначения (РОН) и т. д.

В

Рис. 14.4.1. УГО на структурных схемах РГ без сдвига (а) и сдвигового (б)

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).

Регистры параллельного действия принимают и хранят коды двоичных чисел всеми разрядами одновременно. Разрядность принимаемых и выдаваемых чисел определяется количеством RS-триггеров. При этом регистры позволяют выдавать хранимые числа не только в прямом, но и в обратном коде. Эта операция называетсяобращениемкодов. Численное значение каждой единицы, хранимой в РГ, определяется её местом в разрядной сетке.

Для управления записью, выдачей и обращением кодов хранимого в РГ двоичного числа он связывается с кодовыми шинами чисел (КШЧ) следующими функциональными узлами: приёма (УПч), выдачи числа (УВчПК – в прямом коде, УВчОК – в обратном коде) и разделения выходов (УРВ).

Типовой состав блока РГ без сдвига покажем на примере трёхразрядного фрагмента его структурной схемы, приведённой на рис. 14.4.2.

Работу регистра рассмотрим на примере записи, хранения и выдачи в прямом коде трёхразрядного двоичного числа 101. При этом не будем забывать, что запись числа в регистр производится на основе принципа замещения(хранимая информация стирается только непосредственно перед записью новой информации в РГ) всеми разрядами числа одновременно.

Примечание. На рис. 14.4.2 применены следующие обозначения управляющих сигналов:

ППч – потенциал приёма числа в данный РГ (УС₂);

Уст.«0» – сигнал обнуления РГ, очистка его перед записью нового числа (УС₁);

ИВчПК – импульс выдачи числа в прямом коде (УС₃);

ИВчОК – импульс выдачи обратного кода числа (УС₄).

И

Рис. 14.4.2. Структурная схема трёхразрядного РГ

параллельного действия

так, запись нового числа в РГ начинается с подачи импульсного УС₁– Уст. «0» наR-входы всех триггеров РГ одновременно для их обнуления, т. е. для очистки РГ от предыдущего содержания. После этого на управляющие входы группы ЛЭИ_{1, 2 и 3}подаётся потенциальный УС₂– ППч, обеспечивающий воздействие информационных сигналов, действующих в разрядных шинах КШЧ:х₀= 1,х₁= 0 их₂= 1, наS-входы соответствующих триггеров РГ. Это приводит к установке разрядных триггеров РГ в состояние 101 и появлению на его основных выходах у старшегоТ₂и младшегоТ₀разрядов потенциала +U_ИП(коды 1), а у среднегоТ₁– нулевого потенциала (код 0). Запись двоичного числа 101 в РГ закончена. Теперь оно будет храниться в РГ всеми разрядами до момента замены его на новое число. Так РГ выполняет свою функцию приёма и хранения числа.

Вместе с тем, РГ должен ещё обеспечивать и дополнительную функцию – производить обращениехранимых кодов чисел, т. е. иметь возможность выдавать (воспроизводить) их в прямом (101) или обратном (010) коде. Эти операции осуществляются по импульсным УС₃– ИВчПК или УС₄– ИВчОК, подаваемым на управляющие входы группы ЛЭ И_{4, 5 и 6}узла УВчПК или ЛЭ И_{7, 8 и 9}узла УВчОК, 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, РГ параллельного действия или без сдвига выполняют две основные функции: функцию памяти и функцию обращения кодов одного двоичного числа всеми его разрядами одновременно.

Наряду с этими основными функциями, свойственными любому регистру, существует необходимость:

– сдвигатьпо разрядной сетке хранимое в РГ число всеми разрядами одновременновлево, при этом каждый сдвиг на 1 разряд влево соответствуетумножениюхранимого двоичного числа в РГ на 2 (например, сдвиг двоичного числа 0101 (десятичное 5) на 1 разряд по разрядной сетке РГ влево превращает его в 1010 (десятичное 10), иливправо, когда каждый сдвиг записанного в РГ двоичного числа на 1 разряд вправо обеспечивает егоделениена 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 параллельныйкод двоичного числа, хранимого в РГ, впоследовательный, выдавая его разряд за разрядом, начиная со старшего или с младшего (например, при умножении сначала умножают множимое на младший разряд множителя, потом сдвигают множимое на 1 разряд влево и умножают на следующий разряд множителя, выводимого поразрядно, и т. д.);

– преобразовывать последовательныйкод 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 поразрядном формировании частного).

Для выполнения таких функций служат сдвиговые(или сдвигающие) РГ или РГ последовательного действия. Основными среди них являются так называемыереверсивныеРГ, позволяющие перемещать хранимые в РГ двоичные числа по разрядной сеткевправоиливлевов зависимости от поданного УС (ИСчП или ИСчЛ), определяемые кодом выполняемой операции. Для выполнения этих новых функций сдвиговые РГ имеют, наряду с рассмотренными узлами РГ параллельного действия, дополнительные логические узлы, что иллюстрирует его упрощённая структурная схема (рис. 14.4.3).

Рис. 14.4.3. Обобщённая структурная схема сдвигового (реверсивного) РГ

Примечание:

ИСчЛ, ИСчП – УС (импульсы) сдвига числа, хранимого в РГ, всеми разрядами одновременно соответственно влево или вправо;

УСчЛ, УСчП – узлы сдвига числа – набор ЛЭ И, подсоединённых информационными 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, начиная со старшего или с младшего разряда.

В состав схемы (рис. 14.4.3) дополнительно включены узел сдвига числа влево – УСчЛ и узел сдвига числа вправо – УСчП с собственными цепями управления их работой.

Принцип работы реверсивногоРГ при осуществлении сдвигов и преобразования рассмотрим на примере функционирования трёхразрядного двунаправленного РГ последовательного действия, функциональная схема которого без типовых узлов РГ УПч, УВчПК и УВчОК показана на рис. 14.4.4.

П

Рис. 14.4.4. Структурная схема трёхразрядного сдвигового РГ (фрагмент)

усть необходимо преобразоватьпараллельныйкод двоичного числа 110 впоследовательный, начиная с младшего разряда. При этом, для справки, отметим, что это число могло быть предварительно записано в РГ одним из трёх способов: либо параллельным способом (всеми разрядами одновременно) из КШЧ через входых₂,х₁их₀УПч по соответствующему УС ППч; либо последовательным (поразрядно) – через вход В, начиная со старшего разряда, либо через входА, начиная с младшего разряда.

Требуемая операция реализуется подачей 3 последовательных УС ИСчП и использования выхода D, что иллюстрируется данными табл. 14.4.1.

Таблица 14.4.1