III Основные операционные элементы (узлы) цифровой техники

Обработка цифровой информации в сложных системах происхо­дит в виде последовательного выполнения отдельных элементар­ных операций. Эти элементарные операции выполняются операцион­ными элементами. Операционные элементы, или узлы, цифровых устройств образованы из логических элементов комбинационной и последовательной логики.

Основной набор элементарных операций невелик.

Установка — запись в операционный элемент двоичного кода какой-либо константы. Пример - установка нуля во всех разря­дах счетчика.

Передача - прием — перезапись кода числа из одного опера­ционного элемента в другой.

Сдвиг — изменение положения разрядов кода относительно пер­воначального.

Счет — увеличение или уменьшение кода числа на выходе опе­рационного элемента при поступлении на его вход импульсной последовательности.

Преобразование — перевод кода числа из одной системы коди­рования в другую.

Распределение — адресная передача сигналов от многих источ­ников одному потребителю или от одного источника нескольким потребителям.

Сложение — нахождение суммы двух чисел, представленных в двоичном коде.

Узлы, выполняющие основные элементарные операции, также называются основными узлами цифровых устройств. К ним относятся:

а) элементы с памятью — регистры, счетчики, операционные узлы;

б) элементы без памяти — преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и сум­маторы.

9.6. Регистры

Операционный элемент, состоящий из триггеров, основным назна­чением которого является прием и хранение чисел с двоичным представлением цифр разрядов, называется регистром. Однако с по­мощью некоторых видов регистров можно выполнять и следующие элементарные операции: установку, сдвиг, преобразование. Основ­ными типами регистров являются параллельные и последователь­ные (сдвигающие).

Впараллельном регистре на тактируемых D-триггерах (рис. 9.12) код запоминаемого числа подается на информационные входы всех триггеров и записывается в регистр с приходом тактового импульса. Выходная информация изменяется с подачей нового вход­ного слова и приходом следующего импульса записи. Такие регистры используют в системах оперативной памяти. Число триггеров в них равно максимальной разрядности хранимых слов. На рисунке 9.8,г,д этой лекции приведены условные графические обозначения ИМС К155ТМ7 и К561ТМЗ, которые можно использовать в качестве параллельных четырехразрядных регистров. Путем простого объединения С входов нескольких микросхем можно получить параллельный регистр на 8 и более разрядов.

Схемапоследовательного регистра на D-триггерах с динами­ческим управлением и временная диаграмма, иллюстрирующая его работу, приведены на рисунке 9.13. По приходу тактового импульса С первый триггер записывает код Х (0 или 1), находящийся в этот момент на его D-входе, а каждый следующий триггер пере­ключается в состояние, в котором до этого находился предыдущий. Так происходит потому, что записываемый сигнал проходит с входа D-триггера к выходу Q с задержкой, большей длительности перед­него фронта тактового импульса (в течение которого и происходит запись). Каждый тактовый импульс последовательно сдвигает код числа в регистре на один разряд. Поэтому для записи n-разрядного кода требуется п тактовых импульсов. Из диаграммы следует, что четырехзначное число 1011 было записано в соответствующие раз­ряды регистра (1—Q4, 0—Q3, 1—Q2, 1—Q1) после прихода четвер­того тактового импульса. До следующего тактового импульса это число хранится в регистре в виде параллельного кода на выходах Q4, ..., Q1. Если необходимо получить хранимую информацию в после­довательном коде, то ее снимают с выхода Q4 в моменты прихода следующих четырех импульсов (5—8). Такой режим называется режимом последовательного считывания.

О

Рис. 9.14. Обозначение 4-х разрядного универсального сдвигового регистра

чень удобныуниверсальные регистры, позволяющие произво­дить как последовательную, так и параллельную записи и считы­вание. Такие регистры можно использовать в качестве преобразователей параллельного кода в последовательный и обратно. В серии К155 есть микросхема К155ИР1—четырехразрядный уни­версальный сдвиговый регистр (рис. 9.14). Регистр работает в режи­ме сдвига по тактовым импульсам, поступающим на вход С1, если на управляющем входе V имеется сигнал низкого уровня. Вход D0 служит для ввода информации в первый разряд ре­гистра в этом режиме. Если же на входе V напряжение высокого уровня, то регистр производит параллельную запись информации с входов D1, ..., D4 по импульсу синхронизации, поступающему на вход С2.

На базе универсального регистра можно построить реверсив­ный сдвигающий регистр. Для этого входы D1, D2 и D3 подклю­чают соответственно к выходам Q2, Q3, Q4. Если информацию подавать на вход D0, а импульсы синхронизации — на С1, то при V=0 регистр производит сдвиг в сторону старших разрядов (сдвиг влево). Если же информацию подавать на вход D4, а синхроимпульсы — на С2, то при V=l регистр будет произво­дить сдвиг в сторону младших разрядов (сдвиг вправо).

Из-за большого числа элементарных операций, которые могут выполнять регистры, они стали одними из наиболее распростра­ненных операционных элементов. Например, и в ТТЛ (К155), и в КМДП (К561) сериях цифровых микросхем имеется более десяти регистров с различными функциональными возможностями.

9.7. Счетчики

Счетчиком называют операционный элемент последовательного дей­ствия, который осуществляет счет поступающих на его вход импуль­сов. Результат счета хранится счетчиком до прихода следующего импульса. Считывание результата счета может производиться в про­межутках между счетными импульсами.

Счетчики, как и сдвигающие регистры, состоят из цепочки по­следовательно включенных триггеров. Разрядность счётчика, а сле­довательно, и число триггеров N определяются максимальным чис­лом, до которого он должен считать. Это число называется коэффи­циентом (модулем) счета — К_сч. Если число входных импульсов n>К_сч, то через каждые К_сч импульсов счетчик возвращается в исходное состояние и начинает считать импульсы сначала.

Большое разнообразие типов счетчиков вызвано их широким использованием как в вычислительной технике, так и в различных устройствах автоматики. Они применяются для образования после­довательностей адресов команд, для счета числа циклов выпол­нения операций, для запоминания кода в аналого-цифровых пре­образователях и т. д. Рассмотрим наиболее распространенные типы счетчиков.

Кольцевой счетчикможно получить из регистра сдвига, если выход последнего триггера соединить с D-входом первого. Схема такого счетчика на N разрядов приведена на рисунке 9.15. Перед началом счета, импульсом начальной установки, в нулевой разряд счетчика (Q0) записывается логическая 1, в остальные разряды— логические 0. С началом счета каждый из приходящих счетных импульсов Т переписывает 1 в следующий триггер, и число посту­пивших импульсов определяется по номеру выхода, на котором имеется код «1». Предпоследний (п—1)-импульс переведет в еди­ничное состояние последний триггер, а n-импульс переписывает единичное состояние на выход нулевого триггера, и счет начнется сначала. Таким образом, можно построить кольцевой счетчик с про­извольным коэффициентом счета К_сч, изменяя лишь число триггеров N в цепочке, так как K_сч=N. Временные диаграммы и условно-графические обозначения такого счетчика приведены на рисунке 9.15.

ВК561 серии имеются подобные счетчики на основе сдвигаю­щего регистра с представлением выходной информации в коде «один из N». Счетчик К561ИЕ8 имеет коэффициент счета равный 10, а К561 ИЕ9—равный 8.

Главная область применения кольцевых счетчиков — распреде­лители импульсов, создающие необходимую временную последова­тельность управляющих сигналов. В остальных случаях в основном используются счетчики на счетных триггерах, так как они позволяют получить необходимый коэффициент счета при значительно мень­шем числе триггеров.

Асинхронный (последовательный) двоичный счетчик образован цепочкой последовательно включенных счетных триггеров. Результат счета отображается на выходах счетчика Q(N—1), ..., Q0 в виде параллельного двоичного кода числа сосчитанных импульсов. По­скольку число выходных переменных равно числу триггеров N и каждая переменная может принимать лишь два значения, то число возможных состояний (коэффициент счета) равно: K_сч=2^N . Так как из 2^N состояний одно приходится на нулевое состояние, то максимальное число, при котором счетчик полностью заполня­ется единицами, равно (2^N —1).

Простейшим одноразрядным счетчиком сK_сч=2 является рас­смотренный выше T-триггер, меняющий свое состояние на про­тивоположное под действием каждого входного сигнала. В резуль­тате перепады напряжения на выходе триггера имеют вдвое меньшую частоту, чем на входе. По этим перепадам запускается следую­щий триггер, и на его выходе изменения состояния происходят уже в четыре раза реже, чем на входе первого триггера.

Н

Рис. 9.16. 4-х разрядный двоичный счетчик на T-триггерах

а рисунке 9.16 изображены четырехразрядный двоичный счет­чик на T-триггерах, срабатывающих по заднему фронту входного сигнала, и временные диаграммы, описывающие его работу. Диаграммы начинаются с момента, когда счетчик был полностью заполнен, т. е. на всех его выходах находились единицы. Сумма импульсов, сосчитанных счетчиком, равна: 12³+12²+12¹+12⁰=15, что соответствует конечному состоянию (2⁴—1) четырехразрядного счет­чика. По заднему фронту следующего 16-го импульса последовательно опро­кидываются все триггеры, и счетчик переходит в исходное нулевое состояние. Поэтому 16-й импульс также называют и нулевым. С приходом каждого следующего импульса параллельный двоичный код на выходе счетчика будет увеличиваться на единицу, пока снова не наступит переполнение счетчика, при котором все тригге­ры сбросятся в нулевое состояние.

Диаграммы (рис. 9.16) изо­бражают выходные сигналы с уче­том их задержки в каждом триг­гере. Хорошо видно, что истинная информация на выходах счетчика устанавливается только через время Nt^1,0_{зд. р}, прошедшее после среза тактового импульса. Здесь Nt^1,0_{зд. р} — задержка распростра­нения импульса в каждом триг­гере. При дальнейшем увеличении разрядности суммарная задержка мо­жет привести к искажению ин­формации в счетчике. Поэтому мно­горазрядные счетчики с по­следовательным переносом счет­ных им­пульсов от триггера к триг­геру могут работать только на по­ни­женных частотах, при доста­точно больших периодах следова­ния импульсов.

Кроме рассмотренного сум­мирующего счетчика, име­ются и вычи­тающие счетчики, у которых выходной код уменьша­ется на 1 с приходом каждого счетного импульса. Такой счетчик получится при подаче инверсных сигналов на тактовые входы. Для этого необходимо тактовые входы триггеров подключить к инверс­ным выходам Q предыдущих триггеров. Проанализировать ра­боту вы­читающего счетчика студент может самостоятельно, построив для этого временные диа­граммы, подобные изображенным на рисунке 9.16. Если в состав счетчика ввести мультиплексор, пе­реключающий тактовые входы триггеров к прямым или инверсным выходам пре­дыдущих триггеров, мы получим реверсивный счетчик с изменяе­мым направлением счета.

Асинхронные последовательные счетчики имеются и в ТТЛ, и КМДП сериях: четырехразрядный счетчик К155ИЕ5, пятиразрядный К176ИЕ2, шестиразрядный К176ИЕ1, 14,-разрядный К561ИЕ16, 15-разрядный делитель частоты для электронных часов К176ИЕ5, счет­чики-делители для часов с устройствами управления К176ИЕ12, К176ИЕ13, К176ИЕ17, К176ИЕ8.

Синхронный (параллельный) двоичный счетчик обладает более высоким быстродействием за счет того, что тактовые импульсы одновременно поступают на входы всех триггеров счетчика. Рас­смотрим работу синхронного трехразрядного двоичного счетчика, схема которого изображена на рисунке 9.17,а, а временные диаграм­мы—на рисунке 9.17,б. На диаграммах счетные входы и прямые выходы трех разрядов счетчика обозначены соответственно T1, Т2, ТЗ и Ql, Q2, Q3. Перед началом работы единичным сигналом на вхо­де R устанавливается нулевое состояние на всех выходах. На замкнутые между собой входы Т и P0 (как у первой ИМС; рис. 9.17,а) поступают счетные импульсы. Так как все триггеры первона­чально находились в нулевом состоянии, то первый импульс прой­дет только на вход первого триггера и, опрокинув триггер D1 в единичное состояние,, подготовит элемент D5 (И) для передачи второго импульса на счетный вход D2. Прохождение всех следующих импульсов легко прослеживается по временной диаграмме с учетом логических функций, выполняемых элементами D4, D5 и D6:

Т1=ТР0, T2=TQ1, T3=TQ1Q2.

Диаграмма показывает, что при одинаковых задержках в тригге­рах смена информации во всех разрядах счетчика происходит од­новременно. При дальнейшем увеличении разрядности параллельного счет­чика появляется необходимость в элементах И с большим числом входов. Поэтому обычно в интегральном исполнении выпускаются четырехразрядные счетчики, условно-графические обозначения ко­торых показаны на рисунке 9.17,в.Для создания счетчиков с боль­шей разрядностью производят соединение нескольких микросхем, подавая сигнал с выхода переносаРна вход разрешения приема переносаР0.На временной диаграмме видно, что сигнал переносаРпозволяет сформировать тактовый импульсТ1' для первого тригге­ра следующего счетчика без какой-либо дополнительной задержки.

Счетчик с произвольным коэффициентом счета. Часто нужны счетчики с числом устойчивых состояний, отличным от 2^N. Например, в электронных часах есть микросхемы с коэффициентами счета 6 (десятки минут), 10 (единицы минут), 7 (дни недели), 24 (часы). Для построения счетчика с К_сч2^N можно использовать устрой­ство из N-триггеров, для которого выполняется условие 2^N>К_сч. Очевидно, такой счетчик имеет лишние устойчивые состояния (2^N—К_сч). Исключить эти ненужные состояния можно использованием обратных связей, по цепям которых счетчик переключается в ну­левое состояние в том такте работы, в котором он досчитывает до числа К_сч.

Для счетчика К_сч=10 нужны четыре триггера (так как 2³<10<2⁴). Счетчик должен иметь десять устойчивых состояний (0, ..., 9). В том такте, когда он должен был бы перейти в одиннад­цатое устойчивое состояние (число 10), его необходимо установить в исходное нулевое состояние. Для такого счетчика можно исполь­зовать любой четырехразрядный счетчик (рис. 9.18, а) с цепями обратной связи с выходов, соответствующих числу 10 (т.е. 2 и 8), на входы установки счетчика в 0 (вход R). В самом начале одиннадцатого состояния (число 10) на обоих входах элемента И микросхемы появляются логические 1, вырабатывающие сигнал сброса всех триггеров счетчика в нулевое состояние.

Рассмотренный счетчик является двоичным эквивалентом счет­ной декады, представляющим любую десятичную цифру ее двоич­ным кодом. Поэтому такой счетчик называют двоично-десятич­ным, а его выходной код—двоично-десятичным кодом (или ко­дом 8421).

В

Рис. 9.18. Счетчик с коэффициентом счета на 10

о всех сериях цифровых микросхем есть счетчики с внутрен­ней организацией наиболее употребительных коэффициентов пе­ресчета. Например, в микросхеме К155ИЕ2К_сч=10, в микросхеме К155ИЕ4 К_сч=2*6=12.

Всостав широко распространенной микросхемы К155ИЕ2 (рис. 9.18, в) входят триггер со счетным входом (вход Т1) и делитель на 5 (вход Т2). При соединении выхода счетного триггера с входом Т2 образуется двоично-десятичный счетчик. (Диаграмма его работы аналогична приведенной на рисунке 9.18, б.) Счет происходит по заднему фронту (срезу) импульса. Счетчик имеет входы установки в 0 (R₀ с ло­гикой И) и входы установки в 9 (R₉ с логикой И).

Если двоично-десятичный счетчик предназначен для работы в системах, где требуется визуальная информация о числе подсчи­танных импульсов (например, всевозможные цифровые измеритель­ные приборы), то после счетчика ставится преобразователь двоич­но-десятичного кода в код семисегментного индикатора (рис. 4.14). В микросхемах средней степени интеграции сов­мещены в одной микросхеме и двоично-десятичный счетчик, и преобразователь кода. Такими микросхемами являются К176ИЕ4 (де­сятичный счетчик) и К176ИЕЗ (счетчик на 6). Условно-графиче­ские обозначения этих микросхем (рис. 9.19) одинаковы. Каждый из этих счетчиков помимо выходов преобразователя кода имеет еще и выход переноса (вывод 2), к которому непосредственно подклю­чается вход следующего счетчика.

Счетчик с предварительной установкой может устанавливаться в начальное состояние, равное любому числу от 0 до К_сч - 1. Эта операция осуществляется параллельной записью в счетчик кода необходимого числа. Счет (сложение или вычитание) будет начи­наться уже не с нуля, а с установленного числа. Такой режим работы счетчика необходим, например, в управляющем устройстве ЭВМ при образовании последовательности адресов команд с задан­ного начального адреса.

Счетчики с предварительной установкой обычно являются уни­версальными и могут работать в режимах сложения, вычитания, установки заданного кода, установки (сброса) нуля. Это микросхе­мы К155ИЕ6, К155ИЕ7, К561ИЕ11. К561ИЕ14, К155ИЕ9.

У

Рис. 9.20. Реверсивный счетчик с предварительной установкой

словно-графическое обозначение одного из таких счетчиков и таблица, в которой описаны его режимы работы, приведены на рисунке 9.20. Обычно такие сведения приводятся в справочной литературе. Попробуем, пользуясь этими данными, охарактеризовать этот счетчик:

а) счетчик К561ИЕ11 двоичный, так как в условно-графическом обозначении есть символ СТ2;

б) он реверсивный, так как есть вход выбора режима сложение/вычитание - 1;

в) с предустановкой, так как есть входы параллельной записи – 8421;

г) с отдельным входом установки всех разрядов счетчика в 0 – вход R;

д) счетчик синхронный, так как есть вход (Р0) и выход (Р) переноса;