3.4.4. Цифровые устройства на основе регистров
На основе использования регистров различного назначения можно реализовать следующие устройства:
-
узлы арифметических и логических устройств;
-
преобразователи параллельного кода в последовательный и наоборот;
-
кольцевые счетчики и делители частоты;
-
распределители импульсов;
-
генераторы псевдослучайной последовательности;
-
дискретные линии задержки;
-
генераторы дискретных фазовых сдвигов и т.п.
-
дискретные линии задержки.
Рассмотрим некоторые вышеуказанные применения регистров.
3.4.4.1 Узлы арифметических и логических устройств
Сдвигающие регистры широко применяются при построении арифметико-логических устройств, например, при построении устройств поразрядного сложения, вычитания, умножения и деления двоичных операндов или при проверке кодов на четность (нечетность) (см. п. п. 2.9.2, 2.9.3, 2.10.2).
3.4.4.2 Преобразователи кодов
Регистры,
имеющие разнотипные вход и выход, служат
основными блоками преобразователей
параллельного кода в последовательный
и обратно. Рассмотрим пример построения
преобразователя параллельного кода в
последовательный с применением
универсального регистра ИР13. (рис.3.23).
Импульсом отрицательной полярности по входу S0 задается режим параллельной загрузки данных, при этом в младший разряд записывается 0, а в разряды D1-D7-загружается преобразуемое слово. На последовательный вход подан уровень логической единицы. Таким образом в регистре формируется слово 0D1D2..D7.
Тактовые импульсы, посту-пающие на вход С, вызывают сдвиги слова вправо и на выходе Q7 в последовательном коду появляется выходное слово. Вслед за информационными разрядами следует константа ноль, после которого следует цепочка единиц. После вывода нуля все входы вентиля И-НЕ становятся единичными, а выход имеет нулевой потенциал и через элемент ИЛИ формируется сигнал автоматической загрузки следующего слова, после чего цикл повторятся.
3.4.4.3 Кольцевые счетчики и делители частоты
Регистры сдвига находят применение в качестве счетчиков особого вида, называемыми кольцевыми счетчиками.
Если
сдвигающий регистр замкнуть так, чтобы
образовать кольцо, в котором в один из
разрядов ввести единицу (либо нуль), то
эта единица или нуль будет перемещаться
от триггера к триггеру под воздействием
каждого тактового импульса с циклом,
равным числу триггеров, замкнутых в
кольцо. Поскольку состояние всех
триггеров, за исключением одного,
одинаково, то активное состояние этого
триггера однозначно характеризует
число тактовых импульсов, поданных на
вход (с учетом, естественно, числа
циклов). На рис. 3.24 показана логическая
структура четырехразрядного сдвигающего
счетчика и временная диаграмма его
работы.
Кроме JK-триггеров в таких схемах могут быть применены триггеры D-типа. В этом случае инверсные выходы не используются. До начала работы наряду с вводом логической единицы в первый разряд остальные триггеры устанавливаются в нулевое состояние . Под воздействием импульса синхронизации единица последовательно продвигается по кольцу и каждый их триггеров приходит в активное состояние с частотой , в m раз меньшей, чем частота входного сигнала, где m – число триггеров, замкнутых в кольцо, т.е. коэффициент счета численно равен числу триггеров. Поскольку кольцевые счетчики не содержат внешних логических цепей, то они обладают большим быстродействием.
Кольцевые счетчики обладают двумя недостатками. Первый – повышенный расход триггеров и соответственно большие экономические и энергетические затраты. Так, для построения кольцевого счетчика с коэффициентом счета 16 потребуется 16 триггеров, в то время как для двоичного счетчика достаточно четырех. Второй недостаток связан с тем, что кольцевой счетчик несамодостаточен, т.е. при пропадании единицы в кольце или при появлении лишней единицы нормальной состояние счетчика произвольно не восстановится.
От первого недостатка свободен счетчик Джонсона. Логическая схема десятичного счетчика приведена на рис. 3.25, табл. 3.6 отображает его работу. Основное отличие счетчиков Джонсона состоит в том, что введение перекрестной обратной связи позволяет увеличить модуль счета вдвое.
Таблица 3.6.
|
Состояние счетчика |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Q5 |
Способ дешифровки состояния |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
2 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
3 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
4 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
6 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
7 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
|
8 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
|
9 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
После установки триггеров в нулевое состояние на входе первого триггера окажется логическая единица, которая будет с каждым тактовым импульсом передаваться, не стираясь, следующей ступени до заполнения всех разрядов. За счет обратной связи в следующем цикле по счетчику пойдет волна нулей и т.д.
Достоинством счетчика Джонсона является то, что состояние 01 или 10 для двух соседних триггеров имеет место один раз независимо от длины счетчика, поэтому для организации дешифратора нужны простейшие двухвходовые схемы 2И либо 2ИЛИ-НЕ. Второе достоинство счетчика Джонсона вытекает из того, что в ходе счета только один и триггер изменяет свое состояние и на выходах не возникают ложные пики напряжения, обусловленные задержками сигналов в разных разрядах.
Общий порок всех кольцевых счетчиков – простых и Джонсона – достаточно высокая вероятность сбоев, т.е. появление лишних единиц в кольце. Этот недостаток устраняется введением корректирующей логической цепи, следящей за состоянием триггеров. При появлении ложных сигналов на вход подаются импульсы, исправляющее положение в новом цикле.
На
рис.3.26 показан декадный счетчик с
корректирующей цепью, которая к началу
очередного цикла приводит счетчик в
состояние, соответствующее табл. 3.6.
3.4.4.4 Распределители импульсов
Кольцевой делитель частоты, построенный на сдвигающем регистре может быть использован в качестве распределителя импульсов с числом выходов, равным числу триггеров, включенных в кольцо. Так кольцевой делитель, показанный на рис.3.24 можно использовать в качестве распределителя импульсов на четыре выхода, причем частота импульсов на каждом из выходов в четыре раза ниже частоты входного сигнала.
3.4.4.5 Генераторы псевдослучайной последовательности (ГПСП)
Генераторы
псевдослучайной последовательности
используются в устройствах тестовой
диагностики цифровых устройств, для
решения задач методом Монте-Карло, при
моделировании устройств с учетом
случайного разброса их параметров.
Генератор ПСП, изображенный на рис.3.27, запускается импульсом старта, записывающим единицу через элемент сложения по модулю два в левый триггер сдвигающего регистра и останавливается сбросом всех триггеров в нулевое состояние.
На
рис.3.27 изображен ГПСП обладающий
возможно-стью самозапуска. При ситуации,
когда во всех триггерах окажутся нули
с выхода элемента ИЛИ-НЕ единица будет
подана на информационный вход первого
триггера и в кольце будет записана
единица. С выхода любого триггера можно
снять псевдослучайную последовательность
111101011001000. Поскольку в данном генераторе
состояние всех нулей исключается, то
максимальные период последовательности
равен
,
что соответствует так называемой М-
последовательности, т.е. последовательности
максимальной длины.
Генераторы
псевдослучайных чисел строятся на
основе ГПСП по последовательному,
параллельному и смешанному способам.
В первом случае число (слово) образуется
за несколько тактов. Из образованной в
регистре последовательности для
получения m-разрядного
слова результат получают за s
сдвигов,
где
,
что дает отсутствие корреляции между
соседними словами. Период последовательности
равен наименьшему кратному чисел
S и
M. Для получения максимального периода
последовательности число S выбирается
взаимно-кратным к М.
В генераторах параллельного типа псевдослучайные числа генерируются на каждом такте. Очевидным решением было бы использование m генераторов ПСП, для образования отдельных разрядов случайных чисел.