4.2. Счётчики и регистры

Соединив последовательно несколько триггерных схем – делителей частоты на два, получим простейший двоичный делитель. Более общее название для делителей частоты – счётчики. Это устройство предназначенные для подсчета числа сигналов, поступающих на его вход и фиксация этого числа в виде кода хранящегося в триггерах. Количество разрядов счетчика определяется наибольшим числом, которое должно быть получено в каждом конкретном случае. Для подсчета и выдачи результата счетчики имеют один вход и n выходов, где n – количество разрядов. В общем случае счетчик имеет устойчивых состояния, включая и 0-е. Количество устойчивых состояний называется коэффициентом пересчета счетчика Эа ( ). По назначению счетчики подразделяются на простые и реверсивные. Простые счетчики- счетчики, работающие только на сложение или вычитание. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т. е. с приходом очередного сигнала показатель счетчика увеличивается на 1. Вычитающий счетчик предназначен для счета в обратном направлении, т. е. с приходом нового сигнала счетчик уменьшается на 1. Реверсный счетчик может работать и на сложение и на вычитание.

По способу организации счета счетчики бывают: асинхронные или синхронные.

По способу организации цепей переноса между разрядами счетчика счетчики бывают: последовательные, параллельные и частично параллельные (рис. 112, 113, 114).

Рис. 112. Двоичный счетчик с параллельным переносом

Коэффициент деления счетчика, состоящего из n триггеров типа Т, составляет ; здесь n – число двоичных разрядов счетчика. В настоящее время используется много вариантов счетных схем: асинхронные и синхронные; двоичные и десятичные; однонаправленные, только с увеличением счета, и двунаправленные, счет в которых может увеличиваться или уменьшаться (такие счетчики называют реверсивными). Коэффициент деления счетчика может быть либо постоянным, либо переключаемым. Для повышения быстродействия в счетчике организован параллельный перенос. Параллельный перенос можно сделать в счетчике из 4-х разрядов, т. к. внутренняя схема «И» JK-триггера имеет три входа. Поэтому, при количестве разрядов счетчика больше 4, счетчик разбивается на группы, группа имеет четыре разряда и параллельный перенос, а между группами последовательный перенос. Время срабатывания этого счетчика определяется временем срабатывания JK-триггера.

Рис. 113. Десятичный счетчик

Основой любой из этих схем служит линейка из нескольких триггеров. Рассмотренные варианты счетчиков различаются схемой управления этими триггерами. Между триггерами добавляются логические связи, назначение которых - запретить прохождение в цикле счета лишним импульсам. К примеру, четырехтриггерный счетчик может делить исходную частоту на 16, так как . Получим минимальный выходной код 0000, а максимальный 1111. Чтобы построить счетчик-делитель на 10, трех триггеров недостаточно, поэтому десятичный счетчик содержит в своей основе четыре триггера, но имеет обратные связи, останавливающие счет при коде 9 = 1001.

Таким образом, удобно выпускать четырехтриггерные счетчики в двух вариантах: двоичном и десятичном. Примеры таких микросхем – пары: ИЕ6 и ИЕ7, ИЕ16 и ИЕ17. Расширять функции счетчиков можно, видоизменяя их цепи управления. Первоначально счетчики были асинхронными. В асинхронном режиме предыдущий триггер вырабатывает для последующего тактовые импульсы. Такие счетчики иногда называют счетчиками пульсаций.

В синхронном счетчике все триггеры получают тактовый импульс одновременно, поскольку тактовые входы их соединяются параллельно. Поэтому триггеры переключатся практически одновременно. В счетчике пульсаций каждый триггер вносит в процесс счета определенную задержку, поэтому младшие разряды результирующего кода появляются на выходах триггеров не одновременно, т. е. не синхронно с соответствующим тактовым импульсом. Например, для четырехразрядного счетчика пульсаций выходной параллельный код 1111 появится на выходах триггеров уже после того, как поступит шестнадцатый тактовый импульс, кроме того, эти четыре единицы сформируются не одновременно.

Асинхронные счетчики с последовательным переносом. Асинхронный счетчик с последовательным переносом, работающий в режиме обратного счета.

Рис. 114. Асинхронные счетчики с последовательным переносом

Синхронная схема значительно сложнее асинхронной. На ее выходах данные от каждого разряда появляются одновременно и строго синхронно с последним входным импульсом. В синхронный счетчик разрешается синхронная (с тактовым импульсом) параллельная (в каждый триггер) загрузка начальных данных. Триггерная линейка синхронного счётчика снабжается специальным шифратором, который называется схемой ускоренного переноса (СУП).

Внутренние логические элементы управления, которыми часто снабжаются счётчики, позволяют сделать процесс счёта реверсивным. Согласно команде, подаваемой на вход управления счётом «Больше/меньше», можно либо увеличивать, либо уменьшать на единицу содержимое счётчика при каждом очередном тактовом импульсе. У некоторых счётчиков тактовые входы на увеличение и на уменьшение отдельные.

Сброс данных счётчика, чтобы на всех выходах установился нулевой код, у одних схем асинхронный R, у других синхронный SR, происходит одновременно с приходом тактового импульса. Имеются счётчики с переменным коэффициентом деления. Устанавливаемый коэффициент деления зависит от кода, набранного на входах управления.

Существует многочисленное разнообразие многоразрядных десятичных и двоичных асинхронных счетчиков подробно рассмотренных в справочной литературе.

Регистры. Регистр – это линейка из нескольких триггеров, в которой в отличие от счетчиков-делителей нет внутренних запрещающих обратных связей. Регистры применяются для накопления и сдвига данных. Регистры, снабженные внешними перемычками, можно использовать как делители частоты.

В простейшем регистре триггеры соединены последовательно: выходы Q и предыдущего триггера передают бит данных на входы R и S последующего. Все тактовые входы С триггеров соединены параллельно. При таком включении единица, записанная в виде напряжений низкого и высокого уровней по входам R и S первого триггера, после подачи одного тактового импульса перейдет во второй триггер, затем во время следующего тактового импульса она попадет в третий триггер и так проследует далее, до конца регистра.

Аналогично продвигается по регистру многоразрядное слово: оно поразрядно вводится на входы R и S первого триггера. Простейший регистр имеет один вход и один выход – последовательные. Вход управления также единственный – тактовый. Если ко входу каждого триггера добавить разрешающую логику, можно получить дополнительные, так называемые параллельные входы одновременной загрузки байта в регистр. Здесь, как правило, используются дополнительные защелки, где фиксируются данные, поступившие на входы после прихода тактового импульса. В такую схему добавляется вход разрешения записи.

Можно предусмотреть также логическую схему параллельного отображения на выходах состояния каждого триггера. Тогда после заполнения регистра от последовательного или параллельных входов, по команде разрешения выхода накопленное цифровое слово можно отобразить поразрядно сразу на всех параллельных выходах. Для удобства поочередной выдачи данных от таких регистров – буферных накопителей в шину данных обрабатывающего устройства – процессора – параллельные выходы регистров снабжаются выходными буферными усилителями, имеющими третье, разомкнутое Z-состояние. По многопроводной шине данных процессор получит цифровое слово – байт от выходов того регистра, которому дана команда разрешения выдачи.

Регистры, как реверсивные счетчики, могут быть двунаправленными: загруженное слово можно сдвигать по линейке триггеров как вправо, так и влево. Для включения режимов сдвига влево или вправо служит специальный вход команды.

Существуют многорежимные регистры. Их входные и выходные линии данных объединены и образуют так называемый порт данных. Это означает, что от шины данных процессора приходит один провод (а не два), который по команде служит или входным или выходным. Число сигнальных входов и выходов микросхемы за счет портовой организации можно уменьшить в 2 раза.

Однотипные регистры могут различаться функциями отдельных входов: синхронным или асинхронным сбросом, инверсными или прямыми входами, наличием выводов наращивания. Существуют специализированные регистровые микросхемы среднего уровня интеграции, например, регистры последовательного приближения для построения АЦП.

Для построения счетчиков и регистров используются синхронные триггеры, переключение которых происходит только при наличии синхронизирующего сигнала (синхроимпульса) на входе С. Наиболее часто для построения регистров и счетчиков используется универсальный D-триггер, имеющий специальный информационный вход D, и динамический вход С (рис. 115).

Рис. 115. D-триггер

Устройство, называемое регистром, служит в основном для хранения чисел в двоичном коде при выполнении над ними различных арифметических и логических операций. С помощью регистров выполняются такие действия над числами, как передача их из одного устройства в другое, арифметический и логический сдвиг в сторону младших или старших разрядов, преобразование кода из последовательного в параллельный и наоборот и т.д. Функциональная схема и условно - графическое обозначение регистра параллельного типа, собранного на универсальных D-триггерах, приведена на рис. 116 .

Рис. 116. Параллельный регистр на D-триггерах

По сигналу на входе С информация, поступившая на входы D0-D3, записывается в регистр и хранится в нем до тех пор, пока не произойдет запись другой информации, либо не поступит сигнал на вход R, обнуляющий регистр.

Функциональная схема и условно-графическое обозначение регистра сдвига представлены на рис. 117.

Рис. 117. Функциональная схема и условно-графическое обозначение регистра сдвига

Последовательный информационный код поступит на вход D регистра. Импульс команды сдвига С подается одновременно на синхронизирующие входы всех триггеров регистра и переводит каждый триггер в состояние, в котором находился триггер предыдущего разряда. Таким образом, каждый импульс команды сдвига «продвигает» записываемое число на один разряд вправо.

Существует многочисленное разнообразие регистров сдвига на интегральных микросхемах, например, типа К155ИР1- ИР17, К555ИР9 – ИР22, К561ИР6 – ИР9 и К1500ИР141(максимальная тактовая частота сдвига более 380 МГц, потребляемая мощность 850 мВт при токе потребления от 120 до 380 мА).