3. Регистры

Регистрами называют функциональные узлы, предназна­ченные для приема, хранения, передачи и преобразования информа­ции. В зависимости от спо­соба записи информации (ко­да числа) различают парал­лельные, последовательные и параллельно - последователь­ные регистры.

Параллельные регистры.

В параллельных регистрах запись двоичного числа (слова) осуществляется параллельным кодом, т. е. во все разряды регистра од­новременно. Их функция сво­дится только к приему, хра­нению и передаче информа­ции (двоичного числа). В свя­зи с этим параллельные ре­гистры часто называют р е г истрами памяти.

Параллельный N-разрядный регистр состоит из N триггеров, каждый из которых имеет число входов, соответствую­щих количеству источников информации. Если источник цифровой информации один, то каждый триггер имеет один вход. При двух и трех параллельных каналах информации триггер разряда выполняет­ся на два и три входа. Запись цифровой информации того или ино­го канала в регистр осуществляется по цепи управления регистром.

Принцип построения параллельных регистров иллюстрируется их структурной схемой (рис. 3.1) при одном канале четырехразряд­ной цифровой информации. Обозначения на рисунке: T₁, — триггер младшего разряда; T₄ — триггер старшего разряда; Э₁ — Э₄— элементы, предназначенные для управления записью информации в ре­гистр; Э₅ —Э₈— элементы, служащие для управления считыва­нием информации из регистра.

Перед записью двоичного числа все триггеры устанавливают в состояние «0» подачей импульса по входу «Установка нуля». Для записи в регистр входной информации подают импульс записи, откры­вающий входные элементы И. Код входного числа записывается в ре­гистр. Если, например, на входе присутствует код 1011, что соответ­ствует числу 11, то это же число будет записано в регистр. По окончании операции записи информация, записанная в регистр, сохраняет­ся, несмотря на то что входная информация (число) может изменяться.

Для считывания информации подают импульс по входу «Считы­вание». На выходные шины регистра передается код числа, записан­ный в регистр. При этом число, записанное в регистр, сохраняется.

Для получения новой инфор­мации описанные операции повто­ряются.При построении параллельных регистров наибольшее применение получили D-триггеры (триггер-«за- щелка»), позволяющие выполнять параллельные регистры на малом количестве элементов.Н а рис. 3.2, а приведена схе­ма n-разрядного параллельного регистра на однофазных D-триг­герах без элемен­тов, управляющих процессом счи­тывания. Схема служит для записи информации в регистр по двум ка­налам (входы первого канала а₁, ..., а_n, входы второго канала b1, ..., b_n). Установка нуля всех разрядов регистра осуществляется по входу . Запись числа по каналу а производится тактовым им- пульсом Т_а ,а по каналу b-тактовым импульсом Т_b. Принцип действия регистра достаточно прост. Процесс записи первого разря­да числа а иллюстрируют временные диаграммы на рис. 3.2, б.

Последовательные регистры (регистры сдвига). Последовательные регистры (регистры сдвига) характеризуются записью числа последо­вательным кодом. Регистр состоит из последовательно соединенных двоичных ячеек памяти, состояния которых передаются (сдвигаются) на последующие ячейки под действием тактовых импульсов. Такто­вые импульсы управляют работой регистра. Регистры сдвига могут управляться одной последовательностью тактовых импульсов. В этом случае регистры называют однотактными. При управлении двумя, тремя, четырьмя и т. д. последовательностями тактовых им­пульсов регистры соответственно относят к двух-, трех- и че­тырехтактным, а в общем случае — к многотактн ы м.

Частота следования тактовых импульсов обычно неизменна. В многотактных регистрах последовательности тактовых импульсов следуют с взаимным фазовым сдвигом 2 /m эл. град, где 2 — период следо­вания импульсов одной из последовательностей, а т — количество последовательностей тактовых импульсов.

Однотактные регистры сдвига выполняют по структурной схеме рис. 3.3, а, показанной для четырех разрядов. Первая ячейка регистра относится к его младшему разряду, а четвертая — к старше­му. При таком расположении разрядов запись числа в регистр про­изводится начиная с его старшего разряда. При обратном расположе­нии разрядов в регистре запись числа должна начинаться с его млад­шего разряда.

Тактовые импульсы подаются на все триггеры ячеек одновремен­но. Их воздействие направлено на переключение триггеров из состоя­ния «1» в состояние «0» с записью единицы в триг­гер следующей ячейки.

На рис. 3.3, б при­ведены временные диа­граммы, иллюстрирую­щие процесс записи ин­формации в регистр.

В качестве примера взят код 1011, соответ­ствующий числу 11. Пе­ред записью информа­ции регистр устанавли­вают в состояние «0».

Для этого в отсутствие сигнала на входе пода­ется серия тактовых им­пульсов с числом им­пульсов, равным коли­честву разрядов в реги­стре. При записи инфор­мации одновременно с поступлением кода чис­ла подаются тактовые импульсы. Тактовыми импульсами осуществ­ляется продвижение ин­формации от младшего разряда регистра к старшему. В результате после четвертого так­тового импульса ячейки регистра принимают состояния, соответ­ствующие коду принятого четырехразрядного числа.

Операция считывания информации из последовательного регистра может быть проведена в параллельном или последовательном коде. Для передачи информации в параллельном коде используют выходы разрядов регистра. Таким образом, последовательный регистр поз­воляет осуществить операцию преобразования последовательного кода в параллельный, Считывание информации в последовательном коде реализуется подачей серии тактовых импульсов.

В последовательном регистре записанное число может быть сдвину­то тактовыми импульсами на один или несколько (k) разрядов. Опера­ции сдвига соответствуют умножению числа на 2k. Например, сдвиг кода 0010 числа 2 на один разряд дает код 0100 (число 4), на два раз­ряда — код 1000 (число 8).

При реализации однотактных регистров сдвига необходимо учи­тывать следующее обстоятельство. В этих регистрах тактовые импуль­сы воздействуют на перевод в состояние «0» триггеров всех разрядов одновременно. Поэтому в однотактных регистрах должна быть решена задача разделения во времени (по меньшей мере на длительность так­товых импульсов t_и) операций считывания единицы с триггера каж­дого разряда и ее переписи в триггер следующего разряда. В против­ном случае перепись единицы в следующий разряд не будет произ­ведена.

Эта задача может быть решена включением в цепь передачи сигна­ла от одной ячейки к другой элемента задержки. Элемент задержки будет задерживать импульс записи единицы в последующую ячейку на время действия тактового импульса. Однако наличие элементов задержки обусловливает критичность работы схемы в отношении дли­тельности тактовых импульсов. Кроме того, для элементов задержки, состоящих из реактивных элементов L, С, затруднено интегральное исполнение. В связи с указанным разнесение во времени операций счи­тывания и переписи единицы осуществляют схемными средствами, например выполнением ячеек на триггерах с внутренней задержкой (R-S_t, J-K_t,D_t триггерах).

При использовании триггеров с внутренней задержкой разделе­ние во времени операций считывания и переписи единицы выполняется автоматически, поскольку новое состояние таких триггеров формиру­ется после окончания действия тактовых импульсов.

Другим методом построения однотактных регистров сдвига являет­ся использование двухтактного режима их работы. В каж­дую ячейку таких регистров входят два триггера (основной и допол­нительный). Управление производится одной последовательностью тактовых импульсов. Разделение во времени операций считывания единицы из предыдущей ячейки и ее переписи в последующую ячейку достигается тем, что считывание единицы из основных триггеров осу­ществляется в момент поступления тактового импульса, а запись еди­ницы в них — по окончании тактового импульса.

В схемном отношении рассматриваемый метод построения одно­тактных регистров сдвига наиболее просто реализуется с применением тактируемых D-триггеров. Схема двухразрядного регистра, выпол­ненная на D-триггере, приведена на рис. 3.4, а. Временные диаграммы рис. 3.4, б иллюстрируют процесс продви­жения единицы в регистре в сторону старшего разряда.

В отличие от триггера, а вход «Установка нуля» в триг­гере регистра является инверсным. Инверсный вход «Установка нуля» всех триггеров объединен с тактируемым входом и связан в основных триггерах ячеек регистра с шиной тактовых импульсов Т непосред­ственно, а в дополнительных триггерах — через элемент НЕ.

В исходном состоянии все триггеры регистра установлены в состо­яние «0» (рис, 3.4, б). При наличии сигнала на входе первым тактовым импульсом через открытый элемент И₂ записывается единица в основ­ной триггер первого разряда (ячейки). Сигнал Q₁ = 1 передается на информационный вход дополнительного триггера первой ячейки, но поскольку на выходе ее инвертора действует сигнал =0, элемент И₂ закрыт и дополнительный триггер остается в состоянии «0»(Q₁ = 0).

По окончании первого тактового импульса на обоих входах эле­мента И₂ дополнительного триггера первой ячейки присутствует единица, он переключается в состояние Q' = 1. Таким образом, ре­зультатом поступления первого тактового импульса является запись единицы в оба триггера первой ячейки. Состояние «1» основного триг­гера сохраняется по входам элемента И₁(Q₁ =1, Т=0), а допол­нительного — по входам элемента И₂ (Q₁=1, =1).

Если сигнал на входе регистра равен нулю, то поступление второго тактового импульса приводит к запиранию элементов И₁ И₂ основ-

ного триггера первой ячейки и переключению его в состояние «0». При этом основной триггер второй ячейки по входам элемента И₂ (Q'₁ = 1, Т = 1) переключается в состояние Q₂ = 1.

На этапе действия второго тактового импульса дополнительный триггер первой ячейки поддерживается.В состоянии Q_'1 = 1 по обоим входам элемента И₁ а дополнительный триггер второй ячейки остает­ся в состоянии Q'₂= 0 по обоим входам его элемента И₁.

После окончания второго тактового импульса элементы И₁, И₂ дополнительного триггера первой ячейки закрываются, что вызывает переключение этого триггера в состояние Q'₁ = 0. Дополнительный триггер второй ячейки переводится в состояние Q'₂ = 1 наличием единиц на входах его элемента И₂. Таким образом, происходит пере­мещение входной информации во второй разряд регистра.

Каждая ячейка (разряда) многотактного регистра со­стоит в общем случае из m последовательно включенных триггеров.

Управление многотактным регистром производится т последователь­ностями тактовых импульсов, причем каждая из последовательно­стей предназначена для управления одноименными триггерами ячеек. Применение многотактного режима работы является еще од­ним методом разнесения во времени операций считывания и записи информации в разрядах регистра. Главное же преимущество много- тактных регистров — их высокая информативность, обусловленная большим числом выходов каждого разряда.

Построение двухтактных регистров сдвига показано на примере двухразрядного регистра (рис. 3.5, а). Каждая его ячейка состоит из двух D-триггеров предыдущей схемы. Управление основными триг­герами ячеек осуществляется тактовыми импульсами Т₁, а дополни­тельными — T₂. Фазовый сдвиг второй последовательности тактовых импульсов относительно первой равен те (7/2).

Процесс записи информации (при наличии единичного сигнала на входе) иллюстрируют временные диаграммы рис. 3.5, б. Первым тактозым импульсом по каналу Т₁ записывается единица в первый триг­гер первой ячейки. Затем тактовым импульсом по каналу T₂ записы­вается единица во второй триггер первой ячейки. Вторым тактовым импульсом канала Т₁ осуществляется считывание единицы с первого триггера первой ячейки и запись единицы в первый триггер второй ячейки. Вторым тактовым импульсом по каналу T₂ устанавливается в состояние «0» второй триггер первой ячейки, а во второй триггер второй ячейки записывается единица.

Аналогично выполняются регистры сдвига на большее число так­тов работы.

Параллельно-последовательные и реверсивные регистры. В парал­лельно-последовательных регистрах сочетаются свойства регистров параллельного и последовательного действия. Они позволяют осуще­ствлять запись информации как в последовательном, так и параллель­ном коде, в связи с чем могут быть использованы для преобразования кодов из последовательного в параллельный и обратно. Эти регистры допускают однотактный (рис. 3.6) и многотактный принципы по­строения.

Для преобразования последовательного кода в параллельный се­рией тактовых импульсов в регистр записывается информация (чис­ло) последовательного кода. Выходы разрядов регистра при этом пред-

ставляют ту же информацию в параллельном коде. Для обратного преобразования информация в регистр вводится по входам параллель­ного кода. Посредством серии тактовых импульсов с выхода послед­него разряда регистра информация считывается в последовательном коде.

Реверсивные регистры предназначены для осуществления сдвига кода числа в сторону как старшего, так и младшего разрядов. Регистр содержит связи последовательной передачи информации в направле­нии от младших разрядов к старшим, а также от старших разрядов к младшим. Прямой или обратный сдвиг кода осуществляют управ­ляющим сигналом, вводящим в действие либо прямую, либо обрат­ную связи между разрядами.