Лабораторная работа № 2 проектирование и исследование регистров

1 Цель работы

Изучение схемных разновидностей регистров, выполняемых на них микроопераций и овладение методами проектирования регистров.

2 Основные положения

Регистром называется упорядоченная последовательность триггеров, предназначенная для хранения слов и выполнения микроопераций над ними.

Микрооперация - это элементарное машинное действие, в результате которого изменяется значение слова или осуществляется его пересылка.

Обобщенная структура регистра представлена на рис. 1, где КС - комбинационная схема; - выходыi-х триггеров (i=1,…,n); - функции возбуждения триггеров (например, ,,, , ,и т. д.); С и Т - тактирующие входы соответственно триггеров и регистра, которые в конкретных схемах могут отсутствовать. Число разрядов (триггеров) называют длиной регистра. Регистр может находиться всостояниях, т. е. в него можно записатьразличных слов.

Рис. 1

Различают синхронные и асинхронные регистры. В синхронных регистрах микрооперации выполняются по тактирующему сигналу Т. Настройка регистра на соответствующую микрооперацию осуществляется предварительной установкой на управляющих входах кода микрооперации . Число разрядов в коде определяется из соотношения, гдеk - количество микроопераций.

В асинхронных регистрах тактирующий вход Т отсутствует. Каждая i-я микрооперация выполняется под действием собственного управляющего сигнала . Количество таких сигналов равно числу микроопераций k, т. е. в общем случае больше, чем разрядов в коде микрооперациисинхронного регистра.

При выполнении микроопераций в каждом разряде регистра осуществляется одинаковое преобразование информации. Характер микрооперации можно описать через состояния сигналов в момент времени, предшествующий выполнению микрооперации (), и в момент завершения микрооперации ().

Наиболее часто на регистрах выполняют микрооперации занесения (приема, записи) слова параллельным кодом, сдвига слова, а также установки исходного (обычно нулевого) состояния.

Занесение слова осуществляется через информационные входы (i=1,…,n). Для i-го разряда регистра можно записать =, т. е. при выполнении этой микрооперации в i-й разряд регистра записывается значение сигнала на входе .

Регистры, на которых выполняются микрооперации сдвига, называются сдвиговыми. Сдвиг слова может быть осуществлен влево (в сторону старших разрядов) или вправо (в сторону младших разрядов) на i разрядов одновременно, где i=1,…,n-1. Регистры, имеющие цепи как левого, так и правого сдвига, называются реверсивными. Сдвиг слова влево и вправо, например, на один разряд можно описать соответственно как и.

Установка нулевого состояния регистра () осуществляется, как правило, через асинхронные установочные входы триггеров.

С помощью регистров можно выполнять и другие преобразования информации, например, поразрядные логические операции: конъюнкция (); дизъюнкция (); неравнозначность (); инвертирование разрядов () и т. д.

Выходами регистра бывают непосредственно выходы триггеров, но в ряде случаев КС (рис. 1) включает элементы, которые осуществляют выдачу информации. Выдача слова может быть осуществлена в прямом коде, и обратном коде или в парафазном коде. Кроме того, регистр может иметь выходы с тремя состояниями (состояние логического нуля, логической единицы и высокоомное состояние). Для выдачи слова в прямом коде к выходам регистра подключают прямые выходы триггеров ; в обратном коде - инверсные выходы, а в парафазном коде - прямые и инверсные.

В качестве примера на рис. 2, а показана организация цепей выдачи прямого и обратного кода на элементах И-ИЛИ-НЕ. Для выдачи прямого кода подается управляющий сигнал , а для выдачи обратного -. Если, то на всех выходах регистра будут присутствовать единицы. Цепи выдачи прямого и обратного кода можно реализовать и на элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (рис. 2, б). В этом случае прииз регистра выдаются значения, при- значения,a запрет выдачи информации не обеспечивается. Проектирование регистров сводится к выбору типа триггеров и синтезу КС.

Рис. 2

Для построения регистров в зависимости от выполняемых микроопераций могут быть использованы триггеры, различные по функциональному признаку (например, RS-, JK-, Т-, D-типа) и по организации (синхронные и асинхронные, с внутренней задержкой и без внутренней задержки).

Обычно в регистрах все разряды выполняются одинаково. Разряд синхронного регистра (без учета цепей выдачи информации) может быть построен как на синхронном (рис. 3, а), так и на асинхронном триггере (рис. 3, б). Аргументами функций возбуждения являются разрядыкода микрооперации и множество сигналовX, содержащее значения ,,() и т.д., что определяется системой микроопераций. Если используется асинхронный триггер, то тактирующий сигнал Т подается на вход КС.

Рис. 3

Асинхронные регистры также могут быть реализованы с использованием, и синхронных и асинхронных триггеров. Синхронные триггеры наиболее удобны, когда на регистре выполняется одна микрооперация (например, микрооперация сдвига). При этом (рис. 4, а) сигнал микрооперации подключается непосредственно ко входутриггера. При использовании асинхронных триггеров разряд регистра строится в соответствии с рис. 4, б. В этом случае сигналыпоступают на входы КС.

Рис. 4

Синтез функции возбуждения триггеров выполняют в следующей последовательности:

- составляют таблицу переходов i-го разряда регистра, в которой отображают состояние триггера и значения сигналов из множества(рис. 3, 4) в момент времениS, а для момента времени (S + 1) -новое состояние триггера ;

- в соответствии с системой подграфов переходов используемого триггера для каждой строки полученной таблицы (для каждого перехода ) записывают требуемые значения функций возбуждения триггера;

- выполняют синтез КС в заданном элементном базисе.

Если аргументами функций возбуждения триггеров являются значения , где гдеj , то триггеры должны обладать внутренней задержкой.

Сложность и быстродействие КС при заданном наборе микроопераций определяйся функциональным типом триггеров. Если для построения регистра можно использовать триггеры различного типа, целесообразно получить несколько вариантов схем, а затем выбрать из них ту, которая обладает требуемыми параметрами.

Системы подграфов переходов для JK-, RS-,T- и D-триггеров представлены на рис. 5, где знаком * отмечены произвольные значения функций возбуждения.

Рис. 5

Пусть необходимо построить синхронный регистр для выполнения микроопераций параллельного занесения и сдвига слов вправо на один разряд с использованием элементов И-НЕ, а также синхронных RS-, JK-, T- или D-триггеров.

Будем считать, что значения 00, 01 и 10 кода микрооперации соответствуют режиму хранения информации, параллельного занесения и сдвига. Значение слова=11 является запрещенным.

В таблице переходов i-ro разряда регистра (табл. 1) значения при=00 повторяют значения, что соответствует режиму хранения информации. Для=01 справедливо равенство, соответствующее микрооперации занесения, а при=10 используется соотношение, характеризующеесдвиг информации в регистре на одни разряд. Значения функций возбуждения триггеров ,,,,и(в отличие от информационного входа, регистра, функция возбуждения D-трпггера отмечена штрихом) для каждого переходазанесены в таблицу в соответствии с рис. 5. На основании табл. 1 получим диаграммы Вейча для функций возбуждения триггеров (рис. 6) и находим операторные представления функций в форме И-НЕ/И-HE (опуская индексы S):

;

;

;

.

Таблица 1

0	0	0	0	0	0	0	*	0	0	*
0	0	0	0	1	1	1	0	1	*	0
0	0	0	1	0	0	0	*	0	0	*
0	0	0	1	1	1	1	0	*	*	0
0	0	1	0	0	0	0	*	0	0	*
0	0	1	0	1	1	1	0	0	*	0
0	0	1	1	0	0	0	*	0	0	*
0	0	1	1	1	1	1	0	*	*	0
0	1	0	0	0	0	0	*	0	0	*
0	1	0	0	1	0	0	1	0	*	1
0	1	0	1	0	0	0	*	0	0	*
0	1	0	1	1	0	0	1	0	*	1
0	1	1	0	0	1	1	0	1	1	*
0	1	1	0	1	1	1	0	*	*	0
0	1	1	1	0	1	1	0	1	1	*
0	1	1	1	1	1	1	0	*	*	0
1	0	0	0	0	0	0	*	0	0	*
1	0	0	0	1	0	0	1	0	*	1
1	0	0	1	0	1	1	0	1	1	*
1	0	0	1	1	1	1	0	*	*	0
1	0	1	0	0	0	0	*	0	0	*
1	0	1	0	1	0	0	1	0	*	1
1	0	1	1	0	1	1	0	1	1	*
1	0	1	1	1	1	1	0	*	*	0
1	1	0	0	0	*	*	*	*	*	*
1	1	0	0	1	*	*	*	*	*	*
1	1	0	1	0	*	*	*	*	*	*
1	1	0	1	1	*	*	*	*	*	*
1	1	1	0	0	*	*	*	*	*	*
1	1	1	0	1	*	*	*	*	*	*
1	1	1	1	0	*	*	*	*	*	*
1	1	1	1	1	*	*	*	*	*	*

Очевидно, что наиболее сложной является КС Т-триггеров. Для JK- и RS-триггеров сложность КС одинакова. Наиболее простой является КС при использовании D-триггеров. Во всех случаях аргументами функций возбуждения являются . Следовательно, для построения регистра необходимо использовать триггеры, управляемые перепадом тактирующего сигнала (с внутренней задержкой).

Схема 4-разрядного регистра на D-триггерах представлена на рис. 7, где DR - вход занесения информации последовательным кодом при выполнении микрооперации сдвига.

Аналогично выполняется синтез асинхронных регистров. Пусть необходимо построить асинхронный регистр, используя асинхронные RS- или Т-триггеры, двухвходовые элементы И и ИЛИ, а также инверторы. Регистр должен обеспечивать выполнение микроопераций ,и, где- занесение информации ();- инвертирование разрядов регистра () и- неравнозначность ().

Рис. 6

В соответствии с табл. 2 и рис. 8 получаем операторные представления функций:

;

.

Таблица 2

0	0	0	0	0	0	0	*	0
0	0	0	0	1	1	0	0	*
0	0	0	1	0	0	0	*	0
0	0	0	1	1	1	0	0	*
0	0	1	0	0	0	0	*	0
0	0	1	0	1	1	0	0	*
0	0	1	1	0	1	1	0	1
0	0	1	1	1	0	1	1	0
0	1	0	0	0	1	1	0	1
0	1	0	0	1	0	1	1	0
0	1	0	1	0	1	1	0	1
0	1	0	1	1	0	1	1	0
0	1	1	0	0	*	*	*	*
0	1	1	0	1	*	*	*	*
0	1	1	1	0	*	*	*	*
0	1	1	1	1	*	*	*	*
1	0	0	0	0	0	0	*	0
1	0	0	0	1	0	1	1	*
1	0	0	1	0	1	1	0	0
1	0	0	1	1	1	0	0	1
1	0	1	0	0	*	*	*	*
1	0	1	0	1	*	*	*	*
1	0	1	1	0	*	*	*	*
1	0	1	1	1	*	*	*	*
1	1	0	0	0	*	*	*	*
1	1	0	0	1	*	*	*	*
1	1	0	1	0	*	*	*	*
1	1	0	1	1	*	*	*	*
1	1	1	0	0	*	*	*	*
1	1	1	0	1	*	*	*	*
1	1	1	1	0	*	*	*	*
1	1	1	1	1	*	*	*	*

Рис. 8

При этом сложность КС меньше при использовании Т-триггеров. Заметим, что при выборе варианта построения регистра в случае необходимости оценивается слож-ность не только КС, а всей аппаратуры, включая триггеры.

Схема одного разряда на Т-триггере представлена на рис. 9. Все разряды регистра строятся аналогично. В качестве примера показана организация выходов регистра с тремя состояниями. Управление состояниями осуществляется сигналом α.

Временные характеристики регистров определяют с помощью временных диаграмм. К основным из них относят минимальное время выполнения микроопераций tи максимальную частоту переключения регистраf.

Рис. 9