РЕВЕРСИВНЫЙ РЕГИСТР СДВИГА.

Лекция № 8

Тема: «Регистры»

 

Текст лекции по дисциплине: «Цифровые устройства и

микропроцессоры»

 

 

Обсуждена на заседании кафедры

КАЛИНИНГРАД

Г

Содержание

Введение.

 

Учебные вопросы (основная часть):

 

1. Общие сведения

2. Последовательные регистры

3. Параллельные регистры

 

Заключение

 

Л5, Л2

Л1, Л3

Л6

 

Литература:

Основная литература

Л.1. А.К.Нарышкин «Цифровые устройств и микропроцессоры»: учеб. пособие для студ. Высш. Учебн. Заведений/ А. К. Нарышкин, 2 – е изд. - Издательский центр «Академия», 2008г. с. 206-239

Л.2. Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров «Аналоговая и цифровая электроника», М.-Горячая линия- Телеком, 2000г. с. 580-588

Дополнительная литература

Л.5. Е.П. Угрюмов «Цифровая схемотехника», Санкт-Петербург, 2000г. с. 143-150

Л6. Ю.А. Браммер. И.Н.Пашук «Импульсные и цифровые устройства», М.-Высшая школа, 1999г. с. 256-260

Л9 Б.А.Калабеков «Цифровые устройства и микропроцессорные системы», М.: «Горячая линия - телеком», 2000 г.126-131

 

 

Учебно-материальное обеспечение:

1. Полилюкс

2. Слайды

3. Плакаты

 

Текст лекции

 

Введение

К функциональным узлам с элементами памяти относятся регистры, счётчики, сумматоры, пересчётные устройства. Отличительной особенностью является наличие элементов памяти, которые хранят результат воздействия на узел входных сигналов в предыдущие моменты времени. Сигналы на выходах такого узла определяются входными сигналами и состоянием элементов памяти, т.е. последовательностью входных сигналов.

1. Общие сведения

Регистр – цифровой автомат, предназначенный для приема, запоминания, хранения информации и выполнения определённых операций.

Назначение регистр ов.

Основным назначением регистров является:

* временное хранение двоичного числа;

* сдвиг числа (как в микрокалькуляторе);

Классификация регистр ов.

Регистры классифицируются по следующим основным признакам:

По функциональным свойствам (по виду выполняемых функций):

* накопительные регистры (регистры памяти, хранения);

* сдвигающие регистры (регистры сдвига вправо, влево, реверсивные);

* приёмные регистры;

* передающие регистры;

По способу ввода и вывода информации:

* параллельные регистры (регистры памяти, статические);

* последовательные регистры (регистры сдвига);

* комбинированные регистры (параллельно-последовательные, последовательно-параллельные);

По направлению передачи информации:

* однонаправленные;

* реверсивные.

По количеству разрядов:

* трёхразрядные регистры;

* четырёхразрядные регистры;

* пятиразрядные регистры и т.д.

Устройство регистр ов.

Элементами структуры регистров являются синхронные триггеры D-типа, либо RS- (JK)-типа с динамическим или статическим управлением.

Количество триггеров в регистре соответствует количеству разрядов числа. Регистры имеют в своём составе комбинационные схемы, которые играют вспомогательную роль.

2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ РЕГИСТРЫ

Ввод и вывод информации в последовательных регистрах (регистрах сдвига) осуществляется последовательно разряд за разрядом (в последовательном коде).

Синтез регистра последовательного типа сводится к нахождению уравнений входов (i+1)-го разряда. Для этого так же, как и при синтезе синхронных счетчиков, необходимо заполнить диаграммы Вейча для уравнений входов с использованием прикладной диаграммы Вейча и характеристической таблицы функционирования используемого триггера. Из диаграмм Вейча и получают уравнения входов (i+1)-го разряда. В дальнейшем определяют тип триггеров, из которых будет строиться регистр.

Назначение последовательного регистра.

Последовательный регистр предназначен для:

a) выполнения операции временной задержки сигналов (т.е. в качестве цифровых элементов временной задержки).

b) запоминание многоразрядных двоичных чисел;

c) сдвиг хранимого числа на любое число разрядов

Устройство последовательного регистра.

Последовательный регистр состоит из соединённых между собой определённым образом триггеров (D-, JK-, RS-типа).

Условное обозначение последовательного регистра.

Для примера рассмотрим условное обозначение последовательного регистра на микросхеме К155ИР1.

Здесь “И” обозначает, что это элементы дискретных и арифметических устройств, “Р” -регистр.

Рис. 1 УГО последовательного регистра

Принцип действия последовательного регистра.

Принцип действия последовательного регистра заключается в следующем:

с приходом каждого тактового импульса происходит перезапись (сдвиг) содержимого каждого разряда в соседний без изменения информации.

Т.е. каждый разряд выдаёт информацию в следующий и одновременно принимает новую информацию из предыдущего разряда. Причём, данное действие (сдвиг) осуществляется с приходом каждого сдвигающего импульса.

Схема последовательного регистра.

Рассмотрим устройство 4-х разрядного последовательного регистра на JK-триггерах. (Рис. 2)

Рис. 2 Схема последовательного регистра

Работа последовательного регистра.

Записанное число поступает по одному входу в виде последовательного кода. Т.е. значения разрядов предаются последовательно, подобно тому, как прочитывается многоразрядное число. (Например: 1010).

Перед записью числа регистр обнуляется по входу R.

Разряды двоичного числа, начиная с младшего, в виде “0”и “1” последовательно поступают на вход старшего разряда регистра. Поступление данных происходит с поступлением тактового импульса сдвига. Данные импульсы продвигают вводимое число вдоль регистра, пока младшие разряды n-разрядного числа не окажутся в младших разрядах регистра.

Регистры работающие по такому принципу называются регистрами сдвига вправо.

В случае, если сдвиг осуществляется от младшего разряда к старшему, то регистр называется регистром сдвига влево. Для реализации такого регистра необходимо вход каждого триггера соединить с выходом последующего триггера. Это регистр сдвига последовательности, заданной в прямом коде. Для получения обратного кода числа необходимо воспользоваться инверсными выходами триггеров.

Недостатком последовательного регистра является поразрядный ввод данных. Кроме того возможна потеря крайнего информационного бита информации.

Для устранения первого недостатка применяются параллельные регистры.

Для устранения второго недостатка последовательных регистров (потеря крайнего бита информации) используются кольцевые регистры.

КОЛЬЦЕВЫЕ РЕГИСТРЫ.

Рис. 3 Схема кольцевого регистра

Кольцевой регистр строится на основе сдвигающего путём замыкания выхода младшего разряда со входом старшего разряда. В результате, информация движется по кольцу.

Назначение кольцевого регистра.

Кольцевые регистры предназначены для создания схем распределителей импульсов, которые служат для формирования следующих друг за другом импульсных сигналов, появляющихся в различных цепях управления узлами и устройствами. (Для примера можно вспомнить обыкновенную ёлочную гирлянду).

Схема кольцевого регистра.

Схема кольцевого регистра представлена на Рис. 3

Работа схемы кольцевого регистра.

Запишем в один из разрядов регистра единицу. В схеме, эта однажды введённая единица продвигается тактовыми импульсами до конца, а с выхода старшего (n-1)–го разряда через цепь обратной связи снова записывается в нулевой разряд. После этого происходит новый цикл движения указанного кода по регистру.

На основе кольцевых регистров строят рекуррентные регистры.

РЕВЕРСИВНЫЙ РЕГИСТР СДВИГА.

Рассмотренные регистры сдвига осуществляли сдвиг информации (кодов чисел) в каком-либо одном направлении в сторону младших или старших разрядов. Реверсивные регистры сдвига могут выполнять сдвиг информации в обе стороны, в зависимости от информационного значения некоторого управляющего сигнала.

В реверсивном сдвигающем регистре, представленном на Рис. 4 Реверсивный сдвигающий регистр, логические связи между триггерами предусматривают возможность управления направлением сдвига записанного в регистр слова посредством управляющего сигнала, отображаемого логической переменной у. Например, при y=0 действие синхроимпульса должно приводить к сдвигу информа­ции влево, а при у=1 — вправо. При отсутствии синхроимпульса информация, записанная в регистр, должна оставаться без изме­нения.

Если регистр выполняется на триггерах типа D, то для реали­зации реверсивного режима работы логический сигнал на входе триггера i-го разряда регистра определяется по формуле:

D_i^(t) = *Q_i-1^(t)+y×Q_i+1^(t).

Направление сдвига кода задает логическая схема DD1 Рассмотрим принцип действия регистра.

Рис. 4 Реверсивный сдвигающий регистр

Пусть в регистре записан код числа A = a_n-1…a₁a₀, тогда, согласно приведённой формулы, при подаче логического сигнала y=1 на входе D i-го триггера действует сигнал с выхода от предыдущего триггера D_i = Q_i+1. Под действием очередного синхроимпульса сигнал Q_i+1 фиксируется на выходе триггера ТT_i. Код сдвигается вправо;

при y = 0, согласно того же выражения, D_i= Q_i-1 и на выходе i-го триггера фи­ксируется сигнал с выхода триггера TT_i-1. Код сдвигается влево.

РЕКУРРЕНТНЫЕ РЕГИСТРЫ.

В основе рекуррентных регистров лежат кольцевые регистры.

Назначение рекуррентного регистра.

Рекуррентные регистры служат для получения длинных кодовых комбинаций (рекуррентных последовательностей), приближающихся по своим статическим характеристикам к “белому” шуму.

Используют для кодирующих и декодирующих устройств, широкополосных систем связи, при формировании сигналов фазирования в системах передачи данных.

Устройство рекуррентного регистра.

Выход последнего (старшего) разряда регистра соединяется с входом через простейший элемент И-НЕ. С предыдущего разряда регистра также подаётся сигнал на этот элемент.

Для примера рассмотрим схему рекуррентного регистра на D-триггерах.

Схема рекуррентного регистра.

Рис. 5 Схема рекуррентного регистра

Таким образом рекуррентные регистры позволяют формировать кодовые комбинации различной длины за счёт введения цепи логической обратной связи.

Параметры последовательного регистра.

Время ввода (вывода) m-разрядного двоичного числа в регистрах сдвига равно mТ_сд, где Т_сд — период следования тактирующих сигналов, осуществляющих ввод (вывод) информации.

Таким образом, последовательные регистры – это цифровые автоматы, осуществляющие последовательный сдвиг вправо или влево кода, записанного в его разрядах числа.

3. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ РЕГИСТРЫ.

Ввод и вывод информации (двоичных чисел) в параллельных регистрах (регистрах памяти) осуществляется одновременно во всех разрядах (в параллельном коде).

Синтез регистра памяти.

Поскольку разряды регистра памяти функционируют идентично, то нет необходимости производить синтез каждого разряда отдельно, достаточно провести проектирование одного i-го разряда. Синтез параллельного регистра сводится к выбору типа триггера и определению структуры устройств ввода.

Выбор типа триггера производится из следующих соображений. Если регистр предназначается только для хранения числа, то целесообразно использовать синхронный D-триггер. Применение других типов триггеров возможно, но зачастую не оправдано по причине усложнения схемы регистра или неполного использования логических возможностей триггеров.

Определение структуры устройств ввода информации осуществляется методами синтеза комбинационных цифровых устройств.

Назначение параллельного регистра.

Параллельные регистры, как правило, используется как регистры памяти.

Устройство параллельного регистра.

Простейший вид параллельного регистра такой же, как и у последовательного. Т.е. в его сосав входят соединённые определённым образом триггеры (D, JK, RSC-типа).

Каждый из триггеров в процессе работы хранит один разряд двоичного числа.

Условное обозначение параллельного регистра.

Примером такого регистра является микросхема К155ИР15.

Рис. 6 УГО параллельного регистра

Принцип действия параллельного регистра.

Запись числа осуществляется в параллельном коде по входам “S” триггеров. При этом на входе “С” должен быть разрешающий импульс.

Схема параллельного регистра.

Схема параллельного регистра такая же как и последовательного, но информация подаётся на входы “S” параллельно.

Рис. 7 Схема параллельного регистра

На схеме: -R - сигнал установки нуля;

Z_з – сигнал записи приёма информации;

Z_су – сигнал считывания хранимой информации.

Работа параллельного регистра.

При однофазной передаче кода сигнал о каждой букве а_i слова А= а_n-1, …a₀ вводится в i-ый разряд регистра по одному проводу через один из элементов DD7…DD8. Информация записывается в регистр в случае наличия разрешающей единицы на шине Z_з.

Перед записью кода в регистр подаётся сигнал сброса R=1 при Z_з=Z_ce=0. Тогда на входах всех триггеров действуют сигналы R=1, S=0. Это приводит к установке всех разрядов регистра в нулевое состояние, т.е подготовке их к приёму информации.

После этого на входные схемы И кроме сигналов а_i подают сигнал записи Z_з.=1 при R= Z_ce=0. Тогда на входах i-го триггера действуют сигналы R=0, S=а_i, что приводит к установке его в состояние Q_i=a_i. Таким образом, на основных выходах всех триггеров формируется двоичный код А= а_n-1, …a_0.

Для считывания информации из регистра на его входные схемы И DD1…DD3 подаётся сигнал считывания Z_сч=1, что обеспечивает формирование на выходах логических схем сигналов a_i

После считывания информация в регистре не изменяется.

Параметры параллельных регистров.

Время ввода (вывода) информации равно времени ввода (вывода) одного разряда.

Применение регистров.

Наиболее широкое применение получил универсальный сдвиговой регистр подобный К155ИР1.

Этот двунаправленный регистр сдвига объединяет в себе все возможные виды рассмотренных регистров.

Возможны следующие режимы работы К155ИР1.

1. Последовательный ввод через V1.

2. Параллельный ввод по D1-D4.

(Выбор режима последовательного и параллельного ввода определяется сигналом на V2: “0” - для последовательного ввода, “1” - для параллельного ввода).

3. Сдвиг вправо (“0” С1, “1” - С2).

4. Сдвиг влево (“1” С1, “0” - С2).

5. Блокировка (“0” С1, “0” - С2).

Рис. 8 Пример применения регистра

 

Таким образом, параллельные регистры имеют более высокое быстродействие, чем последовательные. Однако, применение регистров обусловлено функциональным назначением различных схем.

Заключение:

1. Основой любого регистра является триггер (двоичная ячейка памяти).

2. По выполняемым функциям регистры делятся на регистры без сдвига информации и со сдвигом информации.

3. Разновидность сдвигающих регистров - кольцевой и рекуррентный регистр.

 

Замечания и предложения по содержанию лекции