Цифровая электроника

Регистры

Регистрами называются последовательностные цифровые устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации. Информация в регистре хранится в виде двоичного кода, т.е. представлена комбинацией сигналов логического нуля и логической единицы. Каждому разряду кода, записанному в регистр, соответствует свой разряд регистра, как правило, на основе триггеров RS-, D- или JK-типа. Основным классификационным признаком, по которому различают регистры, является способ записи информации или кода числа в регистр. По этому признаку можно выделить регистры следующих типов:

• параллельные;
• последовательные;
• последовательно-параллельные.

В параллельные регистры запись (считывание) числа осуществляется параллельным кодом, т.е. во все разряды регистра одновременно. Последовательные регистры характеризуются последовательной записью (считыванием) кода числа, начиная с младшего разряда или старшего путем последовательного сдвига кода тактирующими импульсами. В последовательно-параллельных регистрах ввод или вывод информации может осуществляться как в параллельном, так и в последовательном кодах.

Время ввода числа в регистр параллельного типа равно времени ввода одного разряда. Время ввода числа в регистр последовательного типа равно m?T, где m — число разрядов вводимого числа, а T — период следования тактирующих сигналов, осуществляющих ввод (вывод) информации.

По способу представления вводимой информации различают регистры однофазного и парафазного типа. В однофазных регистрах информация вводится по одному каналу (прямому или инверсному). Информация на выходе представлена в прямом или в обратном коде. В парафазных регистрах ввод информации осуществляется по двум каналам одновременно (прямому и инверсному), т.е. информация представлена одновременно в прямом и обратном кодах. Информация на выходе, как правило, также представляется в прямом и инверсном кодах.

Параллельные регистры. Параллельный регистр используется для кратковременного хранения чисел, представленных в параллельном двоичном коде. Поэтому параллельные регистры называются еще регистрами памяти. Рассмотрим способы построения регистров памяти на триггерах RS-типа. Каждый триггер служит для хранения одного разряда числа, значит, для хранения m-разрядного двоичного числа необходимо иметь m RS-триггеров. Как следует из таблицы переходов RS-триггера, для записи единицы необходимо подавать единицу на вход S и нуль на вход R, а для записи нуля – наоборот – единицу на вход R и нуль на вход S, т.е. информация должна поступать на оба входа RS-триггера. Полученный регистр будет парафазным, причем вход S — прямой, а вход R — инверсный. Для синхронной записи во все триггеры одновременно, их тактовые входы необходимо объединить в одну шину (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Структурная схема параллельного парафазного регистра на синхронных RS-триггерах.

Если необходимо синтезировать параллельный регистр на RS-триггерах однофазного типа, т.е. вход R не использовать, то остаются следующие варианты по таблице переходов RS-триггера:

Чтобы получить нулевой сигнал на выходе, при Sⁿ=0, необходимо чтобы Qⁿ=0, т.е. перед записью необходимо обнулить триггер. Для этого нужно объединить все входы R и при подаче на информационные входы S сигнала с уровнем логического нуля, подать на объединенные входы R логические единицы (рис. 5.21). Таким образом, осуществляется предварительная установка триггеров в нулевое состояние. Если теперь на входы S соответствующих триггеров подать значения записываемых разрядов исходного кода, то они зафиксируются на выходах триггеров.

Рис. 5.21. Структурная схема параллельного однофазного регистра на синхронных RS-триггерах.

Таким образом, при реализации регистров на основе RS-триггеров требуется подача разрядов исходного числа в прямом и инверсном коде, либо предварительное обнуление всех триггеров, что не всегда является удобным. В этом отношении удобны регистры на D-триггерах. В них информация может быть установлена по одному входу и без предварительной установки в нуль (рис. 5.22).

Рис. 5.22. Структурная схема параллельного регистра на D-триггерах.

Последовательные регистры. Последовательный регистр предназначен для кратковременного хранения информации, но, в отличие от параллельного регистра, в нем осуществляется логическая операция сдвига кода хранимого числа на любое количество разрядов. Ввод информации в последовательный регистр осуществляется по одному последовательному каналу V. Сдвиг кода числа происходит с помощью синхронизирующих импульсов С, в результате подачи которых осуществляется сдвиг всех разрядов кода числа со входа к выходу или наоборот. Как и в случае параллельных регистров, последовательный регистр может быть синтезирован на базе триггеров RS-типа (JK-типа), но наиболее удобным для этих целей является использование D-триггеров. (рис. 5.23). Из рисунка видно, что информация с первым тактирующим импульсом с входа V передается на выход первого и вход второго триггеров. С приходом второго тактирующего импульса информация из первого триггера перепишется на выход второго триггера. На выход первого триггера запишется новое значение с входа V. Таким образом, будет осуществляться сдвиг исходного кода вправо. Отсюда последовательные регистры называются еще регистрами сдвига. Информация выводится из триггера по одному выходу Q.

Рис. 5.23. Структурная схема последовательного регистра.

Для построения последовательного реверсивного регистра, в котором код числа может сдвигаться как влево, так и вправо, необходимо между триггерами регистра включить устройства управления направлением сдвига. Эти устройства в зависимости от значения управляющих сигналов «сдвиг вправо» и «сдвиг влево» должны переключать входы каждого триггера регистра либо к выходам предыдущего, либо к выходам последующего триггера (рис. 5.24). Поскольку элемент 2И-ИЛИ-НЕ, выполняющий роль коммутатора, инвертирует значения сигналов, то для подачи на входы соответствующих разрядов сдвигаемого кода в прямом виде, необходимо использовать инверсные выходы этих триггеров. Информацию на самый первый элемент 2И-ИЛИ-НЕ с входа V последовательного ввода необходимо подавать через инвертор. В практических схемах для упрощения процесса управления режимами направления сдвига вместо двух сигналов «сдвиг вправо» и «сдвиг влево», используется только один из этих сигналов. Второй сигнал формируется через инвертор.

Рис. 5.24. Структурная схема последовательного реверсивного регистра.

Последовательные регистры находят ограниченное применение. Широкое распространение получили последовательно-параллельные регистры. На их базе строятся преобразователи кодов из последовательного в параллельный и из параллельного в последовательный. Для реализации параллельного вывода информации в последовательном регистре достаточно использовать выходы Q_i всех триггеров. Чтобы реализовать ввод информации как в последовательном, так и в параллельном виде, можно использовать D-триггеры с асинхронной установкой в нуль или единицу. Пример такой структуры приведен на рис. 5.25.

Рис. 5.25. Структурная схема последовательно-параллельного регистра.

Как и в последовательном регистре, ввод информации в последовательном коде осуществляется по входу V. Для тактирования сдвига синхровходы всех триггеров объединены. При этом, для возможности введения кода числа в параллельном виде используются элементы И-НЕ ЛЭ1_i и ЛЭ2_i в своих разрядах. Элемент ЛЭ1_i осуществляет функцию стробирования и инвертирования разряда D_i при единичном уровне управляющего сигнала «параллельная запись». В результате на вход S установки в единицу триггера Т_i проходит инверсное значение разряда
 параллельного кода числа только в том случае, если сигнал разрешения на линии «параллельная запись» имеет единичное значение. Элемент ЛЭ2_i выполняет функцию инвертирования сигнала с элемента ЛЭ1_i и передачи его на вход R сброса триггера Т_i также по активному уровню сигнала разрешения параллельной записи. В результате парафазный код всех разрядов параллельного кода проходит на соответствующий триггер только при активном уровне сигнала разрешения параллельной записи. Поскольку элементы ЛЭ_i имеют инверсные выходы, то триггеры Т_i должны иметь инверсные входы R и S.

Если выход последнего триггера соединить с входом первого, то получится кольцевой регистр сдвига. Записанная в его разряды информация под воздействием сдвигающих импульсов будет циркулировать по замкнутому кольцу. Кольцевой регистр иначе называется кольцевым счетчиком. Его коэффициент пересчета равен числу разрядов n последовательного кода. Единица, записанная в один из разрядов, периодически будет появляется в нем после того, как будут поданы n сдвигающих импульсов. В условном графическом обозначении функция регистра задается символами «RG», а в маркировке микросхем – символами «ИР».

Контрольные вопросы.

1. Поясните принципы организации ПЦУ.

2. В чем состоит отличие синхронного RS-триггера от синхронного JK-триггера?

3. В каких типовых ПЦУ используются в качестве элементной базы D- и T-триггеры?

4. Что такое входы асинхронной установки в нуль и единицу?

5. Приведите схемы реализации триггеров RS-, D- и T-типов на базе синхронных JK-триггеров.

6. Чему равны K_сч. Восьмиразрядного двоичного и восьмиразрядного двоично-десятичного счетчиков?

7. Изобразите структурную схему и временные диаграммы работы трехразрядного двоичного вычитающего счетчика на основе T-триггеров с инверсным динамическим счетным входом.

8. В чем отличие схем и принципов функционирования счетчиков с параллельным и сквозным переносами?

9. В чем заключается принцип построения недвоичных счетчиков и как реализовать счетчик с К_сч.=8 на базе двоичных счетчиков?

10. Объясните принцип работы последовательно-параллельного регистра.