Пункт 2 (Курсовой проект)

2. Анализ схемотехнических решений проектируемого узла

Регистры - это устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации в виде т-разрядного двоичного кода, каждому разряду которого соответствует свой элемент памяти (разряд регистра), выполненный на основе триггеров RS-, JK-, или D-типа.

Основным классификационным признаком регистров являются способ записи двоичного кода в регистр и его выдача, т.е. различают параллельные, последовательные (сдвигающие) и параллельно-последовательные регистры. Параллельный регистр выполняет операцию записи параллельным кодом. Последовательный регистр осуществляет запись последовательным кодом, начиная с младшего или старшего разряда, путем последовательного сдвига кода тактирующими импульсами. Параллельно-последовательные регистры имеют входы, как для параллельной, так и для последовательной записи кода числа. Кроме того, сдвигающие регистры делятся на одно- и двунаправленные (реверсивные). Однонаправленные регистры осуществляют сдвиг кода влево или вправо, а двунаправленные - и влево, и вправо.

По способу ввода-вывода информации различают параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры. В регистрах памяти ввод и вывод информации осуществляются в параллельном коде. При этом время ввода (вывода) всего числа равно времени ввода (вывода) одного разряда. В регистрах сдвига число вводится и выводится последовательно разряд за разрядом. Время ввода (вывода) m-разрядного двоичного числа в таких регистрах определяется величиной mT_c, где T_c - период следования тактовых импульсов, осуществляющих ввод (вывод) информации. В параллельно-последовательном регистре ввод числа может осуществляться в параллельном коде, а вывод - в последовательном или наоборот.

По характеру представления вводимой и выводимой информации различают регистры однофазного и парафазного типов. В однофазных регистрах информация вводится в прямом либо в обратном кодах, а в парафазных - одновременно и прямом и в обратном. Регистры первого типа строятся на основе D-триггеров, второго - на основе RS- или JK-триггеров. Вывод информации из регистров обоих типов может осуществляться в прямом и в обратном кодах.

Принцип построения простейшего параллельного Т-разрядного регистра показан на рисунке ниже.

В параллельном регистре цифры кода подаются на D-вход соответствующих триггеров. Запись осуществляется при подаче логической единицы на вход С. Код снимается с выходов Q. Параллельные регистры служат только для хранения информации в виде параллельного двоичного кода и для преобразования прямого кода в обратный и наоборот.

Последовательные регистры, помимо хранения информации, способны преобразовывать последовательный код в параллельный и наоборот. При построении последовательных регистров триггеры соединяются последовательно путем подключения выхода Qi-го триггера ко входу Di-го триггера, как это показано на рисунке ниже.

В последовательных регистрах принципиально необходимо, чтобы новый сигнал на выходе Qш-го триггера возникал только после окончания синхросигнала. Для выполнения этого условия в последовательных регистрах необходимо применять двухступенчатые триггеры.

При действии каждого очередного тактового импульса код, содержащийся в регистре, сдвигается на один разряд. Для схемы, приведенной на рисунке выше, сдвиг кода происходит вправо (в сторону младших разрядов). Действительно, сигнал выхода Qi+1-го триггера действует на вход Di-го триггера, а сигнал выхода Qi-го триггера действует на вход Di-1-го триггера. При действии синхросигнала i-й триггер примет состояние i+1-го, а i-1-й - состояние i-го триггера, т.е., произойдет сдвиг кода вправо на один разряд.

Параллельный двоичный код одновременно снимается с выходов Q триггеров. Для сдвига кода влево необходимо, чтобы сигнал с выхода Qi-1-го триггера подавался на вход Qi-го (старшего) триггера.

Для преобразования параллельного кода информации в последовательный может быть использован любой универсальный регистр сдвига, например ИР11.

Если, например, в регистре записано число 0101 и линия связи соединена с выходом D8, то в этом случае необходимо для преобразования параллельной формы числа 0101 в последовательную сдвигать  биты этого числа влево, а если смотреть на условное графическое обозначение микросхемы, то сдвигать биты нужно от разряда единиц к разряду восьмерок, что и означает при записи этого числа в строке сдвиг влево. Режим сдвига влево реализуется при S1=1, S0=0. Сдвиг происходит синхронно с приходом фронта тактового импульса. Порядок построения диаграммы сдвига для пяти тактовых импульсов показан на рисунках 1-6.

На рисунке 6 можно увидеть преобразованное число 0101 в последовательной форме, если посмотреть на диаграмму выхода D8 (последняя строка диаграмм). 

Если линия связи будет соединена с выходом D1 (это разряд единиц), то алгоритм построения диаграммы сдвига будет аналогичен приведенному выше, с той лишь разницей, что число в последовательной форме после 5-го тактового импульса будет находиться на диаграмме выхода  D1. И соответственно сдвиг нужно будет производить не влево, а вправо.

Реверсивные регистры должны содержать логические схемы управления, обеспечивающие прохождение сигнала с выхода Qi-го триггера на вход Di-1-го триггера при сдвиге кода вправо и прохождение этого же сигнала на вход Di+1-го при реализации сдвига кода влево. Схема построения реверсивного регистра приведена на рисунке ниже.

Направление сдвига кода определяется подачей требуемых сигналов управления на соответствующие входы. Так, в схеме, показанной на рисунке выше, при подаче на вход S0 напряжения логической единицы сдвиг кода будет происходить влево (в сторону старших разрядов), поскольку логическая схема управления 2И - 2И - 2ИЛИ будет разрешать прохождение сигналов с выходов Qi-го триггера на вход Di-го триггера, и наоборот, при подаче на вход S1 напряжения логической единицы будет разрешено прохождение сигнала с выхода Qi-го триггера на вход Di1-го триггера - будет реализовываться сдвиг кода вправо (в сторону младших разрядов).

Примеры условного графического обозначения параллельного, сдвигового и реверсивного регистров приведено на рисунке ниже.

Выводы микросхем, показанных на рисунке выше, следующие: D1-Dn - входы D-триггеров соответствующих разрядов при записи информации в параллельном коде; Q1-Qn - прямые выходы Q-триггеров; С - вход тактовых импульсов; R - вход обнуления; S0,S1 - входы управления направлением сдвига; VR - вход последовательного кода при сдвиге вправо (R - от англ. Right), при сдвиге кода влево применяется обозначение VL - (Left).

Основную массу регистров, применяемых на практике, представляют регистры сдвига, т.к. помимо операции хранения они могут осуществлять преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот, прямого кода - в обратный и наоборот, выполнять арифметические и логические операции, временную задержку и деление частоты.

Иногда объединяют два понятия логический и циклический сдвиг. Рассмотрим логический (циклический) сдвиг на трех разрядном регистре состоящем из RS-триггеров. Под логическим сдвигом понимают – на освободившееся место записывается 0. Под циклическим сдвигом понимают – на освободившееся место записывается буква, выпадавшая при переносе слова.

Пусть исходным состоянием будет 010 и зададим логический сдвиг вправо на один разряд. Можно записать и по другому: (RG)₀ = 010, ЛП1.

Составим таблицу переходов для регистра:

Теперь составим временную диаграмму, по которой видно как работает регистр.

После третьего синхросигнала видно, что выходной сигнал начинает повторяться, т.е. зацикливается.

А теперь рассмотрим арифметический сдвиг. Под ним понимают – на освободившееся место записывается содержимое бита переноса.

Пусть исходным состоянием будет 010 и зададим арифметический сдвиг вправо на один разряд. Можно записать и по другому: (RG)₀ = 010, АП1.

Составим таблицу переходов для регистра:

Также и для арифметического сдвига составим временную диаграмму, по которой видно как работает регистр.

Далее рассмотрим параллельный парафазный Т-разрядный регистр. Схему регистра построим на асинхронных RS–триггерах.