Счетчики и регистры

Тема: Счетчики и регистры.

Вопрос 1. Счетчики.

    Счетчик – это устройство, которое может иметь не более чем 2ⁿ внутренних состояний, где n - число триггеров, входящих в состав счетчика. Счетчики используются для подсчета числа двоичных импульсов. В ЭВМ они применяются для формирования адресов, подсчета количества циклов и т.д.

Основным параметром счетчика является коэффициент или модуль счета K - это наибольшее число импульсов, которое может быть подсчитано счетчиком и равное максимальному числу внутренних состояний 2ⁿ. В зависимости от модуля счета различают двоичные (K=2ⁿ, где  n - число триггеров), декадные или десятичные (K=10^m, где m - число десятичных разрядов), с произвольным постоянным и с переменным модулем.

По способу изменения выходного кода счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. У суммирующего счетчика выходной код увеличивается на единицу для каждого нового состояния, а у вычитающего - уменьшается на единицу. Реверсивный счетчик может работать в обоих режимах.

По способу управления внутренними триггерами счетчики подразделяются на асинхронные (последовательные) и синхронные(параллельные).

В асинхронных счетчиках переключение последующего триггера осуществляется выходным сигналом предыдущего, а входные счетные импульсы приходят на вход только младшего (нулевого) триггера.

Рассмотрим работу асинхронного суммирующего счетчика, выполненного на четырех JK-триггерах (рис.13.1,а). Работу счетчика однозначно определяет таблица состояний (табл.13.1) или временная диаграмма (рис.13.1,б).

В исходном состоянии на объединенные входы R всех триггеров подается низкий уровень сигнала (R=0) для предварительного обнуления счетчика и установки на всех прямых выходах логического нуля: Q₁=Q₂=Q₃=Q₄=0.

Рекомендуемые материалы

Счетные импульсы приходят на вход первого триггера T1. Выходами счетчика являются прямые выходы триггеров, с которых информация о состоянии предыдущего триггера передается на синхровход последующего. Значение переменной Q_i соответствующего разряда счетчика изменяется, когда переменная в соседнем младшем разряде Q_i-1 переходит из состояния “1” в “0” (см. Табл.13.1). Для реализации этого свойства последовательного счетчика JK-триггеры в схеме работают в режиме T-триггера с переключением в новое состояние по спаду входного синхроимпульса. Таким образом, частота выходного сигнала каждого триггера в два раза меньше, чем частота сигнала на его входе (см. Рис.13.1,б). Счетчик на выходах формирует нарастающие кодовые наборы от 0000 до 1111, являющиеся двоичными эквивалентами десятичных чисел от 0 до 15. Шестнадцатый импульс переводит все триггеры в исходное нулевое состояние (K=2⁴=16).

Если в качестве выходов счетчика использовать прямые выходы триггеров, а на синхровходы последующих триггеров подавать сигналы с инверсных выходов предыдущих триггеров, получим вычитающий счетчик. Перед началом счета должна быть предусмотрена установка всех его триггеров в исходное состояние “1”. При счете импульсов вычитающий счетчик будет формировать на прямых выходах триггеров убывающие кодовые наборы от 1111 до 0000.

В синхронных (параллельных) счетчиках счетные импульсы поступают одновременно на входы синхронизации всех триггеров (рис.13.2). Значение Q_i изменится при поступлении очередного счетного импульса в том случае, если переменные во всех младших разрядах Q_i-1, ..., Q₁ находятся в состоянии “1” (см. Табл.13.1).

Счетчики изготавливаются в виде готовых микросхем. Например, микросхема К155ИЕ2 - это двоично-десятичный счетчик, микросхема К155ИЕ4 имеет модуль счета 13, а К155ИЕ6 - реверсивный счетчик с предустановкой.

В тех случаях, когда требуется счетчик с модулем счета, меньшим, чем 2ⁿ состояний, избыточные состояния исключаются с помощью комбинационной схемы. На рис.13.3 показана схема суммирующего счетчика с K=6. После шестого импульса сигналы с выходов Q₂=1 и Q₃=1 вызовут появления «0» на выходе элемента 2И-НЕ, что в свою очередь приведет к обнулению всех триггеров. Логический элемент 2И-НЕ в данном случае играет роль комбинационной схемы, выявляющей значение выходного кода, при котором счетчик должен устанавливаться в начальное состояние.

Микросхема К155ИЕ7 представляет собой двоичный четырехразрядный реверсивный счетчик широкого применения. Его основу составляют четыре JK-триггера, а вспомогательные операции выполняются 18 логическими элементами. Счетчик имеет управляющий вход V, два счетных входа (прямого счета C1 и обратного счета C2), четыре информационных входа предустановки D3, D2, D1, D0, соответствующие выходы Q3, Q2, Q1, Q0, а также два инверсных выхода переноса B и Р_{_}. Условное обозначение приведено на рис.13.4.

В зависимости от состояний входов возможны три режима работы счетчика:

- режим счета реализуется, когда V=1: при подаче счетных импульсов на вход C1 происходит увеличение двоичного выходного кода, при подаче импульсов на вход C2 – уменьшение;

- режим параллельной записи обеспечивается, когда V=0, при этом кодовые наборы, установленные на информационных входах, повторяются на выходах соответствующих разрядов, независимо от состояния счетных входов;

- сброс счетчика осуществляется подачей высокого уровня напряжения на вход R, что приведет к отключению всех других входов и запрещению записи.

Вопрос 2. Регистры.

Регистры широко используются для передачи, хранения и преобразования двоичных кодов. В зависимости от функционального назначения различают регистры  сдвига (последовательные) и регистры памяти (параллельные).

В четырехразрядном регистре сдвига, выполненном на JK-триггерах (рис.13.5), с приходом каждого тактового импульса на входы С происходит последовательная запись сигналов с прямых и инверсных выходов на информационные входы каждого последующего триггера, от младшего разряда к старшему.

Если на информационных входах триггера Т1 J=0, K=1, то в исходном состоянии на выходах . Эти же уровни сигналов последовательно передаются каждому триггеру после прихода тактовых импульсов, но не изменяют их состояния. Если же на входе первого триггера J=1, K=0, то после первого тактового импульса на его выходах установятся новые логические уровни, ; вторым тактовым импульсом переключится второй

триггер и т.д. (рис.13.6). Очевидно, что четвертый тактовый импульс сдвинет уровень логической 1 в четвертый триггер, и на выходах регистра появится кодовый набор 1111. В этом случае можно cчитать, что регистр работает в режиме преобразователя, с последовательным вводом и параллельным выводом информации объемом 4 бита.

Микросхема К155ИР1 (рис.13.7) является универсальным четырехразрядным регистром сдвига. Основу этой ИС составляют четыре триггера и одиннадцать логических элементов. Регистр имеет тактовый вход сдвига С1 и информационный вход V1 для записи последовательных сигналов, четыре информационных входа D1, D2, D3, D4 параллельной записи, тактовый вход С2 ввода этой информации, а также вход V2 выбора режима работы и выходы 1-2-4-8 всех четырех разрядов. Два основных режима работы “Сдвиг” и “Запись” выбираются по уровню сигнала на входе V2.

Если на вход V2 подается логический 0, то регистр работает в режиме сдвига информации от младшего разряда к старшему. Любой последовательный кодовый набор на входе V1 перемещается на выходы 1-2-4-8 отрицательными перепадами четырех тактовых импульсов по входу С1.

Если на вход V2 подается сигнал 1, то обеспечивается режим параллельной записи в регистр любого кодового набора со входов D1, D2, D3, D4 по срезу тактового импульса на входе С2.

Регистры памяти обычно выполняются на двухступенчатых D-триггерах и предназначаются для приема, хранения и передачи двоичной информации в виде параллельного кода. Входная информация одновременно подается на входы регистра и при поступлении синхронизирующего импульса записывается и хранится в разрядах регистра.

Микросхема К155ТМ5 (рис.13.8) представляет собой четырехразрядный регистр памяти. В одном корпусе этой ИС находится четыре независимых D-триггера, с информационными входами D4...D1 и прямыми выходами Q4...Q1. Управление работой ИС осуществляется по объединенным попарно входам синхронизации G1-G2 и G3-G4.

Использование двухступенчатых триггеров задержки обуславливает различные режимы работы данной схемы: запись в первую ступень и хранение информации производится непрерывно, однако передача сигнала во вторую ступень на выходы запрещается уровнем логического нуля на входах синхронизации. Если же на входы синхронизации поступают короткие стробирующие импульсы, то текущее значение входного сигнала передается во вторую ступень и сохраняется на выходах до прихода следующего импульса (режим ступенчатой передачи). При уровне логической 1 на входах синхронизации осуществляется сквозная передача информации по всем четырем каналам.

Контрольные вопросы

1. Какие типы счетчиков Вы знаете?

В лекции "14 Очередность обращения взыскания" также много полезной информации.

2. Поясните работу суммирующего и вычитающего счетчиков.

3. Что такое реверсивный счетчик?

4. Как строятся параллельные счетчики?

5. Приведите примеры использования двоичных и декадных счетчиков.

6. Объясните принцип действия регистра памяти.

7. Какие способы используются для увеличения числа разрядов счетчиков и регистров?