Введение Регистры – самые распространённые узлы цифровых устройств. Они оперируют с множеством связанных переменных, составляющих слово. Над словами выполняется ряд операций: приём, выдача, хранение, сдвиг в разрядной сетке, поразрядные логические операции. Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединённых друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств. Регистр-операционный узел ЭВМ, предназначенный для выполнения микроопераций записи, хранения, преобразования и считывания слова (или части слова) данных и простейших поразрядных логических операций. Регистры осуществляют кратковременное хранение информации в течение одного или нескольких циклов работы устройства. Регистр представляет набор триггеров, число которых равно или кратно разрядности регистра, и комбинационных схем. Триггер служит для хранения одного разряда двоичного слова, является одноразрядным регистром. Комбинационные схемы обеспечивают запись и считывание информации из регистра, преобразование и сдвиг слова, хранящегося в регистре, вправо или влево на требуемое число разрядов, преобразование последовательного кода слова в параллельный и наоборот. В регистрах можно выполнять поразрядные логические операции: логическое сложение, логическое умножение, сложение по модулю два, эквивалентность, инверсию. Записью (или вводом, или приемом) называется занесение нового слова данных в регистр. Данные - это числа, команды, управляющие коды и другие упорядоченные последовательности букв двоичного алфавита. Каждая буква представляется двоичным сигналом. Частным случаем записи является операция начальной установки регистра, например, всех разрядов в нуль или в единицу. Кратковременное хранение информации оказывается необходимым при выполнении арифметических и логических операций над словами данных, а также при согласовании скорости работы различных устройств ЭВМ. Считывание (или вывод) - выдача данных из регистра и передача в другие узлы и устройства. Основой построения регистров являются D-триггеры, RS-триггеры. На схемах регистры обозначаются буквами RG. В отечественных сериях микросхем регистрам соответствуют буквы ИР. Актуальность темы исследования обусловлена тем, что регистры очень распространены в вычислительной технике в качестве управляющих и запоминающих устройств, и являются неотъемлемой частью во многих устройствах. Объект исследования – исследование работы четырехразрядного многофункционального регистра. Предмет исследования – четырехразрядный многофункциональный регистр. Цель исследования – изучить работу четырехразрядного многофункционального регистра. Спроектировать схему с помощью пакета программ. Задачи исследования: 1. Изучить, что такое регистр. 2. Рассмотреть из чего состоят регистры и какие функции выполняют его составляющие. 3. Изучить принципы построения и функционирования регистров различных типов. 4. Исследовать работу многофункционального регистра. четырехразрядного 5. Собрать четырехразрядный регистр на плате с помощью программы на компьютере. Структура работы соответствует логике исследования и включат в себя введение, теоретическую часть, практическую часть, заключение, список использованных источников. ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 1.1 Общие сведения о регистрах Регистрами называются устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации. Информация в регистрах хранится в виде числа (слова), представленного комбинацией сигналов 0 и 1. Каждому разряду числа, записанному в регистр, соответствует свой разряд. Другими словами, регистр – это цепочка триггеров для запоминания одного двоичного числа (обычно от 4 до 16). Общее количество триггеров равно наибольшей разрядности хранимого числа. На регистрах могут осуществляться операции преобразования информации из одного вида в другой (последовательного кода в параллельный и другие), а также некоторые логические операции (например, поразрядное логическое сложение, умножение). Основными признаками классификации регистров являются способы ввода и вывода информации из регистра, а также представление вводимой и выводимой информации. Операции в регистрах. Типичными являются следующие операции: приём слова в регистр (установка состояния); передача слова из регистра; сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов в сдвиговых регистрах; преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно; установка регистра в начальное состояние (сброс). Классификация регистров. Регистры классифицируются по следующим видам: накопительные (регистры памяти, хранения); сдвигающие или сдвиговые. В свою очередь сдвигающие регистры делятся по способу ввода-вывода информации: параллельные: запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов; последовательные: запись и считывание информации происходит в первый триггер, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий — то же самое происходит и с остальными триггерами; комбинированные. Различаются по направлению передачи информации: однонаправленные; реверсивные. Типы регистров. Регистры различают по типу ввода (загрузки, приёма) и вывода (выгрузки, выдачи) информации: с последовательным вводом и выводом информации с параллельным вводом и выводом информации с параллельным вводом и последовательным выводом. Пример: SN74LS165J(N), SN74166J(N), SN74LS166J(N). с последовательным вводом и параллельным выводом. Пример: SN7416J(N), SN74LS164J(N), SN74LS322J(N), SN74LS673J(N). По используемой системе синхронизации различают однотактные и многотактные регистры. последовательностью несколькими. По Однотактные регистры синхронизирующих направлению передачи управляются сигналов, (сдвига) одной многотактные данных - регистры разделяются на однонаправленные и реверсивные. В однонаправленных регистрах сдвиг данных выполняется или влево, или вправо. Сдвиг данных от старших разрядов к младшим называется правым сдвигом, а от младших к старшим – левым сдвигом. 1.2 Общие сведенья о D тригерах D-триггер. D-триггером называется триггер с одним информационным входом, работающий так, что сигнал на выходе после переключения равен сигналу на входе D до переключения. Основное назначение D-триггеров - задержка сигнала, поданного на вход D. Он имеет информационный вход D (вход данных) и вход синхронизации С. Вход синхронизации С может быть статическим (потенциальным) и динамическим. У триггеров со статическим входом С информация записывается в течение времени, при котором уровень сигнала C=1. В триггерах с динамическим входом С информация записывается только в течение перепада напряжения на входе С. Динамический вход изображают на схемах треугольником. Если вершина треугольника обращена в сторону микросхемы (прямой динамический вход), то триггер срабатывает по фронту входного импульса, если от нее (инверсный динамический вход) - по срезу импульса. В таком триггере информация на выходе может быть задержана на один такт по отношению к входной информации. Динамический D триггер, запоминающий входную информацию по фронту, может быть построен из двух статических D триггеров. Сигнал синхронизации C будем подавать на статические D триггеры в противофазе. Схема триггера, запоминающего входную двоичную информацию по фронту, приведена на рисунке 1. Рисунок 1 - Схема динамического D триггера, работающего по фронту Рассмотрим работу схемы, приведенной на рисунке 1 подробнее. Для этого воспользуемся временными диаграммами, показанными на рисунке 2. На этих временных диаграммах обозначение Q' соответствует сигналу на выходе первого статического D триггера. Так как на вход синхронизации второго статического D триггера тактовый сигнал поступает через инвертор, то когда первый триггер находится в режиме хранения, второй пропускает сигнал на выход схемы. И наоборот, когда первый D триггер пропускает сигнал с входа схемы на свой выход, то второй находится в режиме хранения. Рисунок 2 - Временные диаграммы динамического D триггера Обратите внимание, что сигнал на выходе всей схемы D триггера в целом не зависит от сигнала на входе "D". Если первый D триггер пропускает сигнал данных со своего входа на выход, то второй статический D триггер в это время находится в режиме хранения и поддерживает на выходе предыдущее значение сигнала, то есть сигнал на выходе схемы тоже не может измениться. В результате проведённого анализа временных диаграмм мы определили, что сигнал в схеме, приведенной на рисунке 2 запоминается только в момент изменения сигнала на синхронизирующем входе "C" с единичного потенциала на нулевой. Это полезно не только с точки зрения формирования синхронизирующего сигнала. На динамических D триггерах, в отличие от статических, можно строить последовательные регистры и счетчики. В англоязычной литературе только такие схемы называют D триггерами. Условно-графическое обозначение динамического D триггера, запоминающего информацию по фронту тактового сигнала, приведено на рисунке 3. Рисунок 3 - Условно-графическое обозначение динамического D триггера 1.3 Общие сведенья о логических элементах «конъюнкция» «дезъюнкция» «инвертор». Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов. Логические операции, такие как конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и сложение по модулю (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) — являются основными операциями, выполняемыми на логических элементах основных типов. Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND. «И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход условно-графическое обозначение которого представлено на рисунке 4. Рисунок 4 - Условно-графическое обозначение логического элемента 2И Таблица истинности 1 для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль. Таблица 1 - Таблица истинности для элемента 2И Вход x1 Вход x2 Выход y 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение, OR. «ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ. Условно-графическое обозначение 2ИЛИ представлено на рисунке 5. Рисунок 5 - Условно-графическое обозначение логического элемента 2ИЛИ Таблица истинности 2 для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица. Таблица 2 - Таблица истинности для элемента 2ИЛИ Вход х1 0 1 0 1 Вход х2 0 1 1 0 Выход y 0 1 1 1 Логический элемент «НЕ» - отрицание, инвертор, NOT. «НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке 6 приведено условное обозначение логического элемента «НЕ». Рисунок 6 - Условно-графическое обозначение логического элемента НЕ Таблица 3 - Таблица истинности для элемента НЕ Вход х Выход у 1 0 0 1 ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РЕГИСТРОВ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ Регистр хранения. Наиболее простая функция регистров - это запоминание числа и его длительное хранение. Эти устройства так и называются – регистры хранения. Вот простейший пример представленный на рисунке 7. Рисунок 7 - Регистр хранения На входы D0 – D2 подаётся число, которое необходимо сохранить. Как только на входе С появляется импульс синхронизации, число записывается в триггер, изменяя их состояние. На рисунке 7 показан трёхразрядный регистр хранения. При подаче на входы числа 111 оно же появится на прямых выходах триггеров (Q0 - Q2). На инверсных выходах (Q0 - Q2) будет, естественно 000. Сигналом R (Reset) или сброс, триггеры устанавливаются в нулевое состояние. Регистр сдвига (последовательный). Регистр сдвига - каскад триггеров, где это выход тип цифровой одного триггера схемы, использующий соединен со входом следующего. Они совместно используют один тактовый сигнал, который заставляет данные, хранящиеся в системе, перемещаться из одного местоположения в другое. При подключении последнего триггера обратно к первому данные могут циклически перемещаться внутри переключателей в течение длительных периодов времени, и в таком виде они использовались как форма компьютерной памяти. В этой роли они очень похожи на более ранние системы памяти с линией задержки и широко использовались в конце 1960-х и начале 1970-х годов для замены этой формы памяти. В большинстве случаев несколько параллельных регистров сдвига используются для создания большего пула памяти, известного как "битовый массив". Данные сохранялись в массиве и считывались обратно параллельно, часто в виде компьютерного слова, в то время как каждый бит последовательно сохранялся в регистрах сдвига. В конструкции битовых массивов существует неотъемлемый компромисс; размещение большего количества триггеров подряд позволяет одному переключателю хранить больше битов, но требует больше тактов для передачи данных через все переключатели, прежде чем данные можно будет снова считывать. Простейший регистр имеет один вход и один выход – последовательный. Вход управления также единственный – тактовый. Если ко входу каждого триггера добавить разрешающую логику, можно получить дополнительные, так называемые параллельные входы одновременной загрузки байта в регистр. Здесь, как правило, используют дополнительные защёлки, где фиксируются данные, поступившие на входы после прихода тактового импульса. В такую схему добавляют вход разрешения записи. Можно предусмотреть также логическую схему, параллельного отображения на выходе состояния каждого триггера. Тогда после заполнения регистра от последовательного или параллельного входов по команде разрешения выхода накопленное цифровое слово можно отобразить поразрядно сразу на всех параллельных выходах. Рисунок 8 - Регистр сдвига, со сдвигом вправо Рисунок 9 - Регистр сдвига, со сдвигом влево Наиболее широко распространены регистры сдвига на D-триггерах (рисунок 8 и 9). Такие регистры имеют один информационный вход, вход для импульсов синхронизации (импульсов сдвига) и установочный вход R, изображенном на (рисунке 8). Выходы в регистре могут быть с каждого разряда для считывания информации в параллельном коде. Также имеется один выход с последнего (относительно входа) разряда для считывания информации последовательно во времени, т.е. последовательным кодом. Вход регистра для импульсов сдвига получается объединением С-входов всех триггеров, а установочный вход – R-входов. Перед записью информации регистр устанавливается в нулевое состояние подачей положительного импульса по шине «Уст. 0». Записываемая информация должна быть представлена последовательным кодом. На (рисунке 9) изображен регистр сдвига, со сдвигом влево. Заполнение данного регистра в отличие от регистра со сдвигом вправо (рисунок 8) происходит справа на лево, что позволяет записывать данные со старших разрядов. Запись осуществляется поразрядно со стороны старшего (рисунок 10) или младшего разряда (направление сдвига указывается стрелкой на условном обозначении регистра) путём продвижения кодовой комбинации с каждым тактовым импульсом от разряда к разряду. Следовательно, для записи Nразрядного слова необходимы N-импульсов сдвига. Рисунок 10 - Условное обозначение Преобразование последовательного кода в параллельный в последовательном (сдвиговом) регистре представлена на рисунке11 и производится следующим образом. Отдельные биты двоичной информации последовательно подаются на вход сдвигового регистра D0. Каждый бит сопровождается отдельным тактовым импульсом синхронизации, который поступает на вход синхронизации последовательного регистра C. После поступления первого тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе D0, запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра и поступает на его выход, а так как он соединён с входом второго триггера, то и на его вход. Если бы последовательный (сдвиговый) регистр был собран на D триггерах, работающих по потенциалу, то этот бит тут же записался во второй D триггер. В нашем случае этого не происходит, так как к этому моменту фронт на входе синхронизации C уже закончился. После поступления второго тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе второго триггера последовательного (сдвигового) регистра, запоминается в нем и поступает на его выход, а так как он соединён с входом третьего триггера, то и на его вход. Одновременно следующий бит входного последовательного кода запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра. После поступления четвертого тактового импульса в триггерах последовательного (сдвигового) регистра будут записаны логические уровни бит, которые последовательно присутствовали на его входе D0. Теперь этими битами можно воспользоваться, например, для отображения на индикаторах. Рисунок 11 - Временная диаграмма работы сдвигового регистра Считывание информации последовательным кодом осуществляется, как запись, поразрядным сдвигом записанной кодовой комбинации к выходу с каждым тактовым импульсом. Следовательно, для считывания N-разрядного слова необходимы N импульсов сдвига. Считывание информации параллельным кодом происходит в паузе между последним импульсом сдвига одного цикла записи и первым импульсом сдвига другого цикла записи, в интервале времени, когда на С-входах триггеров нулевой уровень, и они находятся в режиме хранения. Реверсивный регистр сдвига Существуют регистры, которые могут сдвигать данные в обоих направлениях. Такие регистры называются реверсивными. Принцип построения реверсивных регистров показан на схеме, изображенной на (рисунке 12). Рисунок 12 - Функциональная схема реверсивного регистра Направление сдвига задается сигналом, подаваемым на вход V. Если V=1, то открыты нижние по схеме вентили & элементов 2И-ИЛИ, на управляющие входы которых поступает сигнал «1», и происходит сдвиг вправо. Если V=0, то открыты верхние по схеме вентили & элементов 2ИИЛИ, т.к. сигнал управления поступает на них через инвертор; происходит сдвиг влево. Паралельные регистры (регистр памяти). Параллельный регистр используется для кратковременного хранения чисел, представленных в параллельном двоичном коде. Поэтому параллельные регистры называются еще регистрами памяти. В параллельных (статических) регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса/установки, разрешения выхода или приема, то есть цепи управления. Рассмотрим способы построения регистров памяти на триггерах D-типа, рисунок 13. Каждый триггер служит для хранения одного разряда числа, значит, для хранения n-разрядного двоичного числа необходимо иметь n Dтриггеров. Рисунок 13 - Схема паралельного регистра (регистр памяти) В параллельных регистрах запись информации производится в параллельном коде одновременно по всем разрядам. Параллельный регистр может быть выполнен, например, на Dтриггерах. Если вход записи динамический, запись информации производится по фронту тактового сигнала. Если вход записи статический, то при активном уровне на нем, происходит прямая передача информации с входов на выходы, а при смене сигнала на не активный уровень – фиксация данных, которые присутствовали на входе в момент смены уровня сигнала записи. На входах и выходах триггеров регистра могут стоять логические схемы для преобразования кодов в прямые или инверсные. В условно-графическом обозначении возле каждого входа D указывается степень двоичного разряда, который должен быть запомнен в этом разряде. Точно таким же образом обозначаются и выходы регистра. То, что микросхема является регистром, указывается в центральном поле условнографического обозначения символами RG. В приведённом ниже (рисунке 14) изображено условно-графическом обозначении параллельного регистра инверсные выходы триггеров не показаны. В промышленно выпускающихся микросхемах параллельных регистров инверсные выходы триггеров часто не выводятся наружу для экономии количества выводов корпуса. Рисунок 14 - Условно-графическое обозначение параллельного регистра Многофункциональный четырехразрядный регистр. В сериях ИС и библиотеках БИС/СБИС программируемой логики имеется много вариантов регистров. Среди них есть многорежимные (многофункциональные) или универсальные, способные выполнять набор микроопераций. Так, например, универсальный регистр может обеспечивать параллельный прием и выдачу данных, сдвиг параллельно записанного слова влево или вправо, поразрядный ввод слова, как это осуществляется в регистрах сдвига, и выдачу этого слова на выход в параллельном коде, сброс всей записанной информации. Многорежимность достигается композицией в одной и той же схеме частей, необходимых для выполнения различных операций. Управляющие сигналы, задающие вид выполняемой операции, активизируют необходимые для этого части схемы. Микросхема КМ155ИР1 представляет собой четырехразрядный сдвиговый регистр. Он имеет последовательный вход данных D0, четыре параллельных входа D1-D4, а также четыре выхода Q1-Q4 от каждого из триггеров. Регистр имеет два тактовых входа C1 и C2, которые можно увидеть на рисунке 15. От любого из пяти входов данных код поступит на выходы синхронно с отрицательным перепадом, поданным на выбранный тактовый вход. Рисунок 15 - Условно-графическое обозначение многофункционального регистра Вход разрешения параллельной загрузки V служит для выбора режима работы регистра К155ИР1 рисунок 16. Если на вход V дается напряжение высокого уровня, разрешается работа тактовому входу C2. В момент прихода на этот вход отрицательного перепада тактового импульса в регистр загружаются данные от параллельных входов D1-D4. Если на вход V подано напряжение низкого уровня, разрешается работа тактовому входу C1. Отрицательные фронты последовательности тактовых импульсов сдвигают данные от последовательного входа D0 на выход Q1, затем на Q2, Q3 и Q4 (вправо). Сдвиг данных по регистру влево получится, если соединить выход Q4 и вход D3, Q3 и D2, Q2 и D1. Регистр надо перевести в параллельный режим, подав на вход V напряжение высокого уровня. Напряжение на входе V регистра К155ИР1 (КМ155ИР1) можно менять только если на обоих тактовых входах уровни низкие. Однако если на входе C1 напряжение низкого уровня, перемена сигнала на входе V от низкого уровня к высокому не меняет состояния выходов. Рисунок 16 - Схема многофункционального четырехразрядного регистра Таблица 4 - Режимы работы регистра К155ИР1 Вход Выход Параллельные V C2 C1 D0 D1 D2 D3 D4 Q1 Q2 Q3 Q4 В В х х х х х х QAo QBo QCo QDo В ↓ х х a b c d a b c d В ↓ х х QBn QCn QDn d QBn QCn QDn d Н Н В х х х х х QAo QBo QCo QDo Н х ↓ В х х х х В QAn QBn QCn Н х ↓ Н х х х х Н QAn QBn QCn ↑ Н Н х х х х х QAo QBo QCo QDo ↓ Н Н х х х х х QAo QBo QCo QDo ↓ Н В х х х х х QAo QBo QCo QDo ↑ В Н х х х х х QAo QBo QCo QDo ↑ В В х х х х х QAo QBo QCo QDo Н - низкий уровень В - высокий уровень х - произвольное состояние ↓ - отрицательный перепад импульса(спад) ↑ - положительный перепад импульса(фронт) Предельно допустимые режимы эксплуатации: Напряжение питания 4,75 - 5,25 В. Входное напряжение низкого уровня < 0,4 В. Входное напряжение высокого уровня > 2,4 В. Входной ток низкого уровня < 16 мА. Выходной ток высокого уровня < -0,8 мА. Емкость нагрузки < 15 пФ. Длительность фронта и среза входного импульса < 150 нс.
