Изучение работы регистров и счётчиков (Лабораторная работа)
Цель работы: изучить назначение, структуру, принцип действия и функционирование
регистров и счетчиков.
Теоретическая
часть
Регистры
– это устройства для хранения и преобразования многоразрядных двоичных чисел.
Одиночный триггер может запоминать один разряд двоичной информации (бит).
Соединяя соответствующим образом набор триггеров (по количеству разрядов двоичного
числа), получаем регистр.
Основные операции, которые
выполняет регистр:
1. запись (ввод) информации в
регистр;
2. хранение информации;
3. возможное преобразование
информации (в сдвиговых регистрах);
4. чтение (вывод) информации.
Регистры делятся на две основные
группы:
1. регистры накопительные (памяти,
хранения);
2. регистры сдвига.
Регистры памяти – это простейший вид регистров. Их назначение - хранение в течение
короткого отрезка времени небольшого объёма информации. Такой регистр представляет
собой набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд
двоичного числа.
Ввод (запись) и вывод
(считывание) информации производится одновременно во всех разрядах параллельным
кодом. Ввод обеспечивается командным импульсом. С приходом очередного импульса
"запись" происходит обновление информации в регистре. Сигналы на
выходах триггеров представляют выходную информацию регистра. Считывание может
производиться в прямом и обратном (с инверсных выходов) кодах. В качестве
элементов регистра могут быть использованы многие типы синхронных триггеров
(обычно D).
На рис.1 представлена схема 4-х
разрядного регистра с параллельным вводом и выводом информации.
Рис. 1
При подаче синхросигнала С
(команда "WR") информация со входов Di передаётся на выходы Qi. После
снятия сигнала С регистр переходит в режим хранения принятой информации и
выдачи её на выходы.
Наращивание разрядности
регистров памяти достигается добавлением нужного числа триггеров.
Для отключения регистра от
выходных шин, схема может добавляться элементами с Z-состояниями (третье
состояние ЛЭ, когда он имеет высокое сопротивление и не влияет на логические
уровни выходной шины).
РЕГИСТРЫ СДВИГА. В этих регистрах триггеры разрядов связаны между собой, что позволяет
помимо операции хранения информации производить операции преобразования
информации, арифметические и логические операции. В названии отражается характерная
для этих устройств операция сдвига, которая состоит в том, что с приходом
каждого тактового импульса происходит перезапись содержимого триггера каждого
разряда в соседний разряд без изменения порядка следования нулей и единиц.
Перемещение всех цифр кода в направлении от старших разрядов к младшим
называется сдвигом вправо, а от младших к старшим - сдвигом влево. Сдвиг кода
влево на один разряд соответствует умножению по основанию двоичной системы
счисления Р=2, а сдвиг влево - делению. Это объясняется тем, что вес каждого
разряда в позиционной системе счисления определяется его местом в записи числа.
Регистры однонаправленного
сдвига (только влево или только вправо) получаются соответствующим соединением
выходов и входов триггеров регистра: в регистре, осуществляющем сдвиг вправо,
выход триггера старшего разряда соединяют со входом триггера млад шего разряда;
в регистре, осуществляющем сдвиг влево, наоборот, сигнал с выхода триггера
младшего разряда подаётся на вход триггера старшего разряда. Характер связей
триггеров обоих случаях поясняет рис.2 (а - сдвиг вправо, б - сдвиг влево).
Такое соединение триггеров
определяет одно из главных назначений сдвигающих регистров - преобразование
параллельного кода в последовательный. Для этого нужно записанный код сдвигать
до тех пор, пока он не будет полностью выдвинут из регистра. Выход крайнего
разряда служит в данном случае выходной шиной последовательного кода. Аналогично
может выполняться и обратное преобразование - код может быть введён в регистр последовательно
разряд за разрядом, а считан в параллельной форме, т.е. одновременно с выходов
всех разрядов.
Регистры, в которых сдвиг
информации может быть осуществлён как вправо, так и влево, называют
реверсивными. Для этого межразрядные связи, т.е. соединения отдельных
триггеров, выполняются с помощью мультиплексоров, подключающих ко входу
триггера выход триггера либо старшего, либо младшего разрядов. Схема отдельного
i-го разряда такого регистра приведена на рис.3.
D-вход i-го триггера связан с
выходами соседних разрядов Q(i+1) и Q(i-1) с помощью логического элемента
2И-ИЛИ, выполняющего роль мультиплексора. Помимо сигналов Q(i+1) и Q(i-1) на
его входы подаётся сигнал V, управляющий направлением сдвига. При V=1 на вход D
поступает сигнал
V *
Q(i-1) + V *
Q(i+1) = 1 *
Q(i-1)+0 *
Q(i+1) = Q(i-1) ,
т.е. регистр осуществляет сдвиг влево. При V=0 имеет
место сдвиг вправо.
Универсальные интегральные
счётчики-делители. Ниже рассматриваются четырёхразрядный реверсивный счётчик МС
К155ИЕ7 аналогичную структуру имеет счётчик МС К155ИЕ6. Различия между ними только
в модуле счёта: для К155ИЕ6 К=10, а для К155ИЕ7 К=16
МС К155ИЕ7 (см. рис. 4) имеет
счётные входы “+1” ”-1”. Последовательность входных импульсов подаётся на один
из этих входов в зависимости от того, в какаом направлении (прямом или
обратном) требуется вести счёт. Входы D1, D2, D4, D8 предназначены для ввода в
счётчик исходного числа, с которым суммируется счётные импульсы (в режиме сложения),
либо из которого оно вычитаюся (в режиме вычитания). Ввод данных осуществляется
подачей сигнала записи низкого уровня на вход С.
Вход R служит для установки нуля на
всех выводах счётчика. При нормальной работе он должен быть зазаемлён.
Выводы Q1, Q2, Q4, Q8 – прямые выходу разрядов
счётчика. Каждый разряд счётчика это JK-триггер с двухступенчатой
структурой (MS-структура).
На выходах >n<
формируются сигналы переполнения (переноса) низкого уровня при переходе
счётчика из состояния 1111 в 0000 в режиме суммирования и при переходе от состояния
0000 к 1111 в режиме вычитания.
Сигналы переполнения можно
использовать для циклической записи в счётчик информации со входов D1, D2, D4, D8. Для этого
нужно соеденить вход С с выходом >или<. При этом модуль счёта будет
определятся двоичным числом M на входах D1, D2, D4, D8. В частности, для суммирующего
счётчика он будет равен 15 – М.
План выполнения работы
Этот раздел работы выполняется
на стенде RG.1.
1. Зарисуйте цоколевки микросхем (МС)
на стенде RG.1.
2. Изучите соединения выводов МС
DD1-DD4 и нарисуйте принципиальную схему собранного на них четырехразрядного
реверсивного регистра. Чтобы не загромождать рисунок, не наносите на него
соединения входов S триггеров МС К155ТМ2 (цепи записи кода в регистр) и выходов
Q (чтения числа из регистра в параллельной форме).
3. Пользуясь схемой, определите
какие сигналы следует подавать на шины "à " и "ß " для получения: а) сдвига
вправо; б) сдвига влево.
4. Разберитесь, как осуществляется
предварительная запись кода в регистр (MC DD5) и считываются числа из регистра
(MC DD6). Нарисуйте схемы записи и считывания для одного из разрядов регистра.
5. Выясните, какие сигналы (лог. 1
или лог. 0) следует поддерживать на входах X2 или Х4, чтобы в старший или
младший разряды регистра записывалась лог. 1.
6. Введите в регистр какое-либо
4-разрядное число: а) со стороны старшего разряда; б) со стороны младшего
разряда. Сигнал синхронизации на шину С подавайте с выхода Х11 генератора
одиночных импульсов на DD8, формирующего единичный сигнал при нажатии кнопки
SB1. Последовательность ввода представьте в виде таблицы
|
Такт |
X2(X4) |
Q4 |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
7.
Познакомьтесь
с работой кольцевого регистра. Они образуются при соединении выхода и входа
регистра (см. рис. 1). Кольцевые регистры используются там, где нежелательна
потеря кода при его преобразовании из параллельной формы в последовательную.
Они также находят применение в устройствах цифровой задержки. Запишите в
регистр какой-либо код. Получите (см. рис. 1) кольцевой регистр, сдвигающий: а)
вправо; б) влево. Пронаблюдайте его работу, подавая тактовый сигнал на шину
синхронизации С. Результаты сведите в таблицу
|
Такт |
Q4 |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
б)
а)
Рис. 2. Соединение триггеров
регистра при сдвиге вправо а) и влево б).
Рис. 3. Схема одного разряда реверсивного
сдвигового регистра
