РЕГИСТРЫ

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ РЕГИСТРОВ И СЧЕТЧИКОВ

Цели работы:

1. Ознакомиться с назначением и принципом действия регистров.

2. Собрать и исследовать работу параллельного последовательного (сдвигового) и универсального регистров на ИМС KI55TM5 и К155ИР1.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

РЕГИСТРЫ

Регистр - это узел цифровой ЭВМ, предназначенный для приёма, хранения, выдачи и преобразования информации. В устройстве упра­вления ЭВМ регистр принимает из запоминающего устройства и хранит код команды, которая будет выполняться в течение очередного такта ра­боты машины. В АЛУ регистр передает в сумматор слагаемые, а также осуществляет сдвиг чисел на определенное число разрядов вправо или влево при осуществлении таких операций, как умножение, деление и др. Их также можно использовать для преобразовании параллельного кода числа в последовательный и наоборот. В автоматических устройствах регистры могут применяться как самостоятельные узлы в распределителях кольцевых счетчиках, переключающих устройствах и др.

В качестве элементов хранения в регистрах используются RS, JK и D триггеры. Их число соответствует количеству разрядов кода числа. Кроме триггеров в состав регистров входят логические элементы. На практике применяются различные способы записи информации (чисел) в регистр и ее считывания из регистра. В соответствии с этим регистры делятся на параллельные, последовательные (сдвиговые) и параллельно-последовательные. В параллельном регистре все разряды числа вводятся и выводятся одновременно, причем каждый разряд по своей шине, т.е. в параллельной форме. В последовательном регистре разряды числа вводятся и выводятся последовательно, разряд за разрядом, по одной входной и выходной шине. В параллельно-последовательном регистре ввод числа может быть произведен в парал­лельной форме, а вывод в последовательной или наоборот.

Практическая реализация всех этих методов записи и считывания информации обеспечивается различными способами соединения между собою триггеров, входящих в состав регистра.

Так, в одной из возможных схем параллельного регистра (регистра хранения), представленной на рис. 1, основной частью ("хранилищем" информации) является n синхронных RSC-тригге­ров, связанных между собой только по синхровходам "С".

Такая связь обеспечивает одновременную (синхронную) работу всех триг­геров по разрешающему сигналу на шине "С". Следует отметить, что объединение синхровходов характерно для схем регистров всех типов. Существенно, что входы и выходы триггеров друг с другом не связаны. Это обеспечивает независимое от состояния других триг­геров регистра функционирование каждого триггера, что необходи­мо для параллельного ввода и вывода информации. Разрядность ре­гистра определяется количеством триггеров, входящих в его состав. Обнуление, прием и выдача информации производится не в любой момент времени, а только по команде. Для выполнения этого требо­вания в схеме рис. 1 предусмотрены специальные шины ("Уст. 0", "Прием", "Выдача информации"), с которыми через конъюнкторы сое­диняются соответствующие входы и выходы триггеров регистра. Для установления регистра в нулевое состояние нужно одновременно по­дать сигнал "1" на шину "Уст. 0" и на шину "С". Запись информации, поступившей на входы X, производится при подаче сигнала "1" на ши­ны "Прием" и "С". Выдача информации в прямом и обратном коде происходит при подаче единичного сигнала на соответствующую шину.

В последовательном (сдвиговом) регистре информация записывается в последовательном коде, а выдаваться может как в по­следовательном, так и в параллельном. Следовательно, такой регистр является преобразователем последовательного кода в парал­лельный. Кроме того, в последовательном регистре можно осущест­вить сдвиг двоичных чисел в сторону старшего (влево) и младшего (вправо) разрядов, на один или несколько разрядов одновременно.

Для построения последовательного регистра нужно его триггеры (каждый из которых соответствует разряду числа) соединить по­следовательно и обеспечить передачу информации из каждого разряда в последующий с одновременным приемом новой информации из преды­дущего. При этом следует учесть, что прием и передача информации триггером не могут происходить одновременно, поэтому их необходи­мо разделить во времени в каждом разряде регистра. Это можно осу­ществить за счет применения двухступенчатых синхронных JК- и RS-триггеров или синхронных D-триггеров с динамическим управ­лением записью (рис. 2). Если в регистр записывают двоичное число, начиная с млад­шего разряда, то левый триггер регистра будет хранить старший раз­ряд числа, а правый - младший. Можно записывать двоичное число в регистр, начиная со старшего разряда, но в этом случае входной триггер будет представлять младший разряд, а последний (правый) - старший. В дальнейшем будем записывать (если это не оговорено осо­бо) число в регистр, начиная с младшего разряда. По фронту такто­вого импульса во входную (первую) ступень каждого триггера будет записываться информация из выходной (второй) ступени предыдущего триггера, а по его срезу она будет переписываться в выходную сту­пень. С приходом фронта следующего тактового импульса во входной ступени триггера информация может быть заменена новой (из преды­дущего триггера), при этом предыдущая информация сохраняется во второй ступени; она заменится новой по срезу тактового импульса. В триггерах с динамическим управлением записью прием инфор­мации происходит за время фронта или среза тактового импульса, а смена выходной информации (изменение состояния выходa триггера) происходит с некоторой задержкой во времени, (которое может превышать время фронта или среза синхроимпульса), вызванной переход­ными процессами при переключении самого триггера.

На рис. 2 представлен один из вариантов последовательного 4-х разрядного регистра на D-триггерах с динамическим управлением (по фронту). Перед записью двоичного числа регистр обнуляют, по­дав сигнал "0" на шину "Уст. 0". Четырехразрядное двоичное число подается на вход регистра, начиная с младшего разряда этого числа, и за время фронта тактового импульса сигнал X (0 или 1) со входа D регистра воспримется триггером Т₁ и придет на его выход Q ₁ с некоторой задержкой, большей времени фронта синхроимпульса (задержка вызвана переходными процессами в триггере). Из-за этой за­держки сигнал X не воспринимается другими триггерами регистра, кроме T₁, т.к. X появится на выходе Q ₁ уже после окончания действия фронта синхроимпульса на объединенные входы С всех триг­геров, в течение которого они только и способны воспринимать ин­формацию со своих D-входов. А т.к. D-вход каждого последующего триггера регистра соединен с Q-выходом предыдущего, то приход синхроимпульса приведет к переключению выхода каждого последующего триггера в то состояние, которое было на выходе предыдуще­го до прихода тактового импульса. Иначе говоря, приход синхроим­пульса вызовет следующие переключения:

Каждый тактовый импульс сдвигает код числа в регистре на один раз­ряд вправо. Для записи N-разрядного числа требуется N тактовых импульсов. Для выдачи в последовательном коде записанного чис­ла нужно на вход регистра подать x = 0, а на вход "С" - N так­товых импульсов, при этом число считывается с выхода Q₄ триггера младшего разряда. Одновременно происходит стирание информации из регистра (обнуление). Считывание информации в параллельном ко­де производится с выходов .

Внеся некоторые изменения в схему рис. 2, можно получить регистр, сдвигающий влево. Регистры, в которых сдвиг информации может быть осуществ­лен как вправо, так и влево, называются реверсивными.

Параллельно-последовательные регистры используются для преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот. Для приема числа в параллельной форме он должен иметь триггеры с нетактируемыми входами S и R (см. рис. 1), с помощью которых можно получить параллельный регистр. Информация в последовательном коде снимается с выхода триггера младшего разряда при подаче на вход "С" тактовых импульсов. При преобразовании последовательного кода в параллельный число вво­дится в регистр последовательно разряд за разрядом, а снимается одновременно с выходов всех триггеров.

В качестве примера рассмотрим ИМС К155ИР1, представляющую собой универсальный регистр. Он состоят из 4-х динамических триг­геров (подобно тому, как показано на рис. 2) и логических элемен­тов. ИМС К155ИР1 может выполнять следующие операции: ввод инфор­мации параллельным и последовательным кодом, сдвиг информации вправо и влево, хранение. Условное изображение регистра KI55ИР1 показано на рис. 4. Регистр имеет два синхровхода: C₁ и С₂, для работы в режиме сдвига вправо и влево и в режиме параллельной записи (С₂), управляющий вход выбора режима V2, пять информацион­ных входов (V₁ для ввода информации в последовательном коде и четыре входа D₁ – D₄ для записи информации в параллель­ном коде), а также четыре выхода с каждого разряда ре­гистра. Триггеры, образующие регистр, двухступенчатые, срабаты­вающие по перепаду из 1 в 0 (по срезу) входных импульсов, посту­пающих на один из тактовых входов C₁ или С₂. Рабочий режим регист­ра определяется уровнем сигнала на входе V₂.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задание 1. Познакомиться с работой четырехразрядного параллельного регистра.

1. Собрать параллельный четырехразрядный регистр на D-триггерах с потенциальным управлением (рис. 2), используя для это­го ИМС KI55TM5 (рис. 5). К информационным входам D₁-D₄, к синхровходу "С" и к выходам регистра Q₁, Q₂, Q₃ и Q₄, подключить светодиоды, определяющие состояние выходов. Если светодиод светится, то на выходе "I", в противном случае - "О".

2. Обнулить регистр, подав на входы D₁=D₂=D₃=D₄=0, а на синхронный вход "С"=1.

3. Исследовать работу регистра в статическом режиме, подавая на его входы в параллельном коде четырехзначные двоичные чис­ла. Убедиться, что запись числа происходит только при "С"=1. Результат представить в виде таблицы 1.

Таблица 1.

№ п/п	D1	D2	D3	D4	Q1	Q2	Q3	Q4

Задание 2. Познакомиться с работой 4-х разрядного последовательного регистра.

1. Собрать последовательный четырехразрядный регистр на D-триггерах с динамическим управлением, используя для этого ИМС KI55TМ2 (рис. 4). Графическое изображение ИМС К155ТМ2 дано на рис. 6. К выходам и входам регистра подключить светодиоды БИ. Вход ре­гистра "С" подключить к выходу генератора ГТИ, используя его в режиме одиночных импульсов.

2. Исследовать работу регистра в статическом режиме;

а) обнулить регистр, подав сигнал "0" на шину "Уст.0":

б) записать в регистр двоичное число 1010, подавая его на вход регистра разряд за разрядом, начиная с младшего разряда. Про­цесс записи контролировать, определяя состояние выходов ре­гистра после каждого тактового импульса. Здесь вы наблюдаете последовательную запись числа, т.к. с каждым тактовым импульсом записываемое число смещается вправо на один разряд и за четыре тактовых импульса будет полностью записано в регистр. Считать число можно сразу со всех выходов регистра Q₁, Q₂, Q₃ и Q₄, т.е. в параллельном коде. Следовательно, такой регистр является пре­образователем последовательного кода в параллельный.

Считайте число в последовательном коде с младшего разряда регистра, подав на его вход 0. Данные опытов занести в таблицу 2.

в) проверить работу регистра в режиме сдвига направо. Записать в регистр число 1100, затем подать на вход регистра и послать два тактовых импульса, после каждого из которых счи­тать число, записанное в регистре. Сделать выводы.

3. Осуществить работу последовательного регистра в динами­ческом режиме. Для этого с генератора импульсов БВ подать на вход регистра сигнал с выхода 3, на синхронизирующий вход ре­гистра сигнал с выхода I, а вход "синхр" коммутатора подклю­чить к выходу 6. Входы "С" и "X" и выходы Q₁, Q₂, Q₃ и Q₄ регистра соединить со входами коммутатора БВ 1,2,3,4,5,6 соот­ветственно. Зарисовать осциллограмму и сделать соответствующие выводы.

Таблица 2.

Число 1010
Режим работы	№ такт. имп	Вход X	Выходы
Q1	Q2	Q3	Q4
Запись
Считывание в последователь-ном коде

 

Задание 3.. Познакомиться с работой универсального регистра ИМС К155ИР1 (рис. 7).

1. Записать в регистр число 1010 в параллельном коде. Для этого подать на вход V2 единицу, записываемое число на входы D₁ - D₄и один тактовый импульс на вход С₂. Контроль чисел, вводимых и записанных в регистр, производить светодиодами БИ.

2. Считать информацию в последовательном кодe с выхода 1, подавая на вход D₄ = 0, а на C₂ три тактовых импульса. Записать полученный результат.

3. Записать в регистр число 1100 в последовательном коде, подавая его разряд за разрядов на вход V1, тактовые импуль­сы - на вход C₁, на вход V₂ = 0. Осуществить сдвиг вправо на два разряда, подавая на вход C₁ два тактовых импульса, при этом V₁=V₂=0. Записать полученный результат.

4. Осуществить сдвиг информации влево. При этом поток инфор­мации имеет обратное направление: от четвертого триггера к третье­му, от третьего - ко второму и т.д., для чего необходимо произвести внешние соединения выходов Q₄, Q_3, Q₂со входами D₃, D₂, D₁ соответственно. Для сдвига влево необходимо:

а) соединить выводы ИМС К155ИР1 следующим образом:

2 с 12, 3 с 11, 4 с 10;

б) на вход V₂ подать единицу (V₂=1);

в) записываемое число (0011) вводить разряд за разрядом через вход D₄, подавая тактовые импульсы на вход C₂;

г) для сдвига на 2 разряда влево подать на D₄=0, а на вход С₂два тактовых импульса. Записать полученный результат.

Контрольные вопросы:

1. Какие функции может выполнять регистр?

2. Поясните работу функциональной схемы параллельного регистра.

3. Объясните принцип построения и работу последовательного ре­гистра.

4. Какие изменения нужно произвести в схеме последовательного ре­гистра (рис. 2) для сдвига записанного числа влево?

5. Какие изменения в схеме (рис. 2) нужно произвести, чтобы регистр преобразовать в кольцевой, в котором информация при считывании сохраняется?

6. Объясните назначение входов и выходов регистра К155ИР1. Как произвести запись информации в параллельном коде, последова­тельном коде? Как сдвинуть занесенное число вправо, влево?

7. Чем отличаются регистры, изображенные на рис. 1 и 2?

Литература

1. Мальцева Л.А., Фромберг Э.М., Ямпольский В.С. Основы цифровой техники. - М.: Радио и связь, 1986. - С. 38-40.

2. Грицевский П.М., Мамченко А.Е., Степенский Б.М. Основы автоматики, импульсной и вычислительной техники. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 138-142.

3. Мальцева Л.А. и др. Основы цифровой техники. - М.: Радио и связь, 1986. - С. 40-47.

4. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа, 1985. - С. 266-271, 274-280.

5. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь, I988. - С. 89-93.

6. Схемотехника ЭВМ. Под редакцией Соловьева Г.Н. - М.: Высшая школа, 1985. - С. 105-110.