Регистры

 

 

Лабораторное занятие № 11:

 

Исследование регистра

 

Цели:

Изучить теоретические сведения о регистрах.

Изучить работу программы EWB.

Исследовать регистры.

 

Вопросы занятия:

Теоретические сведения о регистрах.

Исследование регистров.

Оформление отчетов, защита лабораторной работы.

 

Основное назначение регистров – хранение и преобразование многоразря дных двоичных чисел. Регистры наряду со счетчиками и запоминающими устройст вами являются наиболее распространенными устройствами цифровой техники. При сравнительной простоте регистры обладают большими функциональными воз можностями. Они используются в качестве управляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей частоты, узлов временной задержки.

 

1. Теоретические сведения о регистрах.

 

Регистры (лат. registrum – список, указатель) – в циф­ровой электронике и технике узлы и устройства, осуществляющие ряд операций с информацией, представленной в виде многоразрядного двоичного кода.

 

Регистр – это последовательностное логическое устройство, используемое для хранения n – разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами:

 

1) прием слова в регистр;

 

2) передача слова из регистра;

 

3) поразрядные логические операции;

 

4) сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов;

 

5) преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;

 

6) установка регистра в начальное состояние (сброс).

 

Регистры выполняются на синхронных триггерах D- или JK-типа с динамическим или статическим управлением. Одиночный триггер может запоминать (регистрировать) один разряд (бит) двоичной информации. Такой триг гер можно считать одноразрядным регистром. Занесение информации в регистр на зывают операцией ввода или записи. Выдача информации внешним устройствам характеризует операцию вывода или считывания. Запись информации в регистр не требует его предварительного обнуления.

Понятие «весовой коэффициент» к разрядам регистра в отличие от счетчика не применимо, поскольку весовая зависимость между отдельными разрядами целиком определяется записанной в регистр информацией. По этой причине на условных изображениях регистров нумерация информационных входов и выходов наносится подряд.

Все регистры в зависимости от функциональных свойств подразделяются на две категории – накопительные (регистры памяти, хранения) и сдвигающие. В свою очередь сдвигающие регистры делятся по способу ввода и вывода информации на параллельные, последовательные и комбинированные (параллельно-последовательные и последовательно-параллельные), по направлению передачи (сдвига) информации – на однонаправленные и реверсивные.

Наиболее простыми регистрами являются регистры памяти. Их назначение – хранение двоичной информации небольшого объема в течение короткого промежут ка времени. Эти регистры представляют собой набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд двоичного числа. Ввод (запись) и вывод (считывание) информации производится параллельным кодом. Ввод обеспечивается тактовым импульсом, с приходом очередного тактового импульса записанная информация обновляется. Считывание производится в прямом или в обратном коде (в последнем случае – с инверсных выходов).

Регистры хранения представляют собой наборы триггеров с независимыми информационными входами и обычно общим тактовым входом. В таком качестве исполь зуются синхронные триггеры, составленные из микросхем, содержащих в одном корпусе несколько самостоятельных триггеров, например К155ТМ8 (74175), К155ТМ9 (74179) и другие, которые можно рассматривать как 4...6-разрядные регистры памяти. Наращивание разрядности регистров памяти достигается добавлением нужного числа триггеров, тактовые входы которых подсоединяют к шине синхронизации.

2. Исследование регистров.

2.1. Назначение регистров и порядок их включения

Регистр К155ИР15 (74173 в каталоге EWB) является библиотечным компонентом EWB и может служить примером устройства хранения с тремя выходными состояниями (схема включения рис. 1). Как видно из рис. 1, К155ИР15 – четырехразрядный регистр. Он имеет выходы 1Q...4Q с третьим Z-состоянием (при сигнале 1 на выводах G2', G1'), а его входы 1D...4D снабжены логическими элементами разрешения записи путем подачи логического 0 на входы М, N. Используется регистр как четырехразрядный источник кода, способный обслуживать непосредственно шину данных цифровой системы.

 

Рис.1

 

Загрузка информации в регистр производится синхронно с положительным перепадом тактового импульса, если на входах М, N присутствуют напряжения низ кого уровня. Если на одном из этих входов напряжение высокого уровня, после привода положительного тактового перепада в регистре должны остаться прежние данные. Вход сброса CLR имеет высокий активный уровень. Если на входы G2, G1 подано напряжение активного низкого уровня, данные, содержащиеся в регистре, о тображаются на выходах 1Q…4Q, присутствие хотя бы одного напряжения высокого уровня на входах разрешения G2 и G1 вызывает Z-состояние (размыкание) для выходных линий. При этом данные из регистра в шину данных систем не проходят, исходы регистра не влияют на работу других аналогичных выходов, присоединенных к проводникам шины. На работу входов сброса CLR и тактового С смена уровней на входах разрешения влияния не оказывает.

 

Регистр К155ИР15 потребляет ток 72 мА и имеет тактовую частоту до 25 МГц; вариант 74 LS 173 потребляет ток 30 мА при тактовой частоте 30 МГц. Режимы работы генератора в схеме регистра и некоторые его кодовые комбинации показаны на рис. 3.

Вторым распространенным классом регистров являются регистры сдвига, которые отличаются большим разнообразием как в функциональном отношении, так и в отношении схемных решений и характеристик. Регистры сдвига, кроме операции хранения, осуществляют преобразование последовательного двоичного кода в параллельный, а параллельного – в последовательный; они выполняют арифметические и логические операции, служат в качестве элементов временной задержки. Своим названием они обязаны характерной для этих устройств операции сдвига. С приходом каждого тактового импульса происходит перезапись (сдвиг) содержимо го триггера каждого разряда в соседний разряд без изменения порядка следования единиц и нулей. При сдвиге информации вправо после каждого тактового импульса бит из более старшего разряда сдвигается в младший, а при сдвиге влево – наоборот. Этот процесс иллюстрируется простейшим сдвиговым регистром на рис. 2, 4.

Рис. 3

 

На отечественных схемах символом регистра служат буквы RG. Для регистров сдвига указывается также направление сдвига: > – вправо; < – влево; <-> – реврсивный (двунаправленный). Работу регистра сдвига рассмотрим на примере библиотечного регистра 74195 (К155ИР12), схема включения которого показана на рис.5. ИМС 74195 – быстродействующий регистр для выполнения операций сдвига, счета, накопления и взаимного параллельно-последовательного преобразования цифровых слов. С помощью входа LD/SH загружаются параллельные данные и производится их сдвиг вправо. Если на этом входе присутствует напряжение высокого уровня, через входы первого триггера J и К в регистр вводятся последовательные данные. Вход J имеет высокий активный уровень, вход К – низкий; если эти входы соединить, полу чится простой D-вход. Данные сдвигаются в направлении от QA к QB, QC, а затем к QD после каждого положительного перепада на тактовом входе CLK.

 

 

Если на входе LD/SH присутствует напряжение низкого (активного) уровня, все четыре триггера регистра запускаются одним тактовым перепадом (от низкого уровня к высокому). Тогда данные от параллельных входов A...D передаются на со ответствующие выходы QA...QD. Сдвиг данных влево обеспечивается в схеме, где каждый выход Qn соединен внешней перемычкой со входом Dni, т. е. схема включения на рис. 5 соответствует только режиму приема и хранения данных.

 

Рис. 5.

 

Схема включения ИМС в режиме сдвига показана на рис. 6. Для режима сдвига напряжение на входе LD/SH надо зафиксировать на высоком уровне. Из-за того, что все операции в регистре К155 ИР12 строго синхронны и выполняются по фронтам импульсов, логические уровни на входах J, К, Dn, LD/SH можно произвольно менять до прихода тактового сигнала.

Рис. 6.

 

Напряжение низкого уровня на вход CLR, кроме операции обнуления, означает также запрет на действие тактового импульса CLК; для правильного сброса данных выбирается момент, когда на входе CLК присутствует напряжение низкого уровня.

 

2.2. Порядок исследования регистра, используемого в режиме приема четырехразрядного слова в регистр и выдачи четырехразрядного слова из регистра:

1. Соберите схему для исследований регистра К155ИР15 (74173 в каталоге EWB) используемого в режиме приема четыре хразрядного слова в регистр и выдачи четыре хразрядного слова из регистра, представленную на рис. 1.

2. Запишите информацию в него в виде пяти вариантов четырехразрядного слова, представленных в таблице 1, в соответствии с особенностями, изложенными в пункте 2.1.

3. Произведите считывание записанной информации из регистра в соответствии с особенностями, изложенными в пункте 2.1.

4. Заполните таблицу 1. Сравните записанную и считанную информацию. Сделайте выводы.

 

Таблица 1

 

 

5. Соберите схему для исследований регистра 74195 (К155ИР12) используемого в режиме приема четыре хразрядного слова в регистр и выдачи четыре хразрядного слова из регистра, представленную на рис. 5.

6. Запишите информацию в него в виде пяти вариантов четырехразрядного слова, представленных в таблице 1, в соответствии с особенностями, изложенными в пункте 2.1.

7. Произведите считывание записанной информации из регистра в соответствии с особенностями, изложенными в пункте 2.1.

8. Заполните таблицу 2. Сравните записанную и считанную информацию. Сделайте выводы.

Таблица 2