Регистры

 РЕГИСТРЫ

 Общие сведения

 Регистр предназначен для хранения многоразрядных двоичных чисел (слов). Поэтому его  основу составляют запоминающие эле-менты  – триггеры. В каждом из них хранится цифра разряда числа.

 Кроме хранения, регистр может осуществлять сдвиг принятого слова, преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот, преобразование кода из прямого в обратный (когда единицы  заменяются нулями, а нули – единицами) и наоборот, и не-которые арифметические и логические операции.

 В соответствии со способом ввода и вывода разрядов числа различают регистры параллельные, последовательные и комбиниро-ванные.

 В параллельном регистре (регистре памяти) ввод и вывод  слова осуществляется в параллельной форме – одновременно всех раз-рядов, в последовательном (сдвиговом) регистре разряды числа вводятся и выводятся  последовательно, в комбинированном  реги-стре ввод числа осуществляется в параллельной форме, а вывод  в последовательной или наоборот.

 Изучив  материал этого модуля, студент сможет разрабатывать схемы уст-ройств, правильно выбирая регистры в  соответствии с их назначением и  конкрет-ными требованиями.

 Параллельный  регистр 

Рис. 8.2,а  Рис. 8.2,б 

На рис.8.2,а  приведена функциональная схема  па-раллельного регистра (регистра памяти) на RS-триггерах при однофазном способе приема числа xn ….x2, x1.  

Так как  сигналы, поступающие только на входы S, не могут установить соответствующие  триггеры в состояния 0 (из-за чего число  будет записано с ошибкой), то перед  приемом числа все триггеры ре-гистра обнуляются. Для этого на линию  “0” подает-ся логическая 1. Подготовка к приему новой ин-формации составляет первый такт.

Во втором такте по сигналу 1 на линии “П” (“Прием”) двоичное число всеми  разрядами одновременно (параллельно) через конъюнкторы запи-сывается в разряды регистра. Выдача числа  в прямом коде осуществля-ется по сигналу  лог. 1 на линии Впр, а в обратном – по сигналу лог.1 на линии Вобр.

 Ввод  информации в рассматриваемом регистре может осуществлять-ся и парафазным способом, когда i-ый разряд числа на вход S поступает непосредственно, а  на R-вход – через инвертор. Этим исключается необходимость предварительной  установки триггеров в 0, так как  теперь его состояние целиком  определяется сигналами на S- и R-входах, т. е. цифрой в разряде кода. Такая  запись числа осуще-ствляется в  один такт и производится намного  быстрее, чем двухтактная.

 Параллельный  регистр может быть реализован и  на других типах триггеров, имеющих  информационные входы.

 Условное  изображение параллельного четырехразрядного  регистра приведено на рис.8.2,б, где Q1...Q4 – выходы разрядов реги-стра, D1...D4 – входы, с которых в регистр  одновременно записываются все разряды  заносимого слова при поступлении  импульса разрешения на С-вход  
 
 
 
 
 
 
 
 

 Последовательный  регистр  

В последовательных регистрах число вводится и выво-дится  последовательно разряд за разрядом. Разряды такого регистра соединены  последовательно. Каждый разряд вы-дает информацию в следующий и одновременно принимает новую информацию из предыдущего. Для этого каждый разряд должен иметь  два запоминающих элемента. В пер-вый  передается информация из предыдущего  разряда, од-новременно второй запоминающий элемент передает свою информацию в  последующий разряд; затем информация, принятая первым запоминающим элементом, передается во второй, а первый освобождается для приема новой информации.

 Двухступенчатый триггер (например, JK-триггер, D-триггер) представляет совокупность двух запоминающих элементов, поэтому он один может  составлять разряд последовательного  регистра.

 Если  в цепи таких триггеров выходы одного триггера соединить с входами  другого, то по фронту тактового импульса во входную ступень каждого триггера будет заноситься информация из выходной ступени предыдущего триггера, а по спаду импульса она 
 
 
 
 
 
 
 

будет переписываться в выходную ступень. Теперь (по фронту следующего тактового импульса) во входной ступени триггера ин-формация может быть заменена новой (из предыдущего триггера) без опасения, что предыдущая будет потеряна.

 Функциональная  схема последовательного регистра приведена на рис.8.3, где, к примеру, левый триггер предназначен для  хране-ния старшего разряда числа, а правый – для хранения младшего разряда. Разряды двоичного числа (высокие и низкие потенциалы), начиная  с его младшего разряда, последовательно  поступают на входы старшего разряда  регистра. Поступление разрядов числа  че-редуется с поступлением импульсов  сдвига, которыми вводимые разряды  продвигаются вдоль регистра, пока младший разряд n-разрядного числа  не окажется в младшем разряде  регистра.

 Для выдачи записанного числа в последовательной форме надо на входы старшего разряда  регистра подать хi=0, xi=1, а на ли-нию импульсов сдвига – n импульсов. Первый импульс выдвинет из младшего разряда регистра младший разряд числа, на его ме-сто передвинется второй разряд числа и т. д. – все число сдвинется вдоль регистра на один разряд. Одновременно с входов в стар-ший разряд регистра будет записан 0. Второй импульс сдвига выдвинет из регистра второй разряд числа и продвинет 0 из старшего разряда регистра в соседний, более младший и т.д. После n импульсов сдвига число будет полностью выведено из регистра, в раз-ряды которого окажутся записанными нули. В соответствии с механизмом перемещения разрядов числа вдоль регистра последова-тельный регистр называют сдвигающим (сдвиговым). Он может быть однонаправленным (для сдвига числа в сторону младшего разряда – правый сдвиг, в сторону старшего разряда – левый сдвиг), а также реверсивным, обеспечивающим сдвиг в обе стороны.

 Схема реверсивного сдвигового регистра изображена на рис.8.4. При V=1 верхний ряд конъюнкторов заблокирован и в регистр сдвиговыми импульсами могут вдвигаться разряды  слова слева направо с входа D1. При V=0 блокируется нижний ряд  конъюнкто-ров и слово может  вдвигаться в регистр с входа D2 справа налево.

 Параллельно-последовательный регистр 

 Параллельно-последовательные регистры используются, в частности, для преобразования параллельной формы  кода в последова-тельную и наоборот. Для решения первой задачи регистр, выполненный по схеме рис. 8.3, должен иметь триггеры с нетакти-руемыми входами S и R для записи слова в параллельном коде. С подачей импульсов сдвига этот код разряд за разрядом будет по-являться на выходе триггера младшего разряда. При решении второй задачи число вводится в регистр последовательно разряд за разрядом, а снимается одновременно с выходов всех триггеров.

 Если  выходы последнего триггера (см. рис. 8.3) соединить с входами первого, то получится кольцевой регистр  сдвига. Записан-ная в его разряды  информация под воздействием сдвигающих импульсов будет циркулировать  по замкнутому кольцу. Кольцевой регистр  иначе называют кольцевым счетчиком. Его коэффициент пересчета равен  числу разрядов n: единица, записанная в один из разрядов, периодически появляется в нем после того, как пройдут n сдвигающих импульсов.

 Приведем  еще одно применение регистра. Пусть  в регистр (см., например, рис. 8.3) записано число так, что его крайние  разряды свободны от разрядов числа. При этом сдвиг числа влево (в  сторону старших разрядов) увеличивает  число вдвое, а сдвиг вправо уменьшает  число в два раза. Это легко  проследить на примере. Число 00111002 = 2810. При сдвиге влево оно будет  равно 01110002=5610, а при сдвиге вправо составит 00011102 =1410.

 Промышленность  выпускает многие типы регистров  в интегральном исполнении.

 На  рис. 8.4 приведено условное изображение 4-х разрядного параллельно-последовательного  регистра со сдвигом вправо. Выбор  режима (последовательный или параллельный ввод числа) определяется сигналом на входе V2: при логическом 0 регистр  работает как сдвигающий, а при  логической 1 - как параллельный. Через  вход VI в первый разряд регистра последовательно  вводятся разряды двоичного числа. Синхроимпульсы, пос-тупающие на вход С1, обеспечивают их сдвиг. По входам D1...D4 в регистр может быть занесено двоичное число в параллельной форме  всеми разрядами одновременно. Его  запись происходит с поступлением синхро-импульса на вход С2.

 В условных обозначениях регистров со сдвигом  влево стрелка обращена в сторону, противоположную изображенной на рис. 8.4, а в реверсив-ных сдвигающих регистрах она показы-вается двунаправленной.

 На  рис. 8.5 показано наращивание раз-рядов  последовательно-параллельного регистра (с последовательным вводом и параллельным выводом числа). По каж-дому импульсу на входе С разряды вво-димого слова с входа D вдвигаются в ре-гистр. С выхода последнего разряда (Q4) предыдущего  регистра разряд слова по-ступает  на вход D последующего регист-ра, составляющих как бы непрерывную цепочку последовательно  включенных триггеров.

 Заключение  по теме модуля "Регистры"

 По  способу занесения числа регистры разделяются на параллельные (регистры памяти), последовательные (сдвиговые  регистры) и параллельно- последовательные (комбинированные).

 Кроме хранения числа, последовательные и  параллельно-последовательные регистры могут осуществлять сдвиг чисел, что соот-ветствует их умножению  или делению.

 На  параллельно-последовательных регистрах  осуществляют преобразование параллельного  кода в последовательный и наоборот.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Литература 

 1. Калабеков  Б.А. Цифровые устройства и  микропроцессорные системы –  М.: Телеком, 2000г., c. 126…130

 2. Зельдин  Е.А. Цифровые интегральные микросхемы  в информационно-измерительной аппаратуре  – Л.: Энергоиздат , 1986 г., c. 236…258.

 3. Фролкин  В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и  цифровые устройства – М.: Радио  и связь, 1992 г., c.229…248.