Регистры сдвига

Общиесведения и классификация

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Занятие 6. Регистры

Учебные, методические и воспитательные цели:

1.Изучить принципы построения последовательных и параллельных регистров.

2. Показать методику увязки изучаемых вопросов с применением в технике связи.

3. Воспитывать уважение к изучаемой дисциплине.

Время: 2 часа.

План лекции:

Материальное обеспечение:

1. Компьютерный комплекс и демонстрационная программа "Регистры".

2. Компьютерный комплекс.

Литература:

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. – М.Горячая линия – Телеком, 2000г., с.126-131.

На данной лекции мы приступаем к изучению цифровых устройств, в составе которых вместе с логическими элементами применяются триггеры. Такие устройства называют последовательностными. Среди последовательностных устройств особое место занимают регистры. На регистрах строятся запоминающие устройства сверхвысокого быстродействия и различные преобразующие устройства. Без регистров невозможна работа спецаппаратуры, микропроцессорной и вычислительной техники. В настоящее время регистры изготовляются в виде ИМС широкого применения и после номера серии имеют буквенное обозначение ИР. Число разработок регистров более 30.

Регистром называют цифровое устройство, предназначенное для записи и кратковременного хранения двоичных кодовых комбинаций. Кроме хранения информации, большинство регистров позволят осуществлять её преобразование из параллельной формы представления в последовательную и наоборот, сдвиг на заданное число разрядов и инвертирование кода.

Важнейшими характеристиками регистров являются разрядность и

быстродействие. Разрядность определяет число разрядов двоичной кодовой комбинации, которая может быть записана в регистр. Быстродействие характеризует максимальную частоту, с которой может производиться запись и чтение информации.

В соответствии с назначением различают регистры хранения и регистры сдвига. Рассмотрим принципы построения и работу таких регистров.

2.Регистры хранения

Регистры хранения служат для записи, хранения и считывания информации. Для хранения информации могут использоваться RS- или D-триггеры, причем число триггеров должно быть равно числу разрядов кодовой комбинации. В качестве примера рассмотрим устройство и принцип действия трехразрядного регистра на двухступенчатых D-триггерах. Схема такого регистра приведена на рис.1

Рис.1

Регистр имеет пять входов и три выхода. Входы А₂, А₁, А₀ - информационные на них подается кодовая комбинация для записи. Входы С₁, С₂ - управляющие.

При анализе работы схемы можно выделить следующие три режима: записи, хранения и считывания.

а) Режим записи.

Пусть все триггеры находятся в состоянии 0, а на входы А₂, А₁, А₀ поступает кодовая комбинация 101. Эта комбинация подается на D-входы триггеров, но все они продолжают оставаться в состоянии 0.

Для осуществления записи на вход С₁ подается сигнал 1 и после её окончания триггеры Т₂ и Т₀ перейдут в состояние 1, а Т₁ так и останется в состоянии 0. Таким образом, режим записи заключается в изменении состояний триггеров регистра в соответствии с поданной на входы кодовой комбинацией под воздействием тактового импульса на общем синхровходе.

б) Режим хранения

Поскольку изменение состояний триггеров возможно только при подаче импульса на вход С₁, то необходимым и достаточным условием хранения информации в регистре является условие С₁ = 0. Тогда любые изменения сигналов на информационных входах не вызовут изменения состояний триггеров.

в) Режим считывания.

При необходимости воспроизвести записанную информацию на выходах Q₂, Q₁, Q₀ следует подать сигнал 1 на вход С₂. Поскольку состояния триггеров 101 то подача 1 на вторые входы схем логического умножения приведет к появлению сигналов 1 на выходах Q₂ и Q₀. После окончания импульса считывания на выходах устанавливается нулевая комбинация. При установке ещё трех схем логического умножения и соединении одного из входов с инверсными выходами триггеров, а второго с управляющим входом С₃, можно осуществить считывание записанной кодовой комбинации в инверсном коде.

В заключении следует обратить внимание на тот момент, что в ходе считывания информация, записанная в регистре, не разрушается. Таким образом, имеется возможность многократного считывания хранимой информации.

Отличительной особенностью сдвигового регистра является возможность записи и считывания в последовательном коде. Такие регистры представляют собой совокупность последовательно соединенных триггеров, как правило, двухступенчатых. Число триггеров, определяется разрядностью записываемой кодовой комбинации.

По направлению сдвига информации различают регистры со сдвигом

вправо (т.е. в сторону младшего разряда), со сдвигом влево (в сторону старшего разряда) и реверсивные, допускающие сдвиг в обе стороны.

Наиболее простой схема регистра получается при использовании D-триггеров. В качестве примера рассмотрим трехразрядный регистр со сдвигом вправо, схема и условное графическое обозначение которого приведены на рис.2. Схема содержит три D-триггера с установочным R-входом.

Рис.2

Входом регистра является информационный вход триггера старшего разряда. Прямой выход триггера старшего разряда соединяется с информационным входом триггера следующего разряда. Синхровходы всех триггеров объединены и образуют синхровход регистра. Установочные входы всех триггеров также объединены и образуют установочный вход регистра. В качестве выхода регистра может быть использован любой прямой выход триггера и чаще всего прямой выход триггера младшего разряда. При таком соединении ввод кодовой комбинации должен начинаться с младшего разряда.

Логику работы регистра наглядно демонстрирует таблица истинности (табл.1), где показан ввод и вывод комбинации 101.

Таблица 1

Перед началом ввода подается импульс на вход R. При этом все триггеры переходят в состояние 0. Это исходное состояние регистра. Поскольку комбинация трехразрядная, то для её записи поразрядно потребуется три такта. В первом такте на информационный вход триггера прикладывается 1 младшего разряда и на синхровход подается первый тактовый импульс. По его окончании триггер Т₂ переходит в состояние 1. Эта 1 с прямого выхода Т₂ прикладывается к входу D триггера Т₁, а на вход регистра подается следующий разряд кодовой комбинации 0. Поэтому при подаче второго тактового импульса триггер Т₁ переходит в состояние 1, а Т₂ в состояние 0. Теперь 1 прикладывается к входу триггера Т₀, 0 - к входу Т₁, а на вход триггера Т₂ будет подаваться 1 старшего разряда. С приходом третьего тактового импульса триггер Т₂ перейдет в состояние 1, Т₁ - в состояние 0, а Т₀ - в 1.

Таким образом, действительно за три такта исходная кодовая комбинация последовательно вводится в регистр, передвигаясь слева направо, т.е. со сдвигом вправо. Если теперь на вход регистра подать 0 и продолжить подачу тактовых импульсов, то на выходе Q₀ последовательно появляется записанная кодовая комбинация, начиная с младшего разряда.

Необходимо заметить, что после третьего тактового импульса, когда вся кодовая комбинация записана в регистр, её можно считать в параллельном коде с выходов Q₂, Q₁, Q₀, т.е. осуществить преобразование последовательного кода в параллельный. Если необходимо осуществить обратное преобразование параллельного кода в последовательный, то параллельную кодовую комбинацию следует подать на входы регистра D₂, D₁, D₀ . Тогда тактовый импульс произведет её запись, а три последующих - её вывод на выходе Q₀.

На практике могут встретиться устройства, на выходе которых кодовая комбинация появляется в последовательной форме, начиная со старшего разряда. Для записи такой кодовой комбинации целесообразнее использовать регистр со сдвигом влево. Схема и условное графическое обозначение такого трехразрядного регистра приведены на рис.3.

Рис.3

Особенностью данной схемы является то, что входом регистра является вход триггера младшего разряда и триггеры соединены между собой в обратном порядке, т.е. прямой выход триггера Т₀ с информационным входом триггера Т₁, а его прямой выход с входом Т₂. В режиме записи со сдвигом влево старший разряд кодовой комбинации записывается в триггер младшего разряда, а затем под действием тактовых импульсов будет сдвигаться в сторону триггера старшего разряда. Таблицу, поясняющую принцип работы такого регистра, предлагается вычертить самостоятельно.

Сравнивая схемы регистров, приведенные на рис.2 и 3, можно заметить, что они во многом совпадают. Для изменения направления сдвига нужно изменить последовательность соединения между собой триггеров. Это легко сделать с помощью логических элементов. Тогда регистр будет реверсивным, т.е. способным сдвигать информацию в любую сторону.

Принцип, поясняющий изменение связей между триггерами и условное графическое обозначение реверсивного регистра приведены на рис.4.

Рис.4

Таким образом, для управления направлением сдвига информации вводятся ещё два управляющих входа. При С_п=1, С_л=0 регистр обеспечивает запись со сдвигом вправо, а при С_п=0, С_л=1 - влево.

Применение покажем на примере линейного рекурентного регистра. Линейным рекурентным регистром называют цифровое устройство, собранное на основе сдвигового регистра, для формирования псевдослучайной последовательности импульсов. Схема такого устройства приведена на Рис.5. Рис.5

Схема содержит регистр со сдвигом влево, схему сложения по модулю 2, генератор импульсов. Перед началом работы подается импульс начальной установки, который переводит все триггеры регистра в состояние 1. Затем на синхровод подаются тактовые импульсы с генератора. Если с входами схемы сложения по модулю 2 соединены первый и последний выходы четырехразрядного регистра, то при одинаковых значениях Q₀ = Q₃ на вход D подается 0, а при Q₀ ¹ Q₃ - 1. Под действием тактового импульса осуществляется запись информации в триггер младшего разряда и перемещение ее влево.

При этом на выходах регистра формируются псевдослучайные кодовые комбинации, которые начинают повторяться после 15 такта (табл.2).

Таблица 2

Такие регистры находят применение в спецаппаратуре при шифровании информации.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В ходе данной лекции рассмотрены цифровые устройства последовательностного типа - регистры, которые находят очень широкое применение как в вычислительной технике, так и в технике связи. Рассмотрен практический пример использования сдвигового регистра для формирования псевдослучайной последовательности импульсов.

Задание на самостоятельную работу

1. Изучить материал по учебнику [1] стр. 126-131.

2.Записать таблицу истинности рекурентного регистра со сдвигом вправо.

Доцент кафедры №9 Б.Степанов

Рецензент полковник Г.Журбин