Регистры

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА «ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ» ЛЕКЦИЯ № 18 ТЕМА : РЕГИСТРЫ 1 ТЕМА: РЕГИСТРЫ Цель: ознакомится с устройством и принципами работы регистров. Вопросы: 1. Общая характеристики регистров. Параллельные регистры. 2. Последовательные и универсальные регистры. Литература: 1. Курс лекций по дисциплине «Информационноуправляющие технологии», Севастополь, ЧВВМУ, 2016г, лекция № 18. 2 Общая характеристика регистров Регистром называется узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдачи кода слова, а также для выполнения над словом некоторых логических преобразований. Регистр представляет собой совокупность триггеров, число которых соответствует количеству разрядов в слове и вспомогательных схем, которые обеспечивают выполнении некоторых операций, например, установку регистра в 0 (сброс), прием слова из другого устройства. 3 Классификация регистров По способу приема и выдачи кодов регистры делятся на параллельные и последовательные. 1. В параллельных регистрах информация одновременно записывается в соответствующие триггеры регистра и считывается из них. 2. Последовательным регистром называется регистр, в котором информация записывается или прочитывается в последовательном коде (один разряд за один такт). Основной операцией последовательных регистров является операция сдвига - перемещения в регистре всех разрядов слова на одинаковое число разрядов в левую или в правую сторону. Разряды слова, которые вышли из разрядной сетки регистра, теряются, а в разряды регистра, который освободились при сдвиге, записываются нули. Для записи нужно n импульсов сдвига (n - число разрядов регистра). 4 Классификация регистров По способу записи и выдачи информации, с помощью которых она попадает на входы разрядов регистра. - с парафазным приемом информации. - с однофазным приемом информации. Регистры с парафазным входом характеризуются тем, что информация на каждый разряд поступает по двум каналам (прямому и инверсному). У регистра с однофазным входом информация поступает на каждый разряд только по одном каналу (прямому или инверсному). 5 Характеристики регистров Важнейшие характеристики регистров разрядность и быстродействие. Разрядность регистра определяется количеством триггеров для хранения числа. Быстродействие характеризуется максимальной тактовой частотой (периодом тактовых импульсов), с которой проводится запись, чтение или сдвиг информации. Период прохождения и длительность тактовых импульсов определяются, в свою очередь, типом триггеров, которые используются в регистре, их временем переключения: Tк >= Tтр, где: Tк – период тактовых импульсов, Tтрвремя переключение триггера. 6 Параллельный регистр Схема регистра В такие регистры информация записывается одновременно во все триггеры. Регистры обычно строятся на основе D триггеров. При этом для построения регистров могут использоваться как динамические так и статические D-триггеры. Параллельный регистр служит для запоминания (хранения) многоразрядного двоичного слова. Количество триггеров, входящее в состав параллельного регистра определяет его разрядность. 7 Параллельный регистр Условнографическое обозначение Возле каждого входа D указывается степень двоичного разряда, который должен быть запомнен в этом триггере регистра. Точно таким же образом обозначаются и выходы регистра. Выпускаются четырёхразрядные и восьмиразрядные микросхемы параллельных регистров. 8 Параллельный 16-ти разрядный регистр Часто требуется разрядность параллельных регистров больше восьми. В таком случае можно увеличивать разрядность регистров параллельным соединением готовых микросхем. Принципиальная схема параллельного соединения четырёх регистров приведена на рисунке. Шина записи, шина считывания, шина (сигнал) управления изображены на рисунке. 9 Параллельные регистры В настоящее время параллельные регистры обычно являются частью более сложных цифровых устройств, таких как цифровые фильтры, ОЗУ, синтезаторы частот или схемы прямого цифрового синтеза. Подобные схемы сегодня почти не реализуются на микросхемах средней интеграции, а являются частью больших интегральных микросхем (БИС), таких как микропроцессоры, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) ( ASIC или FPGA). 10 2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ РЕГИСТРЫ Последовательный регистр (регистр сдвига) служит для преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот. Применение последовательного кода связано с необходимостью передачи большого количества двоичной информации по ограниченному количеству соединительных линий. Если двоичные разряды последовательно бит за битом передавать по одному проводнику, то можно значительно сократить количество соединительных линий на плате (и размеры корпусов микросхем). 11 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ РЕГИСТРЫ Схема регистра Эта схема позволяет преобразовывать последовательные коды в параллельные. Внутри сдвигового регистра триггеры соединены последовательно, то есть выход первого соединён с входом второго и т.д. Входы синхронизации в последовательных (сдвиговых) регистрах, как и в параллельных регистрах, объединяются. Это обеспечивает одновременность смены состояния всех триггеров, входящих в состав этого регистра Условно-графическое обозначение последовательного (сдвигового) регистра 12 ПОРЯДОК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КОДА В ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ Схема регистра Отдельные двоичные биты последовательно подаются на вход регистра D0. Каждый бит сопровождается отдельным тактовым импульсом синхронизации, который поступает на вход синхронизации C. После поступления первого тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе D0, запоминается в первом триггере регистра и поступает на его выход, а так как он соединён со входом второго триггера, то и на его вход. Следующий такт записывает этот бит во 2-ой триггер, а на 1-й поступает 2й бит. И т. д, до заполнения всех триггеров. 13 Порядок преобразования последовательного кода в параллельный Схема регистра После поступления 2-го тактового импульса логический уровень на входе 2го триггера, запоминается в нем, поступает на его выход и на вход 3-го триггера. Одновременно следующий бит входного последовательного кода запоминается в 1-ом триггере регистра. После поступления 4-го тактового импульса в триггерах регистра будут записаны логические уровни бит, которые последовательно присутствовали на его входе D0. Теперь этими битами можно воспользоваться, например, для отображения на индикаторах. 14 ВРЕМЕННАЯ ДИАГРАММА РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО РЕГИСТРА № 1 2 3 4 Q0 1 1 1 Q1 X 1 1 Q2 X X 1 Q3 X X X 1 такта 15 УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РЕГИСТР Для переключения регистра из последовательного режима в параллельный используется вывод V. Подача на этот вход единичного потенциала превращает схему в параллельный регистр. При этом на входы ключей, подключенных ко входам D, подаётся единичный потенциал. Поэтому сигналы со входов параллельной записи данных поступают на входы элементов “ИЛИ”, а на входы ключей, подключенных к выходам предыдущих триггеров, подаются нулевые потенциалы. То есть на выходах этих ключей будут присутствовать нулевые потенциалы, и они не будут мешать работе. Схема регистра 16 УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РЕГИСТР Подача на вход V нулевого потенциала приводит к отключению входов параллельных данных от входов триггеров. Сигналы же с выхода предыдущего триггера свободно проходит через верхние логические элементы “И” на вход последующего триггера, так как на его второй вход подаётся единичный потенциал. Инверторы на входах V и C использованы для усиления входного сигнала по току. В результате входной ток микросхемы будет равен не суммарному току четырёх логических элементов “И”, а входному току инвертора. Схема регистра 17 УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РЕГИСТР Условное графическое обозначение универсального регистра. Вход последовательного ввода данных на этом рисунке обозначен как DI и отделён от других групп входов чертой. Точно так же выделены в отдельные группы и входы управления V и синхронизации C. 18 УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РЕГИСТР (ПРИМЕР) Микросхема К155ИР13 является универсальным восьмиразрядным реверсивным сдвигающим регистром и может работать в режимах последовательного ввода информации со сдвигом вправо или влево, параллельного ввода информации, хранения информации, сброса (установки нулей). Назначение входов: D1 — D8 — для параллельного ввода информации, DR и DL — информационные входы для последовательного ввода информации при сдвиге соответственно вправо или влево, входы S1 и S0 — для выбора режима работы, R — вход сброса триггеров регистра в нулевое состояние и С — вход синхронизации. 19 ЗАКЛЮЧЕНИЕ: • Регистр представляет совой совокупность триггеров, число которых соответствует количеству разрядов в слове, и вспомогательных схем, которые обеспечивают выполнении некоторых операций, например, установку регистра в 0 (сброс), прием слова из другого устройства (регистра, сумматора) и т.д.. • Регистры сдвига обычно изготавливаются как универсальные последовательно-параллельные микросхемы. Это связано с необходимостью записи в регистр параллельного двоичного кода при преобразовании параллельного кода в последовательный. 20 КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕННОЙ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ 21