Время:2

Теоретический материал:

Наиболее распространенным узлом цифровой техники и устройств автоматики являются регистры. Регистры строятся на базе синхронных одно- и двухступенчатых RS и D-триггеров. Регистры могут быть реализованы также на базе JK -триггеров. По способу приема и выдачи информации регистры делятся на следующие группы: с параллельным приемом и выдачей (рисунок 23, а); с последовательным приемом и выдачей (рисунок 23, б); с последовательным приемом и параллельной выдачей (рисунок 23, в); с параллельным приемом и последовательной выдачей (рисунок 23, г); комбинированные, с различными способами приема и выдачи (рисунок 23, д) и реверсивные.

Регистры хранения (памяти). Регистры с параллельным приемом и выдачей информации служат для хранения информации и называются регистрами памяти или хранения. Изменение хранящейся информации в регистре памяти (запись новой информации) осуществляется после установки на входах D₀... D_mновой цифровой комбинации (информации) при поступлении определенного уровня или фронта синхросигнала (синхроимпульса) С на вход “С” регистра. Количество разрядов записываемой цифровой информации определяется разрядностью регистра, а разрядность регистра, в свою очередь, определяется количеством триггеров, образующих этот регистр. В качестве разрядных триггеров регистра памяти используются синхронизируемые уровнем или фронтом триггеры. Регистры памяти могут быть реализованы на D-триггерах, если информация поступает на входы регистра в виде однофазных сигналов и на RS-триггерах, если информация поступает в виде парафазных сигналов. В некоторых случаях регистры могут иметь вход для установки выходов в состояние “0”. Этот асинхронный вход называют входом R “сброса” триггеров регистра. На рис. 2 приведены схемы четырехразрядных регистров памяти на D- и RS-триггерах, синхронизируемых уровнем и фронтом синхроимпульсов (обычно четыре триггера объединены в одном корпусе ИМС).

Рисунок 23 – Функциональные схемы основных типов регистров

а) б) в)

Рисунок 24 - Регистры хранения, на D – триггерах, синхронизируемых уровнем синхроимпульса (а), фронтом (б) и на RS – триггерах, синхронизируемых фронтом (в)

Регистры сдвига. Регистры с последовательным приемом или выдачей информации называются сдвиговыми регистрами или регистрами сдвига. Регистры сдвига могут выполнять функции хранения и преобразования информации. Они могут быть использованы для построения умножителей и делителей чисел двоичной системы счисления, т.к. сдвиг двоичного числа влево на один разряд соответствует умножению его на два, а сдвиг вправо - делению на два. Регистры сдвига широко используются для выполнения различных временных преобразований цифровой информации: последовательное накопление последовательной цифровой информации с последующей одновременной выдачей (преобразование последовательной цифровой информации в параллельный код) или одновременный прием (параллельный прием) информации с последующей последовательной выдачей (преобразование параллельного кода в последовательный). Регистры сдвига могут служить также в качестве элементов задержки сигнала, представленного в цифровой форме. Действительно, регистры с последовательным приемом (вводом) и выводом осуществляют задержку передачи информации на m+1 тактов (m+1 - число разрядов регистра) машинного времени. Регистры сдвига обычно реализуются на D-триггерах (рисунок 24, а) или на RS-триггерах (рисунок 24, б), где для ввода информации в первый разряд включается инвертор (первый разряд представляет собой D-триггер). Следует отметить, что все регистры сдвига строятся на базе двухступенчатых триггеров или синхронизируемых фронтом синхроимпульса. Разрядность регистров сдвига, как и у регистров хранения, определяется количеством триггеров, входящих в их состав. На рис. 24 приведены схемы четырехразрядных регистров сдвига, реализованных на D- и RS-триггерах, а временные диаграммы, поясняющие работу регистра сдвига, приведены на рисунок 24.

Вывод параллельной информации из регистра сдвига (смотри рисунок 24, в) осуществляется при подключении всех триггеров регистра к отдельным выводам (на рисунке 24, а и б эти выводы показаны штриховыми линиями). Как было сказано выше, регистры сдвига синхронизируются фронтом тактирующих импульсов, т.е. запись новой информации в триггеры регистра происходит в течение очень короткого времени - за время длительности фронта синхроимпульса, вернее в момент поступления соответствующего фронта синхроимпульса. Обычно, это “время” значительно меньше времени распространения сигнала, т.е. времени переключения триггера регистра в новое состояние. Работу регистра сдвига рассмотрим на примере схемы, приведенной на рисунке 24, а.

Можно предположить, что в начале все триггеры регистра находятся в состоянии логического нуля, т.е. Q₀=0, Q₁=0, Q₂=0, Q₃=0. Если на входе D-триггера Т₁ имеет место логический 0, то поступление синхроимпульсов на входы “С” триггеров не меняет их состояния.

Как следует из рисунка 24, синхроимпульсы поступают на соответствующие входы всех триггеров регистра одновременно и записывают в них то, что имеет место на их информационных входах. На информационных входах триггеров Т2, Т3, Т4 - уровни логического “0”, т.к. информационные входы последующих триггеров соединены с выходами предыдущих триггеров, находящихся в состоянии логического “0”, а на вход “D” первого триггера, по условию примера, подается “0” из внешнего источника информации. При подаче на вход “D” первого триггера “1”, с приходом первого синхроимпульса, в этот триггер запишется “1”, а в остальные триггеры - “0”, т.к. к моменту поступления фронта синхроимпульса на выходе триггера Т1 “ещё” присутствовал логический “0”. Таким образом, в триггер Т1 записывается та информация (тот бит), которая была на его входе “D” в момент поступления фронта синхроимпульса и т.д.

При поступлении второго синхроимпульса логическая “1”, с выхода первого триггера, запишется во второй триггер, и в результате происходит сдвиг первоначально записанной “1” с триггера Т1 в триггер Т2, из триггера Т2 в триггер Т3 и т.д. (рисунок 25). Таким образом, производится последовательный сдвиг поступающей на вход регистра информации (в последовательном коде) на один разряд вправо в каждом такте синхроимпульсов.

После поступления m синхроимпульсов (на рисунке 24 и рисунке 25 m=4) регистр оказывается полностью заполненным разрядами числа, вводимого через последовательный ввод “D”. В течение следующих четырех синхроимпульсов производится последовательный поразрядный вывод из регистра записанного числа, после чего регистр оказывается полностью очищенным (регистр окажется полностью очищенным только при условии подачи на его вход уровня “0” в режиме вывода записанного числа).

Рисунок 24 - Регистры сдвига на D – триггерах а), RS – триггерах б) и комбинированный регистр на D – триггерах

Кольцевые счетчики. На базе регистров сдвига можно построить кольцевые счетчики - счетчики Джонсона. Счетчик Джонсона имеет коэффициент пересчета, вдвое больший числа составляющих его триггеров. В частности, если счетчик состоит из трех триггеров (m=3), то он будет иметь шесть устойчивых состояний. Счетчик Джонсона используется в системах автоматики в качестве распределителей импульсов и т.д.

Таблица состояний счетчика Джонсона (рисунок 26) содержит 2m (m - количество триггеров в составе регистра) строк и m-столбцов. Количество разрядов счетчика определяется количеством триггеров (рисунок 26). Рассмотрим схему трехразрядного счетчика Джонсона, выполненного на базе D-триггеров (регистр сдвига реализован на D-триггерах). Для построения кольцевого счетчика достаточно соединить инверсный выход последнего триггера регистра (последнего разряда) с входом “D” (с входом, предназначенным для ввода последовательной информации) первого триггера.

Рисунок 25 – Временные диаграммы, поясняющие работу регистра сдвига

Рисунок 26 - Таблица состояний а) и схема б) счетчика Джонсона на трехразрядном регистре сдвига

Предположим, что вначале все триггеры находятся в состоянии “0”, т.е. Q₀= Q₁=Q₂=0. При этом на входе “D” первого триггера присутствует уровень “1”, т.к =1. Первым синхроимпульсом в триггер Т1 запишется “1”, вторым - единица запишется в первый триггер, из первого - во второй и т.д. до тех пор, пока на всех выходах регистра не будет “1”. После заполнения регистра единицами, на инверсном выходе триггера Т3 появится =0 и четвертым синхроимпульсом в Т1 запишется логический “0” (рисунке 26, б).

После поступления последующих трех синхроимпульсов регистр обнуляется и на его вход “D” снова подается уровень “1”. Таким образом, цикл повторения состояния кольцевого счетчика состоит из шести тактов синхросигнала. Как видим, при работе в начале от первого триггера до последнего триггера распространяется “волна единиц”, а затем “волна нулей”. Код, в котором работает счетчик Джонсона, называют кодом Либау - Крейга.

Порядок проведения лабораторной работы:

1. Получение у преподавателя номера варианта.

2. Исследование параллельного регистра на RS-триггерах.

3. Исследование последовательно регистра на JK-триггерах.

4. Исследование последовательно-параллельного регистра на JK-триггерах и RS-триггерах.

5. Исследование параллельно-последовательного регистра на JK-триггерах и RS-триггерах.

6. Исследование кольцевого счётчика (счётчика Джонсона) на JK-триггерах.

7. Исследование модели реальной микросхемы серии ТТЛ 74173.

8. Моделирование регистра сдвига на D-триггерах.

Общие рекомендации по проведению исследования счётчиков:

1. Запустить программу Electronics Workbench (Пуск-Программы-> Electronics Workbench).

2. Открыть уже готовую схему необходимого регистра (File->Open или при помощи комбинации кнопок Ctrl+O, выбрать необходимый путь к каталогу, выделить нужный файл с расширением *.ewb и нажать Ok).

3. Рассмотреть предложенную схему, основные узлы и логические блоки.

4. Запустить виртуальный стенд при помощи нажатия кнопки в правом верхнем углу рабочего окна программы.*

5. Активировать работу регистра при помощи подачи импульсов на его вход. Импульсы могут подаваться либо автоматически от генератора прямоугольных импульсов либо при мануальном управлении коммутирующими ключами. Генератор прямоугольных импульсов имеет свойство Frequency – частота; оно может задаваться вручную. Управление ключами производится при помощи кнопок клавиатуры, нужная кнопка для определённого ключа указана в квадратных скобках над изображением самого ключа. Например, для ключа управляющей кнопкой будет пробел. Сброс всех предыдущих действий производится при выключения и включения стенда.

6. Проанализировать работу регистра по состоянию контрольных ламп , выведенных от выходов его каждого разряда. При недостаточном количестве ламп, можно добавить дополнительные. Для этого необходимо нажать кнопку (Indicators) на рабочей панели программы. На открывшей форме необходимо найти кнопку (Red Probe), навести маркер на её поле и нажать левую кнопку мыши. Не отпуская кнопки перенести необходимый элемент на рабочее поле. Аналогичным способом на рабочее поле помещаются все компоненты Electronics Workbench. Для соединений выходов или входов компонентов с нужным узлами или другими компонентами необходимо навести маркер на нужный вход/выход, при появлении метки на контакте компонента нажать левую кнопку мыши и, не отпуская её, переместить маркер на нужное место, с которым нужно получить соединение .