Теоретические сведения

Лабораторная работа №5

РЕГИСТРЫ

Цель работы: Исследовать различные типы регистров. Закрепить теоретические знания об устройстве и принципах работы регистров.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Регистр - это устройство, предназначенное для записи, хранения и (или) сдвига информации, которая поступает и хранится в регистре в виде n-разрядных двоичных чисел. В общем случае регистр может выдавать информацию в последовательной или параллельной форме, преобразовывать прямой код числа в обратный (когда единицы заменяются нулями, а нули - единицами), и наоборот, а также выполнять логическое сложение и логическое умножение двоичных чисел.

Они используются в качестве управляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей частоты, узлов временной задержки. Элементами структуры регистров являются синхронные триггеры D- или JK- типа с динамическим или статическим управлением. Одиночный триггер может запоминать (регистрировать) один разряд (бит) двоичной информации. Такой триггер можно считать одноразрядным регистром. Занесение информации в регистр называют операцией ввода или записи. Выдача информации к внешним устройствам характеризует операцию вывода или считывания. Запись информации в регистр не требует его предварительного обнуления.

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 промежутка 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).

В зависимости от способа ввода и вывода разрядов числа различают регистры параллельные, последовательные и параллельно-последовательные. В параллельном регистре ввод и вывод всех разрядов кодового числа осуществляется одновременно, в последовательном - разряды числа вводятся и выводятся последовательно, а в параллельно-последовательном регистре ввод числа производится в параллельной форме, а вывод - в последовательной, и наоборот. Преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот – очень актуальная задача, так как передача цифровой информации в сетях передачи данных осуществляется в последовательном коде, а обработка её в микропроцессорах вычислительных устройств – в параллельном.

Регистр, в котором можно осуществить сдвиг числа, называют сдвигающим (сдвиговым), причем сдвиг может быть или в одну сторону (в сторону младшего разряда - прямой (правый) сдвиг, или в сторону старшего разряда – обратный (левый) сдвиг, или в обе стороны (реверсивный сдвигающий регистр). В этом смысле последовательный и параллельно-пос­ледовательый регистры относят к сдвиговым.

Рисунок 1 – Четырехразрядный регистр

Отечественная промышленность выпускает многие типы регистров в виде микросхем. В качестве примера на рисунке 1 приведено изображение четырехразрядного регистра (микросхема серии К155). При V2 = 0 разряды числа вводят последовательно в регистр через вход V1; синхроимпульсы, поступающие на вход С1, обеспечивают сдвиг вправо разрядов числа; регистр работает как сдвигающий. В микросхеме (рисунок 1) предусмотрен также параллельный ввод всех разрядов числа по синхроимпульсу на входе С2 с входов D1, …, D4 при V2 = 1. В данном случае регистр работает как параллельный.

Если выводы последнего триггера сдвигающего регистра соединить с входами первого, то получится кольцевой регистр сдвига, называемый кольцевым счётчиком. Его коэффициент пересчёта равен числу разрядов n: единица, записанная в один из разрядов, периодически появляется на выходе счётчика после того, как пройдут n сдвигающих синхроимпульсов.

Любой регистр состоит из связанных между собой триггеров с динамическим или статическим управлением и логических элементов, причем количество триггеров равно количеству разрядов в записываемом числе. Синтез регистра сводится к выбору типа триггеров и логических элементов И, НЕ, ИЛИ для реализации заданных операций.

Рассмотрим работу параллельного регистра на RS -триггерах (рисунок 2). Ввод (запись) числа осуществляется в два такта. Во избежание ошибочной записи числá х ₁ х ₂… х_п в первом такте все триггеры регистра обнуляются. Для этого на шину "0" подается логический 0. Во втором такте по сигналу 1 на шине " П " ("Приём") через конъюнкторы одновременно записывается в соответствующие разряды регистра двоичное число х ₁ х ₂… х_п. Вывод (считывание) числа у ₁ у ₂… у_п в прямом коде происходит по сигналу 1 на шине " В_пр ", а в обратном - по сигналу 1 на шине " В_обр ".

Рисунок 2 – Параллельный регистр на RS -триггерах

Объединив в одной микросхеме несколько регистров и добавив на входе дешифратор DCW, а на выходе мультиплексор MS, получают регистровую (сверхоперативную) память (рисунок 3). Входы D_i четырёх или восьми регистров, как правило, 4-разрядных, подключают к общей входной шине данных DIN. Вход загрузки требуемого регистра выбирается дешифратором записи DCW на основании поступающего на его вход адреса записи WA, т. е. кода номера загружаемого регистра. Запись данных, присутствующих на шине DIN, происходит в момент поступления сигнала разрешения записи WE.

Рисунок 3 – Регистровая память

Выходы регистров мультиплексором MS подключаются к выходной шине DOUT. Номер регистра, с которого происходит чтение, определяется посредством кода адреса чтения RA. Разрешение выдачи данных в шину DOUT происходит по сигналу RE. Поскольку дешифрация адреса записи и адреса чтения производится двумя независимыми узлами, имеющими автономные адресные входы WA и RA, в регистровую память можно одновременно записывать бинарное число в один из регистров и считывать число из другого. Описанная структура использована в кристаллах отечественных микросхем К155РП1, ИР11 и ИР12 серий К561 и К564.

Микросхемы регистровой памяти легко наращиваются по разрядности и допускают наращивание по числу регистров. Они разработаны для построения блоков регистров общего назначения (РОН), предназначенных для временного хранения исходных данных и промежуточных результатов расчёта в микропроцессорах.