Регистры. Регистром называется последовательностный функциональный узел, используемый для записи, хранения и выдачи n-разрядного двоичного слова

Регистром называется последовательностный функциональный узел, используемый для записи, хранения и выдачи n -разрядного двоичного слова. Помимо выполнения этих операций регистры могут преобразовывать информацию, например, из параллельной формы представления (параллельный код) в последовательную (последовательный код) и наоборот; сдвигать информацию на один или несколько разрядов в сторону младшего или старшего разрядов (право или влево); выполнять поразрядные логические операции.

Регистры строятся на базе триггеров, число триггеров в схеме регистра соответствует числу разрядов двоичного слова, подлежащего хранению. Разряды регистра помимо триггеров могут содержать и некоторые ЛЭ, с помощью которых обеспечивается возможность выполнения перечисленных выше преобразований информации.

Основным классификационным признаком регистров является способ приема (записи) и выдачи (чтения) информации. По этому признаку различают параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры.

Параллельный регистр. В параллельных регистрах прием и выдача слов производятся по всем разрядам одновременно. При считывании информация, хранящаяся в регистре, сохраняется, т. е. выдается ее копия. Параллельный регистр часто именуют регистром памяти. Основу регистров памяти составляют одноступенчатые синхронные D- или RS-триггеры. В этом качестве могут применяться и JK-триггеры, но их возможности больше, чем требуется для регистров памяти. Многие регистры имеют выходы с третьим состоянием, некоторые регистры относятся к числу буферных, т. е. рассчитаны на работу с большими емкостными и/или низкоомными активными нагрузками. Это обеспечивает их работу непосредственно на магистраль (без дополнительных схем интерфейса).

Отдельные разряды регистра памяти не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов регистра являются цепи управления: синхронизации, разрешения записи, сброса/установки, разрешения выходов.

Пример схемы параллельного регистра, построенного на триггерах типа D с прямыми динамическими входами, имеющего входы сброса и выходы с третьим состоянием, управляемые сигналом EZ, показан на рис. 35.

а б

Рис. 35

Последовательный регистр. В последовательных регистрах слова принимаются и выдаются последовательно разряд за разрядом. Последовательный регистр называют регистром сдвига или сдвигающим регистром.

Регистр сдвига представляет собой ряд последовательно соединенных триггеров, число которых определяется разрядностью записываемого в него слова. По направлению сдвига записанной в регистр информации различают регистры прямого сдвига (рис. 36, а), т. е. вправо в сторону младшего разряда (вход данных DSR – Data Serial Right); обратного сдвига (рис. 36, б), т. е. влево в сторону старшего разряда (вход данных DSL – Data Serial Left); реверсивные регистры (рис. 36, в), допускающие сдвиг в обоих направлениях.

Таким образом, в процессе сдвига информации, например, вправо каждый триггер регистра:

1) передает хранимую информацию на триггер;

2) изменяет свое состояние за счет приема информации от триггера.

В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо (рис. 36, а) слово сдвигается при поступлении синхросигнала. Передача информации с триггера и изменение его состояния не могут происходить одновременно. Поэтому основная задача при реализации операции сдвига заключается в разделении во времени выполнения указанных этапов в каждом разряде триггере регистра. Эта задача решается за счет использования синхронных триггеров с динамическим управлением записью (как показано на рис. 36) или двухступенчатых триггеров, внутренняя организация которых предусматривает разделение во времени этапов приема входной информации и изменения выходной.

Появление в межразрядных связях логических элементов и, тем более, логических схем неединичной глубины упрощает выполнение условий работоспособности регистров и расширяет спектр типов триггеров, пригодных для этих схем.

а

б

в

Рис. 35

Многотактные сдвигающие регистры управляются несколькими синхропоследовательностями. Из их числа наиболее известны двухтактные с основным и дополнительным регистрами, построенными на простых одноступенчатых триггерах, управляемых уровнем. По синхросигналу С1 содержимое основного регистра переписывается в дополнительный, а по синхросигналу С2 возвращается в основной, но уже в соседние разряды, что соответствует сдвигу слова. По затратам оборудования и быстродействию этот вариант близок к однотактному регистру с двухступенчатыми триггерами.

Регистр сдвига легко превращается в кольцевой регистр при соединении выхода последнего разряда с входом первого.

Последовательно-параллельные регистры имеют входы-выходы одновременно последовательного и параллельного типа. Имеются варианты с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO, Serial Input – Parallel Output), параллельным входом и последовательным выходом (PISO), а также варианты с возможностью любого сочетания способов приема и выдачи
слов. Такие регистры служат основными блоками преобразователей параллельных кодов в последовательные и обратно.

В сериях ИС имеются многорежимные (многофункциональные) или универсальные регистры, способные выполнять набор микроопераций. Многорежимность достигается композицией в одной и той же схеме частей, необходимых для выполнения различных операций. Управляющие сигналы, задающие вид выполняемой в данное время операции, активизируют необходимые для этого части схемы.

Регистры могут выполнять поразрядные логические операции. Современные регистры мало приспособлены для выполнения этих операций, однако при необходимости их можно выполнить, пользуясь регистрами на RS-триггерах. Для выполнения операции ИЛИ на S-входы параллельного регистра с исходным нулевым состоянием подается первое слово А, единичные разряды которого устанавливают соответствующие триггеры. Затем без сброса регистра на S-выходы подается второе слово В, в результате на выходе регистра получим. При выполнении поразрядной операции И в первом такте на S-входы регистра подается слово А, устанавливающее те разряды регистра, в которых слово А имеет единицы. Затем на входы R триггеров подается слово В в инверсном виде. В результате в регистре сохраняются единицы только в тех разрядах, в которых единицы имеют оба слова.

Сложение по модулю 2 может быть выполнено схемой с триггерами типа Т в разрядах путем последовательной во времени подачи на нее двух слов А и В.

На основе параллельных регистров строятся регистровые файлы – блоки регистровой памяти с возможностью независимой и одновременной записи одного слова и чтения другого.