4. Регистры

4.1. Цель работы

Изучение схемотехнических принципов построения и записи двоичной информации в основные типы регистров.

4.2. Краткая теория вопроса

В цифровой технике регистры используются для кратковременного запоминания многоразрядных двоичных чисел(слов). Регистр представляет собой набор триггеров, связанных между собой и средой вспомогательными цепями, посредством которых выполняется запись, преобразование и считывание информации. Помимо записи и считывания (прием и выдача) многоразрядных чисел (слов) регистры могут осуществлять их сдвиг на 2ⁱ, преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот. С помощью регистров легко перевести прямой код числа в обратный.

По способу записи и считывания различают последовательные, параллельные и параллельно-последовательные регистры.

Параллельный регистр, пример построения которого приведен на рис. 4.1, обеспечивает параллельную запись и считывание информации и не содержит цепей, связывающих триггеры между собой. Из принципа работы синхронизируемого положительным фронтом D-триггера следует, что сигналы X1, X2, X3, X4 запишутся в соответствующие триггеры только после подачи тактового импульса С. Считывание числа осуществляется с прямых ( ) или инверсных ( ) выходов. Для установки триггеров в нулевое состояния применяется специальная шина “сброс”, связанная с R-входом бистабильной ячейки каждого триггера.

Рис. 4.1. Параллельный регистр

Для обеспечения последовательной записи выход i-го триггера соединяется с информационным входом i+1-го триггера, а записываемое число поступает последовательно на информационный вход первого триггера (рис. 4.2). В этом случае после подачи тактового импульса С в первый триггер запишется сигнал (0 или 1), воздействующий на его вход, а сигнал из i-го триггера перепишется в i+1 триггер. Следовательно, за n тактов в рассматриваемый регистр запишется n-разрядное двоичное число. Если подачу тактовых импульсов продолжать, то на выходе последнего триггера будут появляться сигналы в той же последовательности, что и на входе в период записи (старшими разрядами "вперёд").

Рис. 4.2. Регистр сдвига

Легко заметить, что для получения параллельного кода необходимо после записи проконтролировать (снять) информацию с выходов всех триггеров. В этом же регистре можно выполнить операцию сдвига, которая заключается в перемещении всех битов (слова) в направлении от старших к младшим разрядам (правый сдвиг) или от младших к старшим разрядам (левый сдвиг). Обычно в качестве микроопераций над словами применяется сдвиг на один разряд. Но иногда, например, при некоторых методах ускоренного умножения, применяют сдвиг на несколько разрядов. Сдвиг двоичного слова на k разрядов вправо или влево эквивалентен умножению его на 2 в степени -k или +k соответственно. При построении универсальных регистров сдвига между триггерами включаются дополнительные цепи логического управления (рис. 4.3,а). Для формирования основной части прямого и обратного кодов можно использовать схемы, изображенные на рис. 4.3,б и 4.3,в и подключаемые к выходу каждого триггера.

Рис. 4.3. Вспомогательные схемы регистров

Простейший регистр сдвига легко превращается в кольцевой регистр при соединении выхода последнего разряда с входом первого (рис. 4.4).

Для обеспечения других видов записи и считывания применяются комбинированные регистры, пример реализации одного из которых приведен на рис. 4.5. Здесь двухступенчатые логические элементы И-ИЛИ при М=1 обеспечивают после подачи трактового импульса на вход С передачу сигнала из i-го в i+1-ый триггер, а при М=0 аналогично обеспечивается запись в регистр сигналов, представляющих собой параллельный код. Считывание записанного произвольным способом слова возможно как в виде параллельного кода (Y1,Y2,Y3,Y4), так и в виде последовательного кода на выходе при подаче четырех тактовых импульсов.

Рис. 4.5. Комбинированный регистр

Из рассмотренных схем следует, что только в параллельных регистрах можно использовать триггеры, синхронизируемые уровнем.

В микропроцессорах применяются также регистры стекового типа, реализующие алгоритм обработки информации “последний на входе - первый на выходе”. При домашнем изучении рассматриваемого материала студентам необходимо построить такой регистр самостоятельно.