Лаб_7

Лабораторная работа №7. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРОВ

Цель работы:

1.Изучение структуры и принципа работы регистров.

2.Исследование параллельного регистра.

3.Исследование параллельного регистра с блокировкой записи.

4.Исследование последовательного регистра.

5.Исследование параллельно-последовательного регистра.

6.Исследование реверсивного регистра.

7.Исследование универсального регистра сдвига на микросхеме 74LS194N.

Краткие сведения из теории

Основное назначение регистров– хранение и преобразование многоразрядных двоичных чисел. Регистры наряду со счетчиками и запоминающими устройствами -яв ляются наиболее распространенными устройствами цифровой техники. При сравнительной простоте регистры обладают большими функциональными возможностями.

Они используются в качествеуправляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей частоты, узлов временной задержки.

Элементами структуры регистров являются синхронные триггерыD- 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.

Понятие "весовой коэффициент" к разрядам регистра в отличие от счетчика неприменимо, поскольку весовая зависимость между отдельными разрядами целиком определяется записанной в регистр информацией. По этой причине на условных изображениях регистров нумерация информационных входов и выходов наносится подряд.

1. Классификация регистров

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 напарал-

лельные, последовательные и комбинированные (параллельно-последовательные и по-

следовательно-параллельные), по направлению передачи (сдвига) информации – на од-

нонаправленные и реверсивные.

2. Регистры памяти

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) инфор-

Лабораторная работа №7. Исследование регистров

мации 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).

Регистры хранения представляют собой наборы триггеров с независимыми информационными входами и обычно общим тактовым входом. В таком качестве используются синхронные триггеры, составленные из микросхем, содержащих в одном корпусе несколько самостоятельных триггеров, например 74LS175N (К155ТМ8), 74LS179N (К155ТМ9) и др., которые можно рассматривать как 4-х – 6-ти разрядные регистры памяти. Наращивание разрядности регистров памяти достигается добавлением нужного числа триггеров, тактовые входы которых подсоединяют к шине синхронизации.

Регистр 74LS173N (К155ИР15) является библиотечным компонентомMultisim и может служить примером устройства хранения с тремя выходными состояниями. Схема его включения приведена рис. 1. Как видно из рис. 1, 74LS173N – четырехразрядный регистр. Он имеет выходы 1Q...4Q с третьим Z-состоянием (при сигнале 1 на выводах ~G2, ~G1), а его входы 1D...4D снабжены логическими элементами разрешения записи путем подачи логического0 на входы М, N. Используется регистр как четырехразрядный источник кода, способный обслуживать непосредственно шину данных цифровой системы.

Рис. 1. Схема включения регистра 74LS173N

Загрузка информации в регистр производится синхронно с положительным перепадом тактового импульса, если на входахМ, N присутствуют напряжения низкого уровня. Если на одном из этих входов напряжение высокого уровня, после прихода положительного тактового перепада в регистре должны остаться прежние данные. Вход сброса CLR имеет высокий активный уровень. Если на входы ~G2, ~G1 подано напряжение активного низкого уровня, данные, содержащиеся в регистре, отображаются на выходах 1Q...4Q. Присутствие хотя бы одного напряжения высокого уровня на входах разрешения ~G2 и ~G1 вызывает Z-состояние (размыкание) для выходных линий. При этом данные из регистров в шину данных системы не проходят. Выходы регистра не

влияют на работу других аналогичных выходов, присоединенных к проводникам шины. На работу входов сбросаCLR и тактовогоСLK смена уровней на входах разрешения влияния не оказывает.

Регистр К155ИР15 потребляет ток 72 мА и имеет тактовую частоту до25 МГц; вариант 74LS173 потребляет ток 30 мА, его тактовая частота 30 МГц. Режимы работы генератора слов в схеме на рис. 1 и некоторые комбинации наборов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Лицевая панель генератора слов в схеме c регистром 74LS173N

3. Регистры сдвига

Вторым наиболее распространенным классом регистров являются регистры сдвига, которые отличаются большим разнообразием, как в функциональном отношении, так и в отношении схемных решений и характеристик. Регистры сдвига, помимо операции хранения, осуществляют преобразование последовательного двоичного кода в параллельный, а параллельного – в последовательный. Кроме этого они выполняют арифметические и логические операции, служат в качестве элементов временной задержки. Своим названием они обязаны характерной для этих устройств операции сдвига. С приходом каждого тактового импульса происходит перезапись (сдвиг) содержимого триггера каждого разряда в соседний разряд без изменения порядка следования единиц и -ну

лей. При сдвиге информации вправо после каждого тактового импульса бит из более старшего разряда сдвигается в младший, а при сдвиге влево – наоборот.

На отечественных схемах символом регистра служат буквыRG. Для регистров сдвига указывается также направление сдвига: > – вправо; < – влево; <-> – реверсивный (двунаправленный).

Работу регистра сдвига рассмотрим на примере библиотечного регистра74LS195N (К155ИР12), схема включения которого показана на рис. 3. ИМС 74LS195N – быстродействующий регистр для выполнения операций сдвига, счета, накопления и взаимного

параллельно-последовательного преобразования цифровых слов. Через вход SH/~LD загружаются параллельные данные и производится их сдвиг вправо. Если на этом входе присутствует напряжение высокого уровня, через входы первого триггераJ и ~К в регистр вводятся последовательные данные. Вход J имеет высокий активный уровень, вход ~К – низкий; если эти входы соединить, получим простой D-вход. Данные сдвигаются в направлении от QA к QB, QC, а затем к QD после каждого положительного перепада на тактовом входе CLK.

Если на входе SH/~LD присутствует напряжение низкого(активного) уровня, все четыре триггера регистра запускаются одним тактовым перепадом(от низкого уровня к высокому). Тогда данные от параллельных входовA...D передаются на соответствующие выходы QA...QD. Сдвиг данных влево обеспечивается в схеме, где каждый выход Qn соединен внешней перемычкой со входомDn, т. е. схема включения на рис. 3 соответствует только режиму приема и хранения данных.

Рис. 3. Схема включения регистра 74LS195N в режиме приема и хранения данных

Схема включения ИМС 74LS195N в режиме сдвига показана на рис. 4, режимы ра-

тактового импульса CLK. Для правильного сброса данных надо выбрать момент, когда на входе CLK присутствует напряжение низкого уровня.

Рис. 4. Схема включения регистра 74LS195N в режиме сдвига

Рис. 5. Лицевая панель генератора слов в схеме с регистром 74LS195N

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование параллельного регистра на D-триггерах с асинхронными входами установки, активными по "0".

а) Соберите схему, изображенную на рис. 6. Включите схему.

б) С помощью переключателя [R] установите регистр в исходное состояние (запись нулевого кода – переключатель в нижнем положении).

в) С помощью переключателей [0]...[3] последовательно наберите коды, представленные в таблице 1 и, с помощью переключателя [C], запишите их в регистр.

г) Подключите к схеме логический анализатор(рис. 6, а). Включите схему. Выполните пункты б) и в), просматривая выполняемые действия на логическом анализаторе. Объясните рис. 13 в разделе "Результаты экспериментов".

Рис. 6. Схема параллельного регистра на D-триггерах с асинхронными входами

Рис. 6, а. Схема параллельного регистра на D-триггерах с логическим анализатором

Лабораторная работа №7. Исследование регистров

д) Выполните пункты б-г эксперимента1. Убедитесь, что регистр находится в режиме записи кода. Выводы запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Рис. 8. Схема параллельного регистра с блокировкой записи

Эксперимент 4. Исследование последовательного регистра.

а) Соберите схему, изображенную на рис. 9. Включите схему.

б) Установите регистр в исходное состояние (запись нулевого кода).

в) С помощью переключателей [D] и [C] последовательно запишите в регистр коды, представленные в таблице 3.

г) Подключите к схеме логический анализатор(рис. 9, а). Включите схему. Выполните пункты б) и в), просматривая выполняемые действия на логическом анализаторе. Объясните рис. 15 в разделе "Результаты экспериментов".

Рис. 9. Схема последовательного регистра

9

Лабораторная работа №7. Исследование регистров

Рис. 9, а. Схема последовательного регистра с логическим анализатором

Эксперимент 5. Исследование параллельно-последовательного регистра.

а) Соберите схему, изображенную на рис. 10. Включите схему.

б) Установите переключатель [P] (последовательное/параллельное занесение) в состояние P = 0 (последовательная запись).

в) С помощью переключателей [D] и [C] последовательно занесите в регистр коды из таблицы 1.

г) Наберите коды из таблицы1 на входах параллельной записи с помощью переключателей [0]...[3]. Объясните, почему входы параллельной записи не оказывают влияния на код, хранимый в регистре.

д) Установите переключатель [P] в состояние P = 1.

е) С помощью переключателей [0]...[3] последовательно наберите коды, представленные в таблице1. С помощью переключателя [C], попробуйте изменить содержимое регистра. Объясните, почему вход последовательной записи не оказывает влияния на код, хранимый в регистре.

ж) Выводы запишите в раздел "Результаты экспериментов".

10

Лабораторная работа №7. Исследование регистров

Рис. 10. Схема параллельно-последовательного регистра

Эксперимент 6. Исследование реверсивного регистра.

а) Соберите схему, изображенную на рис. 11. Включите схему.

б) Установите переключатель [N] (направление сдвига) в состояние N = 0.

в) С помощью переключателей [D] и [C] последовательно занесите в регистр коды из таблицы 1 (эксперимент 1).

Рис. 11. Схема реверсивного регистра

11

Лабораторная работа №7. Исследование регистров

г) Определите направление сдвига.

д) Установите переключатель [N] в состояние N = 1. е) Выполните пункты в) и г).

ж) Выводы запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 7. Исследование универсального регистра сдвига на микросхеме

74LS194N.

а) Соберите схему, изображенную на рис. 12. Включите схему.

б) Проанализируйте работу схемы, руководствуясь данными таблицы 4. в) Выводы запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Рис. 12. Универсальный регистр сдвига на микросхеме 74LS194N

Таблица 4

12

Лабораторная работа №7. Исследование регистров

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Исследование параллельного регистра на D-триггерах с асинхронными входами установки, активными по "0".

Рис. 13. Временная диаграмма работы параллельного регистра на D-триггерах с асинхронными входами установки, активными по "0"

Эксперимент 2. Исследование параллельного регистра на динамических D-триггерах.

Рис. 14. Временная диаграмма работы параллельного регистра на D-триггерах

13

Лабораторная работа №7. Исследование регистров

Эксперимент 3. Исследование параллельного регистра с блокировкой записи.

Выводы по работе схемы (рис. 8).

Эксперимент 4. Исследование последовательного регистра.

Рис. 15. Временная диаграмма работы последовательного регистра

Эксперимент 5. Исследование параллельно-последовательного регистра.

Выводы по работе схемы (рис. 10).

Эксперимент 6. Исследование реверсивного регистра.

Выводы по работе схемы (рис. 11).

Эксперимент 7. Исследование универсального регистра сдвига на микросхеме

74LS194N.

Выводы по работе схемы (рис. 12).

14