Лабораторная работа № 6 изучение регистров

Цели работы:

1. Ознакомиться с назначением и принципом действия Регистров.

2. Собрать и исследовать работу параллельного последовательного (сдвигового) и универсального регистров на ИМС KI55TM2, KI55TM5 и К155ИР1.

Теоретическая часть

Регистр - это узел цифровой ЭВМ, предназначенной для приёма, хранения, выдачи и преобразования информации. В устройстве упра­вления ЭВМ регистр принимает из запоминающего устройства и хранит код команды, которая будет выполняться в течение очередного такта ра­боты машины. В АЛУ регистр передает в сумматор слагаемые, а также осуществляет сдвиг чисел на определенное число разрядов вправо или влево при осуществлении таких операций, как умножение, деление и др. Их также можно использовать для преобразовании параллельного кода числа в последовательный и наоборот. В автоматических устройствах регистры могут применяться как самостоятельные узлы в распределителях кольцевых счетчиках, переключающих устройствах и др.

В качестве элементов хранения в регистрах используются RS, JK и D триггеры. Их число соответствует количеству разрядов кода числа. Кроме триггеров в состав регистров входят логические элементы. На практике применяются различные способы записи информации (чисел) в регистр и ее считывания из регистра. В соответствии с этим регистры делятся на параллельные, последовательные (сдвиговые) и параллельно-последовательные. В параллельном регистре все разряды числа вводятся и выводятся одновременно, причем каждый разряд по своей шине, т.е. в параллельной форме. В последовательном регистре разряды числа вводятся и выводятся последовательно, разряд за разрядом, по одной входной и выходной шине. В параллельно-последовательном регистре ввод числа может быть произведен в парал­лельной форме, а вывод в последовательной или наоборот.

Практическая реализация всех этих методов записи и считывания информации обеспечивается различными способами соединения между собою триггеров, входящих в состав регистра.

Так, в одной из возможных схем параллельного регистра (регистра хранения), представленной на рис. 1, основной частью ("хранилищем" информации) является n синхронных RSC-тригге­ров, связанных между собой только по синхровходам "С". Такая связь обеспечивает одновременную (синхронную) работу всех триг­геров по разрешающему сигналу на шине "С". Следует отметить, что объединение синхровходов характерно для схем регистров всех типов. Существенно, что входы и выходы триггеров друг с другом не связаны. Это обеспечивает независимое от состояния других триг­геров регистра функционирование каждого триггера, что необходи­мо для параллельного ввода и вывода информации. Разрядность ре­гистра определяется количеством триггеров, входящих в его состав. Обнуление, прием и выдача информации производится не в любой момент времени, а только по команде. Для выполнения этого требо­вания в схеме рис. 1 предусмотрены специальные шины ("Уст. 0", "Прием", "Выдача информации"), с которыми через конъюнкторы сое­диняются соответствующие входы и выходы триггеров регистра. Для установления регистра в нулевое состояние нужно одновременно по­дать сигнал "1" на шину "Уст. 0" и на шину "С". Запись информации, поступившей на входы X, производится при подаче сигнала "1" на ши­ны "Прием" и "С". Выдача информации в прямом и обратном коде происходит при подаче единичного сигнала на соответствующую шину.

Простой параллельный регистр может быть собран и на синхронных D-триггерах (рис. 2). Работа этого регистра отличается от рассмотренного выше только способом обнуления и отсутствием специальных шин для выдачи информации в прямом и обратном коде. Для обнуления регистра нужно подать "0" на все информационные входы X и "1" на шину "С".

2. В последовательном (сдвиговом) регистре информация записывается в последовательном коде, а выдаваться может как в по­следовательном, так и в параллельном. Следовательно, такой регистр является преобразователем последовательного кода в парал­лельный. Кроме того, в последовательном регистре можно осущест­вить сдвиг двоичных чисел в сторону старшего (влево) и младшего (вправо) разрядов, на один или несколько разрядов одновременно,

Для построения последовательного регистра нужно его триггеры (каждый из которых соответствует разряду числа) соединить по­следовательно и обеспечить передачу информации из каждого разряда в последующий с одновременным приемом новой информации из преды­дущего. При этом следует учесть, что прием и передача информации триггером не могут происходить одновременно, поэтому их необходи­мо разделить во времени в каждом разряде регистра. Это можно осу­ществить за счет применения двухступенчатых синхронных JК- и RS-триггеров или синхронных JК- и D-триггеров с динамическим управ­лением записью. В регистре, реализованном на двухступенчатых JК-триггерах (рис. 3), выходы одного триггера соединены со входами другого. Если в регистр записывают двоичное число, начиная с млад­шего разряда, то левый триггер регистра будет хранить старший раз­ряд числа, а правый - младший. Можно записывать двоичное число в регистр, начиная со старшего разряда, но в этом случае входной триггер будет представлять младший разряд, а последний (правый) - старший. В дальнейшем будем записывать (если это не оговорено осо­бо) число в регистр, начиная с младшего разряда. По фронту такто­вого импульса во входную (первую) ступень каждого триггера будет записываться информация из выходной (второй) ступени предыдущего триггера, а по его срезу она будет переписываться в выходную сту­пень. С приходом фронта следующего тактового импульса во входной ступени триггера информация может быть заменена новой (из преды­дущего триггера), при этом предыдущая информация сохраняется во второй ступени; она заменится новой по срезу тактового импульса. В триггерах с динамическим управлением записью прием инфор­мации происходит за время фронта или среза тактового импульса, а смена выходной информации (изменение состояния выходa триггера) происходит с некоторой задержкой во времени, (которое может превышать время фронта или среза синхроимпульса), вызванной переход­ными процессами при переключении самого триггера.

На рис. 4 представлен один из вариантов последовательного 4-х разрядного регистра на D-триггерах с динамическим управлением (по фронту). Перед записью двоичного числа регистр обнуляют, по­дав сигнал "0" на шину "Уст. 0". Четырехразрядное двоичное число подается на вход регистра, начиная с младшего разряда этого числа, и за время фронта тактового импульса сигнал X (0 или 1) со входа D регистра воспримется триггером Т₁ и придет на его выход Q₁ с некоторой задержкой, большей времени фронта синхроимпульса (задержка вызвана переходными процессами в триггере). Из-за этой за­держки сигнал X не воспринимается другими триггерами регистра, кроме T₁, т.к. X появится на выходе Q₁ уже после окончания действия фронта синхроимпульса на объединенные входы С всех триг­геров, в течение которого они только и способны воспринимать ин­формацию со своих D-входов. А т.к. D-вход каждого последующего триггера регистра соединен с Q-выходом предыдущего, то приход синхроимпульса приведет к переключению выхода каждого последующего триггера в то состояние, которое было на выходе предыдуще­го до прихода тактового импульса. Иначе говоря, приход синхроим­пульса вызовет следующие переключения:

Каждый тактовый импульс сдвигает код числа в регистре на один раз­ряд вправо. Для записи N-разрядного числа требуется N тактовых импульсов. Для выдачи в последовательном коде записанного чис­ла нужно на вход регистра подать x = 0, а на вход "С" - N так­товых импульсов, при этом число считывается с выхода Q₄ триггера младшего разряда. Одновременно происходит стирание информации из регистра (обнуление). Считывание информации в параллельном ко­де производится с выходов .

3. Внеся некоторые изменения в схему 3 рис. 4, можно получить регистр, сдвигающий влево.

4. Регистры, в которых сдвиг информации может быть осуществ­лен как вправо, так и влево, называются реверсивными.

5. Параллельно-последовательные регистры используются для преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот. Для приема числа в параллельной форме он должен иметь триггеры с нетактируемыми входами S и R (см. рис. 3), с помощью которых можно получить параллельный регистр, подобный рассмотренному на рис. 1. Информация в последовательном коде снимается с выхода триггера младшего разряда при подаче на вход "С" тактовых импульсов. При преобразовании последовательного кода в параллельный число вво­дится в регистр последовательно разряд за разрядом, а снимается одновременно с выходов всех триггеров.

В качестве примера рассмотрим ИМС К155ИР1, представляющую собой универсальный регистр. Он состоят из 4-х динамических триг­геров (подобно тому, как показано на рис. 4) и логических элемен­тов. ИМС К155ИР1 может выполнять следующие операции: ввод инфор­мации параллельным и последовательным кодом, сдвиг информации вправо и влево, хранение. Условное изображение регистра KI55KPI показано на рис. 7. Регистр имеет два синхровхода: C₁ и С₂, для работы в режиме сдвига вправо и влево и в режиме параллельной записи (С₂), управляющий вход выбора режима V2, пять информацион­ных входов (V₁ для ввода информации в последовательном коде и четыре входа D₁ — D₄ для записи информации в параллель­ном коде), а также четыре выхода Q1 - Q4 с каждого разряда ре­гистра. Триггеры, образующие регистр, двухступенчатые, срабаты­вающие по перепаду из 1 в 0 (по срезу) входных импульсов, посту­пающих на один из тактовых входов C₁ или С₂. Рабочий режим регист­ра определяется уровнем сигнала на входе V₂.