В начало

Лабораторная работа

 «Изучение работы регистров и счётчиков»

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить назначение, структуру, принцип действия и функционирование регистров и счетчиков.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

РЕГИСТРЫ - это устройства для хранения и преобразования многоразрядных двоичных чисел. Одиночный триггер может запоминать один разряд двоичной информации (бит). Соединяя соответствующим образом набор триггеров (по количеству разрядов двоичного числа), получаем регистр.

Основные операции, которые выполняет регистр:

·   запись (ввод) информации в регистр;

·   хранение информации;

·   возможное преобразование информации (в сдвиговых регистрах);

·   чтение (вывод) информации.

Регистры делятся на две основные группы:

1. регистры накопительные (памяти, хранения);

2. регистры сдвига.

 

РЕГИСТРЫ ПАМЯТИ - простейший вид регистров. Их назначение - хранение в течение короткого отрезка времени небольшого объёма информации. Такой регистр представляет собой набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд двоичного числа.

Ввод (запись) и вывод (считывание) информации производится одновременно во всех разрядах параллельным кодом. Ввод обеспечивается командным импульсом. С приходом очередного импульса "запись" происходит обновление информации в регистре. Сигналы на выходах триггеров представляют выходную информацию регистра. Считывание может производиться в прямом и обратном (с инверсных выходов) кодах. В качестве элементов регистра могут быть использованы многие типы синхронных триггеров (обычно D).

На рис.1 представлена схема 4-х разрядного регистра с параллельным вводом и выводом информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При подаче синхросигнала С (команда "WR") информация со входов Di передаётся на выходы Qi. После снятия сигнала С регистр переходит в режим хранения принятой информации и выдачи её на выходы.

Наращивание разрядности регистров памяти достигается добавлением нужного числа триггеров.

Для отключения регистра от выходных шин, схема может добавляться элементами с Z-состояниями (третье состояние ЛЭ, когда он имеет высокое сопротивление и не влияет на логические уровни выходной шины).

 

РЕГИСТРЫ СДВИГА. В этих регистрах триггеры разрядов связаны между собой, что позволяет помимо операции хранения информации производить операции преобразования информации, арифметические и логические операции. В названии отражается характерная для этих устройств операция сдвига, которая состоит в том, что с приходом каждого тактового импульса происходит перезапись содержимого триггера каждого разряда в соседний разряд без изменения порядка следования нулей и единиц. Перемещение всех цифр кода в направлении от старших разрядов к младшим называется сдвигом вправо, а от младших к старшим - сдвигом влево. Сдвиг кода влево на один разряд соответствует умножению по основанию двоичной системы счисления Р=2, а сдвиг влево - делению. Это объясняется тем, что вес каждого разряда в позиционной системе счисления определяется его местом в записи числа.

Регистры однонаправленного сдвига (только влево или только вправо) получаются соответствующим соединением выходов и входов триггеров регистра: в регистре, осуществляющем сдвиг вправо, выход триггера старшего разряда соединяют со входом триггера млад шего разряда; в регистре, осуществляющем сдвиг влево, наоборот, сигнал с выхода триггера младшего разряда подаётся на вход триггера старшего разряда. Характер связей триггеров обоих случаях поясняет рис.2 (а - сдвиг вправо, б - сдвиг влево).

Такое соединение триггеров определяет одно из главных назначений сдвигающих регистров - преобразование параллельного кода в последовательный. Для этого нужно записанный код сдвигать до тех пор, пока он не будет полностью выдвинут из регистра. Выход крайнего разряда служит в данном случае выходной шиной последовательного кода. Аналогично может выполняться и обратное преобразование - код может быть введён в регистр последовательно разряд за разрядом, а считан в параллельной форме, т.е. одновременно с выходов всех разрядов.

Регистры, в которых сдвиг информации может быть осуществлён как вправо, так и влево, называют реверсивными. Для этого межразрядные связи, т.е. соединения отдельных триггеров, выполняются с помощью мультиплексоров, подключающих ко входу триггера выход триггера либо старшего, либо младшего разрядов. Схема отдельного i-го разряда такого регистра приведена на рис.3.

D-вход i-го триггера связан с выходами соседних разрядов Q(i+1) и Q(i-1) с помощью логического элемента 2И-ИЛИ, выполняющего роль мультиплексора. Помимо сигналов Q(i+1) и Q(i-1) на его входы подаётся сигнал V, управляющий направлением сдвига. При V=1 на вход D поступает сигнал

 

 V * Q(i-1) + V * Q(i+1) = 1 * Q(i-1)+0 * Q(i+1) = Q(i-1) ,

 

т.е. регистр осуществляет сдвиг влево. При V=0 имеет место сдвиг вправо.

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СЧЁТЧИКИ-ДЕЛИТЕЛИ. Ниже рассматриваются четырёхразрядный реверсивный счётчик МС К155ИЕ7 аналогичную структуру имеет счётчик МС К155ИЕ6. Различия между ними  только в модуле счёта: для К155ИЕ6 К=10, а для К155ИЕ7 К=16

МС К155ИЕ7 (см. рис. 4) имеет счётные входы “+1” ”-1”. Последовательность входных импульсов подаётся на один из этих входов в зависимости от того, в какаом направлении (прямом или обратном) требуется вести счёт. Входы D1, D2, D4, D8 предназначены для ввода в счётчик исходного числа, с которым суммируется счётные импульсы (в режиме сложения), либо из которого оно вычитаюся (в режиме вычитания). Ввод данных осуществляется подачей сигнала записи низкого уровня на вход С.

Вход R служит для установки нуля на всех выводах счётчика. При нормальной работе он должен быть зазаемлён.

Выводы Q1, Q2, Q4, Q8 – прямые выходу разрядов счётчика. Каждый разряд счётчика это JK-триггер с двухступенчатой структурой (MS-структура).

На выходах >n< формируются сигналы переполнения (переноса) низкого уровня при переходе счётчика из состояния 1111 в 0000 в режиме суммирования и при переходе от состояния 0000 к 1111 в режиме вычитания.

Сигналы переполнения можно использовать для циклической записи в счётчик информации со входов D1, D2, D4, D8. Для этого нужно соеденить вход С с выходом >или<. При этом модуль счёта будет определятся двоичным числом M на входах D1, D2, D4, D8. В частности, для суммирующего счётчика он будет равен 15 – М.

 

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Этот раздел работы выполняется на стенде RG.1.

1.    Зарисуйте цоколевки микросхем  (МС) на стенде RG.1.

2.    Изучите соединения выводов МС DD1-DD4 и нарисуйте принципиальную схему собранного на них четырехразрядного реверсивного регистра. Чтобы не загромождать рисунок, не наносите на него соединения входов S триггеров МС К155ТМ2 (цепи записи кода в регистр) и выходов Q (чтения числа из регистра в параллельной форме).

3.    Пользуясь схемой, определите какие сигналы следует подавать на шины "à " и "ß " для получения: а) сдвига вправо; б) сдвига влево.

4.    Разберитесь, как осуществляется предварительная запись кода в регистр (MC DD5) и считываются числа из регистра (MC DD6). Нарисуйте схемы записи и считывания для одного из разрядов регистра.

5.    Выясните, какие сигналы (лог. 1 или лог. 0) следует поддерживать на входах X2 или Х4, чтобы в старший или младший разряды регистра записывалась лог. 1.

6.    Введите в регистр какое-либо 4-разрядное число: а) со стороны старшего разряда; б) со стороны младшего разряда. Сигнал синхронизации на шину С подавайте с выхода Х11 генератора одиночных импульсов на DD8, формирующего единичный сигнал при нажатии кнопки SB1. Последовательность ввода представьте в виде таблицы

 

 

7.    Познакомьтесь с работой кольцевого регистра. Они образуются при соединении выхода и входа регистра (см. рис. 1). Кольцевые регистры используются там, где нежелательна потеря кода при его преобразовании из параллельной формы в последовательную. Они также находят применение в устройствах цифровой задержки. Запишите в регистр какой-либо код. Получите (см. рис. 1)  кольцевой регистр, сдвигающий: а) вправо; б) влево. Пронаблюдайте его работу, подавая тактовый сигнал на шину синхронизации С. Результаты сведите в таблицу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

Рис. 2. Соединение триггеров регистра при  сдвиге вправо а) и влево б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схема одного разряда реверсивного сдвигового регистра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Структура и условное изображение МС К155ИЕ5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Условное изображение МС К155ИЕ7