Исследование четырёхразрядныйого универсального сдвигового регистра К155ИР1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование регистров

Цель работы: исследовать четырёхразрядный универсальный сдвиговый регистр К155ИР1;

закрепить теоретические знания об устройстве и принципе работы регистров.

Используемое оборудование и средства: лабораторный макет, источник питания.

Методические указания: Работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения

Регистр - устройство, предназначенное для хранения и преобразования многоразрядных двоичных чисел. В качестве запоминающих элементов в регистрах используются триггеры. Вспомогательные элементы используются для осуществления следующих операций:

· ввода и вывода из регистра хранимой информации;

· преобразования кода числа, хранящегося в регистре;

· сдвига числа влево или вправо на определённое число разрядов;

· преобразование последовательного кода числа в параллельный и наоборот и другие. Вспомогательные элементы обычно строятся на основе комбинационных схем.

По принципу хранения информации регистры делятся на статические и динамические. Статические регистры строят на потенциальных элементах памяти (триггерах), которые могут хранить информацию сколь угодно долго (при наличии напряжения питания). Динамические регистры строят на элементах памяти такого типа, как конденсатор, которые могут хранить информацию лишь в течение некоторого промежутка времени. Поэтому в динамических регистрах необходима регенерация записанной информации.

Регистры классифицируют по различным признакам, основными из которых являются способ ввода информации в регистр и её вывод и способ представления вводимой и выводимой информации.

По способу ввода и вывода информации регистры подразделяются на:

параллельные (регистры памяти);

последовательные (регистры сдвига);

параллельно-последовательные.

По способу вводимой и выводимой информации различают регистры однофазного и парафазного типа. В однофазных регистрах информация вводится либо в прямом, либо в обратном коде, а в парафазных - одновременно в прямом и обратном кодах. Вывод информации из регистров может осуществляться как в прямом, так и в обратном коде.

Различают одно- и многоканальные регистры в зависимости от числа источников информации, с которых она поступает на входы регистра.

Важнейшие характеристики регистров - разрядность и быстродействие. Разрядность определяется количеством триггеров. Быстродействие характеризуется максимальной тактовой частотой, с которой может производиться запись, чтение и сдвиг информации.

Регистры сдвига. Наиболее распространены регистры сдвига, предназначенные для преобразования информации путём её сдвига под воздействием тактовых импульсов. Такие регистры представляют собой совокупность последовательно соединённых триггеров, как правило, двухступенчатой структуры. По направлению сдвига информации различают регистры прямого сдвига (вправо, т.е. в сторону младшего разряда), обратного сдвига (влево, т.е. в сторону старшего разряда) и реверсивные, допускающие сдвиг в обоих направлениях.

В простейшем регистре триггеры соединены последовательно: выходы Q и ^Q предыдущего триггера передают бит данных на входы R и S последующего. Все тактовые входы С триггеров соединены параллельно. При таком включении единица, записанная в виде напряжений низкого и высокого уровней по входам R и S первого триггера, после подачи одного тактового импульса перейдёт во второй триггер, затем во время следующего тактового импульса она попадёт в третий триггер и так последует далее, до конца регистра. регистр информация код микросхема

Аналогично продвигается по регистру многоразрядное слово: оно поразрядно вводится на входы R и S первого триггера. Простейший регистр имеет один вход и один выход - последовательный. Вход управления также единственный - тактовый. Если ко входу каждого триггера добавить разрешающую логику, можно получить дополнительные, так называемые параллельные входы одновременной загрузки байта в регистр. Здесь, как правило, используют дополнительные защёлки, где фиксируются данные, поступившие на входы после прихода тактового импульса. В такую схему добавляют вход разрешения записи.

Можно предусмотреть также логическую схему, параллельного отображения на выходе состояния каждого триггера. Тогда после заполнения регистра от последовательного или параллельного входов по команде разрешения выхода накопленное цифровое слово можно отобразить поразрядно сразу на всех параллельных выходах. Для удобства поочерёдной выдачи от таких регистров - буферных накопителей, в шину данных обрабатывающего устройства - процессора параллельные выходы регистров снабжаются выходными буферными усилителями, имеющими третье, разомкнутое Z-состояние. По многопроводной шине данных процессор получает цифровое слово - байт от выхода того регистра, которому дана команда разрешения выдачи.

Рис 10.4.1. Регистр сдвига: а) - функциональная схема; б) - условное обозначение.

Наиболее широко распространены регистры сдвига на D-триггерах (рис. 10.4.1). Такие регистры имеют один информационный вход, вход для импульсов синхронизации (импульсов сдвига) и установочный вход R. Выходы в регистре могут быть с каждого разряда для считывания информации в параллельном коде. Также имеется один выход с последнего (относительно входа) разряда для считывания информации последовательно во времени, т.е. последовательным кодом. Вход регистра для импульсов сдвига получается объединением С-входов всех триггеров, а установочный вход - R-входов.

Перед записью информации регистр устанавливается в нулевое состояние подачей положительного импульса по шине «Уст. 0». Записываемая информация должна быть представлена последовательным кодом. Запись осуществляется поразрядно со стороны старшего (рис. 10.4.1) или младшего разряда (направление сдвига указывается стрелкой на условном обозначении регистра) путём продвижения кодовой комбинации с каждым тактовым импульсом от разряда к разряду. Следовательно, для записи N-разрядного слова необходимы N-импульсов сдвига.

Считывание информации последовательным кодом осуществляется, как запись, поразрядным сдвигом записанной кодовой комбинации к выходу с каждым тактовым импульсом. Следовательно, для считывания N-разрядного слова необходимы N импульсов сдвига. Считывание информации параллельным кодом происходит в паузе между последним импульсом сдвига одного цикла записи и первым импульсом сдвига другого цикла записи, т.е. в интервале времени, когда на С-входах триггеров нулевой уровень, и они находятся в режиме хранения.

Рис. 10.4.2. Разряд реверсивного регистра

Таким образом, с помощью регистра сдвига можно осуществлять преобразование информации из последовательной формы представления в параллельную. Очевидно, если предусмотрена запись информации параллельным кодом, то можно преобразовать информацию из параллельной формы представления в последовательную.

Регистры сдвига могут быть построены и на триггерах одноступенчатой структуры. В этом случае в каждом разряде регистра нужно использовать два триггера, которые управляются двумя сдвинутыми во времени тактовыми импульсами. Наличие двух триггеров в одном разряде позволяет поразрядно продвигать информацию в регистре от входа к выходу. Если бы в регистре были применены одноступенчатые триггеры по одному на разряд, то правило работы регистра было бы нарушено: при первом же импульсе сдвига информация, записавшись в первый разряд, перешла бы во второй, затем в третий и т.д.

Реверсивные регистры сдвига объединяют в себе свойства регистров прямого и обратного сдвига. Строятся они по тем же схемотехническим принципам, что и рассмотренные регистры, но с использованием дополнительных логических элементов в разрядных связях. Указанная особенность реверсивного регистра показана на примере i-разряда (рис. 10.4.2), состоящего из D-триггера и логической схемы, на входы которой поданы: Q_i-1-сигнал с выхода младшего разряда, Q_i+1-сигнал с выхода старшего разряда, V-сигнал управления направлением сдвига: V=1 - вправо, V=0 - влево.

Параллельные регистры. Предназначены для приёма, хранения и выдачи кода одного n-разрядного слова. Его можно рассматривать, как совокупность одноразрядных регистров, включающих триггер с комбинационными схемами и имеющих общие шины управления.

На рис. 10.4.3. представлена схема трёхразрядного регистра с приёмом информации параллельным однофазным кодом через логические элементы И (ЛЭ4 - ЛЭ6).

На логических элементах 2И-ИЛИ (ЛЭ1 - ЛЭ3) составлена выходная логика, которая позволяет считывать информацию из регистра как в прямом, так и в обратном коде в зависимости от значений разрешающего сигнала Т_выв.пр или Т_{выв.обр}.

Регистр выполнен на D-триггерах (Т1 - Т3). Запись информации осуществляется по входам D в соответствии с характеристическим уравнением D-триггера

.

Входное слово X=X1X2X3 поступает через схемы совпадения ЛЭ4 - ЛЭ6 и при Т_пр записывается в регистр.

Выходное слово У=У1У2У3 считывается через ЛЭ21 - ЛЭ3 с прямых Q₁, Q₂, Q₃ или инверсных ^Q₁, ^Q₂, ^Q₃ выходов. При Т_выв.пр=1 Т_{выв.обр}=0; У=Х, т.е. считывание происходит в прямом коде, а при Т_выв.пр=0 Т_{выв.обр}=1; У=^Х - считывание происходит в обратном коде.

Рис. 10.4.3. Схема параллельного регистра, в который информация вводится в прямом коде и выводится в парафазном на одну шину

Существуют многорежимные регистры. Их входные и выходные линии данных объединены и образуют так называемый порт данных. Это означает, что от шины данных процессора приходит один провод (а не два), который по команде служит или входным или выходным. Число сигнальных входов и выходов микросхемы за счёт портовой организации можно уменьшить в два раза.

Подробное рассмотрение регистров проведём на микросхеме К155ИР1.

Рис. 10.4.4. Схема четырёхразрядного сдвигового регистра К155ИР1

Рис. 10.4.5. Условное обозначение и цоколёвка микросхемы К155ИР1

Микросхема К155ИР1 является четырёхразрядным универсальным сдвиговым регистром (рис. 10.4.4). Его условное обозначение изображено на рис. 10.4.5. Каждый разряд образован синхронным RS-триггером, включённым по схеме D-триггера с прямым динамическим входом синхронизации. Он имеет четыре параллельных входа данных D0…D3 (выводы 2…5) и один последовательный вход данных S1 (вывод 1), а также четыре выхода Q0…Q3 (выводы 13…10) от каждого из триггеров. Регистр имеет два тактовых входа и , управляемых отрицательным перепадом (спадом) тактового импульса, и вход разрешения параллельной загрузки , который служит для выбора режима работы регистра.

Если на вход подано напряжение высокого уровня, то разрешается работа тактовому входу . В момент прихода на вход отрицательного перепада импульса в регистр загружаются данные от параллельных входов D0…D3.

Если на подать напряжение низкого уровня, то разрешается работа тактовому входу . С приходом отрицательного перепада тактового импульса на вход данные последовательно сдвигаются от входа S1 на выход Q0, затем на Q1, Q2, Q3 (т.е. вправо). Сдвиг данных по регистру влево будет происходить тогда, если соединить выход Q3 и вход D2, Q2 и D1, Q1 и D0.

Напряжение на входе разрешения можно менять только тогда, когда на тактовых входах и уровни низкие.

Такой регистр можно использовать в качестве элемента буферной памяти арифметических устройств, элемента задержки, преобразователь последовательных кодов в параллельные и наоборот, делителя частоты, распределителя импульсов и других устройств.

Задание на подготовку к работе

1. Изучить работу сдвигающих регистров.

2. Изучить порядок выполнения работы и подготовить необходимые схемы и таблицы.

3. Ознакомиться с интегральной схемой, входящей в макет (рис. 10.4.5).

Контрольные вопросы

1. Что такое регистр, какие функции он может выполнять?

2. Назовите типы регистров их возможные применения.

3. Изобразите схему регистра для хранения одного разряда двоичной информации.

4. В каких регистрах запись информации осуществляется параллельным кодом?

5. Поясните работу сдвигающего регистра.

Описание Лабораторного макета

Лабораторный макет выполнен на интегральной микросхеме серии 155. На рис. 10.4.6 представлена схема лабораторного макета. Условное обозначение микросхемы представлено на рис. 10.4.5. Микросхема представляет собой четырёхразрядный универсальный сдвиговый регистр, структура которого представлена на рис. 10.4.4. Принцип работы регистра был рассмотрен выше.

Лабораторная установка питается от источника постоянного напряжения 5В, подаваемого на входы U_П (превышение напряжения может привести к неисправности микросхемы). Положительный вывод источника питания подключается к разъёму «+», отрицательный - «-».

На передней панели макета имеется 6 тумблеров и 2 кнопочных переключателя, через которые осуществляется подача сигналов на входы регистра. С помощью тумблеров D0…D3 производится подача логических нулей (нижнее положение тумблеров) и логических единиц (верхнее положение тумблеров) на параллельные входы регистра. Кнопочный переключатель S1 осуществляет последовательную запись регистра (логическому нулю соответствует отжатая кнопка, логической единице - нажатая кнопка). Подача логической единицы сопровождается загоранием индикатора U¹. Тумблер тактовых входов С1 - С2 определяет на какой тактовый вход будет осуществляться подача синхроимпульса. С1 - соответствует последовательной загрузке со входа S1, а С2 - параллельной загрузке со входов D0…D3. Кнопочным переключателем «Импульсы» непосредственно осуществляется подача синхроимпульсов. Индикатор U⁰ соответствует либо отсутствию синхроимпульса, либо его отрицательному полупериоду, в случае необходимости подачи серии импульсов (для этого необходимо кнопочный переключатель «Импульсы» зафиксировать в нажатом состоянии на необходимое количество импульсов). Индикатор U¹ соответствует положительному полупериоду синхроимпульса. Тумблер определяет режим загрузки триггера (U¹ - в регистр загружаются данные с параллельных входов D0…D3, U⁰ - в регистр загружаются данные с последовательного входа S1).

В качестве индикаторов сигналов на выходах Q0…Q3 используются светодиоды (на макете они обозначаются L0…L3).

Рис. 10.4.6. Схема лабораторного макета.

Порядок выполнения работы

1. Исследование регистра в режиме параллельной записи двоичной информации.

Подключите источник постоянного напряжения 5В, соблюдая полярность, к входам U_П.

На вход подайте напряжение логической единицы, переключатель переведите в положение U¹.

Переключатель С1 - С2 установите в положение С2.

Подайте на параллельные входы сигналы логических нулей и единиц в соответствии с табл. 10.4.1, переключая тумблеры D0…D3 в соответствующие положения.

Кнопочным переключателем «Импульсы» осуществить подачу синхроимпульса. Результаты записи отображаются на индикаторах.

Таблица 10.4.1

Сделайте вывод о влиянии подачи сигналов на последовательный вход S1. Результаты занесите в табл. 10.4.1. Объясните полученные результаты.

2. Исследование регистра в режиме последовательной записи двоичной информации.

На вход подайте напряжение логического нуля, переключатель переведите в положение U⁰.

Переключатель С1 - С2 установите в положение С1.

Подайте на последовательный вход S1 последовательность сигналов 1010 (кнопочным переключателем S1). Для этого необходимо сначала подать требуемое значение S1, нажатием кнопочного переключателя S1, а затем нажатием кнопочного переключателя “Импульсы” подать синхроимпульс С1. Результаты записи отображаются на индикаторах.

Полученные результаты занесите в табл. 10.4.2.

Таблица 10.4.2

Объясните полученные результаты.

3. Исследование регистра в режиме сдвига двоичной информации.

Занесите значение последней строки состояния регистра (табл. 10.4.2) в первую строку табл. 10.4.3.

Переключатель С1 - С2 установите в положение С1.

Подайте на последовательный вход S1 последовательность сигналов 1011 (кнопочным переключателем S1). Сначала подаётся сигнал S1, а затем сигнал «Импульсы». Результаты записи отображаются на индикаторах.

Полученные результаты занесите в табл. 10.4.3.

Таблица 10.4.3

Сделайте вывод о направлении сдвига информации.

Размещено на Allbest.ru