Что такое регистр?
Регистр это устройство, выполненное на триггерах для выполнения ряда действий с двоичными числами. Для тех, кто не знает, что такое триггер, рекомендуем познакомиться с простейшим RS-триггером.
Наиболее простая функция регистров — это запоминание числа и его длительное хранение. Эти устройства так и называются – регистры хранения. Вот простейший пример.
На входы D0 – D2 подаётся число, которое необходимо сохранить. Как только на входе С появляется импульс синхронизации, число записывается в триггер, изменяя их состояние. На рисунке показан трёхразрядный регистр хранения. При подаче на входы числа 1112 оно же появится на прямых выходах триггеров (Q0 — Q2). На инверсных выходах (Q0 — Q2) будет, естественно 0002. Сигналом R (Reset) или сброс, триггеры устанавливаются в нулевое состояние.
Обычно используются регистры, состоящие из 4, 8, или 16 триггеров. Изображение четырёхразрядного регистра на принципиальных схемах может быть таким.
На рисунке не показаны инверсные выхода триггеров и сигнал R. Регистры всегда обозначаются латинскими буквами RG. Если регистр сдвигающий, то под обозначением рисуется стрелка направленная влево, вправо или двойная.
Сдвигающие регистры или регистры сдвига.
Регистр сдвига это устройство, состоящее из нескольких последовательно соединённых триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Регистры широко используются в вычислительной технике для преобразования кодов. Параллельного в последовательный и наоборот.
Кроме того сдвигающие регистры являются основой (АЛУ) арифметико-логического устройства, так как при сдвиге записанного в регистр двоичного числа на один разряд влево производится умножение числа на два, а при сдвиге числа на один разряд вправо число делится на два. Поэтому наибольшее распространение получили реверсивные или двунаправленные регистры.
Рассмотрим четырёхразрядный регистр сдвига, преобразующий последовательный двоичный код в параллельный. Применение последовательного кода оправдано тем, что по одной линии можно передавать огромные массивы информации. Таким примером может служить универсальная последовательная шина — USB порт любого устройства. Число триггеров в данном регистре может быть любым. Достаточно соединить прямой выход Q3 с D входом следующего триггера и так далее до достижения необходимой разрядности.
Регистр работает следующим образом. Первый информационный бит поступает на вход D0. Одновременно с этим битом приходит тактовый синхроимпульс на вход С. Входы С всех триггеров входящих в регистр, объединены между собой. С приходом первого тактового импульса уровень, находящийся на входе D0 записывается в первый триггер и с выхода Q0 приходит на вход следующего триггера, но записи во второй триггер не происходит, так как синхроимпульс уже закончился.
При поступлении следующего тактового импульса уровень, присутствующий на входе второго триггера запоминается в нём и поступает на вход третьего триггера. Одновременно следующий информационный бит запоминается в первом триггере. После прихода четвёртого тактового импульса в четырёх триггерах регистра будут записаны логические уровни, которые последовательно поступали на вход D0.
Допустим это уровни 01102. Тогда это двоичное число можно отобразить, подключив к выходам триггеров светодиоды. Так рассмотренный регистр изображается на принципиальной схеме.
Видно, что на условном изображении присутствует стрелка — указатель того, что это сдвиговый регистр.
Рассмотрим, как работает четырёх разрядный универсальный регистр сдвига К155ИР1 (аналог — SN7495N). Вот его внутреннее устройство.
Регистр содержит четыре D-триггера, которые соединены между собой с помощью дополнительных логических элементов И – ИЛИ, которые позволяют реализовать различные функции. На схеме:
- V2 – вход управления. С его помощью выбирается режим работы регистра.
- Q1 – Q4 выходы триггеров с которых снимается параллельный код.
- V1 – вход для подачи последовательного кода.
- C1, C2 – тактовые синхроимпульсы.
- D1 – D4 – входы для записи параллельного кода.
Алгоритм работы регистра следующий. Если на вход V2 подать низкий потенциал, тактовые импульсы на C1, а на вход V1 подавать информационные биты, то регистр осуществляет сдвиг вправо. После приёма четырёх разрядов на выходах триггеров Q1 – Q4 мы получаем параллельный код. Таким образом осуществляется преобразование последовательного кода в параллельный.
Для обратного преобразования параллельный код записывается по входам D1 – D4, с подачей на вход V2 высокого потенциала и тактовых импульсов на вход С2. Затем подавая на вход V2 низкий потенциал, а тактовые импульсы на вход С1 мы сдвигаем записанный код, а с выхода последнего триггера снимается последовательный код.
По своей структуре это один из самых простых регистров сдвига.
Регистры сдвига в цифровой технике могут послужить основой, на которой собираются узлы с интересными свойствами. Это, например, кольцевые счётчики, которые называются счётчики Джонсона. Такой счётчик имеет количество состояний вдвое большее, чем число составляющих его триггеров. Например, если кольцевой счётчик состоит из трёх триггеров, то он будет иметь шесть устойчивых состояний. На вход счётчика ничего не подаётся кроме синхроимпульсов. В первоначальном состоянии все триггеры «сброшены», то есть на прямых выходах триггеров логические нули, а вот на входе D первого триггера с инверсного выхода третьего триггера находится логическая единица. Начнём подавать тактовые импульсы и процесс пошёл.
На таблице истинности хорошо видно, как изменяется двоичный код при поступлении шести тактовых импульсов.
| N | Q2 | Q1 | Q0 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 2 | 0 | 1 | 1 |
| 3 | 1 | 1 | 1 |
| 4 | 1 | 1 | 0 |
| 5 | 1 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 0 |
Теперь вы знаете, что такое регистр и как он может использоваться на практике. Основа любого регистра — это триггер. Число триггеров в регистре определяет его разрядность. Те, кто увлекается микроконтроллерами знает, что важнейший элемент любого микроконтроллера, будь то PIC, AVR, STM или MSP, это регистр.
Сколько триггеров в алу
Every people has right on left
Chia ulo havas rajton sur levo
Каждый человек имеет право на лево
(Н. Фоменко)
CopyLeft (L) Юрий А. Денисов
(yudenisov)
Все права защищены
D.1.1. Элементная база АЛУ
На уровне логических схем АЛУ состоит из логических элементов, сумматоров, триггеров и некоторых других элементов.
Логический элемент – электронная схема, реализующая элементарную переключающую функцию. [А.П. Заморин и др. Вычислительные машины, системы, комплексы. Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 264 с.: ил. – стр. 31.] При реализации функций переключения входные переменные соответствуют входным сигналам, а выходной сигнал представляет собой значение функции. Всего существует десять логических элементов, реализующих десять логических (элементарных или сложных) функций. Их определения находятся в таблице D.1.I. Реализацию же логических элементов смотри в разделе C.1.2.
Реализуемые логические функции и обозначения логических элементов (Заморин, стр. 22.)
Логическая схема может реализовать сложную функцию алгебры логики, а может входить в состав другого функционального блока процессора (сумматора, дешифратора, регистра, триггера.)
Триггер – электронная схема с двумя устойчивыми состояниями, предназначенная для хранения одного бита информации. Триггер переходит из одного устойчивого состояния в другое при воздействии некоторого входного сигнала. Триггер имеет вход для установки в состояние 0 (X0) и в 1 (X1). На выходе выдается состояние триггера, которое выдается в прямом (Y) и в инверсном (Y1) виде. В компьютерах используют синхронизируемые и не синхронизируемые триггеры. Синхронизируемый триггер – это триггер, изменение состояния которого осуществляется только в момент подачи сигнала синхронизации V.
В зависимости от способа управления различают несколько типов триггеров: D- (с одним входом), RS- (с двумя входами), T- (со счетным входом), RST- (с двумя входами и счетным выходом) триггеры, и универсальные триггеры: JK- и DF-триггеры. Обозначение триггеров показано на рисунке D.1.1. [Заморин, рис. 1.1.стр. 21]
Триггеры, как правило, выполняются на логических элементах ИЛИ-НЕ, И-НЕ (рисунок D.1.2.) Если триггеры выполняются на логических элементах И-НЕ, то это триггеры с инверсным управлением; если на элементах ИЛИ-НЕ, то это триггеры с прямым управлением.
Рис. D.1.2. Схема реализации триггера — защелки на элементах И-НЕ (a) и ИЛИ-НЕ (b).
Триггер-защелка фиксирует состояние входного сигнала, поданного на один из его входов (рисунок D.1.2.)
Рис. D.1.3. Схема реализации RS-триггера на элементах И-НЕ.
RS-триггер – двухвходовый триггер с раздельными входами для установки в 0 или 1 (рисунок D.1.3.) При подачи единичного сигнала на вход R (-X0) триггер переходит в состояние 0 (Y=0, Y1=1), а при подачи на вход S (=X1) единичного сигнала – в состояние 1 (Y=1, Y1=0). Одновременная подача единичного сигнала на оба входа запрещена. Обычно RS-триггеры бывают синхронизируемыми (вход для синхронизации – V).
Рис. D.1.4. Схема реализации T-триггера.
T-триггер – одновходовый триггер со счетным входом: информация подается одновременно на два входа. При подаче сигнала состояние триггера меняется на противоположное (рисунок D.1.4.) Он, как правило, является не синхронизируемым, и позволяет не только хранить информацию, но и осуществлять сложение по модулю 2.
Рис. D.1.5. Схема реализации D-триггера.
D-триггер выполняет функцию задержки входного сигнала на один такт синхронизации (рисунок D.1.5.). Сигнал, появившийся на входе D (=X0) в момент времени T, задерживается в нем и появляется на выходе Y в момент времени T+1.
JK-триггер – двухвходовый триггер, допускающий раздельную установку состояния 0 и 1, а также смену текущего состояния (режим со счетным входом), осуществляемую при подаче на оба входа единичного сигнала. Вход K в этом триггере соответствует входу R (=X0) RS-триггера, а вход J – S (=X1).
DF-триггер – двухвходовый триггер, позволяющий по одному входу реализовать режим D-триггера, а по другому – модифицировать режим работы. Вход D соответствует X1, а F – X0. При F=0 DF-триггер сохраняет текущее состояние. Сигнал F=1 устанавливает триггер в состояние 0. При D=1 и F=1 триггер устанавливается в состояние 1.
Триггеры с неустойчивыми состояниями называются вибраторами. Схема с одним неустойчивым состоянием (триггер Шмидта, одновибратор ) генерирует импульсный сигнал определенной длительности. Схема с двумя неустойчивыми состояниями называется мультивибратором и служит для генерации последовательности прямоугольных сигналов. Он используется тактовым генератором.
Рис. D.1.6. Реализация регистра.
Регистр – схема для приема, хранения и передачи n-разрядного блока данных Они используются для промежуточного хранения, сдвига, преобразования и инверсии данных. Регистры выполняются на триггерах и логических элементах. Их число и тип определяются разрядностью слова и назначением регистра. Если регистр не требует предварительного сброса данных (то есть установки всех его ячеек в ноль), то новые данные заменяют в нем старые. Схема регистра показана на рисунке D.1.6.
Рис. D.1.7. Реализация одноразрядного сумматора с переносом знака.
Сумматор – схема, выполняющая операцию арифметического сложения двух чисел. Различают одно- и многоразрядный (на всю длину суммируемых слов) сумматоры, полный сумматор (с приведением переносов) и полусумматор (с запоминанием переносов).
В зависимости от числа входов сумматоры бывают двухвходовыми и трехвходовыми. В двухвходовом одноразрядном сумматоре на вход подаются два разряда суммируемых чисел, а на выходе формируется результат сложения разрядов по модулю 2 и перенос в следующий разряд. В трехвходовом одноразрядном сумматоре на вход подаются два разряда суммируемых чисел и результат переноса из суммирования предыдущих разрядов, а на выходе – результат суммирования по модулю 2 и перенос в следующий разряд. Схема трехвходового сумматора показана на рисунке D.1.7.
Дешифратор – логическая схема, преобразующая входное n-разрядное двоичное слово в единичный сигнал на одном из 2^n входов. Обратную функцию выполняет схема, называемая шифратором. Дешифраторы широко используются в устройствах управления для управления работой микропроцессорами.
Copyright © Юрий А. Денисов. 2000-2002 г.
В настоящее время проект закрыт (в версии 1.00.3 alpha). Автор приносит извинения за прекрашение разработки.
��Триггеры и сумматоры Устройства АЛУ
Вы можете ознакомиться и скачать Триггеры и сумматоры Устройства АЛУ. Презентация содержит 18 слайдов. Презентации для любого класса можно скачать бесплатно. Если материал и наш сайт презентаций Вам понравились – поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте в закладки в своем браузере.
Слайды и текст этой презентации
Слайд 1
Описание слайда:
Триггеры и сумматоры Устройства АЛУ
Слайд 2
Описание слайда:
Основные устройства АЛУ АЛУ – арифметическо-логическое устройство, входит в состав процессора Выполняет арифметические и логические операции Состоит из устройств, построенных на логических элементах: Триггеры Полусумматоры Сумматоры Шифраторы Дешифраторы Счетчики Регистры
Слайд 3
Описание слайда:
Триггер Триггер — это устройство последова-тельного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназна-ченное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется. В переводе – защелка, спусковой крючок
Слайд 4
Описание слайда:
Триггер RS-триггер или SR-триггер — триггер, который сохраня-ет своё предыдущее состоя-ние при нулевых входах, и меняет своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы. При подаче единицы на вход S (от английского англ. Set — установить) выходное состо-яние становится равным единице. А при подаче единицы на вход R (от английского англ. Reset — сбросить) выходное состоя-ние становится равным нулю.
Слайд 5
Описание слайда:
Триггер Один триггер хранит бит информации. Для хранения 1 байта необходимо ? триггеров
Слайд 6
Описание слайда:
Регистр Несколько триггеров можно объединить в регистр – устройство для хранения чисел с двоичным представлением цифр разрядов, которыми можно представить и адрес, и команду, и данные. Регистры содержатся в различных вычислительных узлах компьютера – процессоре, периферийных устройствах и т. д. Основными видами регистров являются параллельные и последовательные (сдвигающие).
Слайд 7
Описание слайда:
Регистр параллельный Параллельный регистр служит для запоминания многоразрядного двоичного (или недвоичного) слова. Количество триггеров, входящее в состав параллельного регистра определяет его разрядность. Какова разрядность представленного на рисунке регистра?
Слайд 8
Описание слайда:
Регистр последовательный Здесь выход одного триггера подключен к входу последующего. Основное применение последовательного регистра — преобразование последовательного кода в параллельный. Например, при передаче кода символа с клавиатуры
Слайд 9
Описание слайда:
Типы регистров Сумматор – регистр АЛУ, способный производить сложение, участвует в выполнении каждой арифметической операции Сдвиговый регистр – предназначен для выполнения операции сдвига Счетчики – схемы, способные считать поступающие на вход импульсы Счетчик команд – регистр устройства управления процессора (УУ), содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти Регистр команд – регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимой для ее выполнения. Часть его используется для хранения кода операции, остальные – для хранения кодов адресов операндов
Слайд 10
Описание слайда:
Сумматор Сумматор является центральным узлом арифметическо-логического устройства компьютера Сумматор выполняет сложение много-значных двоичных чисел Он представляет собой последовательное соединение одноразрядных двоичных сум-маторов, каждый из которых осуществляет сложение в одном разряде. Если при этом возникает переполнение разряда, то перенос суммируется с содержимым старшего соседнего разряда
Слайд 11
Описание слайда:
Сумматор По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров различают: полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд); полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд).
Урок 8.4 Триггеры, регистры, счетчики
На предыдущем уроке мы рассмотрели логические элементы, состояние сигнала на выходе которых однозначно определяется состояниями сигналов на входах.
Логические элементы служат основой для создания более сложных цифровых устройств, одним из которых является триггер. Триггер – это целый класс электронных устройств, которые могут длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний после прекращения сигнала, меняющего состояние. Состояние выхода триггера определяется не только сигналами на его входах, но и предыдущим состоянием устройства. Таким образом, триггер является простейшей однобитной ячейкой памяти.
RS-триггер
Самый простой триггер можно получить из двух логических элементов 2ИЛИ-НЕ:
Такая схема представляет собой асинхронный RS-триггер.
Он имеет два входа: S (set) – установка, R (reset) – сброс, и два выхода: Q (прямой) и Q с чертой сверху (инверсный, НЕ_Q).
При подаче сигнала логического нуля на оба входа триггера, его выходы будут установлены в произвольное состояние. Допустим, Q = 0, а НЕ_Q =1. Если на вход S подать «1», то состояние выхода Q скачкообразно изменится на «1», а НЕ_Q — на «0». И это состояние будет поддерживаться в независимости от того «0» или «1» подано на вход S, что и является проявлением свойства памяти.
Соответственно, при подаче уровня «1» на вход R выход Q станет «0», а НЕ_Q – «1».
Длительность устанавливающих импульсов может быть очень короткой, и ограничена физическим быстродействием логических модулей, из которых построен триггер.
Ситуация, когда на входах R и S действует высокий уровень, является недопустимой, поскольку при этом схема не может работать корректно. В этом есть недостаток RS-триггера.
RS-триггер также можно построить из двух элементов И-НЕ, такие элементы более распространены:
Установка и сброс триггера на элементах 2И-НЕ, в отличие от предыдущего, производится низким уровнем входного сигнала.
Если к последней схеме добавить еще два вентиля 2И-НЕ, то мы получим синхронный RS-триггер.
Изменение состояния такого триггера производится только при воздействии на вход С (Clock) синхронизирующего (тактового) импульса.
D-триггер
Немного изменив схему синхронного RS-триггера, можно получить D-триггер. (D-delay, задержка). У него только один информационный вход D.
Если на этот вход подать «1», а затем подать импульс на вход C, то на выходе Q будет «1», если на вход подать «0», затем импульс на C, то на выходе Q будет «0». Таким образом, D-триггер осуществляет задержку информации, поступающей на вход.
Если вход D соединить с выходом НЕ_Q, то триггер будет менять свое состояние при каждом изменении состояния входа С от «0» к «1» . При изменении от «1» к «0» состояние триггера меняться не будет. Таким образом, частота выходных импульсов будет вдвое меньше частоты входных импульсов. Такой триггер называется счетным или T-триггером. Делитель частоты используется очень широко в цифровой технике.
Существует разновидность синхронного RS-триггера, не имеющая запрещенной комбинации – JK-триггер. Он имеет три входа: J (вместо R), K (вместо S), и C. Если на оба информационных входа подана «1», то JK-триггер работает как счетный T-триггер с входом C.
Регистр хранения
На триггерах можно строить более сложные цифровые устройства, например такие, как регистры. Регистры предназначены для хранения многобитовой информации, то есть чисел, записанных в двоичном коде.
Рассмотри трех битовый регистр хранения на D-триггерах:
Каждый триггер может хранить один разряд (бит) числа. Вход R служит для установки выходов всех триггеров в нулевое (исходное) состояние перед записью числа, которое подается на входы D0,D1 и D2. При подаче импульса на вход C производится запись информации с этих входов. Информация может храниться сколь угодно долго, пока на вход С не подаются импульсы и подается питание.
Регистр сдвига
Другой разновидностью регистров является регистр сдвига. Он предназначен для преобразования информации путем ее побитного сдвига в ту или иную сторону. На следующем рисунке приведена схема простейшего регистра сдвига информации вправо (по схеме):
В отличие от регистра хранения выход предыдущего триггера соединен с входом последующего. Информация в виде логического уровня подается на вход первого (крайнего слева) триггера. При воздействии импульса на входе C присутствующая на входе D информация записывается в первый триггер. При подаче второго импульса информация из первого триггера переписывается во второй триггер, а в первый записывается информация, которая в этот момент присутствует на входе D, и так далее. Таким образом, с подачей каждого синхроимпульса информация в регистре сдвигается вправо на 1 разряд.
Сдвиговые регистры используются во многих схемотехнических решениях при построении цифровых устройств, прежде всего для преобразования последовательного кода в параллельный, а также для выполнения арифметических операций (умножения и деления на 2)с двоичными числами, организации линий задержки, формирования импульсов заданной длительности, генерирования псевдослучайных последовательностей (кодов) и т.п.
Счетчик
Еще один класс цифровых устройств, которые можно построить на триггерах – счетчики. Как следует из названия, они осуществляют счет входных импульсов в заданном коде и могут хранить результат.
Простейший счетчик с последовательным переносом можно получить с помощью счетных T-триггеров:
Подачей импульса на вход R счетчик приводится в исходное состояние, когда на выходах Q1-Q3 – уровень логического нуля.
На вход C подаются импульсы для счета. С приходом заднего фронта первого импульса первый (левый) по схеме триггер устанавливается в «1». Если читать код справа налево, то он соответствует единице. Для нашего трехразрядного счетчика это код 001. С приходом второго импульса в «1» переключается второй триггер, а первый переключается в «0». Таким образом, код на выходах счетчика будет 010, что соответствует десятичной цифре 2. Следующий импульс установит код 011, то есть 3. Трехразрядный счетчик может досчитать до кода 111, что соответствует десятичной цифре 7. При этом наступает так называемое переполнение счетчика, и с приходом следующего импульса счетчик обнулится.
Поскольку триггеры счетчика соединены последовательно, то и переключаться они будут также последовательно. Этот процесс отображен на графике, из которого видно, что время задержки переключения tз будет удваиваться и утраиваться. С увеличением числа разрядов задержка может оказаться неприемлемой, что является недостатком счетчиков с последовательным переносом.
Для повышения быстродействия применяются счетчики с параллельным переносом, что достигается одновременной подачей входных импульсов на входы всех триггеров счетчика. Это реализуется с помощью введения в схему логических элементов И:
Из схемы видно, что на вход второго триггера счетный импульс поступит только тогда, когда на выходе первого триггера будет «1», а на третий – когда «1» будет на выходах и первого, и второго триггеров. Очевидно, что с увеличением числа разрядов необходимо увеличивать как число логических элементов И, так и число их входов, что, в свою очередь, является недостатком такого типа счетчиков.
Регистры и счетчики, в свою очередь, могут применяться для построения более сложных цифровых устройств: сумматоров, ОЗУ и ПЗУ (оперативных и постоянных запоминающих устройств), АЛУ (арифметическо-логических устройств), входящих в состав процессоров, и так далее, к все более сложным цифровым устройствам.
В следующей серии статей мы начнем знакомство с микроконтроллерами — замечательным классом цифровых микросхем, которые являются настоящими компьютерами, умещающимися в одной микросхеме, и входящими входят в состав большинства электронных устройств, от кофемашины до космического корабля!