Регистры. Цифровые счетчики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

РЕГИСТРЫ. ЦИФРОВЫЕ СЧЕТЧИКИ

Цель работы – ознакомиться с устройством, работой и областью применения регистров и двоичных счетчиков.

 

Регистры. Общие  сведения.

Регистры и двоичные счетчики строятся на основе триггеров. Регистр - это  функциональное устройство, предназначенное для записи и хранения информации, представленной в двоичном коде. Большинство выпускаемых регистров кроме хранения информации могут преобразовывать информацию, например, из последовательной во времени формы представления в параллельную, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов, инвертировать код.

Занесение информации в  регистр называется вводом или записью, а извлечение из него информации - выводом  или считыванием.

Регистры классифицируются по ряду признаков.

По основному назначению:

1) регистры хранения;

2) регистры сдвига;

3) специализированные регистры.

По способу записи и считывания информации:

1) регистры с параллельной записью и считыванием;

2) регистры с последовательной записью и считыванием;

3) регистры с параллельной и последовательной записью и считыванием (универсальные регистры).

Регистры хранения предназначены  только для хранения информации. Способ записи и считывания у них –  параллельный. Конструктивно эти  регистры состоят из триггеров, количество которых  определяется разрядностью записываемого кода. Все входы установки триггеров в нулевое состояние объединены в один установочный вход, а все тактовые входы - в один общий тактовый вход. Запись информации осуществляется одновременно всеми триггерами регистра с приходом тактового импульса на тактовый вход.

Регистры сдвига являются регистрами с последовательной записью  и считыванием информации. Кроме  хранения информации они могут сдвигать ее на один или несколько разрядов. Регистры сдвига применяются в оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ) с последовательным доступом, используются в схемах умножения (сдвиг кода числа к старшему разряду соответствует умножению числа на два) и деления (сдвиг кода числа к младшему разряду соответствует делению числа на два) и т. д.

Регистр сдвига состоит  из цепочки триггеров, объединенных логическими элементами. Количество триггеров в цепочке определяется разрядностью записываемой информации. Записываемый код поступает на вход первого триггера и под действием тактовых импульсов путем последовательного поразрядного сдвига записывается по всей цепочке триггеров. Считывание информации осуществляется, как и запись, поразрядным сдвигом записанного кода к выходу регистра с каждым тактовым импульсом.

Регистры сдвига бывают одно- и двунаправленные (реверсивные). Однонаправленные регистры производят запись и считывание информации путем  ее сдвига от младшего разряда к  старшему или от старшего разряда  к младшему. Реверсивные регистры позволяют выбирать направление сдвига.

Универсальные регистры служат для последовательной и параллельной записи информации в триггеры регистра, последовательного и параллельного  считывания информации, сдвига информации. Обычно они являются реверсивными регистрами. Универсальные регистры применяются также для преобразования информации из последовательной формы представления в параллельную или, наоборот, из параллельной формы представления в последовательную.

 

Задание 1. Изучить логику работы универсального регистра. Исследовать работу универсального регистра в качестве кольцевого регистра. Научиться составлять схемы обмена информацией между двумя регистрами.

На рис. 7.1 представлена схема четырехразрядного регистра микросхемы К555ИР11А с индикацией выходов.

Рис. 7.1. Монтажная схема универсального четырехразрядного регистра микросхемы К555ИР11А с индикацией выходов

 

Регистр этой микросхемы является универсальным регистром  и может работать в следующих  режимах:

1) параллельная запись и считывание информации,

2) последовательная запись и считывание информации,

3) преобразование информации из параллельной формы представления в последовательную,

4) преобразование информации из последовательной формы представления в параллельную,

5) сдвиг информации в сторону возрастания номеров выходов,

6) сдвиг информации в сторону уменьшения номеров выходов.

Работа регистра в  том или ином режиме определяется управляющими сигналами на входах SR и SL (табл. 7.1).

 

Таблица 7.1. Выбор режима работы регистра.

Входы		Режим работы регистра
SR	SL
1	1	Параллельная запись информации.
1	0	Последовательная запись информации с входа DR. Сдвиг информации в сторону возрастания  номеров выходов.
0	1	Последовательная запись информации с входа DL. Сдвиг информации в сторону уменьшения номеров выходов.
0	0	Блокировка записи.

 

 

 

При параллельной записи информация в виде двоичного кода подается на входы D1-D4 и после записи храниться соответственно на выходах 1-4. Запись, т. е. поступление информации на выход регистра, производится по фронту тактового импульса, подаваемого на вход С.

Запись информации в  последовательной форме представления  производится с входов DR или DL. При записи со входа DR код информации под действием тактовых импульсов, поступающих на вход С, поступает на выход 1, а затем последовательно сдвигается в сторону возрастания номера выходов.

При записи с входа DL код информации поступает на выход 4, а затем последовательно сдвигается в сторону уменьшения номера выходов. Поскольку сдвиг записываемого кода производится тактовыми импульсами, изменение кода во времени на входах DR или DL так же должно происходить синхронно с тактовыми импульсами.

Последовательное считывание записанного кода так же производится посредством сдвига его тактовыми  импульсами. При сдвиге в сторону  возрастания номеров выходов код считывается с наибольшего номера выхода (выход 4), а при сдвиге в сторону уменьшения номеров выходов – с выхода 1.

Если выход 4 регистра соединить с входом DR, получим схему кольцевого сдвигающего регистра, в котором записанный код под действием тактовых импульсов будет двигаться по кольцу с выхода 4 через вход DR на выход 1 регистра и далее в сторону возрастания номеров выходов.

При соединении выхода 1 регистра с входом DL, записанный код под действием тактовых импульсов будет двигаться по кольцу с выхода 1 через вход DL на выход 4 регистра и далее в сторону уменьшения номеров выходов.

Установка всех триггеров  регистра в нулевое состояние  происходит при подаче лог. 0 на вход R. При лог. 1 на входе R режим работы регистра определяется управляющими сигналами на входах SR и SL

Для изучения работы универсального регистра как кольцевого регистра, соберите на лабораторном стенде схему, представленную на  
рис. 7.1. Пунктирными линиями показаны соединения внешними проводами. Дополнительные соединения делаются после получения от преподавателя варианта задания, определяющего код для записи в регистр (табл. 7.2).

 

Таблица 7.2

Вариант	Код для параллельной записи в регистр
	D4	D3	D2	D1
1	0	0	0	1
2	0	0	1	1
3	0	1	1	1
4	1	0	1	0
5	1	1	0	0
6	1	1	1	0

 

Для вариантов 1-3 сдвиг  записанного кода в кольцевом  регистре необходимо производить в  сторону возрастания номеров  выходов. Для вариантов 4-6- в сторону  уменьшения номеров выходов.

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности:

1) согласно варианту, выданным вам преподавателем, подайте код на входы регистра для параллельной записи информации,

2) подавая лог. 0 на вход R установите регистр в нулевое состояние,

3) полученный результат контролируйте при помощи индикаторов,

4) из табл. 7.1 выберете необходимые управляющие сигналы для входов SR и SL,

5) произведите параллельную запись информации,

6) записанный код контролируйте при помощи индикаторов,

7) соедините выход 4 регистра с входом DR, если код должен сдвигаться в сторону больших номеров выходов регистра или выход 1 с входом DL, если код должен сдвигаться в сторону меньших номеров выходов регистра,

8) из табл. 1 выберете необходимые управляющие сигналы для входов SR и SL,

9) подавая тактовые сигналы на вход С, произведите сдвиг информации.

Полученные результаты занесите в  табл. 7.3.

 

 

 

 

 

Таблица 7.3

Выходы регистра	Код на выходе регистра
	Начальный код	После 1-го сдвига	После 2-го сдвига	После 3-го сдвига	После 4-го сдвига
4
3
2
1

 

Двоичные счетчики. Общие сведения.

Счетчик - цифровой узел, который осуществляет счет поступающих  на вход импульсов. Результат счета  определяется числом поступивших импульсов, формируется на выходе в заданном коде (двоичном, двоично-десятичном, для 7-ми семисегментного индикатора и т.п.) и может сохраняться требуемое время. Основой счетчика служит линейка триггеров, соединенных определенным образом. Число триггеров определяет разрядность числового кода счетчика.

Счетчики применяются для деления (уменьшения) частоты следования импульсов, формирование интервалов времени, создания адресных кодов, при генерировании сигналов различной формы и т. д.

Основным параметром счетчика является модуль счета, определяемый максимальным числом единичных сигналов, которое может быть сосчитано  счетчиком. Счетчик, содержащий n двоичных разрядов, имеет модуль счета 2ⁿ_.

Счетчики классифицируются по ряду признаков.

По направлению счета:

1) суммирующие счетчики (с прямым счетом);

2) вычитающие счетчики (с обратным счетом);

3) реверсивные счетчики (с прямым и обратным счетом).

По способу переноса сигнала в следующий разряд:

1) последовательный перенос;

2) параллельный перенос;

3) комбинированный (последовательно-паралельный) перенос.

В суммирующем счетчике при поступлении каждого счетного импульса содержимое счета увеличивается. В вычитающем счетчике с приходом каждого импульса содержимое счета  уменьшается. Счетчик, способный менять направление счета, называется реверсивным.

При последовательном переносе триггеры счетчика соединяются последовательно. Счетный импульс поступает на первый триггер счетчика. На выходе этого триггера формируется сигнал переноса (например, спад импульса), который приводит к изменению состояния следующего триггера и т.д. Достоинство такой схемы счетчика - простота реализации, недостаток - низкое быстродействие. Быстродействие триггера в счетчике определяется задержкой переключения триггера и при последовательном переносе общая задержка счетчика увеличивается с увеличением числа триггеров.

При параллельном переносе триггеры соединяются между собой  через логические элементы И. Через  эти же логические элементы на все  триггеры поступают счетные импульсы. Логические элементы И определяют условия переключения триггеров. Переключение происходит только тех триггеров, у которых все предыдущие триггеры находятся в единичном состоянии. Достоинство такой схемы счетчика – быстродействие, которое определяется только задержкой переключения одного триггера, недостаток – усложнение схемы из-за введения дополнительных логических элементов И с нарастающим от триггера к триггеру числом входов.

При построении многоразрядных счетчиков для уменьшения сложности  схемы счетчика и сохранения быстродействия счетчики объединяются в группы. Внутри группы организуется параллельный перенос, а между группами осуществляется последовательный перенос.

Обычно счетчики строятся на основе Т-триггеров. Кроме Т-триггера может быть использован D-триггер или JK-триггер в счетном режиме.

 

Задание 2. Изучить работу двухразрядного двоичного счетчика и составить для него таблицу состояний.