Сдвигающие регистры. Использование сдвиговых регистров в устройствах индикации Сдвигающие регистры

jk-триггеры можно включить последовательно друг за другом для сохранения последовательности цифр. Такая конструкция, называемая регистром сдвига , показана на рис. 13.27. Свое название схема получила на осно-

Рис. 13.27. 4-разрядный регистр сдвига, образованный последовательно включенными JK- триггерами.

вании того, что она на каждом тактовом импульсе принимает одну новую цифру, сдвигая ранее запомненные цифры на один разряд, чтобы поместить новую.

Этот регистр действует по принципу первым вошел - первым вышел (First-In First-Out, FIFO).

Рассмотрим работу регистра сдвига, изображенного на рис. 13.27. Сначала на шину сброса подается логическая 1, а затем значение сигнала на ней возвращается в 0. Теперь предположим, что сигнал на входе данных первоначально равен 1 и что последовательность тактовых импульсов поступает на тактовый вход. В этом случае триггер FF1 имеет на входе / высокий уровень, а на входе ^низкий уровень, так что после первого тактового импульса на выходе Q устанавливается высокий уровень. Предположим, что тем временем входной сигнал вернулся к значению 0 и остается таким. Во время действия второго тактового импульса высокий уровень на входе / триггера FF2 передается на его выход, и Q 2 принимает значение логической 1. В это же время на входе / триггера FF1 действует логический 0, так что вторым тактовым импульсом на выходе устанавливается низкий уровень; если сигнал на входе данных остается равным 0, то на выходе будет оставаться низкий уровень с каждым тактовым импульсом. Однако бит логической 1 каждым тактовым импульсом передвигается дальше на один разряд, так что после четырех импульсов он достигнет выхода Q 4 . Всего теперь запомнено 4 бита входных данных. Последующие тактовые импульсы приведут к потере этих данных, а более новые данные будут сохранены.

В регистре сдвига, показанном на рис. 13.27, имеется возможность, если требуется, наблюдать запомненные данные в параллельном виде, обеспечив доступ к выходам Q v Q 2 , Q 3 и Q 4 . Такая схема известна как регистр с последовательным входом и параллельным выходом: данные должны вводиться последовательно через единственный вход, после чего они становятся доступны в параллельном виде на выходах регистра. Такое преобразование последовательного представления данных в параллельное является очень распространенной операцией, применяемой, например, для преобразования считанных с диска компьютера битов программы в параллельный код для ввода в основную память.

Если каждый триггер снабдить отдельным входом установки в дополнение к общему входу сброса, то данные могут вводиться параллельно через эти входы. «Загруженные» таким образом данные можно, подавая тактовые импульсы, получить на выходе Q 4 в последовательном виде. Такой регистр служит преобразователем параллельного кода в последовательный и часто применяется для преобразования выводимых из микропроцессора данных, представленных сигналами, появляющимися одновременно на большом числе выходов (например, на 16 выходах), в последовательный код для передачи по единственной паре проводов в сеть или к модему. Популярной конструкцией, которой можно воспользоваться для преобразования данных из параллельного вида в последовательный и обратно, является универсальный асинхронный приемопередатчик; он содержит в одной интегральной схеме необходимые регистры Сдвига, схему управления и формирователи для работы на линию.

Если в схеме, изображенной на рис. 13.27, выход Q 4 соединить с входом данных, то данные, которые можно вводить в параллельном виде через входы установки, никогда не смогут покинуть регистр, а будут просто циркулировать в нем. Такая схема называется регистром с циклическим переносом или кольцевым счетчиком. Используя 10 триггеров, соединенных в кольцевой счетчик и пронумерованных от 0 до 9, можно получить десятичный счетчик. Первоначально в триггере с номером 0 устанавливается состояние с высоким уровнем, а остальные сбрасываются в нулевое состояние. Затем импульсы, подлежащие счету, подаются на тактовый вход, так что с приходом каждого входного импульса логическая 1 передвигается из одного триггера в другой. После девяти импульсов в триггер с номером 9 запишется логическая 1, а следующий импульс восстановит начальное состояние. Соединение выхода триггера с номером 9 со входом другого кольцевого счетчика позволит записывать в него десятки, а еще один кольцевой счетчик сможет записывать сотни. Несмотря на очевидное изящество этой схемы, почти всегда более удобно считать в двоичном виде, а затем преобразовывать выход двоичного счетчика в десятичный вид.

Другим применением кольцевого счетчика является замена им распределителя в электронной системе зажигания автомобиля. Вместо механического кулачка, размыкающего и замыкающего контактные точки для создания искры зажигания, с помощью оптического или магнитного датчика, расположенного на маховике двигателя, формируются тактовые импульсы. Здесь используется сдвиг логической 1 по кругу в кольцевом счетчике, который имеет по одному разряду на каждый цилиндр двигателя. Фазу тактового импульса можно тщательно выставить так, чтобы логическая 1 появлялась на каждом каскаде точно в нужное время для зажигания смеси. Коррекция момента зажигания устанавливается, таким образом, без труда, и, более того, однажды установленный, он никогда не будет изменяться, поскольку в электронном распределителе отсутствует механический износ.

Схему регистра сдвига, приведенную на рис. 13.27, можно применять в качестве основной для экспериментов со всеми типами регистров сдвига и кольцевыми счетчиками. В качестве /^-триггера рекомендуется ИС 74LS76: каждая микросхема содержит два триггера, срабатывающих по отрицательному фронту с отдельными входами установки и сброса. Цоколевка этой схемы дана в приложении 4.

Одной из проблем, возникающих при разработке микроконтроллерных устройств часто становится необходимость экономии линий портов ввода/вывода. Многие периферийные устройства, которые могут работать в связке с процессором, требуют для передачи информации большого количества соединительных проводников. Актуальность этой задачи не снизилась даже с появлением процессоров с большим количеством выводов, так как одновременно усложнились и периферийные устройства. Для устройств индикации, одним из вариантов снижения количества требуемых линий может стать использование регистров сдвига (Shift register).

Регистр сдвига представляет собой цепочку из нескольких, последовательно соединенных D-триггеров. На первый триггер подключается информационный выход микроконтроллера. С каждым импульсом тактового сигнала, передаваемого по отдельной линии, уровень на входе каждого из триггеров записывается на выход. В итоге происходит сдвиг сигнала от начала к концу цепочки. Если использовать подключить выходные линии после каждого из триггеров, то сдвиговый регистр будет представлять собой последовательно-параллельный преобразователь. Это значит, что для организации каких-либо индикаторов, будет минимально необходимо использовать только два вывода микроконтроллера.

В настоящее время производители предлагают большое количество моделей регистров сдвига, с различными функциональными особенностями. Далее будут рассматриваться только микросхемы с последовательным входом и параллельным выходом. Также для описываемых целей можно использовать некоторые универсальные модели регистров.

Использование регистра 74164

Регистр сдвига

Одной из наиболее простых и распространенных микросхем, реализующих функцию регистра сдвига, считается модель 74164 (555ИР8) и ее технологические варианты. Данная микросхема представляет собой 8-ми разрядный регистр с последовательной загрузкой и параллельным выходом. Используя 74164 можно сравнительно просто получить линейный индикатор из 8-ми светодиодов или односимвольный семисегментный индикатор. При необходимости, допускается последовательное соединение нескольких микросхем, что увеличит количество выходных линий, и подключенных к ним индикаторов.

Выходной ток каждой линии современных вариантов 74ACT164 и 74HCT164 составляет 25мА, что позволяет напрямую подключать маломощные одиночные светодиоды или семисегментные индикаторы. Время цикла этих микросхем может находиться на уровне 15нС, что соответствует возможности работы на частоте 66МГц. Учитывая, что подобная или более высокая частота работы процессоров встречается редко, для формирования тактовых импульсов достаточно просто включить и выключить выход контроллера, без какой-либо задержки.Для загрузки данного регистра сдвига достаточно двух линий: DATA и CLK. Это позволяет задействовать только две линии микроконтроллера, для управления устройством индикации. При этом во многих случаях может оказаться не важно, сколько микросхем будет соединено последовательно, и соответственно сколькими индикаторами управляет контроллер.

Вариантов использования 74164 существует множество. Можно выделить несколько из них. Первый, вышеназванный индикатор на основе нескольких светодиодов. Второй – одиночный семисегментный индикатор или линейка из них. Пример линейки индикаторов показан в статье – Термометр на микроконтроллере PIC12F629 .

Программирование индикации с использование регистра сдвига также не отличается высокой сложностью. Особенно если в микроконтроллере реализована такая операция, как сдвиг байта через бит переноса. Проверкой данного бита можно определить уровень, который требуется установить на линии данных. Циклически повторяя такой сдвиг и формируя тактовые импульсы можно полностью загрузить регистр сдвига.Следующим вариантом использования может стать схема динамической индикации, когда для снижения количества используемых линий микропроцессора, параллельный вывод на отдельные сегменты, заменяется на последовательный, с использованием последовательно-параллельного преобразователя. Этот же преобразователь может использоваться в схеме включения ЖК-индикатора на базе HD44780.

Использование регистров 74595 и 4094

Применение регистров сдвига позволяет строить большие схемы с использованием светодиодных индикаторов. Но в случае, если индикаторы потребляют большой ток (состоят из множества отдельных светодиодов), выходного сигнала регистра становится недостаточно. Для усиления сигнала можно применять различные схемы, состоящие из отдельных транзисторов, или сборок. Наиболее просто и выгодно в этом случае использовать микросхему ULN2803, содержащую 8 транзисторных ключей. Каждый ключ способен коммутировать ток до 500мА при напряжении до 50В, что позволяет подключать к нему до нескольких десятков отдельных светодиодов, маломощных ламп накаливания, либо сегменты крупногабаритных матричных индикаторов. Единственным отличием от вышеприведенных схем, будет использование светодиодных индикаторов с общим анодом, так как ULN2803, по сути, представляет собой ключ нижнего плеча.При всех своих достоинствах, микросхема 74164 имеет некоторые недостатки. В первую очередь к ним следует отнести непосредственное подключение выходов схемы к выходным линиям триггеров. В медленных системах светодиодной индикации, при загрузке регистра, можно наблюдать движение информации от входа к выходу в виде посторонней засветки сегментов. В случае частого обновления информации, подобная засветка вызывает несколько неприятные ощущения. Для ее устранения следует применять регистры, оснащенные выходной защелкой. Примером таких элементов служат микросхемы 74595 и 4094. Каждая из них имеет дополнительный вход стробирования SCLK. При неизменном принципе загрузки, информация на выходе этих устройств сможет появиться только после прохождения импульса по данному входу. Такое решение требует использования дополнительного вывода микроконтроллера, но позволяет строить индикаторы с большим количеством сегментов, без появления различных неприятных эффектов. Особенно полезно использование регистров, оснащенных защелками совместно с микроконтроллерами, работающими на пониженных частотах или от внутренних генераторов.

Применение регистров сдвига несколько усложняет схему готового устройства, но позволяет использовать минимум выходов микроконтроллера и имеет множество других достоинств. Помимо прочего использование вышеприведенных решений позволяет упростить программирование и создавать без больших затрат многоразрядные индикаторы.

You have no rights to post comments

1. Оглавление

2. Введение …………………………………………………………… 2

3. Обзор литературных источников ………………………………… 3

3.1. Общие сведения о регистрах ………………………………… 3

3.2. Общие сведения о триггерах …………………………….…... 6

3.3. Сдвигающие регистры ……………………………………….. 12

3.4. Универсальные регистры ……………………………………….. 20

4. Разработка схемы регистра сдвига ………………………………… 24

4.1. Исходные данные ……………………………………………… 24

4.2. Порядок разработки регистра сдвига …………………..……… 24

4.3. Разработка четырёхфазного регистра сдвига ……............……… 25

5. Вывод ……………………………………………………………. 27

6. Список используемой литературы …………………………………. 28

2. Введение

Регистры – самые распространённые узлы цифровых устройств. Они оперируют с множеством связанных переменных, составляющих слово. Над словами выполняется ряд операций: приём, выдача, хранение, сдвиг в разрядной сетке, поразрядные логические операции.

Сдвигающие (последовательные) регистры используются для сдвига n -разрядных чисел в одном направлении. Кроме того, их можно применять для сдвига нечисловой информации.

Регистры сдвига применяют в качестве запоминающих устройств, качестве преобразователей последовательного кода в параллельный, в качестве устройств задержки и счётчиков импульсов (правда, применение сдвигающих регистров в качестве счётчиков достаточно неэкономично).

3. Обзор литературных источников

3.1. Общие сведения о регистрах

Регистры состоят из разрядных схем, в которых имеются триггеры и, чаще всего, также и логические элементы. Действуют они как единое целое.

По количеству линий передачи переменных регистры делятся на однофазные и парафазные, по системе синхронизации на однотактные, двухтактные и многотактные. Однако главным классификационным признаком является способ приёма и выдачи данных. По этому признаку различают параллельные (статические) регистры, последовательные (сдвигающие) и параллельно-последовательные .

В параллельных регистрах приём и выдача слов производится по всем разрядам одновременно. В них хранятся слова, которые могут быть подвергнуты поразрядным логическим преобразованиям.

В последовательных регистрах слова принимаются и выдаются разряд за разрядом. Их называют сдвигающими, так как тактирующие сигналы при вводе и выводе слов перемещают их в разрядной сетке. Сдвигающий регистр может быть нереверсивным (с однонаправленным сдвигам) или реверсивным (с возможностью сдвига в обоих направлениях).

Последовательно-параллельные регистры имеют входы-выходы одновременно последовательного и параллельного типа. Имеются варианты с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO, Serial Input – Parallel Output), параллельным входом и последовательным выходом (PISO, Parallel Input – Serial Output), а также варианты с возможностью любого сочетания способов приёма и выдачи слов.

В параллельных (статических) регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса / установки, разрешение выхода или приёма, то есть цепи управления. Пример схемы статического регистра, построенного на триггерах D-типа с прямыми динамическими входами, имеющего входы сброса R и выходы с третьим состоянием, управляемые сигналом EZ, показан на рисунке 1 .

Рисунок 1. Схема статического регистра (а) и его условное графическое обозначение (б)

Для современной схемотехники характерно построение регистров на триггерах D-типа, преимущественно с динамическим управлением. Многие имеют выходы с третьим состоянием. Некоторые регистры относятся к числу буферных, то есть рассчитаны на работу с большими ёмкостными и / или низкоомными активными нагрузками. Это обеспечивает их работу непосредственно на магистраль (без дополнительных схем интерфейса).

Из статических регистров составляются блоки регистровой памяти – регистровые файлы.

Главные функции регистров:

1) Хранение информации,

2) Прием информации,

3) Выдача информации,

4) Сдвиг информации,

5) Преобразование кодов,

6) Установление в ноль или в единицу нужного числа,

7) Поразрядные логические операции: дизъюнкция, конъюнкция, сложение по модулю 2.

3.2. Общие сведения о триггерах

Триггеры – большой класс электрических устройств, позволяющих длительно находится в одном из двух (или более) устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов (в следствии регенеративного процесса (переходной процесс в электрической цепи, охваченной ПОС)).

Триггер – импульсное логическое устройство с памятью (элемент памяти – фиксатор).

Существует более десятка различных интегральных триггеров. В основу их классификации положены:

Функциональный признак,

Способ записи информации в триггер.

По функциональному признаку различают Т-триггеры, JK-триггеры, RS-триггеры, D-триггеры, комбинированные триггеры (TV, DV, E, R) и т.д.

По способу записи (приёма) информации различают:

8) Асинхронные триггеры:

а) с внутренней задержкой;

б) управляемые уровнем входного импульса;

9) Синхронные триггеры (тактируемые):

а) с внутренней задержкой;

б) управляемые уровнем тактирующего импульса:

Однотактного действия (одноступенчатые);

Многократного действия.

Запись информации в тактируемые триггеры осуществляется только при подаче разрешающего тактирующего импульса. Такие триггеры делят на управляемые уровнем (для срабатывания необходим определённый уровень сигнала) и управляемые фронтом (не зависят от уровня сигнала, важно его присутствие) тактирующего импульса. Тактирующие импульсы иногда ещё называют синхронизирующими, исполнительными, командными сигналами (на схемах обычно обозначают буквой С - Clock).

Динамический вход может быть прямым и инверсным. Прямое динамическое управление подразумевает разрешение на переключение при изменении тактового сигнала с нулевого значения на единичное (). Инверсное динамическое управление – изменение тактового сигнала с единичного на нулевой ().

Управление фронтом тактирующего импульса:

Управление спадом тактирующего импульса:

Управление верхним уровнем тактирующего импульса:

Управление нижним уровнем тактирующего импульса:

Тактируемые триггеры с внутренней задержкой (срабатывают по окончании действия сигнала) являются, как правило, однотактными. Многотактные триггеры срабатывают после n -ного импульса.

RS-триггер имеет два информационных входа: S (Set) и R (Reset). Одновременная подача сигналов S и R не допускается. На рисунке 2 изображен синхронный RS-триггер, срабатывающий по фронту тактирующего сигнала.

Рисунок 2. Синхронный RS-триггер

Кроме входов, простейший RS-триггер имеет и два выхода. Выходы обозначают Q и . Выход Q называют прямым, a - инверсным. Уровни напряжения на обоих выходах взаимно инверсны: если сигнал Q = 1, то = 0, либо если Q = 0, то = 1. Необходимо еще отметить, что состояние триггера, при котором Q = 1, a = 0, называют единичным. При нулевом состоянии триггера Q = 0 и = 1. С поступлением сигналов на входы триггера в зависимости от его состояния либо происходит переключение, либо исходное состояние сохраняется.

Рисунок 3. - триггер: его условное графическое обозначение и схема с двумя логическими элементами И-НЕ

На рисунке 3 показан простейший триггер – типа . Здесь использованы только два логических элемента И-НЕ. Назначение входов: -для установки триггера в единичное состояние и - для возвращения в нулевое состояние. Черточки над обозначениями входов показывают, что переключение триггера происходит, когда входное напряжение высокого уровня сменяется напряжением низкого уровня (рисунок 4 ). Нетрудно видеть, что когда на входы не поступают сигналы, триггер сохраняет свое состояние. Если, например, Q = 1 и = 0, то есть триггер в единичном состоянии, то, поскольку выход DD1 связан с одним из входов DD2, а выход DD2 - с одним из входов DD1, на двух входах DD2 действует напряжение

Рисунок 4. Временная диаграмма работы - триггера

высокого, а на выходе - низкого ( = 0) уровня. В то же время на одном из входов DD1 напряжение низкого, а на выходе - высокого уровня. Если теперь на вход поступает сигнал с обозначенной полярностью (момент t1 , рисунок 4 ), состояние триггера не изменится, потому что поступление сигнала на второй вход DD1 временно изменит только сочетание сигналов на входах (до подачи сигнала оно было 1 и 0, а стало 0 и 0), но выходное состояние DD1 остается при этом неизменным. Если, однако, сигнал поступит на вход (момент t2 ), на обоих входах DD2 уже окажутся напряжения разного уровня, состояние логических элементов изменится и на выходе его будет напряжение высокого уровня. На обоих входах DD1 окажутся напряжения высокого уровня, а на выходе - низкого, то есть триггер "опрокинется" и перейдет в другое состояние: Q = 0 и = 1.

Из сказанного следует, что смена состояния триггера происходит только при чередовании сигналов низкого уровня на входах и . При этом, если такие сигналы поступят на оба входа одновременно, то после их прекращения состояние триггера станет неопределенным (состояние Q = 0 или Q = 1 равновероятно). Поэтому одновременная подача сигналов низкого уровня на оба входа не разрешается.

Работа -триггера характеризуется таблицей состояний (индексы n и n+1 означают принадлежность сигнала моменту времени t n и следующему за ним t n+1 ):

		Неопределённое состояние

Не разрешается одновременная подача напряжения низкого уровня на оба входа -триггера.

Триггер типа RS, как и -триггер, "запоминает", на какой из двух входов (R или S) поступил последний сигнал: если на вход R, триггер находится в нулевом состоянии (Q = 0 и = 1), а если на вход S, то в единичном состоянии (Q = 1 и = 0).

Рисунок 5. RS- триггер: его условное графическое обозначение и схема с четырьмя логическими элементами И-НЕ

На рисунке 5 показана схема RS-триггера, выполненного на логических элементах И-НЕ. Она отличается от схемы -триггера тем, что к каждому входу добавлено по инвертору (DD3 и DD4), которые только обеспечивают необходимый уровень входных сигналов.

Изменение входных сигналов от низкого уровня до высокого приводит к смене состояния триггера (моменты t1, t2, t2 и t5 ; в момент t4 опрокидывания не происходит, так как триггер уже установлен в единичное состояние в предшествующий момент - t3, рисунок 6 ).

Рисунок 6. Временная диаграмма работы RS- триггера

Все сказанное относительно RS-триггера сохраняет силу и для -триггера. Единственное различие касается инверсии уровней входных сигналов (R вместо и S вместо ).

Работа RS-триггера характеризуется следующей таблицей состояний:

		Неопределённое состояние

3.3. Сдвигающие регистры

Триггерным регистром сдвига называют совокупность триггеров с определёнными связями между ними, при которых они действуют как единое устройство. Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собой цепочку разрядных схем, связанных цепями переноса.

В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо (рисунок 7 ) слово сдвигается при поступлении сигнала синхронизации. Вход и выход последовательные (DSR – Data Serial Right). На рисунке 8 показана схема регистра со сдвигом влево (вход данных DSL – Data Serial Left), а на рисунке 9 иллюстрируется принцип построения реверсивного регистра, в котором имеются связи триггеров с обоими соседними разрядами, но соответст-вующими сигналами разрешается работа только одних из этих связей (команды «влево» и «вправо» одновременно не подаются).

Рисунок 7. Схема право-сдвигающего регистра

Рисунок 8 . Схема лево-сдвигающего регистра

Рисунок 9 . Схема реверсивного регистра

Согласно требованиям синхронизации, в сдвигающих регистрах, не имеющих логических элементов в межразрядных связях, нельзя применять одноступенчатые триггеры, управляемые уровнем, поскольку некоторые триггеры могут за время действия разрешающего уровня синхросигнала переключится неоднократно, что недопустимо. В данных схемах следует применить триггеры с динамическим управлением (двухступенчатые).

Появление в межразрядных связях логических элементов и, тем более, логических схем неединичной глубины упрощает выполнение условий работоспособности регистров и расширяет спектр типов триггеров, пригодных для этих схем.

Многотактные сдвигающие регистры управляются несколькими синхропоследовательностями. Из их числа наиболее известны двухтактные с основным и дополнительным регистрами, построенными на простых одноступенчатых триггерах, управляемых уровнем. По такту С1 содержимое основного регистра переписывается в дополнительный, а по такту С2 возвращается в основной, но уже в соседние разряды, что соответствует сдвигу слова. По затратам оборудования и быстродействию этот вариант близок к однотактному регистру с двухступенчатыми триггерами.

В регистре сдвига присутствует набор триггеров с определёнными связями между ними и организация этих связей такова, что при подаче тактового импульса, общего для всех триггеров, выходное состояние каждого триггера сдвигается в соседний. В зависимости от организации связей этот сдвиг может происходить влево или вправо:

Сдвиг влево

Сдвиг вправо

Ввод информации в регистр может выполнятся различными способами, однако наиболее часто используют параллельный или последовательный ввод, при которых ввод двоичного числа осуществляется или одновременно во все разряды регистра, или последовательно во времени по отдельным разрядам. В счётчиках импульсов находят применение сдвигающие регистры с последовательным вводом и выводом информации и со сдвигом вправо. На рисунке 10 a приведена схема четырёхразрядного регистра сдвига, выполненного на RS-триггерах. В этой схеме каждый выход Q триггера соединён со входом S последующего разряда, а каждый выход - с входом R. Тактовые входы всех триггеров соединены вместе, и поступление сигнала синхронизации осуществляется одним общим импульсом через логический элемент И-НЕ (DD7). Состояние первого триггера определяется входными сигналами на входах Х1, Х2 логического элемента И-НЕ (DD5). На вход Х1 подаётся текущая информация, а на вход Х2 сигнал разрешения её передачи. Логический элемент НЕ используется (DD6) используется для инвертирования входного сигнала, подаваемого на вход S.

На рисунке 10 б приведены временные диаграммы выходных сигналов триггеров и состояния регистров при записи в первый разряд единичного сигнала. Если при поступлении первого тактового импульса на входах Х1 и Х2 установлены сигналы Х1 = Х2 = 1, которые затем снимаются к приходу второго тактового импульса, то в результате в первый триггер будет записан сигнал Q 1 = 1. С приходом второго тактового импульса в первый триггер будет записан сигнал Q 1 = 0, а на выходе второго триггера появится сигнал Q 2 = 1, который перед этим был на выходе второго триггера. При поступлении последующих тактовых импульсов единичный сигнал перемещается последовательно в третий и четвёртый триггеры, после чего все триггеры устанавливаются в нулевое состояние.

a)

n	Q 1	Q 2	Q 3	Q 4

Рисунок 10 . Схема четырёхфазного регистра сдвига (а), временные диаграммы его сигналов и состояния регистров при записи в первый разряд единичного сигнала (б)

Сдвиговые регистры также можно реализовать на D-триггерах ил JK-триггерах. Для всех регистров сдвига характерны следующие положения:

1) необходима предварительная установка исходного состояния и ввод единицы в первый триггер

2) для регистра из n триггеров после поступления n входных тактовых импульсов первоначально введённая единица выводится, вследствие чего прямые выходы всех регистров оказываются в нулевом состоянии.

Интегральные микросхемы регистров сдвига бывают реверсивными, то есть выполняющими сдвиг в любом направлении: влево или вправо. Направление сдвига определяется значением управляющего сигнала.

Рисунок 11. Реализация регистра сдвига на однотактных RS-триггерах

Последовательный регистр сдвига обладает двумя недостатками: он позволяет вводить только по одному биту информации на каждом тактовом импульсе и, кроме того, каждый раз при сдвиге информации в регистре вправо теряется крайний правый информационный бит. На рисунке 12 показана система, которая позволяет осуществлять одновременную параллельную загрузку 4 бит информации.

Рисунок 12. Структурная схема 4-разрядного параллельного регистра

Входы 1, 2, 3, 4 в этом устройстве являются информационными входами. Эту систему можно снабдить еще одной полезной характеристикой - возможностью кольцевого перемещения информации, когда данные с выхода устройства возвращаются на его вход и не теряются.

Рисунок 13. Логическая схема четырёхразрядного параллельного кольцевого регистра

Схема 4-разрядного параллельного кольцевого регистра сдвига показана на рисунке 13 . В этом регистре сдвига используются четыре JK-триггера. Благодаря цепи обратной связи введенная в регистр информация, которая обычно теряется на выходе четвёртого триггера, будет циркулировать по регистру сдвига. Сигналом очистки регистра (установки его выходов в состояние 0000) является уровень логического 0 на входе CLR. Входы параллельной загрузки данных 1, 2, 3 и 4 связаны со входами предварительной установки триггеров (PS), что позволяет устанавливать уровень логической 1 на любом выходе (1, 2, 3, 4). Если на один из этих входов даже кратковременно подать логический 0, то на соответствующем выходе будет установлена логическая 1. Подача тактовых импульсов на входы C всех JK-триггеров приводит к сдвигу информации в регистре вправо. Из четвёртого триггера данные передаются в первый триггер (кольцевое перемещение информации).

Таблица 1.

№ строки	Входы						Выходы
						№ тактового импульса

Принцип работы параллельного регистра сдвига описан в таблице 1 . При включении питания на выходах регистра может установиться любая двоичная комбинация, такая, например, как в строке 1 таблицы. Подача логического 0 на входы CLR триггеров инициирует очистку регистра (строка 2). Далее (строка 3) осуществляется загрузка в регистр двоичной комбинации 0100. Последовательные тактовые импульсы вызывают сдвиг введенной информации вправо (строки 4 - 8). В строках 5 и 6: единица из крайнего правого триггера (четвёртого) переносится в крайний левый триггер (первый). В данном случае можно говорить о кольцевом перемещении единицы в регистре. Далее (строка 9) вновь инициируется очистка регистра с помощью входа CLR. Загружается новая двоичная комбинация 0110 (строка 10). Подача 5 тактовых импульсов (строки 11-15) приводит к кольцевому сдвигу информации на 5 позиций вправо. Для возвращения данных в исходное состояние требуется 4 тактовых импульса.

Если в регистре сдвига на рисунке 13 разорвать петлю обратной связи, то мы получим обычный параллельный регистр сдвига: возможность кольцевого перемещения информации будет исключена.

Рисунок 14. Трехтактный регистр сдвига на RS-триггерах

3.4. Универсальные регистры

Часто вместо обычных последовательных или параллельных требуется применить более сложные сдвигающие регистры: с параллельной синхронной записью информации, реверсивные, реверсивные с параллельной синхронной записью. Такие регистры называют универсальными .

Есть множество серий ИС регистров многорежимных (многофункциональных) или универсальных, способных выполнять набор микроопераций. Многорежимность достигается композицией в одной и той же схеме частей, необходимых для выполнения различных операций. Управляющие сигналы, задающие вид выполняемой в данное время операции, активизируют необходимые для этого части схемы.

Рисунок 15. Универсальные регистры сдвига: а – К155ИР13, б – К500ИР141, в – КМ155ИР1

На рисунке 15 показано три типичных представителя универсальных сдвиговых регистров серии К155, КМ155 и К500.

Микросхема ИР13 (рисунок 15 а ) – это восьмиразрядный реверсивный сдвигающий регистр с допустимой тактовой частотой до 25 МГц при токе потребления до 40 мА. Имеет параллельные входы и выходы, вход асинхронного сброса , входы DSL (сдвиг влево) и DSR (сдвиг вправо) по перепаду синхронизирующих импульсов С, входы выбора режима S0 и S1. При S0 = 0, S1 = 1 происходит сдвиг информации вправо, при S0 = 1, S1 = 0 – влево, а при S0 = S1 = 1 – запись информации в регистр.

Микросхема ИР141 (рисунок 15 б ) – это универсальный четырёх-разрядный сдвиговый регистр, построенный на эмитерно-связной логике. Тактовая частота – до 150 МГц. Потребляемый ток – не менее 120 мА. При S0 = 0, S1 = 1 происходит сдвиг информации вправо, при S0 = 1, S1 = 0 – влево, а при S0 = S1 = 1 – хранение числа, при S0 = S1 = 0 – установка числа.

Микросхема ИР1 (рисунок 15 в ) – это сдвигающий регистр с синхронной записью информации на RS-триггерах. Входы 1 – 4 предназначены для параллельной записи информации, вход D – для последовательной записи. Вход V – управляющий. При V = 0 схема работает как сдвигающий регистр по отрицательному перепаду (с 1 на 0) сигнала С1, а при V = 1 схема работает в режиме синхронной записи в регистр сигналов входов 1 – 4 по отрицательному перепаду сигнала С2.

Регистры, имеющие разнотипные вход и выход, служат основными блоками преобразователей параллельных кодов в последовательные и обратно. На рисунке 16 показана схема преобразователя параллельного кода в последовательный на основе восьмиразрядного регистра типа SI/PO/SO. В этой схеме отрицательный стартовый импульс St, задающий уровень логического нуля на верхнем входе элемента 1, создаёт единичный сигнал параллельного приёма данных на вход L (Load – загрузка), по которому в разряды 1 – 7 регистра загружается преобразуемое слово, а в нулевой разряд – константа 0. На последовательный вход DSR подана константа 1. Таким образом, после загрузки в регистре формируется слово. Тактовые импульсы, поступающие на вход С, вызывают сдвиг слова вправо. Сдвиги выводят слово в последовательной форме через выход Q7. Вслед за информационными разрядами идёт 0, после которого цепочка единиц. Пока ноль не выведен из регистра, на выходе элемента 2 действует единичный сигнал. После вывода нуля все входы элемента 2 становятся единичными, его выход приобретает нулевое значение и через элемент 1 формирует сигнал автоматической загрузки следующего слова, после чего цикл преобразования повторяется.

Рисунок 16. Схема преобразователя параллельного кода в последовательный

Современные регистры мало приспособлены для выполнения поразрядных логических операций, но при необходимости их можно выполнить пользуясь регистрами на RS-триггерах. Для выполнения операции ИЛИ на S вход статического регистра с исходным нулевым состоянием подаётся первое слово, единичные разряды которого устанавливают соответствующие триггеры. Затем без сброса регистра на S выходы подаётся второе слово.

При выполнении поразрядной операции И в первом такте на S входы регистра подаётся первое слово, устанавливающее те разряды регистра, в которых это слово имеет единицы. Затем следует подать на регистр второе слово. Чтобы в регистре сохранились единицы только в тех разрядах, в которых оба слова имеют единицы, второе слово подаётся на входы R триггеров в инверсном виде.

Сложение по модулю 2 может быть выполнено схемой с триггерами типа Т в разрядах путём последовательной во времени подачи на неё двух слов.

4. Разработка схемы регистра сдвига

4.1. Исходные данные

Заданы тактовые импульсы положительной полярности.

4.2. Порядок разработки регистра сдвига

а) Рассмотрение общих требований к схеме регистра.

б) Разработка регистра сдвига.

в) Описание работы разработанной схемы.

4.3. Разработка четырёхфазного регистра сдвига

Необходимо разработать четырёхфазный регистр сдвига на RS-триггерах. Пусть он будет правосдвигающим. Для этого нам понадобится четыре синхронных RS-триггера с синхронизацией по фронту тактирующего импульса и некоторое число логических элементов для создания цепей переноса. Так как сдвигающие регистры с последовательными входом и выходом имеют низкое быстродействие, разработаем схему с параллельными входом и выходом.

Рисунок 17. Разработанная схема правосдвигающего синхронного регистра на RS-триггерах

Выполняя инвертирование сигнала на входах триггеров мы добиваемся того, что подача напряжений одинаковых уровней на входы S и R невозможна. Значит, при S = 0, R = 1 – на выходе получим 0, при S = 1, R = 0 – на выходе получим 1. На входах сдвигающего регистра необходимо установить четыре элемента со следующей таблицей истинности:

Соединив четвёртый выход с первым входом мы получаем кольцевой правосдвигающий регистр. Информация с выхода Q4 не будет теряться, а будет циркулировать заново.

Поскольку такой регистр сдвига четырёхразрядный, количество возможных комбинаций на входе составит 16. Рассмотрим работу нашего регистра при подаче на вход некоторых комбинаций.

№ комбинации	Вход					Выход
					№ синхроимпульса

5. Вывод

В курсовом проекте было рассмотрено классификацию регистров, принципы их работы. Рассмотрено типы и принцип работы триггеров как главных составляющих регистров. Было детально рассмотрено регистры сдвига и, в частности, сдвиговые регистры на RS-триггерах.

Также был спроектирован правосдвигающий кольцевой синхронный четырёхразрядный регистр на базе четырёх RS-триггеров и восьми логических элементов. Приведена таблица, описывающая работу регистра при некоторых входных комбинациях.

6. Список используемой литературы

1. Прянишников В.А. Электроника (курс лекций). – С-П., 1998

2. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника (часть первая). – К.: Высшая школа, 1989

3. Будищев М.С. Электротехника, электроника и микропроцессорная техника. – Л.: Афиша, 2001

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – С-П., 2000

5. Справочник современных интегральных микросхем

1. Умножение на 2 – это сдвиг двоичного числа влево на 1 разряд.

Деление на 2 – это сдвиг числа вправо на 1 разряд.

Каждый последующий сдвиг числа – это дальнейшее умножение или деление на степень двойки.

2 Преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот можно осуществить по схеме, приведенной на рис. 3.43.

Рис. 3.43. Схема преобразования кода параллельный\последовательный

S – data serial - последовательный вход данных

P/ S – вход управления режимом ввода (параллельный/последовательный)

Для осуществления преобразования регистр RG1 переводят в режим параллельного приема информации, а RG2 последовательного приёма, воздействуя на входы управления P/S соответствующим логическим уровнем сигнала. Параллельный код через входы D 1 - D 4 загружается в передающий регистр RG1, появляясь в параллельном виде на его выходах Q 1 – Q 4 . После этого оба регистра переводят в режим сдвига и на тактовый вход «с» подают серию из четырех импульсов. Передаваемый код вытесняется из передающего регистра в линию связи начиная со старших разрядов числа. Регистр–приёмник принимает и сдвигает каждый бит информации синхронно с передающим регистром. Таким образом, с окончанием серии из четырех тактовых импульсов, передаваемый код будет размещен в принимающем регистре и может быть прочитан из него в параллельном виде, т. к. появится на его выходах Q 1 – Q 4 . Это синхронный способ передачи кода.

При асинхронном способе синхронизирующий перепад, называемый стартовым битом, сопровождает цепочку из 5-8 бит (чаще всего байт). Это стандартный последовательный интерфейс .

Для выполнения функции как приемника так и передатчика при обмене в стандартном последовательном формате выпускаются специальные микросхемы КР580ВВ51 (ввод-вывод) или КР581ВА1.

Экономические расчеты стоимости кабеля связи и аппаратуры преобразования показывают, что при разрядности в 1-2 байта передача последовательным кодом уже при расстояниях в несколько метров становится выгоднее передачи параллельным кодом.

Сигналы сдвига подаются на RG непрерывно, а выход замкнут на вход DS. В результате однажды записанный в регистр код будет в этом кольце циркулировать. Поставив параллельно m одинаковых регистров можно записывать и считывать m-разрядные слова параллельным кодом.

Недостаток – большое время обращения

Достоинства – малые аппаратурные затраты и низкая стоимость.

Например 144ИР3 имеет ёмкость 64 бит.

4. Кольцевые распределители

Распределителями называют узлы, распределяющие поток импульсов последовательно, импульс за импульсом, по нескольким выходам по определенным циклограммам.

Применяют для управления шаговыми двигателями, обслуживания матриц ПЗС и др. многоразрядных объектов (рис. 3.44).

Рис. 3.44. Кольцевой распределитель

Схема предусматривает внесение единицы через элемент ИЛИ на вход последовательного приема информации DS. Последующие импульсы сдвига с частотой следования f вх перемещают эту единицу от младших разрядов к старшим, выделяя её на выходах Q 1 – Q 4 (рис. 3.45).

Рис. 3.45 Диаграмма кольцевого распределителя

Очевидно, что частота выходных импульсов на каждом из выходов окажется в четыре раза меньше входной, а в общем виде это соотношение зависит от числа разрядов сдвигового регистра – n. f вых = f вх / n

Достоинством такого распределителя является возможность преобразования последовательности импульсов в восьмеричный (десятичный) код без применения дешифратора.

Недостаток схемы – после сбоя работоспособность можно восстановить только путем внесения новой единицы.

От этого недостатка свободна схема с самовосстановлением после сбоя (рис. 3.46).

Рис. 3.46. Кольцевой распределитель с самовосстановлением после сбоя

Очевидно, что при смещении единицы в четвертый триггер регистра будет выполняться условие: Q̅ 1 ·Q̅ 2 ·Q̅ 3 = 1. Эта единица по цепи обратной связи поступит на вход DS, после чего цикл повторится.

5. Счетчик импульсов

Кольцевой распределитель можно рассматривать как счетчик-делитель с коэффициентом счета равным числу триггеров. Соединив последовательно два регистра по четыре разряда можно построить делитель на 16 (рис. 3.47).

Рис. 3.47 Счетчик-делитель на 16

Явным недостатком такой конструкции является малая ёмкость. Действительно, затратив те же 8 триггеров, можно собрать двоичный счетчик с коэффициентом деления 2 8 = 256.

6. Кольцевой распределитель с перекрестной связью

Для построения регистров используются последовательноесоединение этих элементов.

Последовательный регистр (регистр сдвига или сдвиговый регистр) обычно служит для преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот. Применение последовательного кода связано с необходимостью передачи большого количества двоичной информации по ограниченному количеству соединительных линий. При параллельной передаче разрядов требуется большое количество соединительных проводников. Если двоичные разряды последовательно бит за битом передавать по одному проводнику, то можно значительно сократить размеры соединительных линий на плате (и размеры корпусов микросхем).

Принципиальная схема последовательного (сдвигового) регистра, собранного на основе и позволяющего осуществить преобразование последовательного кода в параллельный, приведена на рисунке 1. Обратите внимание, что если для параллельных регистров подходили как триггеры работающие по потенциалу (триггеры-защелки), так и триггеры, работающие по фронту, то для реализации последовательного (сдвигового) регистра подходят только D триггеры, работающие по фронту!

Рисунок 1. Схема последовательного (сдвигового) регистра

Внутри сдвигового регистра триггеры соединены последовательно, то есть выход первого соединён с входом второго и т.д. рассмотренного последовательного регистра приведено на рисунке 2.

Рисунок 2. Условно-графическое обозначение последовательного (сдвигового) регистра

Входы синхронизации в последовательных (сдвиговых) регистрах, как и в параллельных регистрах, объединяются. Это обеспечивает одновременность смены состояния всех триггеров, входящих в состав последовательного (сдвигового) регистра.

Преобразование последовательного кода в параллельный в последовательном (сдвиговом) регистре производится следующим образом. Отдельные биты двоичной информации последовательно подаются на вход сдвигового регистра D0. Каждый бит сопровождается отдельным тактовым импульсом синхронизации, который поступает на вход синхронизации последовательного регистра C.

После поступления первого тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе D0, запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра и поступает на его выход, а так как он соединён с входом второго триггера, то и на его вход. Если бы последовательный (сдвиговый) регистр был собран на D триггерах, работающих по потенциалу, то этот бит тут же записался во второй D триггер! В нашем случае этого не происходит, так как к этому моменту фронт на входе синхронизации C уже закончился.

После поступления второго тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе второго триггера последовательного (сдвигового) регистра, запоминается в нем и поступает на его выход, а так как он соединён с входом третьего триггера, то и на его вход. Одновременно следующий бит входного последовательного кода запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра.

После поступления четвертого тактового импульса в триггерах последовательного (сдвигового) регистра будут записаны логические уровни бит, которые последовательно присутствовали на его входе D0. Теперь этими битами можно воспользоваться, например, для отображения на индикаторах.

Пусть на вход последовательного (сдвигового) регистра поступает сигнал, временная диаграмма которого изображена на рисунке 3, тогда состояние выходов этого регистра будет последовательно принимать значения, записанные в таблице 1.

Рисунок 3. Временная диаграмма работы сдвигового регистра

На рисунке 3 вместе с логическими уровнями записываются значения бит, которые передаются по соединительной линии или присутствуют на выходах сдвигового регистра.

№ такта	1	2	3	1
Q0	1	0	1	1
Q1	X	1	0	1
Q2	X	X	1	0
Q3	X	X	X	1

В качестве примера реализации последовательного (сдвигового) регистра можно назвать отечественную микросхему 1564ИР1 или иностранную 74НС164.