Определение. Классификация

 

Регистры (Registrum – список, указатель) – это ПЦУ, предназначенное для приема, запоминания, преобразования и передачи информации, которая представлена в виде многоразрядного двоичного числа (слова, кода). Под преобразованием понимают сдвиг числа вправо или влево (на q разрядов), а также преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот.

По способу приема и передачи информации (двоичного числа, кода) регистры могут быть:

-SI/SO – последовательный по входу (запись) и последовательный по выходу (считывание);

-SI/PO – последовательная запись, параллельное считывание;

-PI/SO – параллельная запись, последовательное считывание;

-PI/PO – параллельная запись, параллельное считывание;

Обозначения: S(serial) – последовательный; P(parallel) – параллельный; I(input) – вход; O(output) – выход.

Разрядность регистра определяется количеством триггеров – элементов памяти. Каждый триггер отвечает за прием, хранение и считывание 1 бита информации.

Такие операции, как установка триггеров в исходное состояние, прием, считывание, сдвиг влево или вправо реализуются с помощью комбинационной схемы регистра (логическая схема управления).

 

Регистры памяти PI/PO – параллельные

Регистры памяти (статические) это накопительные регистры – устройства типа PI\PO. Схема паралельного двухразрядного регистра на рис.7.25а, обозначение на рис.7.25б. Вход R – предварительный сброс в состояние 0.

 

Рисунок 7.25 – схема регистра PI/PO на D-триггерах

 

Входы x_i - информационные, вход С - тактирование, разрешение записи.

 

Последовательные регистры (SI/SO) – регистры сдвига

Это регистры предназначенные для выполнения операции сдвига двоичной информации, которая подается в последовательном коде – разряд за разрядом. Если сдвиг (перемещение всех разрядов) осуществляется в направлении от старших к младшим – это сдвиг вправо, если от младших к старшим – сдвиг влево. Строят на основе синхронных D- или RS-триггеров. Схема на D-триггерах приведена на рисунке 7.26а, обозначение на рис.7.26б. Это схема SI\PO(SO).

 

Рисунок 7.26 – Последовательный регистр типа SI/РO(SO)

 

Сдвиг осуществляется из младшего разряда к старшему (влево) синхронно с периодом поступления тактовых импульсов. Предварительно все триггеры сбрасываются в 0 сигналом на входе R.

 

Комбинационные цифровые устройства (КЦУ)

Особенностью КЦУ является отсутствие в их составе элементов памяти. Это обозначает, что выходные сигналы определяются только комбинацией входных сигналов в данный момент времени.

К КЦУ относятся ЛЭ И-НЕ (ЛА), ИЛИ-НЕ (ЛЕ), И (ЛИ), ИЛИ (ЛЛ), НЕ (ЛН), И-ИЛИ (ЛС), И-ИЛИ-НЕ (ЛР), шифраторы (ИВ), дешифраторы (ИД), преобразователи кодов X/Y (ПР), мультиплексоры MUX (КП), демультиплексоры DMX (ИД), схемы сравнения (цифровые компараторы) == (СА), цифровые сумматоры (ИМ), арифметико-логические устройства ALU (ИП) и др. Здесь в скобках приведены буквенные обозначения, применяемые для соответствующих микросхем отечественного производства.

Особенности схемотехники КЦУ рассмотрим на примерах построения схем мультиплексоров и демультиплексоров.

 

Мультиплексоры

Мультиплексором 2ⁿ 1 или (2ⁿ - канальным мультиплексором, MUX - Multiplexer) называется комбинационное логическое устройство, которое предназначено для управляемой передачи (коммутации) цифровых сигналов от нескольких источников информации (входов, DI - Data Input - информационные входные сигналы) на один выходной канал (выход, DO - Data Output - выходной сигнал мультиплексора).

Согласно этому определению, мультиплексор должен иметь один выход и две группы входов: информационные (DI) и адресные A_i (A - address). Код, который подаётся на адресные входы, определяет, какой из информационных входов в данный момент времени подключен к выходному выводу. Поскольку n-разрядный двоичный код может принимать 2ⁿ значений, то при условии, что количество адресных входов равно n, количество его информационных входов должно быть 2ⁿ (n_инф = ). Управляемый мультиплексор имеет ещё один вход разрешения мультиплексирования E (Enable) или OE (Output Enable).

В соответствии со своим назначением, мультиплексор реализует логическую функцию

 

DO = , (7.2)

 

где DI_i - входные информационные сигналы, m_i(A) - минтермы n адресных переменных A_i , т.е. адреса.

Мультиплексор является коммутатором 2ⁿ информационных сигналв DI_i на один выход DO. Действительно, если m_i(A)=1, то при m_j(A)=0 при i ≠ j и DO=DI_i.

Если в (7.2) сигналы DI_i заменить на , то функция DO сменится на . Выражение (7.2) является основой для построения схемы мультиплексора. На рис.7.27а приведен мультиплексор 2 1, который выполняет функцию

Рисунок 7.27 - Схемы мультиплексоров

 

DO = DI₀ DI₁ A₀ . (7.3)

 

На рис.7.27б приведена схема мультиплексора 4 1; из рисунка видно, что эта схема включает в себя полный дешифратор на ЛЭ типа И. Для увеличения функциональных возможностей мультиплексоров и обеспечения их каскадирования обычно вводится один из управляющих сигналов Е (Enable) или OE (Output Enable). Структурная схема мультиплексора 2ⁿ 1 со стробирующим сигналом Е приведена на рис.7.27в. Он выполняет логическую функцию

 

DO = Е∙ DI₀ DI₁ A₀ . (7.4)

 

Демультиплексоры

Демультиплексор (DMX - Demultiplexer) комбинационная схема, назначение которой прямо противоположно мультиплексору- передача (коммутация) сигнала из единственого информационного входа D (Data) на один из 2ⁿ выходов; номер выхода определяется кодом на його n адресных входах.

На рис.7.28а приведена схема демультиплексора на два выхода, а на рис.7.28б - схема демультиплексора 1 4. Таблица истинности этого демультиплексора приведена в табл.7.4.

Таблица 7.4 - Таблица истинности демультиплексора 1 4

A1	A0	F0	F1	F2	F3
X	X
		D
			D
				D
					D

Рисунок 7.28 - Схемы демультиплексоров

Вопросы для самопроверки

1. Каков смысл логической переменной, логической функции, ЛЭ ?

2. Чем потенциальное управление отличается от импульсного ? Каковы уровни сигналов положительной и отрицательной логики ?

1. Передаточная характеристика ЛЭ. Как по ней определить уровни логических сигналов (положительная логика) ?

2. Коэффициент объединения по входу. Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность). Средняя мощность потребления.

3. Из каких частей состоит базовый элемент ТТЛ ИС (2И-НЕ) ? Зачем нужен сложный инвертор ?

4. Чем ограничена нагрузочная способность ТТЛ ИС и как её повысить?

5. Зачем в ТТЛ ИС вводить стробирование (показать на примере 2ИЛИ-НЕ) ?

6. Какова необходимость ввода в логические схемы третьего состояния (высокого импеданса, показать на примере) ?

7. Как в ЛЭ ТТЛ ИС схемотехнически реализуется третье состояние ?

8. Каковы схемотехнические решения ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ на n-МОП (р-МОП) транзисторах ?

9. Как схемотехнически строятся ЛЭ на КМОП структурах (инвертор) ?

10. Как схемотехнически строятся ЛЭ на КМОП с тремя состояниями ?

11. Зачем нужны преобразователи уровней логических сигналов ?

12. Триггер RS-типа со статическим управлением.

13. Триггер D-типа.

14. Триггер T-типа.

15. Триггер JK-типа.

16. Как схемотехнически организуется функция синхронизации в триггерах ?

17. Как схемотехнически в триггерах организуется функция динамического управления (на примере MS) ?

18. Каковы функции, определение и классификация регистров ?

19. Чем по принципу работы и схемотехнике параллельные регистры отличаются от последовательных ?

20. Каковы функции мультиплексора 4 1 ?

21. Каковы функции демультиплексора 1 4 ?

 

Литература

1.Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций.- С.Пет : Корона-принт, 2000.-416стр.(учебное пособие).

2.Колонтаевский Ю.П., Сосков А.Г. Электроника и микросхемотехника. Учебник. 2-е изд.\ под ред. Соскова А.Г.-К.: Каравелла, 2009.- 416 стр.

3.Сенько В.И., Панасенко Н.В. и др. Электроника и микросхемотехника: Учебник для высш. Уч. Зав.: в 4-х томах\ под ред. В.И. Сенько.

Т.1.Элементная база электронных приборов. -К: ТВО издательство”Обереги”, 2000.-300стр.

Т.2.Аналоговые и импульсные устройства.-Харьков: Фолио, 2002. – 510 стр.

Т.3.Цифровые устройства .-К.: Каравелла, 2008. – 400 стр.

(для студентов по направлению “Электромеханика”. КПИ, ХПИ,Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта).

4.Скаржена В.А., Сенько В.И. Электроника и микросхемотехника. –К.: Высшая школа, 1989. -232 стр.

5.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. –Челябинск: Металлургия, 1989. – 352стр. (+Линейные интегральные схемы.- М: Сов. Радио, 1983)

6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах : Перевод с англ. 4-е издание,переработ и дополненное – М.: Мир, 1993

7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководсто: Перевод с нем. –М.Ми, 1982. – 512 стр.