Последовательные регистры

Лекция 21

Счетчики импульсов и регистры

 

Счетчиком называют устройство, сигналы на выходах которого в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на его счетный вход. Счет числа импульсов является одной из самых распространенных операций в устройствах обработки цифровой информации.

Основные показатели счетчиков:

- -максимальная частота счета -это такая частота, при которой не наблюдаются сбои в работе счетчика, она зависит от динамических свойств элементной базы;

- -максимальное время установления - это время, необходимое для окончания переходных процессов в счетчике, т.е. это время установления кода.

Классификация счетчиков:

- по коэффициенту счета делятся на: двоичные, двоично-десятичные, и с другими основаниями счета;

- по направлению счета делятся на: суммирующие, вычитающие и реверсивные,

- по способу организации связей делятся на: счетчики последовательного счета, параллельного счета и комбинированные.

Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров. Счет числа импульсов производится на основе двоичной системы счета.

 

Двоичные счетчики

 

Рассмотрим суммирующий двоичный счетчик, который обычно строится на Т-триггерах путем последовательного их соединения (рис.1,а).

 

Рисунок 21.1 - Схема двоичного суммирующего счетчика (a), таблица состояний счетчика (b), временная диаграмма работы счетчика (с), условное графическое обозначение (d)

Состояние счетчика зависит от совокупности потенциалов на прямых выходах триггеров. Перед началом счета подают импульс на объединенные входы R триггеров, этим самым приводя их в нулевое состояние (первая строка таблицы состояний счетчика (рисунок 21.1,b)). С приходом заднего фронта на вход С, первый триггер установится в состояние «1», следующий импульс своим задним фронтом установит триггер в состояние «0». На выходе первого триггера образуется задний фронт, который переведет второй триггер в состояние «1». Переключения всех триггеров отображаются в таблице состояний и на временной диаграмме (рисунок 21.1,с).

Модуль счета счетчика – это максимальное число импульсов, которое может быть посчитано

, (21.1)

где N-число двоичных разрядов счетчика, равное числу триггеров.

В рассматриваемом случае разрядность равна 4, счетчик считает до 15, тогда все триггеры находятся в состоянии «1», с приходом 16 импульса на выходе четвертого триггера формируется задний фронт. Из условного обозначения видно, что счетчик четырехразрядный, суммирующий, имеет вход предварительной установки в состояние «0». Обозначение СТ от сокращенного английского «counter».

Двоичные счетчики часто используют для деления частоты

(21.2)

 

Максимальная частота счета , где - время задержки на одном триггере, это интервал времени, необходимый для смены состояния триггера после прихода заднего фронта входного импульса.

Недостаток последовательного счета – это большое время установки кода

Переходный процесс установки кода, например, при переходе от числа 15₁₀= (1111)₂ к состоянию «0000» происходит постепенно. Сначала в состояние «1» через интервал времени , после подачи заднего фронта входного импульса, установится первый триггер, затем через такой же интервал - второй триггер и т.д. Последний триггер установится в состояние «0» после 4 . Этот процесс подобен падению костяшек домино. Следовательно, считывать код со счетчика можно только после окончания времени установления кода .

Рассмотрим вычитающий двоичный счетчик, который также строится на Т-триггерах, но с входом S – предварительной установкой в состояние»1» (рисунок 21.2,а). Отличие заключается в том, что информация на следующий триггер подается с инверсного выхода триггера.

 

Рисунок 21.2 - Схема двоичного вычитающего счетчика (а),

таблица состояния счетчика (b), условные обозначения

вычитающего счетчика (с) и реверсивного счетчика (d)

 

Перед работой все триггеры вычитающего счетчика устанавливают в состояние «1» - первая строка таблицы состояний (рисунок 21.2,b) С приходом заднего фронта первого импульса первый триггер займет состояние , а . С приходом второго импульса триггер меняет свое состояние на противоположное. Это сформирует на его инверсном выходе задний фронт импульса, который подается на второй триггер. Второй триггер установится в состояние «1». Таким образом, с приходом каждого входного импульса содержание счетчика уменьшается на единицу. В условном обозначении отражена особенность счетчика. Направление стрелки показывает, что он вычитающий, с предварительной установкой в состояние «1».

Существует реверсивный счетчик (рисунок 21.2,d), у которого направления счета можно менять за счет управляющего сигнала, который подается на вход « » счетчика. Обычно, если управляющий сигнал имеет высокий уровень, соответствующий «1», то счетчик работает в режиме суммирования, если «0» - то в режиме вычитания. Счетчик имеет входы предварительной установки в состоянии «0» - R, в состоянии «1» - S.

 

21.2 Счетчики с модулем счета, не равным

 

Широко применяются счетчики с модулями счета 3,5,6,10,12. Общий принцип построения этих счетчиков – это исключение избыточных состояний. Например, для =10 необходимо взять четырех разрядный счетчик (число состояний 16) и исключить шесть состояний. Чаще всего такие счетчики строятся с естественным порядком счета, т.е. он работает как обычный двоичный счетчик, но когда номер импульса совпадает с модулем счетчика, то счетчик устанавливается принудительно в состояние «0». Схема такого счетчика, который называют двоично-десятичным, показана на рисунке 21.3,а.

 

Рисунок 21.3 - Схема двоично-десятичного счетчика с естественным порядком счета (а), таблица состояний счетчика (b), временная диаграмма работы счетчика (с), условное графическое обозначение счетчика (d)

 

До прихода десятого импульса (см. таблицу состояний рисунок 21.3,b) счетчик работает как обычный двоичный, т.е. наблюдается естественный порядок счета.

С приходом заднего фронта десятого импульса на входах элемента И появятся три логические «1». Одна - с элемента НЕ ( инверсия входного сигнала), вторая - с выхода , третья с выхода . На выходе элемента И сформируется логический уровень «1», который установит все триггеры в состояние 0.

Аналогично можно построить счетчики с другими модулями, не равными .

 

Регистры

 

Регистрами называют устройства, предназначенные для приема, хранения и преобразования информации. Регистры используются в качестве запоминающих устройств (ОЗУ), также выполняют функции преобразователей кодов, узлов временной задержки.

Регистры по способу записи и считывания информации делятся на: параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.

 

Параллельные регистры

 

Регистры состоят из триггеров, число которых определяет разрядность регистра, т.е. число двоичных разрядов, которые можно записать в регистр. Параллельные регистры (регистры памяти) часто строятся на D-триггерах (рисунок 21.4,а).

 

Рисунок 21.4 - Схема параллельного регистра (а), условные обозначения параллельного регистра (b) и регистра с высокоимпедансным состоянием

 

В параллельном регистре запись числа (его называют словом) производится одновременно всех его разрядов. На входы D0….D3 подается информация, по заднему фронту сигнала С она записывается в регистр и появляется на выходах Q0…Q3. В таком состоянии регистр может находиться сколь угодно долго. Обычно существует возможность установить все триггеры регистра в состояние «0» путем подачи логической «1» на R вход. Иногда функциональные возможности регистра расширяют, для этого вводят дополнительные управляющие входы (рисунок 21.4,с). По сигналу «1» на входе V инвертируется предварительно записанное слово, т.е. на выходах появляются сигналы . По сигналу «1» на входе ОЕ все выходы регистра переходят в третье высокоимпедансное состояние.

 

Последовательные регистры

 

Последовательные регистры (регистры сдвига) характеризуются записью числа последовательным кодом, т.е. каждый бит информации записывается поочередно по мере поступления (рисунок 21.5,а).

 

Рисунок 21.5 - Схема последовательного регистра (а), временная диаграмма работы (b), условное графическое обозначение (с)

 

Записываемая информация в виде последовательно поступающих импульсов на вход D сопровождается специальным синхроимпульсом, который подается на вход С. Запись и сдвиг информации происходит одновременно по заднему фронту. Рассмотрим пример, когда на вход D поступает четырехразрядное слово 1101, временная диаграмма показана на рисунке 21.5,b. С приходом первого импульса на вход D по заднему фронту импульса на входе С логическая «1» появляется на выходе Q0. Произошла запись первого бита в регистр. Состояние второго триггера не меняется, т.к. событие Q0=1 происходит после окончания заднего фронта импульса С. Второе состояние входа D в момент прихода заднего фронта импульса С соответствует логическому «0», поэтому происходит запись «0» в первый триггер, а «1» переписывается во второй триггер. Далее легко проследить, как все слово под действием четырех синхроимпульсов будет записано в регистр. Если подать еще четыре синхроимпульса при D=0, то получим на выходе Q3 такую же последовательность импульсов, какая была на входе. Сущность сдвига состоит в том, что с приходом каждого синхроимпульса происходит перезапись информации с предыдущего триггера в последующий. Эта перезапись может происходить слева направо (показано стрелкой в условном обозначении (рисунок 21.5,с).) или наоборот. Регистр часто служит для преобразования последовательного кода в параллельный.