Послідовні (зсуваючі) регістри

Регістри, що зсувають, призначені для виконання операції зсуву слова інформації в напрямку старших розрядіві чи у напрямку молодших розрядів. Зсув слова інформації реалізується перезаписом станів між сусідніми тригерами регістра в напрямку зсуву. Таким чином, кожен розряд одночасно приймає інформацію з попереднього розряду і передає інформацію в наступний. Щоб уникнути явища гонок ці процеси повинні бути розділені в часі. Це досягається використанням двоступінчатих тригерів. В інтегральній схемотехніці регістри, що зсувають, будуються переважно на двоступінчатих D- і JK-тригерах.

Синтез регістра зсуву зводиться до визначення міжтригерних зв'язків з урахуванням типу застосовуючих тригерів. Оскільки при подачі на тригери регістра імпульсу, що зрушує, відбувається перехід кожного наступного тригера в стан, що відповідає стану попереднього, то при синтезі регістра досить розглянути процес передачі інформації між (і-1)-м і і-м тригерами при зсуві вліво (убік старших розрядів) і м іж (і+1)-м і і-м тригерами регістра при зсуві вправо (убік молодших розрядів).

ПРИКЛАД. Зробити синтез регістра зсуву вправо на синхронних JK-тригерах.

Складаємо кодовану таблицю переходів і-го тригера зі стану Q^t_i у стан (після приходу імпульса синхронізації) у залежності від його власного стану Q^t_i і стану попереднього тригера в цей же такт Q^t+1_i (табл. 5.1).

Таблиця 5.1

Q^t i +1	Q i^t	Q i^t+1	J i^t	K i^t
				-
			-
				-
			-

Табл. 1 заповнюється в такий спосіб: після приходу імпульсa синхронізації (Q^t+1_i буде рівне Q^t_i+1. Стовпчики J^t_і й K^t_i заповнюються відповідно до матриці переходів (характеристичною таблицею).JK-тригера Q^t_i®Q^t+1_i Þ J^t_і, K^t_i (табл. 3.14). Потім за допомогою карт Карно визначаємо МДНФ функції збудження J^t_і і K^t_i аргументів Q^t_i+1 й Q^t_i (мал. 5.3). З карт Карно випливає:

Рис. 5.3. Карти Карно для функцій:

a - J_i; б - для К_i

Таким чином, для переводу і-го тригера в стан (і+1)-го тригера необхідно прямий й інверсний виходи останнього з'єднати з J - і K-входами і-го тригера відповідно. Аналогічно з'єднуються між собою всі тригери регістра. Для введення інформації в крайній ліворуч тригер підключається до входу K

інвертор. Слід зазначити, що в регістрі зсуву всі JK-тригери працюють у режимі D-тригерів. Для нормальної роботи регістра зсуву тригери повинні бути двоступінчатими чи з динамічним керуванням (рис. 5.4).

Рис. 5. 4. Схема регістра зсуву на JK-тригерах

На мал.5.5 показані регістризсувувправо і вліво наD-тригерах, для яких функції збудження D^t+1_i=D^t_i+1 й D^t+1_i=D^t_i-1 .

Для побудови реверсивного регістра зсуву, у якому код числа може зсуватися як вправо, так і вліво, необхідно між тригерами регістра включити пристрій керування напрямком зсуву.

Рис. 5.5. Схеми регістрів зсуву на D-триггерах: а - вправо, б – уліво

ПРИКЛАД. Виконати синтез реверсивного регістра зсуву на один розряд.

Оскільки в послідовному регістрі тригери зв'язані між собою, то задача синтезу регістра зводиться до визначення міжтригерних зв'язків з урахуванням типу застосовуючих тригерів. Побудуємо регістр зсуву на D-тригерах.

Зсув коду числа здійснюється за допомогою імпульсів зсуву З, що зсувають усі розряди коду числа з входу (зсув вправо) чи з виходу регістра (зсув вліво) до його виходу (входу), послідовно переводячи кожен тригер регістра в стан, що відповідає розряду коду на вході даного тригера в момент надходження чергового імпульса зсуву.

Для побудови реверсивного послідовного регістра, у якому код числа може зсуватися як вправо, так і вліво, необхідно між тригерами регістра включити пристрій керування напрямком зсуву. Цей пристрій у залежності від значень керуючих сигналів " Зсув вправо" і "Зсув вліво" повинен переключати входи кожного тригера регістра або до виходів попереднього, або до виходів наступного тригера.

З урахуванням особливостей роботи регістра зсуву алгоритм синтезу наступний.

1. Складаємо кодованутаблицю переходів і-го розряду регістра (табл. 5.2). При V = 0 робимо зсув вправо, при V = 1 -зсуву вліво. Табл. 5.2 заповнюємо в такий спосіб:

якщо V = 0, то Q^t+1_i = Q^t_i+1 . Якщо V = 1, то Q^t+1_i = Q^t_i-1. Колонку D_i необхідно заповнювати відповідно до матриці переходів (характеристичної таблиці) D-тригера: Q^t_i®Q^t+1_i => D^t_i (див. табл. 3.9).

Таблиця 5.2

Номер набору	V^t	Q ^ti +1	Q ^ti	Q ^ti -1	Q i^t+1	D i^t

2. Визначаємо за допомогою карт Карно (мал.5.6) МДНФ функції D аргументів V, Q_i+1, Q_i, Q_i-1.

Рис. 5.6. Карта Карно функції збудження тригерів регістра

3. Будуємо структурну схему реверсивного регістра зсуву (мал. 5.7) по функції

Рис. 5. 7. Схема реверсивного зсуву на D-тригерах

Регістри знаходять застосування при виконанні різних тимчасових перетворень. Регістри зсуву використовуються в схемах множення і ділення: зсув числа уліво (вправо) на один розряд відповідає його множенню (діленню) на два. Регістри можна використовувати для затримки переданої інформації на п тактів. Регістри зсуву використовуються для перетворення послідовного коду в паралельний, і навпаки, для побудови дільників імпульсів, лічильників, формувачів різних кодів і т.д. широко використовуються регістри зсуву зі зворотнім зв'язком між входом і виходом (кільцеві лічильники).

На мал. 5.8 показанна схема регістра зсуву, що використовується для перетворення паралельного коду, прийнятого в регістр, у послідовний. Для цього досить прийнятий код зсувати доти, поки весь він не буде висунутий з регістра. Вихід із крайнього розряду використовується як вихідна шина послідовного коду. Цей регістр може виконувати також функцію перетворення послідовного коду в паралельний. Паралельний код надходить на входи X₁-X₄. Запис паралельного коду здійснюється подачею сигналу С₂ на вхіделементів І- І-НІ. Послідовнийкод надходить на вхід D.Зсув здійснюється подачею сигналу С₁.

Рис. 5.8. Схема регістра зрушення на D-тригерах з динамічним керуванням і асинхроннимиRS входам

При введенні зворотних зв'язків у регістрі зсуву останній

перетворюється в замкнуте кільце, у якому під впливом імпульсів, що зсуває, циркулює введена в регістр інформація. Такі регістри називають кільцевими лічильниками (рис. 5.9).

Послідовний зсув кодової одиниці від тригера до тригера і з виходу регістра на його вхід визначає таблицю його функціонування (табл. 5.3).

Таблиця 5.3

Q^t4	Q^t3	Q^t2	Q^t1	Q4^t+1	Q3^t+1	Q2^t+1	Q1^t+1

У цьому регістрі (мал. 5.9) кодова одиниця, введена в перший тригер, циркулює протягом усього часу існування послідовності імпульсів, що зсувають, Т, подаваних на тактові входи с усіх тригерів регістра. У процесі "просування" кодової одиниці вздовж регістра кожен тригер переходить з нульового стану в одиничний і знаходиться в ньому протягом періоду проходження імпульсів, що зсувають. У результаті в будь-який момент часу один із тригерів регістра знаходиться в одиничному стані, а інші - у нульовому. Ця властивість кільцевого регістра використовується при побудові дільників імпульсів.

Рис. 5.9. Кільцевий регістр (лічильник) на D-тригерах

З опису роботи кільцевого регістра випливає, що кодова одиниця з'являється на виході з частотою, рівної відношенню частоти імпульсів, що зсувають, на кількість тригерів у регістрі. Таким чином, коефіцієнт перерахування кільцевого регістра (лічильника) дорівнює числу тригерів, з яких він побудований.

У розглянутому кільцевому регістрі в результаті впливу перешкоди втрата одиниці тригером, що знаходився в стані "1", приведе до того, що всі тригери в кільці виявляться в нульовому стані. Подібні збої можуть бути усунуті тільки повторною початковою установкою тригерів регістра.

Одним з методів боротьби з подібними збоями є введення в регістр логічного ланцюга (мал. 5.10). Увесь той час, поки хоча б один тригер регістра знаходиться в стані "1", на виході ланцюга АБО-НІ буде нуль. Коли під впливом тактових імпульсів усі тригери установляться в нуль, на виході елемента АБО-НІ з'явиться одиниця. Черговий тактовий імпульс установить в одиницю перший тригер, і таким чином, знову почнеться цикл просування одиниці по розрядах регістра.

Рис. 5.10. Кільцевий регістр на D-тригерах

з логічним зворотним зв'язком

Якщо в кільцевому регістрі з п тригерів увести перехресну (інверсну) зворотний зв'язок, то одержимо лічильник Джонсона (мал. 5.11,а). У цьому випадку коефіцієнт перерахування буде рівним 2n. Це випливає з таблиці переходів (табл. 5.4). Замість "перекачування" з кожним тактовим імпульсом одиниці з тригера в тригер тут одиничний стан приймає черговий тригер, і так протягом перших п імпульсів. При досягненні одиничного стану всіма тригерами протягом наступних п тактових імпульсів буде відбуватися заповнення тригерів нулями. При досягненні всіма тригерами нульового стану описаний цикл роботи лічильника повторюється.

Рис. 5.11. Кільцевий регістр із перехресним зворотним зв'язком (а), кільцевий регістр із логічним зворотним зв'язком (б)

Таблиця 5.4

Номер стану	Q1	Q2	Q3	Q4

Якщо в кільцевому регістрі в ланцюг зворотного зв'язку включити логічний елемент сума по модулю два. то в цьому випадку одержимо пристрій, що використовується для одержання псевдовипадкової послідовності нулів і одиниць (мал. 5.11,б). Робота такого регістра описується табл. 5.5. Спосіб нарощування регістрів показаний на мал. 5.12.

Таблиця 5.5

Номер стану	Q1	Q2	Q3	Q4

Рис.5.12. Спосіб нарощування регістрів зсуву

Усі розглянуті раніше схеми регістрів можна реалізувати у виді однієї схеми універсального регістра. Звичайно універсальні регістри випускаються у виді інтегральних мікросхем. У залежності від подачі керуючих сигналів такий регістр може працювати в режимах регістра пам'яті, регістрів зсуву, реверсивного регістра, кільцевого регістра і т.д. В серії K155 мається мікросхема К155ИР1 - четирьохразрядний універсальний регістр зсуву (мал. 5.13,а) з рівнобіжними і послідовними входами. При рівнобіжному записі інформації, установленої на входах D₁-D₄, на вхід рівнобіжного завантаження V₂подають рівень логічної "1", а на тактовий вхід С₂ - тактовий імпульс, по негативному фронті якого дані листуються на вихід регістра Q. Стан входів V₁ і С₁ може бути при цьому довільним. Для послідовного запису інформації зі зсувом вправо (від Q₁ і Q₄) записуючий код подають на вхід V₁ на вході V₂ підтримують рівень логічного "0", а тактові імпульси посилають на вхід С₁. Запис і зсув, так само, як і в попередньому режимі, відбуваються в моменти формування негативних фронтів. Стану входів D₁-D₄ й С₂ можуть бути будь-якими, тому що логічний "0" на вході V₂ блокує проходження сигналів із зазначених входів.

Рис. 5.13. Регістр зсуву ДО155ИР1 (а) і схеми його включення:

кільцевий регістр (б); кільцевий регістр із логічним

зворотним зв'язком (в); реверсивний регістр (г)

Схема кільцевого регістра (лічильника), побудованого на регістрі К155ИР1 показана на мал. 5.13,6. Вихід Q₄ останнього тригера з'єднаний із входом регістра V₁, завдяки чому й утвориться кільцеве з'єднання тригерів у регістрі. Початкова установка тригерів регістра встанослюється при V₂ =1 подачею імпульсу на вхід С₂. Оскільки на вхід D₁ подано потенціал 1, а на входи D₂-D₄ - потенціал 0, то при цьому перший тригер установиться в 1, а інші в 0. Режим рахунку у даному випадку реалізується при К₂=0 і подачі вхідних імпульсів на вхід С₁. У цьому випадку тригери послідовно приймають стани 1000, 0100, 0010, 0001 і далі цикл знову повторюється. Таким чином, після приходу чотирьох вхідних імпульсів регістр повертається у вихідний стан. Це й означає, що коефіцієнт перерахування регістра дорівнює чотирьом. Для збільшення коефіцієнта перерахування можна з'єднувати лічильники послідовно. Для запобігання збоїв у роботі регістра при втраті одиниці в одному з тригерів, коли всі тригери в колі виявляться в нульовому стані, включається в зворотний зв'язок елемент АБО-НІ (мал. 5.13, в). У цьому випадку на виході елемента АБО-НІ буде одиниця. Черговий тактовий імпульс установить в одиницю перший тригер, і в такий спосіб знову почнеться цикл просування одиниці по розрядах регістра.

Реверсивний регістр зсуву можна побудувати відповідним з'єднанням входів і виходів регістра (мал. 5.13, г). Для цього входи D₁, D₂, D₃ підключають відповідно до виходів Q₂, Q₃, Q₄. Якщо послідовний код подавати на вхід V₁, а імпульси синхронізації - на С₁, то при V₂=0 регістр виконує зсув убік зростання номерів виходів (зсув вправо). Якщо ж послідовний код подавати на вхід D₄, а синхроімпульси - на С₂, то при V₂=1 регістр буде виконувати зсув убік зменшення номерів виходів (зсув вліво).

На мал. 5.14 показана умовна позначка мікросхеми К155ИР13. Ця мікросхема є універсальним восьмиразрядним реверсивним регістром зсуву з великими функціональними можливостями. Регістр може працювати в наступних

Рис. 5.14. Умовна позначка мікросхеми реверсивного

регістра зрушення К155ИР13

режимах: послідовного введення інформації із зсувом вправо, послідовного введення із зсувом уліво, паралельного введення, збереження, установки нулів (очищення, скидання). Режим вибирають завданням відповідного коду на вході S (табл. 5.6).

Таблиця 5.6

S0	S1	Режим
		Збереження
		Зсув вліво
		Зсув вправо
		Паралельне введення

У режимі паралельного введення інформація, представлена в рівнобіжному коді на входах D₁ - D₈, записується в регістр за позитивним фронтом тактового імпульсу на вході С. При цьому R= 1, а стани інших входів, крім режимних, можуть бути довільними. Для послідовного введення і зсуву в одну зі сторін інформація подається поразрядно на вибраний вхід DR (DR- зсув вправо, від англійського right) і DL (DL -зсуву вліво, від англійського left) і синхронно з позитивними фронтами тактових імпульсів надходить на розрядні виходи Q₁ -Q₈. У цьому випадку також R=l, на режимних входах установлюється необхідний код, а стан інших входів довільний.

Асинхронний перехід регістра в нульовий стан відбувається при R=0.

Дата добавления: 2015-06-27