67151

Последовательностные ИМС

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Если выходные сигналы логических элементов и комбинационных микросхем однозначно определяются их текущими входными сигналами то выходные сигналы микросхем с внутренней памятью зависят также еще и от того какие входные сигналы и в какой последовательности поступали...

Русский

2014-09-04

324 KB

0 чел.

PAGE  19

FILENAME 5Последовательн ИМС

5. Последовательностные ИМС

В лекции рассказывается о триггерах различных типов, об алгоритмах их работы, параметрах, типовых схемах включения, а также о реализации на их основе некоторых часто встречающихся функций.

Триггеры и регистры являются простейшими представителями цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память. Если выходные сигналы логических элементов и комбинационных микросхем однозначно определяются их текущими входными сигналами, то выходные сигналы микросхем с внутренней памятью зависят также еще и от того, какие входные сигналы и в какой последовательности поступали на них в прошлом, то есть они помнят предысторию поведения схемы. Именно поэтому их применение позволяет строить гораздо более сложные и интеллектуальные цифровые устройства, чем в случае простейших микросхем без памяти. Микросхемы с внутренней памятью называются еще последовательными или последовательностными, в отличие от комбинационных микросхем.

Триггеры и регистры сохраняют свою память только до тех пор, пока на них подается напряжение питания. Иначе говоря, их память относится к типу оперативной памяти. После выключения питания и его последующего включения триггеры и регистры переходят в случайное состояние, то есть их выходные сигналы могут устанавливаться как в уровень логической единицы, так и в уровень логического нуля. Это необходимо учитывать при проектировании схем.

Большим преимуществом триггеров и регистров перед другими типами микросхем с памятью является их максимально высокое быстродействие (то есть минимальные времена задержек срабатывания и максимально высокая допустимая рабочая частота). Именно поэтому триггеры и регистры иногда называют также сверхоперативной памятью. Однако недостаток триггеров и регистров в том, что объем их внутренней памяти очень мал, они могут хранить только отдельные сигналы, биты (триггеры) или отдельные коды, байты, слова (регистры).

Триггер можно рассматривать как одноразрядную, а регистр — как многоразрядную ячейку памяти, которая состоит из нескольких триггеров, соединенных параллельно (обычный, параллельный регистр) или последовательно (сдвиговый регистр или, что то же самое, регистр сдвига).

5.1.Триггеры

В основе любого триггера (англ. — "тrigger" или "flip-flop") лежит схема из двух логических элементов, которые охвачены положительными обратными связями (то есть сигналы с выходов подаются на входы). В результате подобного включения схема может находиться в одном из двух устойчивых состояний, причем находиться сколь угодно долго, пока на нее подано напряжение питания.

Рис. 7.1.  Схема триггерной ячейки

Пример такой схемы (так называемой триггерной ячейки) на двух двухвходовых элементах И-НЕ представлен на рис. 7.1. У схемы есть два инверсных входа: –R — сброс (от английского Reset), и –S — установка (от английского Set), а также два выхода: прямой выход Q и инверсный выход –Q.

Для правильной работы схемы отрицательные импульсы должны поступать на ее входы не одновременно. Приход импульса на вход -R переводит выход -Q в состояние единицы, а так как сигнал -S при этом единичный, выход Q становится нулевым. Этот же сигнал Q поступает по цепи обратной связи на вход нижнего элемента. Поэтому даже после окончания импульса на входе -R состояние схемы не изменяется (на Q остается нуль, на -Q остается единица). Точно так же при приходе импульса на вход -S выход Q в единицу, а выход -Q — в нуль. Оба эти устойчивых состояния триггерной ячейки могут сохраняться сколь угодно долго, пока не придет очередной входной импульс, — иными словами, схема обладает памятью.

Если оба входных импульса придут строго одновременно, то в момент действия этих импульсов на обоих выходах будут единичные сигналы, а после окончания входных импульсов выходы случайным образом попадут в одно из двух устойчивых состояний. Точно так же случайным образом будет выбрано одно из двух устойчивых состояний триггерной ячейки при включении питания. Временная диаграмма работы триггерной ячейки показана на рисунке.

Таблица 7.1. Таблица истинности триггерной ячейки

Входы

Выходы

-R 

-S

Q

-Q

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

Без изменения

0

0

Не определено

В стандартные серии цифровых микросхем входит несколько типов микросхем триггеров, различающихся методами управления, а также входными и выходными сигналами. На схемах триггеры обозначаются буквой Т. В отечественных сериях микросхем триггеры имеют наименование ТВ, ТМ и ТР в зависимости от типа триггера. Наиболее распространены три типа ( рис. 7.2):

  •  RS-триггер (обозначается ТР) — самый простой триггер, но редко используемый (а).
  •  JK-триггер (обозначается ТВ) имеет самое сложное управление, также используется довольно редко (б).
  •  D-триггер (обозначается ТМ) — наиболее распространенный тип триггера (в).
  •  Т-триггер

Примером RS-триггера является микросхема ТР2, в одном корпусе которой находятся четыре RS-триггера. Два триггера имеют по одному входу –R и –S, а два других триггера — по одному входу –R и по два входа –S1 и –S2, объединенных по функции И. Все триггеры имеют только по одному прямому выходу. RS-триггер практически ничем не отличается по своим функциям от триггерной ячейки, рассмотренной ранее (см. рис. 7.1). Отрицательный импульс на входе –R перебрасывает выход в нуль, а отрицательный импульс на входе –S (или на любом из входов –S1 и –S2) перебрасывает выход в единицу. Одновременные сигналы на входах –R и –S переводят выход в единицу, а после окончания импульсов триггер попадает случайным образом в одно из своих устойчивых состояний.

Рис. 7.2.  Триггеры трех основных типов

JK-триггер значительно сложнее по своей структуре, чем RS-триггер. Он относится к так называемым тактируемым триггерам, то есть он срабатывает по фронту тактового сигнала. Примером может служить показанная на рис. 7.2 микросхема ТВ9, имеющая в одном корпусе два JK-триггера со входами сброса и установки -R и -S. Входы -R и -S работают точно так же, как и в RS-триггере, то есть отрицательный импульс на входе -R устанавливает прямой выход в нуль, а инверсный — в единицу, а отрицательный импульс на входе -S устанавливает прямой выход в единицу, а инверсный — в нуль.

Однако состояние триггера может быть изменено не только этими сигналами, но и сигналами на двух информационных входах J и K и синхросигналом С. Переключение триггера в этом случае происходит по отрицательному фронту сигнала С (по переходу из единицы в нуль) в зависимости от состояний сигналов J и K. При единице на входе J и нуле на входе К по фронту сигнала С прямой выход устанавливается в единицу (обратный — в нуль). При нуле на входе J и единице на входе К по фронту сигнала С прямой выход устанавливается в нуль (обратный — в единицу). При единичных уровнях на обоих входах J и K по фронту сигнала С триггер меняет состояние своих выходов на противоположные (это называется счетным режимом).

Рис. 7.3.  Временная диаграмма работы JK-триггера ТВ9

Временная диаграмма работы триггера ТВ9 — на рис. 7.3.

Наконец, самый распространенный D-триггер занимает, можно сказать, промежуточное положение между RS-триггером и JK-триггером. Помимо общих для всех триггеров входов установки и сброса –S и –R, он имеет один информационный вход D (вход данных) и один тактовый вход C. Примером может служить показанная на рис. 7.2 микросхема ТМ2, содержащая в одном корпусе два D-триггера с прямыми и инверсными выходами.

Рис. 7.4.  Временная диаграмма работы D-триггера ТМ2

Тактируется триггер (то есть меняет свое состояние) по положительному фронту сигнала С (по его переходу из нуля в единицу) в зависимости от состояния входа данных D. Если на входе D единичный сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в единицу (инверсный — в нуль). Если же на входе D — нулевой сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в нуль (инверсный — в единицу).

Временная диаграмма работы триггера ТМ2 представлена — на рис. 7.4.

Остановимся на работе D-триггера чуть подробнее, так как он наиболее часто используется. При этом многие замечания, высказанные здесь относительно D-триггера, будут верны и для других типов триггеров.

Прежде всего отметим, что все приведенные временные диаграммы относятся к первому уровню представления, к уровню логической модели. Конечно же, в реальности все триггеры имеют временные задержки установки выходных сигналов, а также предъявляют определенные временные требования к входным сигналам, при нарушении которых любой триггер будет работать неустойчиво или же не будет работать вообще. Это учитывается на втором уровне представления (в модели с временными задержками).

Говоря об областях применения триггеров, мы будем рассматривать исключительно D-триггеры, так как в большинстве случаев RS- и JK-триггеры могут быть заменены D-триггерами без ухудшения каких бы то ни было параметров схемы. Примеры такой замены показаны на рис. 7.5.

RS-триггер получается из D-триггера, если в D-триггере не использовать входы C и D, например, соединить их с общим проводом (а).

Рис. 7.5.  Включение D-триггера для замены RS-триггера (а) и JK-триггера в счетном режиме (б)

Сложнее обстоит дело с заменой JK-триггера, в котором предусмотрено больше возможностей, чем в D-триггере. Однако обычно два информационных входа JK-триггера не так уж и нужны. А что касается счетного режима, в котором, пожалуй, наиболее часто работают JK-триггеры, то он легко реализуется на D-триггере в результате объединения информационного входа D с инверсным выходом (б). При этом по каждому положительному фронту сигнала С триггер будет менять свое состояние на противоположное: нуль на прямом выходе будет сменяться единицей и наоборот. То есть частота входного сигнала триггера будет меньше частоты входного тактового сигнала С в два раза.

Отметим также, что для реализации счетного режима чаще всего используются не триггеры, а счетчики.

Особенности триггеров обусловливают наиболее широкий диапазон схем их включения для решения самых разных задач.

Например, с помощью триггера (любого типа) очень просто и эффективно решается задача устранения влияния дребезга контактов механических переключателей (рис. 7.6). Правда в данном случае необходим тумблер (или кнопка) с тремя выводами, один из которых попеременно подключается к двум другим. При этом первый отрицательный импульс на входе –R перебрасывает триггер в состояние нуля, а первый отрицательный импульс на входе –S — в состояние единицы. Последующие же импульсы на обоих этих входах, вызванные дребезгом контактов, уже никак не влияют на триггер. Нижнее (по рисунку) положение выключателя соответствует нулю на выходе триггера, а верхнее — единице.

Рис. 7.6.  Подавление дребезга контактов выключателя с помощью триггера

Основное применение триггеры находят в тех случаях, когда надо сформировать сигнал, длительность которого соответствует длительности какой-то выполняемой операции, какого-то продолжительного процесса в схеме. Выходной сигнал триггера при этом может разрешать этот самый процесс, а может информировать остальные узлы устройства о том, что процесс идет (или, как говорят, служить флагом процесса). Например, в схеме на рис. 7.7 в начале процесса (операции) по сигналу "Старт" триггер перебрасывается в единицу, а в конце процесса (операции) по сигналу "Стоп" — обратно в нуль.

Рис. 7.7.  Использование триггера в качестве флага процесса

Для сигналов "Старт" и "Стоп" можно, конечно, использовать входы триггера -R и -S. Однако более правильным и универсальным решением будет выбор пары входов С и -R или С и -S, что предотвратит неоднозначность поведения триггера при одновременном приходе сигналов "Старт" и "Стоп". Если используются входы С и -R, то на вход D надо подать единицу, а если применяются входы С и -S, то на вход D надо подать нуль. Такое решение удобно еще и тем, что в качестве одного из сигналов "Старт" и "Стоп" может выступать не уровень, а фронт. Именно этот фронт (в нужной полярности) и надо подать в этом случае на тактовый вход триггера С.

Вторая важнейшая область применения триггеров — синхронизация сигналов.

Например, триггер позволяет наиболее просто избавиться от паразитных коротких импульсов на выходах комбинационных схем, возникающих при почти одновременном изменении нескольких входных сигналов (рис. 7.8). Для синхронизации в данном случае необходимо иметь синхросигнал (синхропереход), сопровождающий входные информационные сигналы (входной код) и задержанный относительно момента изменения этих сигналов на время tз, большее задержки комбинационной схемы. При подаче этого синхроимпульса на вход С триггера, а выходного сигнала комбинационной микросхемы (Вых. 1) на вход D триггера на выходе триггера получаем сигнал (Вых. 2), полностью свободный от паразитных импульсов.

Рис. 7.8.  Синхронизация с помощью триггера

Более того, в случае, когда входной код комбинационной схемы изменяется регулярно, периодически, фронт синхросигнала может даже совпадать с моментом изменения входного кода (рис. 7.9).

Рис. 7.9.  Синхронизация с помощью триггера при периодическом изменении входного кода

При этом, за счет конечной величины задержки комбинационной схемы сигнал на вход C триггера будет поступать раньше, чем начнет изменяться сигнал на его входе D. Поэтому паразитные импульсы в триггер не запишутся. Правда, в данном случае сигнал на выходе триггера (Вых. 2) будет задержан на период следования входных кодов T (или, что то же самое, на период синхросигнала) относительно выходного сигнала комбинационной схемы (Вых. 1).

При проектировании цифровых схем, работающих по тактам единого тактового генератора, часто возникает необходимость синхронизовать с работой схемы какой-то внешний сигнал. То есть требуется обеспечить, чтобы этот сигнал (асинхронный по отношению ко всей остальной схеме) изменялся по тактам тактового генератора, как и все остальные сигналы схемы (стал бы синхронным всей остальной схеме). В этом тоже может помочь триггер.

Рассмотрим самый простой пример. Пусть необходимо с помощью внешнего сигнала разрешать и запрещать прохождение сигнала непрерывно работающего тактового генератора. Тактовый генератор работает постоянно, а по внешнему управляющему сигналу мы будем разрешать или запрещать прохождение его выходных импульсов (рис.7.10).

В простейшем случае (а) для пропускания и запрещения импульсов тактового генератора Г используется логический элемент 2И. При этом вполне возможна ситуация прохождения на выход схемы импульсов неполной длительности или даже предельно коротких, нестабильно появляющихся импульсов, которые могут вносить неопределенность в работу остальной схемы.

Применение синхронизирующего триггера (б) обеспечивает прохождение на выход пропускающего элемента 2И только импульсов полной длительности. Разрешающий сигнал, проходя через триггер, который тактируется разрешаемым сигналом, становится синхронным с тактовым сигналом и гарантирует прохождение на выход обязательно целого количества тактовых импульсов, целого количества периодов тактового генератора.

Рис. 7.10.  Синхронизация сигнала разрешения

Рис. 7.12.  Формирователь короткого импульса по фронту входного сигнала

D-триггер позволяет довольно просто формировать выходной короткий импульс по фронту входного сигнала. Для этого даже не нужно никаких времязадающих RC-цепочек. Длительность выходного импульса определяется задержкой срабатывания триггера. Формирователь короткого импульса по положительному фронту входного сигнала ( рис. 7.12) образуется путем подачи выходного сигнала триггера на вход сброса.

По положительному фронту на входе С триггер перебрасывается в единицу, но выходной сигнал триггера по цепи обратной связи тут же сбрасывает его обратно в нуль. Преимуществом данной схемы является то, что триггер имеет как прямой, так и инверсный выходы, поэтому мы получаем как положительный короткий импульс, так и отрицательный.

5.2. Регистры

В лекции рассказывается о параллельных регистрах и регистрах сдвига, об алгоритмах их работы, параметрах, типовых схемах включения, а также о реализации на их основе некоторых часто встречающихся функций.

Регистры (англ. register) представляют собой, по сути, несколько D-триггеров (обычно от 4 до 16), соединенных между собой тем или иным способом. Поэтому принципиальной разницы между ними и отдельными D-триггерами не существует. Правда, триггеры, входящие в состав регистров, не имеют такого количества разнообразных управляющих входов, как одиночные триггеры.

На схемах регистры обозначаются буквами RG. В отечественных сериях микросхем регистрам соответствуют буквы ИР. Все регистры делятся на две большие группы (рис. 8.1):

  •  Параллельные регистры;
  •  Регистры сдвига (или сдвиговые регистры).

Существуют регистры и других типов, но они применяются гораздо реже, чем параллельные и сдвиговые, так как имеют узкоспециальное назначение.

В параллельных регистрах (а) каждый из триггеров имеет свой независимый информационный вход (D) и свой независимый информационный выход. Тактовые входы (С) всех триггеров соединены между собой. В результате параллельный регистр представляет собой многоразрядный, многовходовый триггер.

Рис. 8.1.  Структура параллельного регистра (а)и сдвигового регистра (б)

В сдвиговых регистрах (б) все триггеры соединены в последовательную цепочку (выход каждого предыдущего триггера соединен со входом D следующего триггера). Тактовые входы всех триггеров (С) объединены между собой. В результате такой триггер может рассматриваться как линия задержки, входной сигнал которой последовательно перезаписывается из триггера в триггер по фронту тактового сигнала С. Информационные входы и выходы триггеров могут быть выведены наружу, а могут и не выводиться - в зависимости от функции, выполняемой регистром.

Параллельные регистры, в свою очередь, делятся на две группы:

  •  Регистры, срабатывающие по фронту управляющего сигнала С (или тактируемые регистры).
  •  Регистры, срабатывающие по уровню управляющего сигнала С (или стробируемые регистры).

Чаще всего в цифровых схемах используются регистры, управляемые фронтом (то есть тактируемые), однако и стробируемые регистры имеют свой круг задач, в которых их ничто не может заменить.

5.2.1. Регистры, срабатывающие по фронту

Принцип действия регистров, срабатывающих по фронту тактового сигнала, ничем не отличается от принципа действия D-триггера. По положительному фронту тактового сигнала С каждый из выходов регистра устанавливается в тот уровень, который был в этот момент на соответствующем данному выходу входе D, и сохраняется таковым до прихода следующего положительного фронта сигнала С. То есть если триггер запоминает один сигнал (один двоичный разряд, один бит), то регистр запоминает сразу несколько (4, 6, 8, 16) сигналов (несколько разрядов, битов). Память регистра сохраняется до момента выключения питания схемы.

Рис. 8.2.  Параллельные регистры стандартных серий, срабатывающие по фронту

В стандартные серии входит несколько типов параллельных регистров, срабатывающих по фронту (рис. 8.2). Различаются они количеством разрядов, наличием или отсутствием инверсных выходов, наличием или отсутствием входа сброса (–R) или разрешения записи (–WE), а также типом выходных каскадов (2С или 3С) и, соответственно, наличием или отсутствием входа разрешения –EZ. Иногда на схемах тактовый вход С обозначается WR - сигнал записи в регистр.

Большинство регистров имеют восемь разрядов, то есть запоминают один байт информации. Регистр ТМ8 в справочниках обычно называется счетверенным D-триггером (он и в наименовании несет буквы ТМ), хотя он вполне может рассматриваться и как регистр, так как тактовый вход С и вход сброса –R у всех четырех триггеров объединены между собой.

Таблицы истинности регистров очень просты и не отличаются принципиально от таблицы истинности D-триггеров. Отличие от триггеров появляется только в случае наличия у регистра дополнительных управляющих входов разрешения записи –WE и разрешения выхода –EZ. По переходу тактового сигнала С из 0 в 1 (положительный фронт) оба регистра записывают в себя входную информацию.

Все регистры, имеющие выход с тремя состояниями, обеспечивают повышенную нагрузочную способность. Задержка переключения регистров примерно соответствует задержке переключения триггеров. Все временные ограничения, накладываемые на входные сигналы в случае триггеров, справедливы и для входных сигналов регистров. Например, не должна быть слишком малой длительность сигнала С, а также не должна быть слишком малой задержка между установлением сигнала D и приходом положительного фронта сигнала С. Иначе работа регистра может быть нестабильной или даже неправильной.

Одно из основных применений регистров состоит в хранении требуемого кода в течение нужного времени. Если для работы остальной части схемы необходимо иметь входной код, который можно легко изменять, то для этого как раз подходит регистр.

На рис. 8.3 показана типичная схема включения регистра для хранения кода и временная диаграмма его работы. Код на входе регистра может изменяться произвольным образом, но в тот момент, когда этот код принимает необходимое значение, на вход С триггера подается синхросигнал (строб), который записывает код в регистр. Этот код будет храниться в регистре до прихода следующего строба. Причем важно и то, что все разряды выходного кода регистра будут переключаться одновременно даже в том случае, когда разряды входного кода переключаются не одновременно. Главное, чтобы к приходу положительного фронта строба (сигнала С) все разряды входного кода приняли нужное, устойчивое значение.

Рис. 8.3.  Хранение кода в параллельном регистре

Еще одно важнейшее применение регистров связано с запоминанием нескольких последовательных значений изменяющегося входного кода. Это позволяет, например, сравнивать предыдущее значение кода с последующим значением этого же кода или производить арифметические операции над несколькими последовательными значениями одного и того же кода. То есть регистр в данном случае выступает как элемент линии задержки, хранящей в себе историю поведения входного кода.

Регистры также широко используются для организации конвейерной обработки, позволяющей существенно повысить тактовую частоту работы схемы. Ускорение при этом достигается за счет распараллеливания работы нескольких последовательно включенных узлов схемы.

5.2.2. Регистры, срабатывающие по уровню

Параллельные регистры, срабатывающие по уровню стробирующего сигнала (или, как их еще называют, регистры-защелки, английское "Latch"), можно рассматривать как некий гибрид между буфером и регистром. Когда сигнал на стробирующем входе - единичный, такой регистр пропускает через себя входные информационные сигналы, а когда стробирующий сигнал становится равен нулю, регистр переходит в режим хранения последнего из пропущенных значений входных сигналов.

Применение таких регистров сильно ограничено, хотя иногда они довольно удобны. В некоторых схемах они могут успешно заменять регистры, срабатывающие по фронту, а в других схемах их применение вместо регистров, срабатывающих по фронту, недопустимо.

В стандартных сериях регистры, срабатывающие по уровню, представлены гораздо меньше, чем регистры, срабатывающие по фронту. На рис. 8.10 показаны в качестве примеров две микросхемы 4-разрядного регистра ТМ7 и 8-разрядного регистра ИР22. Стробирующие входы С нередко на схемах обозначают E (от английского "Enable" - "разрешение"), для того чтобы не путать их с тактовыми входами D-триггеров.

Рис. 8.10.  Регистры, срабатывающие по уровню

Микросхему ТМ7 (и близкую к ней ТМ5) часто называют набором триггеров, но ее можно рассматривать и как регистр. Микросхема состоит из четырех триггеров, стробирующие входы которых С соединены попарно, то есть можно говорить о двух двухразрядных регистрах-защелках. Входы С1 и С2 микросхемы управляют каждый двумя разрядами данных. Все триггеры имеют как прямые, так и инверсные выходы, что иногда очень удобно.

При единице на входе С выходные сигналы повторяют входные, то есть регистр работает как обычный буфер с прямыми и инверсными выходами. При нуле на входе С на выходе регистра постоянно хранится та входная информация, которая была в момент прихода отрицательного фронта сигнала С. Однако говорить, что регистр ТМ7 срабатывает по отрицательному фронту сигнала С, неверно, так как информация на выходе меняется не только по этому фронту, но и в момент изменения входных сигналов при С = 1.

Регистр ИР22 отличается от ТМ7 тем, что имеет выходы с тремя состояниями (и соответственно, вход разрешения всех выходов –EZ) и тем, что всеми восемью разрядами управляет один стробирующий сигнал С. Суть работы от этого не изменяется. При единице на входе С регистр работает как буфер-повторитель, а при нуле на входе С - хранит ту информацию, которая была на входе в момент отрицательного фронта сигнала С. Выходы у регистра ИР22 - только прямые. Как и все регистры с тремя состояниями выхода, ИР22 имеет повышенную нагрузочную способность.

Величины задержек триггеров, срабатывающих по уровню, в 1,5–2 раза превышают задержки D-триггеров. Для правильной работы микросхем положительный импульс на входе С не должен быть слишком коротким, а задержка между изменением информации на входе D и отрицательным фронтом сигнала С не должна быть слишком малой. Информация на входе D не должна слишком быстро сниматься после отрицательного фронта сигнала С.

Основное применение регистра, срабатывающего по уровню стробирующего сигнала, состоит в запоминании на какое-то заданное время входного кода, причем в остальное время выходной код регистра должен повторять входной ( рис. 8.11). Стробирующий сигнал С в этом случае должен быть отрицательным на все время запоминания, и запоминаться будет входной код регистра в момент отрицательного (переднего) фронта сигнала С. Подобная функция бывает, например, необходима при построении устройств сопряжения для компьютеров. Регистр, по сути, продлевает во времени необходимое значение входного кода, в остальное время работая как повторитель.

Рис. 8.11.  Продление длительности входного кода с помощью регистра-защелки

В ряде случаев регистры данного типа могут успешно заменять регистры, срабатывающие по фронту. Например, такая замена возможна в случае необходимости запоминания входного кода по сигналу С до момента прихода следующего сигнала С (рис. 8.12).

Сигнал С в данном случае должен быть коротким положительным импульсом, причем он обязательно должен быть "вложен" в запоминаемый входной код, то есть начинаться после начала (момента установления) кода, а заканчиваться до конца (момента снятия) кода (это так называемый вложенный цикл). По переднему фронту сигнала С регистр перейдет в режим пропускания входного кода, а по заднему - в режим его хранения. Поэтому записываемый код на выходе регистра появится по положительному фронту сигнала С, то есть точно так же, как и в случае регистра, срабатывающего по фронту.

Рис. 8.12.  Использование регистра-защелки для замены регистра, срабатывающего по фронту

5.2.3. Сдвиговые регистры

Регистры сдвига или сдвиговые регистры (англ. shift register) представляют собой, как уже отмечалось, последовательно соединенную цепочку триггеров. Основной режим их работы - это сдвиг разрядов кода, записанного в эти триггеры, То есть по тактовому сигналу содержимое каждого предыдущего триггера переписывается в следующий по порядку в цепочке триггер. Код, хранящийся в регистре, с каждым тактом сдвигается на один разряд в сторону старших разрядов или в сторону младших разрядов, что и дало название регистрам данного типа.

В связи с названием направления сдвига в сдвиговых регистрах часто возникает путаница. Сдвиг бывает двух видов: вправо (основной режим, который есть у всех сдвиговых регистров) и влево (этот режим есть только у некоторых, реверсивных сдвиговых регистров). Названия эти отражают внутреннюю структуру регистров сдвига (рис. 8.14) и перезапись сигналов последовательно по цепочке триггеров. При этом триггеры, вполне естественно, нумеруются слева направо, например, от 0 до 7 (или от 1 до 8) для 8-разрядных регистров. В результате сдвиг информации регистром вправо представляет собой сдвиг в сторону разрядов, имеющих большие номера, а сдвиг информации регистром влево - это сдвиг в сторону разрядов, имеющих меньшие номера.

Однако, как известно, в любом двоичном числе слева расположены старшие разряды, а справа - младшие разряды. Поэтому сдвиг двоичного числа вправо будет сдвигом в сторону младших разрядов, а сдвиг влево - сдвигом в сторону старших разрядов. Это противоречие, не чей-то злой умысел, просто так исторически сложилось, и об этом надо помнить разработчику цифровой аппаратуры.

Рис. 8.14.  Направление сдвига в сдвиговых регистрах

В стандартные серии цифровых микросхем входит несколько типов сдвиговых регистров, отличающихся возможными режимами работы, режимами записи, чтения и сдвига, а также типом выходных каскадов (2С или 3С). Большинство регистров сдвига имеет восемь разрядов. На рис. 8.15 представлены для примера четыре типа микросхем регистров сдвига.

Регистр ИР8 - наиболее простой из регистров сдвига. Он представляет собой 8-разрядную линию задержки, то есть имеет только один информационный вход, на который подается последовательная сдвигаемая информация (точнее, два входа, объединенных по функции 2И), и восемь параллельных выходов. Сдвиг в сторону выходов со старшими номерами осуществляется по переднему фронту тактового сигнала С. Имеется также вход сброса –R, по нулевому сигналу на котором все выходы регистра сбрасываются в нуль.

Рис. 8.15.  Сдвиговые регистры

Регистр ИР9 выполняет функцию, обратную регистру ИР8. Если ИР8 преобразует входную последовательную информацию в выходную параллельную, то регистр ИР9 преобразует входную параллельную информацию в выходную последовательную. Однако суть сдвига не меняется, просто в ИР9 все внутренние триггеры имеют выведенные параллельные входы, и только один, последний триггер имеет выход (причем как прямой, так и инверсный). Запись входного кода в регистр производится по нулевому сигналу на входе -WR. Сдвиг осуществляется по положительному фронту на одном из двух тактовых входов С1 и С2, объединенных по функции 2ИЛИ. Имеется также вход расширения DR, сигнал с которого в режиме сдвига перезаписывается в младший разряд сдвигового регистра.

Рис. 8.16.  Соединение регистров ИР8 для увеличения разрядности

Как и все остальные сдвиговые регистры, ИР8 и ИР9 допускают каскадирование, то есть совместное включение для увеличения разрядности.

Регистр ИР13 соединяет в себе возможности регистров ИР8 и ИР9. Он имеет как восемь входов для параллельной записи, так и соответствующие им восемь выходов параллельной информации. Сдвиг осуществляется по положительному фронту тактового сигнала С, причем сдвиг возможен как в сторону старших разрядов (вправо), так и в сторону младших разрядов (влево).

Регистр ИР24 обеспечивает сдвиг информации в обоих направлениях. Имеются входы расширения DR и DL, а также выходы расширения Q0 и Q7, что позволяет легко наращивать разрядность.

Главное применение всех регистров сдвига состоит в преобразовании параллельного кода в последовательный, и наоборот. Такое преобразование используется, например, при передаче информации на большие расстояния (в информационных сетях), при записи информации на магнитные носители, при работе с телевизионными мониторами и с видеокамерами, а также во многих других случаях.

Для примера на рис. 8.19 показана простейшая схема передачи цифровой информации в последовательном коде по двум линиям: информационной и синхронизующей. Такая передача позволяет сократить количество соединительных проводов, а также упростить защиту передаваемых данных от действия внешних электромагнитных помех, правда, ценой снижения скорости передачи.

Рис. 8.19.  Последовательная передача информации с помощью регистров сдвига

На передающем конце (слева на рисунке) с помощью сдвигового регистра ИР9 входной параллельный 8-разрядный код преобразуется в последовательность разрядов данных, следующих с частотой тактового сигнала. На приемном конце (справа на рисунке) с помощью сдвигового регистра ИР8 эта последовательность разрядов данных снова преобразуется в параллельный код. Оба регистра тактируются одним и тем же тактовым сигналом, который передается по линии связи параллельно с последовательностью данных. Для увеличения надежности передачи информационный сигнал дополнительно задерживается относительно фронта тактового сигнала с помощью цепочки из двух инверторов.

Первый бит последовательного входа (со входа 7 регистра ИР9) начинает передаваться с началом сигнала записи -Зап. Следующие разряды передаются с каждым следующим положительным фронтом тактового сигнала С. Последним передается сигнал со входа 0. В регистр ИР8 разряды последовательного кода записываются в том же самом порядке, в каком они были в регистре ИР9. По окончании передачи первый переданный сигнал данных окажется в разряде 7 шины данных регистра ИР8, а последний переданный сигнал данных - в разряде 0.

Следующее применение сдвиговых регистров состоит в организации всевозможных линий задержек, особенно имеющих значительное количество каскадов. С помощью сдвиговых регистров можно обеспечить задержку любого входного сигнала на целое число тактов. Правда, надо учитывать, что длительность входного сигнала (и любого его элемента) будет также передаваться по линии задержки с точностью до одного такта. Такие линии задержки могут применяться для сравнения нескольких последующих тактов входного сигнала, для выполнения арифметических операций с несколькими тактами входного сигнала и для других подобных целей. Работа линии задержки на регистре сдвига иллюстрируется рис. 8.20.

Рис. 8.20.  Линия задержки входного сигнала на регистре сдвига

Сдвиговые регистры могут также использоваться для формирования импульсов заданной длительности, причем длительность импульса может задаваться управляющим кодом, то есть быть программно управляемой. На рис. 8.21 приведена возможная схема такого формирователя.

Рис. 8.21.  Формирователь импульсов с длительностью, задаваемой управляющим кодом

В исходном состоянии (до прихода положительного фронта входного сигнала) триггер сброшен в нуль, на всех выходах регистра сдвига - нули, на инверсном выходе мультиплексора - единица. На мультиплексор подан управляющий код, определяющий длительность выходного сигнала. При поступлении положительного фронта входного сигнала триггер перебрасывается в единицу (начинается выходной сигнал), и этот единичный сигнал начинает последовательно сдвигаться регистром сдвига по каждому фронту тактового сигнала.

Пусть управляющий код равен 5. Тогда в тот момент, когда на выходе 5 сдвигового регистра появится единица, она будет передана на выход мультиплексора КП7 с инверсией. При этом нулевой сигнал на входе –R триггера сбросит триггер в нуль, то есть выходной сигнал закончится.

Таким образом, длительность выходного сигнала будет определяться управляющим кодом. Погрешность установки этой длительности равна одному периоду тактового сигнала и зависит от временного сдвига между фронтом входного сигнала и фронтом ближайшего к нему тактового импульса. Чем больше длительность выходного сигнала, тем меньше относительная погрешность установки его точности. Например, при управляющем коде 0 длительность выходного сигнала может быть от 0 до Т, где Т - период тактового сигнала. А при управляющем коде 7 длительность выходного сигнала будет от 7Т до 8Т. При этом мы не учитываем задержек триггера, сдвигового регистра и мультиплексора.

Сдвиговые регистры могут также использоваться для умножения и деления двоичных чисел на 2n, где n - целое число, большее нуля. Сдвиг двоичного числа вправо (в сторону младших разрядов) на один разряд равносилен делению на 2. Сдвиг двоичного числа влево (в сторону старших разрядов) на один разряд равносилен умножению на 2. Для того чтобы сдвиговый регистр умножал и делил двоичный код, надо всего лишь записать этот код в регистр и сдвинуть его нужное количество раз вправо или влево. Наиболее удобен для этого регистр ИР13. При этом необходимо, чтобы в освободившиеся разряды вдвигались нули, то есть на входы расширения DR и DL регистра надо подать нулевые сигналы.

Наконец, последнее применение сдвигового регистра, которое мы рассмотрим, - это генератор случайной последовательности сигналов или случайной последовательности кодов. Строго говоря, последовательности будут не полностью случайные, а квазислучайные, то есть будут периодически повторяться, но период этот довольно большой. Случайные последовательности сигналов и кодов широко применяются в тестирующей аппаратуре, в генераторах шума, в логических игровых устройствах.

Задача состоит в том, чтобы выходной сигнал или код менял свое состояние случайно (или почти случайно). Сигнал должен случайно переключаться из 0 в 1 и из 1 в 0, а код должен случайно принимать значения из диапазона от 0 до (2N–1), где N - число разрядов кода (например, от 0 до 255 при 8-разрядном коде). Псевдослучайные последовательности имеют то преимущество перед истинно случайными, что они - предсказуемые и периодические, но в этом же и их недостаток.

Структура генератора квазислучайной последовательности на сдвиговом регистре очень проста (рис. 8.22). Она представляет собой регистр сдвига с параллельными выходами (например, ИР8), несколько (минимум два) выходных сигналов которого объединены с помощью элемента Исключающее ИЛИ, с выхода которого сигнал подается на вход регистра, замыкая схему в кольцо. Схема тактируется сигналом с частотой fT.

Рис. 8.22.  Структура генератора псевдослучайной последовательности

Выбор номеров разрядов для подключения обратной связи представляет собой непростую задачу, но существуют справочные таблицы, в которых они приведены. В любом случае одна из точек подключения - выход старшего разряда.

Выгоднее брать число разрядов не кратное 8, например, 7, 15 или 31. В этом случае для обратной связи используются всего лишь два выхода, то есть достаточно одного двухвходового элемента Исключающее ИЛИ.

Период выходной последовательности генератора составляет (2N-1) тактов, где N - количество разрядов регистра сдвига. За это время каждое из возможных значений выходного кода (кроме одного) встречается один раз. Количество единиц в выходном сигнале больше количества нулей на единицу.

Выходной код 000…0 представляет собой запрещенное состояние, так как он блокирует работу генератора, воспроизводя сам себя снова и снова. Но в то же время получиться такой нулевой код может только сам из себя, поэтому достаточно обеспечить, чтобы его не было при включении питания схемы.

Частоты в спектре выходного сигнала будут следовать с интервалом (fT/2N–1), а огибающая спектра будет практически постоянной до частоты 0,25fT, то есть шум до этой частоты можно считать белым (спад в 3 дБ происходит на частоте 0,45 fT).

Такой генератор использовала известная фирма Hewlett–Packard в своем генераторе шума.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62963. Антон Павлович Чехов. Умение писателя видеть в обыденном смешное и грустное. (на примере рассказа «Злоумышленник») 33.64 KB
  Над чем с грустью смеётся писатель Что его огорчает Какое чувство у вас осталось по прочтении рассказа Как вы думаете почему он так называется А на самом деле для чего Денис отвинтил гайку Почему следователь не понял Дениса Григорьева...
62966. Звук (й’э) буквы Е, е 38.88 KB
  Сегодня будем на уроке работать с новыми звуками познакомимся с новыми буквами а это значит что мы сможем еще составлять большее количество слов и предложений. А у кого по другому Ребята вы еще не познакомились...
62967. Звуки (н), (н’). Буквы Н, н 63.84 KB
  Повторить термины связанные с понятием согласный звонкий глухой твердый мягкий; продолжать формировать представлений об основных единицах языка: слове слоге звуке продолжать формировать умение выделять изучаемые звуки в речи и отрабатывать навык чтения...