Изучение схемных разновидностей регистров и их функционирования

Лабораторная работа 4.1

Регистры

Цель работы

Изучение схемных разновидностей регистров и их функционирования, приобретение навыков в определении характеристик регистров. Файлы для моделирования регистров расположены в папке Lab_4_1\Модели.

Основные теоретические положения

Регистром называется организованная по определенному принципу совокупность триггеров, предназначенная для хранения информации в виде двоичных слов и выполнения над ними микроопераций.

Микрооперация - это элементарное машинное действие, выполняемое, например, в микропроцессоре, в результате которого изменяется значение слова или осуществляется его пересылка.

Регистр состоит из триггеров, для хранения информации и логических элементов, осуществляющих управление его работой.

Последовательный регистр

Функциональная схема последовательного (сдвигающего) регистра приведена на рис.1.

Рис. 1 Функциональная схема четырехразрядного последовательного регистра

Входная информация в виде двоичных последовательных кодов поступает на вход DS(встречается обозначение D) начиная со старшего разряда. Запись в регистр осуществляется по переднему фронту тактового сигнала C(замыкание выключателя C), по одному биту за такт. За четыре такта сигнала C входной код будет записан во все триггеры регистра. Сдвиг данных в регистре происходит слева направо, в сторону старшего разряда Q₃.

Информацию, записанную в регистр, можно считывать одновременно в параллельном коде с выходов триггеров Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ или последовательным кодом с выхода триггера старшего разряда Q₃ за четыре такта сигнала C, подключив к входу DS потенциал логического нуля.

Число разрядов (триггеров) называют длиной регистра. Регистр может находиться в  состояниях, т. е. в него можно записать  различных комбинаций двоичных кодов (слов). Длина слова соответствует длине регистра.

Для увеличения разрядности регистра используются дополнительные триггеры (рис. 2).

Рис. 2 Функциональная схема шестиразрядного последовательного регистра

Параллельно-последовательный регистр

Различают синхронные и асинхронные регистры. В асинхронном регистре (рис. 3) для записи информации в триггеры D1, D2, D3 используются приоритетные установочные входы R, S.

К этим входам подключены логические элементы, которые по команде L=1 (Write) параллельным кодом записывают в триггеры информацию, уже поступившую на входы  D₀, D₁, D₂, при L=0 переводят асинхронные входы триггеров (на схеме инверсные) в режим хранения и они не влияют на работу регистра.

Для выполнения операции считывания информации поразрядно в последовательном коде с выхода Y, на вход C (Read) подаются тактовые сигналы. Сдвиг данных в регистре происходит в сторону старшего разряда по заднему фронту сигнала C(размыкание выключателя).  

Регистр выполняет микрооперацию преобразования параллельного кода в последовательный код.

Рис. 3 Функциональная схема трехразрядного параллельно-последовательного регистра

При записи информации вначале выбирают значения D₀, D₁, D₂ и C=0, затем  устанавливают L=1 (запись). Для считывания L=0, на вход Cподается тактовый сигнал (замыкание, размыкание выключателя C). Комбинация L=1, C=1 запрещена с целью исключения ошибок.

Настройка регистра на соответствующую микрооперацию осуществляется предварительной установкой ее кода на управляющих входах. В синхронных регистрах микрооперации выполняются по тактирующему сигналу.

В асинхронных регистрах тактирующий вход отсутствует. Каждая микрооперация осуществляется под действием собственного управляющего сигнала.

На рис. 4 представлена функциональная схема трехразрядного параллельно-последовательного регистра. Эта схема позволяет записывать информацию в параллельном и последовательном коде и считывать информацию в обоих кодах.

Обозначение «1» применено к блокам, в которых находятся логические элементы, использующиеся  для управления асинхронными приоритетными входами R, S.

Данные блоки использованы с целью упрощения схемы, их можно раскрыть двойным щелчком мыши.

Рис. 4 Функциональная схема трехразрядного параллельно-последовательного регистра

Схема отличается от предыдущей схемы дополнительными возможностями:

- наличием входа Input для записи последовательного кода DSпо тактовым сигналам C;

- способностью сброса информации, записанной в регистр с помощью приоритетного асинхронного входа Reset, если R =0 (выключатель разомкнут).

Кольцевой сдвигающий регистр

Кольцевым сдвигающим регистромназывается последовательный регистр, выход которого Q₂ замкнут на вход D. Данные перемещаются в замкнутом цикле по кругу. Функциональная схема этого регистра представлена на рис. 5.

В регистр обычно записывают только одну единицу, которая через n тактов будет появляться на выходе одного и того же триггера, где n – число разрядов регистра. В схеме (рис. 5) последовательность наборов Q₂Q₁Q₀: 001, 010, 100, 001 и т.д. Для последовательной записи информации используются асинхронные (инверсные) входыR, S триггера D1.

Рис. 5 Функциональная схема трехразрядного кольцевого сдвигающего регистра

Логические индикаторы Q2, Q1, Q0 служат для определения значения, записанного в соответствующий триггер. Индикатор DEG указывает десятичный эквивалент хранящегося в регистре двоичного кода.

Задание 1

Определить максимально возможное десятичное целое положительное число, значение которого в двоичном выражении можно записать в четырехразрядный последовательный регистр (рис. 1, модель L4_RG_01.ewb). Ответ указать в таблице 1.

Таблица к заданию 1       Таблица 1

Задание 2

В шестиразрядный последовательный регистр (рис. 2, модель L4_RG_02.ewb) записать двоичное число, значение которого в десятичном выражении равно числам из таблицы 2. Полученный двоичный код занести в таблицу, указав значения всех разрядов регистра.

Таблица к заданию 2                                            Таблица 2

№	Десятичное число	Двоичное число
1	7
2	13
3	24
4	63

Задание 3

В трехразрядный параллельно-последовательный регистр (рис. 3, модель L4_RG_03.ewb) в параллельном коде записать двоичное число 011.

Затем осуществить сдвиг этого кода на один разряд. Указать полученный результат в виде десятичного числа и выполненную микрооперацию в таблице 3, удалив неправильные ответы.

Таблица к заданию 3                                                                                      Таблица 3

№	Микрооперация	Результат (десятичное число)
1	Возведение в степень
2	Деление на десятичное число 2
3	Деление на десятичное число 4
4	Умножение на  двоичное число 011
5	Умножение на  двоичное число 110
6	Умножение на десятичное число 2
7	Умножение на десятичное число 4
8	Сложение с двоичным числом 010
9	Сложение с двоичным числом 100

Задание 4

В трехразрядный параллельно-последовательный регистр (рис. 4, модель L4_RG_04.ewb) в параллельном коде записать двоичное число 001.

Затем, не сбрасывая сохраненных данных, осуществить запись в последовательном коде двоичного числа 00. Указать полученный результат в виде десятичного числа и выполненную микрооперацию в таблице 4, удалив неправильные ответы.

Таблица к заданию 4                                                                                      Таблица 4

№	Микрооперация	Результат (десятичное число)
1	Возведение в степень
2	Деление на десятичное число 2
3	Деление на десятичное число 4
4	Умножение на  двоичное число 010
5	Умножение на  двоичное число 110
6	Умножение на десятичное число 2
7	Умножение на десятичное число 4
8	Сложение с двоичным числом 010
9	Сложение с двоичным числом 100

Задание 5

Определить необходимое количество триггеров в кольцевом сдвигающем регистре, чтобы уменьшить частоту выходных сигналов на один порядок (рис. 5, модель L4_RG_05.ewb). Ответ указать в таблице 5.

Таблица к заданию 5       Таблица 5

Задание 6

В схеме модели регистра L4_RG_06.ewb (рис. 6) допущена ошибка, причину которой надо оставить в табл. 6, удалив неверные ответы.

Рис. 6 Кольцевой сдвигающий регистр

Таблица к заданию 6                                                                             Таблица 6

№	Причина ошибки в схеме
1	Не правильно подключен вход C
2	Не правильно подключен вход DS
3	Не правильно соединены между собой триггеры
4	Не правильно соединен вход с выходом регистра
5	Не правильно подключены индикаторы Q0, Q1, Q2
6	Не правильно подключен индикатор DEG
7	Не правильно обозначены индикаторы
8	Не правильно обозначены выходы триггеров

Выводы

Регистры могут применяться:

- для преобразования параллельных кодов в последовательные коды и наоборот;

- передачи информации (модем, компьютерные сети);

- хранения информации;

- осуществления некоторых арифметических и логических операций над сохраняемой в них информацией.