Регистры

1 Общие положения

 

Регистром называется последовательностное функциональное устройство, предназначенное для хранения двоичной комбинации заданное время. Регистры можно построить на базе RS, JK и Dтриггеров. Наиболее удобно строить регистры на базе D-триггер, потому что они имеют один информационный вход. Число разрядов регистра равно числу используемых триггеров т.к. один триггер хранит один разряд двоичной комбинации. Одиночный триггер можно рассматривать как одноразрядный регистр памяти.

Регистры по способу записи и считывания информации делятся на параллельные (памяти) и последовательные (сдвиговые).

Регистры прежде всего используются для хранения информации. Но на базе регистров также можно построить различные устройства.

 На регистрах сдвига наиболее просто реализовать преобразователь последовательного кода в параллельный и наоборот. Их применяют в устройствах аппаратного умножения и деления двоичных чисел, в кодирующих устройствах для синтеза помехоустойчивых кодов, которые могут обнаруживать и исправлять ошибки и т.д.

Регистры сдвига можно использовать также для построения счётчиков, которые носят обще название кольцевые. Часто их еще называют по имени используемого кода.

 

2 Параллельные регистры

 

Параллельным (памяти) регистром называется последовательностное функциональное устройство, состоящее из набора синхронных триггеров с независимыми информационными выходами и общим синхронизирующим входом и предназначенное для хранения двоичной комбинации. Число информационных входов и выходов (разрядов) равно числу используемых триггеров.

Для создания регистров памяти в интегральном исполнении используются D - триггеры статических и динамических и называют их соответственно статическими и динамическими регистрами. Схема трехразрядного динамического регистра памяти, построенного из динамических D - триггеров показана на рисунке 1.

Данный регистр работает следующим образом. При появлении на синхронизирующем входе C перепада с 0 на 1 информация, находящаяся на выходах   D2...D0 записывается   в    триггеры   и   хранится   там  до появления следующего перепада с 0 на 1 на входе C. Запись информации в регистр памяти, построенный из статистических D - триггеров осуществляется так же, как и в одиночный статический.

 

Рисунок 1 Параллельный регистр

 

Запись и считывание информации происходит за один такт.            

В некоторых регистрах памяти предусмотрена возможность высокоомного состояния выходов и установка выходов в нуль (сброс).

Регистры памяти применяют для промежуточного кратковременного хранения данных и для организации параллельного ввода-вывода в информационно-измерительных и вычислительных устройствах.

Примером параллельного регистра в интегральном исполнении может служить регистр 1533ИР37, УГО которого показано на рисунке 2.

 

Рисунок 2 Параллельный регистр 1533ИР37

 

Он представляет собой восьмиразрядный буферный регистр. Регистр построен на динамических D-триггерах, переключение производится положительным фронтом тактового импульса. Регистр имеет восемь входов данных D0 – D7 и восемь выходов Q0 – Q7. Когда на специальный вход  подается низкий уровень, то после поступления положительного перепада на тактовый вход С входная информация появляется на выходах Q. Если на установлен высокий уровень, то выходные буферные каскады переводятся в высокоимпедансное состояние (состояние Z). При низком уровне тактового сигнала С триггеры регистра находятся в режиме хранения информации, зафиксированной при прохождении предыдущего положительного фронта импульса С.

 

3 Сдвиговые регистр

 

Регистром сдвига называется последовательностное функциональное устройство, состоящее из соединенных последовательно синхронных триггеров с общим синхронизирующим входом, и в этом устройстве происходит сдвиг записанной в него двоичной комбинации на один разряд при появлении активного перепада сигнала на синхронизирующем входе. Разрядность регистра равна числу используемых триггеров.

Регистры сдвига в интегральном исполнении создаются, в основном, из динамических D - триггеров и могут сдвигать записанную в них информацию в сторону старших разрядов (вправо), или в обе стороны. В последнем случае они называются реверсивными.У любого регистра сдвига обязательно есть вход последовательного ввода информации. У реверсивных регистров таких входов два: один для ввода информации при сдвиге вправо, другой - для ввода при сдвиге влево. Возможность последовательного вывода информации так же существует у любого регистра сдвига. Для этого у него имеется специальный выход последовательного вывода, а если предусмотрен параллельный вывод информации, то в качестве выхода для последовательного вывода используется выход последнего (старшего) разряда регистра.

Схема трехразрядного регистра сдвига с последовательным вводом, параллельным выводом и сдвигом информации в сторону старших разрядов (вправо), построенная из D - триггеров показана на рисунке 3.

Рисунок 3 Регистр сдвига

 

Работу схемы удобнее пояснять с помощью временной диаграммы, показанной на рисунке 4. При появлении активного перепада импульса на                                    синхронизирующем входе C (в данном случае это перепад с 0 на 1) информация, находящаяся в этот момент на входе каждого триггера переписывается на его выход. Стрелки на рисунке 4 показывают, какая именно информация (0 или 1) переписывается.

Согласно схеме, входной информацией каждого триггера является сигнал с выхода предыдущего триггера. Вход первого триггера является входом последовательного ввода DS.

 

Рисунок 4 Временная диаграмма        Рисунок 5 Таблица переходов

 

Выход первого триггера считается младшим разрядом, а выход последнего триггера - старшим разрядом регистра.

Пускай перед началом работы на выходах всех триггеров и на входе DS находятся нули, т.е. в регистре записана комбинация 000. В момент на входах каждого триггера находился нуль, поэтому он и перепишется на выходы всех триггеров. Комбинация в регистре после   - 000. В момент  (когда но входе С появился перепад с 0 на 1) на входе DS находилась единица, а на выходах остальных триггеров  нули,  поэтому  в первый  триггер  запишется единица, а  во второй и третий нули. Комбинация в регистре после   - 001. В момент   на входе DS  и  на  входе третьего триггера находились нули, а на входе второго -единица, поэтому в первый и третий триггер запишутся нули, а во второй - единица. Комбинация в регистре после  - 010 и т.д. Информацию на входе DS необходимо установить до появления активного перепада на входе C.

Работу регистра сдвига можно пояснить и с помощью таблицы состояний (функций перехода), приведенной на рисунке 5. Каждая строка таблицы соответствует состоянию выходов регистра до появления активного перепада (столбцы  ... ) и после его появления (столбцы  ...). В столбце DS обозначен уровень сигнала на входе DS перед самым появлением активного перепада, а в столбце - номер импульса, который вызвал состояние ....

Временная диаграмма и таблица состояния наглядно демонстрирует движение информации в регистре сдвига.

Для расширения функциональных возможностей у регистра сдвига может предусматриваться параллельный ввод информации, переключение в высокоомное состояние выходов, установка в нулевое состояние и др.

Регистр сдвига можно использовать и как регистр памяти. Только в этом случае для ввода информации через последовательный вход требуется число тактов равное разрядности регистра, а не один, как у регистров памяти.

Примером универсального регистра может служить микросхема К155ИР13 (рисунок 6). Режим ее работы задается уровнями сигналов на входах SR и SL (см. таблицу состояний регистра). При сдвиге вправо сигнал со входа DR переписывается в младший разряд DO₀  по фронту каждого тактового импульса, а старая информация выхода DO₇ теряется. При сдвиге влево информация с входа DL записывается на выход DO₇, а информация с выхода DO₀ теряется. При SL = SR = 1 микросхема работает как параллельный регистр, запись информации в который с входов DIпроисходит по фронту тактового импульса. При подаче 0 на вход  все триггеры регистра сбрасываются в нулевое состояние.

 

Рисунок 6 Универсальный регистр К155ИР13