 |
Статические регистры
|
|
|
|
Цель работы: изучение функциональных возможностей статических регистров с различными цепями ввода и вывода информации и схем формирования осведомительных сигналов.
1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Статический регистр - это операционный элемент ЭВМ, предназначенный для хранения двоичной информации в виде машинных слов и выполнения логических операций над словами, а также для выработки осведомительных сигналов относительно характера содержащейся в нем информации. Регистр представляет собой совокупность элементов памяти (как правило, триггеров), число которых определяется разрядностью машинных слов, и комбинационных схем, обеспечивающих выполнение указанных функций. Особенностью статического регистра является регулярность его структуры: каждый элемент памяти (ЭП), выполняющий функцию хранения одного разряда слова, дополняется комбинационной схемой, обеспечивающей функции вывода информации, а также выполнения логических операций над словами. В результате синтез статического регистра, реализующего определенные функции над словами, сводится к синтезу необходимой схемы для одного разряда регистра и повторению полученных схем для отдельных его разрядов.
Предметом изучения в настоящей работе являются три группы функций статического регистра:
- установочные функции;
- логические операции;
- формирование осведомительных сигналов.
Сделаем два замечания относительно функций первых двух групп, поскольку их реализация сопровождается переключением триггеров регистра. Во-первых, будем считать, что на выполнение каждой функции отводится такт машинного времени, а образование значений функции для всех разрядов регистра синхронизировано во времени путем подачи специального синхросигнала на входы С всех триггеров регистра. Во-вторых, реализация каждой функции происходит под действием определенного управляющего сигнала. Таким образом, с регистром, выполняющим несколько функций, связывается множество управляющих сигналов, на которые накладывается одно ограничение: в каждый момент времени активный (в нашем случае - высокий) уровень может иметь лишь один управляющий сигнал множества.
|
|
|
Отметим, что выполнение регистром каждой функции может быть записано в виде отдельной микрооперации с указанием соответствующего управляющего сигнала.
Формирование осведомительного сигнала реализуется комбинационной схемой, на входы которой подаются сигналы с выходов триггеров регистра. Поэтому значение осведомительного сигнала в момент времени t определяется состоянием триггеров регистра в тот же момент времени и, следовательно, отдельного машинного такта на формирование осведомительного сигнала не требуется.
Рассмотрим функции, выполняемые статическим регистром.
Установочные функции
Функция сброса. Выполнение этой функции сводится к обнулению (установке в 0) всех разрядов регистра. Соответствующая микрооперация может быть записана следующим образом:
Функция ввода в регистр прямого кода числа В. В результате выполнения этой функции триггеры регистра устанавливаются в состояния, соответствующие значениям разрядов вводимого слова:
где В = bn-1bn-2...b1b0.
Функция ввода в регистр обратного кода числа. После выполнения этой функции триггеры регистра устанавливаются в состояния, противоположные значениям разрядов вводимого слова:
Группа логических операций
Отметим особенности реализации логических операций в статическом регистре.
1. Выполнение любой логической операции над словами носит поразрядный характер, т.е. результатом операции является слово, значение каждого разряда которого есть результат этой операции над значениями одноименных разрядов слов, участвующих в операции.
|
|
|
Пусть А * В = С, где А = an-1,..., a0; В = bn-1,..., b0; C = cn-1,..., c0;
Где * - знак логической операции.
Разряды слова С определяются так:
c0 = a0 * b1;...; cn-1 = an-1 * bn-1.
Пример. Определить С = А & В;
А=10110110,
В=01111101.
2. Будем считать, что к моменту выполнения логической операции слово, являющееся одним из операндов, находится в регистре, а слово - второй операнд - вводится в регистр извне; результат логической операции образуется в регистре. Таким образом, микрооперация выполнения логической операции может быть записана следующим образом:
где Y* - управляющий сигнал, инициирующий выполнение логической операции, обозначенной знаком (*).
Синтез схем статического регистра
Рассмотрим синтез схем регистра для выполнения функций указанных двух групп. Как уже отмечалось, для решения задачи достаточно ограничиться построением схемы одного разряда регистра. В качестве исходной информации будем использовать множество функций, которое должен реализовать регистр, тип триггера и таблицу входов триггера указанного типа.
Пусть множество функций включает в себя:
- функцию сброса;
- функцию ввода обратного кода числа;
- логическую операцию: конъюнкцию.
Рассмотрим триггер J-K-типа (табл.1). Цель синтеза - построить комбинационную схему для одного разряда статического регистра. Входными сигналами схемы являются:
Yсбр- управляющий сигнал, инициирующий функцию сброса;
Yввобр - управляющий сигнал, инициирующий функцию ввода обратного кода числа;
Y&- управляющий сигнал, инициирующий логическую операцию - конъюнкцию;
bit- сигнал i-го разряда вводимого слова;
Qit - состояние триггера i-го разряда к моменту реализации функции.
Qit+1 - состояние триггера i-го разряда после прохождения синхроимпульса, т.е решение логической функции.
Таблица 1
Таблица функционирования J – K-триггера
| Jt | Kt | Qt | Qt+1 |
| - | |||
| - | |||
| - | |||
| - |
Схема должна вырабатывать функции возбуждения Jitи Kit, однозначно определяющие состояние триггера i-го разряда в момент времени t+1, которое является результатом выполнения функций для i-го разряда.
|
|
|
Синтез схемы содержит следующие этапы:
- определение таблицы истинности для функций Ji и Ki;
- построение на их основе диаграмм Вейча и минимизацию функций;
- составление минимальных аналитических выражений для функции возбуждения;
- построение по полученным выражениям принципиальных схем.
Таблица истинности для функций Ji и Kiсодержит в общем случае 32 строки, поскольку они являются функциями от пяти аргументов: Yсбр, Yввобр, Y&, bit, Qit. С учетом ограничения на управляющие сигналы (только один сигнал имеет высокий уровень и, таким образом, выполняется только одна операция) сокращается число всевозможных наборов, а следовательно, и число строк в таблице истинности до 16 (табл.2).
Таблица 2
Функционирование разряда статического регистра
| Yсбр | Yввобр | Y& | bi t Qi t | Qit+1 | Ki Ji | Комментарий |
| 0 0 0 1 1 0 1 1 | - 0 0 - - 0 0 - | Регистр выполняет операцию хранения Нет управляющих сигналов | ||||
| 0 0 0 1 1 0 1 1 | - 0 1 - - 0 1 - | Сброс Yсбр=1 Q it+1=0 При любом значении bi t | ||||
| 0 0 0 1 1 0 1 1 | - 1 0 - - 0 1 - | Ввод обратного
кода числа
| ||||
| 0 0 0 1 1 0 1 1 | - 0 1 - - 0 0 - | Выполняется конъюнкция bi t & Qi t |
Для каждой функции Ji(Кi) строятся диаграммы Вейча (рис.1).
Рис.1
При этом из таблицы можно заполнить лишь 16 клеток, а остальные заполняются прочерками.
По полученным выражениям строим схемы, вырабатывающие сигналы для функций возбуждения. При этом необходимо учитывать особенности базиса, когда строятся схемы. В данном примере в случае использования микросхем серии К155 можно схему для Ji реализовать, используя встроенную в триггер схему И. Логические выражения, соответствующие функциям Kiи Ji, имеют вид:
Синтезированная схема одного разряда статического регистра в соответствии с выражением (1), выполняющая три заданные функции, показана на рис.2.
Рис.2
Формирование осведомительных сигналов
Довольно часто на регистрах вычисляются значения логических условий вида
|
|
|
< RG > < операция отношения > < константа >,
где < RG > - содержимое регистра, < операция отношения >: >, ³, =, ¹, <, £.
Значение логического условия отображается осведомительным сигналом, который имеет два значения: 1 - если условие выполняется; 0 - в противном случае. Формирование осведомительного сигнала осуществляется комбинационной схемой, на входы которой подаются сигналы с выходов триггеров регистра.
Пример. Выработать осведомительный сигнал fА = 1 для четырехразрядного регистра RGA, если RGA < 10. В противном случае fА = 0.
Составим таблицу условия выработки осведомительного сигнала (табл.3).
Таблица 3
Условие выработки осведомительного сигнала
| Код | Q3 | Q2 | Q1 | Q0 | fA |
На основании данной таблицы построим диаграмму Вейча и минимизируем функцию fА(рис.3).
Рис.3
В результате получим
Схема, формирующая данный осведомительный сигнал, приведена на рис.4.
Рис.4
Микропрограмма работы статического регистра (рис.5) состоит из следующих микроопераций:
1) Y0: RG [0: n-1] = 0 - обнуление всех разрядов;
2) Y1: RG [0: n-1] = Х - запись машинного слова в RG;
3) Y2: RG = RG * В - выполнение заданной логической операции * между содержимым RG и машинным словом В, поступившим в RG;
4)Y3: W:= RG [0: n-1] - вывод информации из RG;
5) Х = 1 <условие> - формирование осведомительного сигнала.
Рис.5
Если регистр выполняет запись информации без предварительного обнуления, то первая микрооперация отсутствует. Набор микроопераций зависит от кода ввода и вывода информации, условия формирования осведомительных сигналов.
В лабораторной работе исследуются:
- цепи ввода и вывода информации для одного разряда регистра;
- реализация логических операций над машинными словами с помощью элементной базы и вспомогательных генераторов импульсов МicroСap-9;
- схема формирования осведомительного сигнала.
Работа регистра характеризуется набором информационных и управляющих сигналов, которые определяют его работу в различных режимах.
Информационные сигналы поступают на специальные информационные входы регистра. Если ввод машинного слова осуществляется параллельным кодом, то число таких входов равно числу разрядов регистра, если ввод осуществляется последовательным кодом, то требуется, как правило, один вход. При выводе информации параллельным кодом имеется по одному выходу на каждый разряд при монофазном коде и по два - при парафазном коде. В режиме вывода последовательного монофазного кода требуется один выход, парафазного - два. В дальнейшем обозначим через 
значения разряда вводимого слова; через 
- значения разряда выводимого из регистра машинного слова.
|
|
|
Управляющие сигналы определяют режим работы регистра. Каждый управляющий сигнал поступает на определенный управляющий вход регистра.
Кроме указанных сигналов используются синхроимпульсы для организации работы регистра в тактирующем режиме. Это значит, что при наличии определенных информационных и управляющих сигналов, задающих реализацию той или иной функции, работа регистра осуществляется под действием тактирующего сигнала, поступающего на вход С каждого триггера регистра.
Схема для исследования статического регистра должна иметь следующие составные части:
- генератор тактовых импульсов (ГТИ);
- исследуемую схему;
- источники управляющих и информационных сигналов;
- элементы индикации для визуального наблюдения за работой регистра, в нашем случае временные диаграммы.
Исследуемая схема содержит триггеры и логические схемы, одинаковые для каждого разряда. Сигналы с выхода логической схемы поступают на информационные входы триггеров: входы J – K- или D. Если исследуется регистр на R-S- или Т-триггерах, то несложным путем каждый из них может быть реализован на J-K- и D-триггере.
Источниками информационных и управляющих сигналов схемы являются генераторы импульсов в МicroСap-9.Для визуального наблюдения за работой схемы следует использовать временные диаграммы.
2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
|
|
|
