 |
Сдвигающие регистры
|
|
|
|
Цель работы: изучение функциональных возможностей сдвигающего регистра.
1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Сдвигающий регистр - это операционный элемент ЦВМ, который служит для хранения машинного слова и выполнения над ним одной или нескольких операций сдвига. Необходимость в сдвиге информации возникает:
- при преобразовании параллельного кода машинного слова в последовательный и наоборот;
- при выполнении нормализации чисел;
- при выполнении арифметических и логических операций;
- при генерации пачек управляющих импульсов с заданным интервалом между импульсами.
Структуру сдвигающего регистра определяет:
- способ задания процедур ввода и вывода информации;
- принцип организации межразрядных связей;
- тип триггера.
В последовательных регистрах информация выводится и вводится последовательно разряд за разрядом. В параллельно-последовательных регистрах ввод информации осуществляется параллельно, а вывод - последовательно. В последовательно - параллельных регистрах ввод - последовательный, вывод - параллельный. Регистр, имеющий возможность осуществлять сдвиги влево и вправо, называется реверсивным. При организации сдвигов с целью сохранения информации крайние разряды регистров соединяются между собой и такие регистры называются кольцевыми.
Общая методика синтеза сдвигающего регистра
Работу i - го разряда регистра можно описать следующим образом. При подаче сигнала сдвига на один разряд происходит переход каждого последующего триггера в состояние, соответствующее состоянию предыдущего. Составим таблицу функционирования i-го триггера, переходящего из состояния Qitв момент времени t в состояние Qit+1в момент времени t+1 под воздействием сдвигающего импульса. При этом Qit+1будет зависеть от состояния предыдущего триггера Qi-1t. На основе таблицы истинности используемого триггера для каждого триггера строится диаграмма Вейча, обеспечивающая требуемые переходы i-го разряда, обозначенные в таблице переходов (табл.1). Эти функции минимизируются, а затем составляется схема сдвигающего регистра.
|
|
|
Таблица 1
Функционирование сдвигающего регистра
| Yсдв | Qi-1t | Qit | Qit+1 |
Синтез сдвигающего регистра на J-K - триггерах
Синтез регистра проведем для случая сдвига на 1 разряд вправо при использовании J-K - триггеров. Переходы триггера показаны в табл.2.
Таблица 2
Таблица истинности J-K - триггера
| Yсдв | J | K | Qit | Qit+1 |
| - - | - - |
Составим таблицу значений входов J и К, обеспечивающих переходы триггера из состояния Qitв состояние Qit+1.
Диаграммы Вейча, описывающие состояния входов J и К, построенные на основе таблиц переходов (табл.1, 2), изображены на рис.1.
Рис.1
После минимизации получим
(1)
Схема регистра представлена на рис.2. На сдвигающий импульс R1 накладываются временные ограничения, т.е. tТ < tпер. Если длительности импульса tТ недостаточно для переключения триггеров, между входами триггеров J и К включаются элементы задержки. В этом случае должны выполняться ограничения в соответствии с неравенствами:
(2)
Использование 2-х ступенчатой схемы триггера снимает ограничения на длительность импульса.
Рис.2
Сдвигающий регистр на D - триггерах
Пользуясь изложенной методикой, выполним синтез i-го разряда сдвигающего регистра на D-триггерах (табл. 3).
Функция возбуждения D-входа имеет вид
(3)
Схема регистра для случая сдвига вправо на 1 разряд приведена на рис.3.
Таблица 3
Таблица истинности D - триггера
|
|
|
| Yс | Dt | Qit | Qit+1 |
Рис.3
Если произвести синтез сдвигающего регистра на Т-триггерах, выражение, описывающее структуру регистра, имеет вид
Из этого выражения видно, что построение регистра на тактируемых Т-триггерах имеет усложненное схемное решение, так как на Т-входы необходимо подавать сигналы, определяемые как сумма по модулю два. Поэтому такая схема распространения не получила.
Реверсивные сдвигающие регистры
При построении реверсивного регистра, осуществляющего сдвиг информации как влево, так и вправо, в него должны быть введены схемы управления направлением сдвига. Эти схемы в зависимости от значений управляющих сигналов (L - сдвиг влево и R - сдвиг вправо) должны переключать входы каждого триггера либо к выходам предыдущего, либо последующего триггера. При этом должно выполняться условие
(4)
Уравнения, описывающие структуру связей входов - выходов разрядов регистра, построенного на J-K-триггерах, с учетом выражений (1) и (4), записываются следующим образом:
(5)
Полученные выражения (5) выразим через элементы И-ИЛИ-НЕ:
Так как 
и 
и 
то окончательно получим
(6)
Аналогичными выкладками можно получить выражение и для Кi, которое будет равно
(7)
Схема трех разрядов сдвигающего регистра показана на рис.4. Сдвиги вправо или влево происходят по сигналам сдвига, которые подаются на вход С.
Рис.4
Реверсивный сдвигающий регистр можно построить на D-триггерах. Условие функционирования i-го разряда регистра выглядит следующим образом:
(8)
Произведя преобразования, аналогичные для Jit, получим функцию возбуждения входа Ditна элементах И-ИЛИ-НЕ
(9)
Схема трех разрядов сдвигающего регистра приведена на рис.5.
Рис.5
Синтез регистров на заданное число сдвигов
Методы синтеза регистров для случая сдвига за 1 такт на 1 разряд распространяются и на общий случай, т.е. когда за один такт сдвиг слова вправо или влево происходит на j разрядов, где j=2,3,...,m. Рассмотрим случай сдвига вправо. Состояние i-го разряда Qitзависит от состояния Qi-jtразряда i - j и подчиняется правилам функционирования, записанным в табл.1, при следующих ограничениях:
|
|
|
(10)
Эти ограничения означают, что в данный момент только один сигнал сдвига может быть равен 1, а остальные должны быть равны 0.
На основании ограничений (10) и уравнений (3) и (5) можно записать состояния входов разрядов регистров, построенных на J-K и D-триггерах.
(11)
(12)
Выражения (12) и (13) можно записать в базисе И-ИЛИ-НЕ. Такие выражения при ограничениях (11) будут иметь вид
(13)
Входная логика i-го разряда регистра на D-триггерах для сдвига вправо на 1, 2, и 4 разряда показана на рис.6.
Рис.6
Кольцевые сдвигающие регистры
Кольцевые регистры служат для формирования серии импульсов с заданным временным интервалом между импульсами в серии и для сохранения информации при выполнении арифметических и логических операций. В таких регистрах крайние входы и выходы соединяются схемами, аналогичным схемам между двумя соседними разрядами.
Для случая сдвига вправо вход старшего разряда регистра описывается следующим выражением для J-K- и D-триггеров соответственно:
(14)
(15)
Аналогичные выражения можно записать для сдвига влево.
Операционная схема кольцевого сдвигающего регистра вправо приведена на рис.7.
Рис.7
Сдвигающие регистры на двухступенчатых триггерах
Для нашедших широкое применение потенциальных логических элементов в ряде случаев не удается выполнить условие совместного сдвига, смысл которого заключается в том, что длительность тактируемого импульса tТ должна быть такой, чтобы обеспечить возбуждение триггеров. С другой стороны, эта длительность не должна быть больше времени переключения триггеров. Если эти два условия выполняются, то триггеры закончат переключение после того, как сигнал Yсдвпримет нулевое значение. В противном случае процесс сдвигов будет происходить с искажением, заключающемся в том, что под воздействием одного Yсдв группы разрядов окажутся либо в состоянии 1, либо 0, что не будет соответствовать реальной картине сдвига.
Одной из мер борьбы против таких искажений является введение в межразрядные цепи элементов задержки. При этом должно выполняться условие (3).
|
|
|
Широкое распространение получил способ построения разрядов сдвигающего регистра на двухступенчатых триггерах, полностью исключающих влияние длительности тактируемого сигнала.
Схема двух разрядов такого сдвигающего регистра, построенного на однотактных D-триггерах, приведена на рис.8.
Операция сдвига в таких регистрах состоит из двух тактов:
1) при Yсдв = 1 обеспечивается перепись информации из триггеров предыдущих разрядов в триггеры Т' последующих разрядов (сдвиг в первую ступень);
2) при Yсдв = 0 на входах С триггеров Т устанавливается 1 и происходит перепись информации внутри данного разряда из триггеров Т' в триггеры Т (сдвиг во вторую ступень).
Два однотактных триггера одного разряда могут быть заменены одним двухтактным. Схема двух разрядов регистра на двухтактных триггерах приведена на рис.9.
Рис.8
Рис.9
Параллельно - последовательные и
последовательно - параллельные сдвигающие регистры
Такие сдвигающие регистры служат для преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот. Параллельно-последовательный регистр, кроме цепей сдвига, имеет схемы параллельного ввода разрядов в каждый триггер регистра. Последовательно-параллельный регистр имеет схемы вывода параллельного кода числа, подключаемые к прямым при выдаче прямого кода или инверсным при выдаче обратного кода выходам триггеров (рис.10).
Рис.10
Реализация микрооперации сдвига на m разрядов вправо в сдвигающем регистре (рис.11, а) может быть отображена следующей записью:
то же, но на m разрядов влево (рис.11, б)
Если на регистре может выполняться функция сдвига слова влево или вправо, такой регистр называется реверсивным. Микрооперация сдвига в одну сторону осуществляется под действием отдельного управляющего сигнала (рис.11, в), что может быть записано следующим образом:
Следует отметить, что управляющие сигналы Y1и Y2не могут действовать одновременно, т.е. Y1& Y2= 0. Если в регистре имеется цепь связи между младшим и старшим разрядом, то такой регистр называется кольцевым, или циклическим. В таком регистре можно разными управляющими сигналами реализовать операции циклического сдвига вправо или влево (рис.11, г). Регистр реализует при этом следующую микрооперацию:
Или
Кольцевые регистры могут быть построены по реверсивной схеме.
Лабораторная работа состоит в изучении функциональных возможностей сдвигающего регистра, синтезированного по индивидуальному заданию.
Сдвигающие регистры относятся к регулярным структурам, так как разряды регистра строятся по одной и той же схеме. Каждый разряд состоит из элемента памяти - триггера и комбинационной схемы для реализации сдвига. Кроме того, в каждом разряде имеются цепи ввода и вывода информации, которые подробно изучаются в лабораторной работе "Статические регистры".
|
|
|
При подготовке к лабораторной работе необходимо заранее выполнить теоретический синтез комбинационной схемы сдвигающего регистра и схему регистра с учетом моделирования вМicroСap-9.
Рис.11
2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Работа состоит в проверке работоспособности заданного типа сдвигающего регистра, синтезированного в соответствии с индивидуальным заданием с помощью МicroCap-9. Работа регистра контролируется по временным диаграммам с прямых выходов триггеров регистра.
3. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Варианты индивидуальных заданий приведены в табл. 4
Характеристики синтезируемого регистра:
I. Вид работы: 1) сдвиг влево, 2) сдвиг вправо, 3) реверсивный.
II. Число сдвигов за один такт: 1) на один разряд, 2) на два разряда.
III. Тип регистра: 1) разомкнутый, 2) кольцевой.
IV. Триггер: 1) J-K, 2) D.
V. Ввод-вывод: 1) параллельно-последовательный.
2) последовательно-параллельный.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Индивидуальное задание на синтез регистра.
2. Теоретический синтез заданного регистра, состоящий из таблиц функционирования,
3. Схема 4-разрядного регистра.
4. Временные диаграммы.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Составить таблицу функционирования разряда RG
2. Построить таблицу функционирования кодирующего преобразователя для воспроизведения последовательности 010, 101, 110, 111, 010...
3. В 7-разрядный сдвигающий регистр занесено число 44. После какого количества сигналов сдвига код в RG будет равным 0001011?
4. Определить код состояния сдвигающего RG, если в него записано число 23 и подано 3 сдвигающих импульса Y: RG:= R1 RG.
Таблица 4
Варианты индивидуальных заданий
| № вар. | I | II | III | IV | V | № вар. | I | II | III | IV | V |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЦВМ. М: Высшая школа, 2004
СОДЕРЖАНИЕ
| Лабораторная работа №4 ДЕШИФРАТОРЫ И ШИФРАТОРЫ………………………………………... | |
| Лабораторная работа №5 СТАТИЧЕСКИЕ РЕГИСТРЫ………………………………………………... | |
| Лабораторная работа №6 СДВИГАЮЩИЕ РЕГИСТРЫ……………………………………………….. |
|
|
|
