Моделирование работы регистров

 

 

1. Цель работы

Получить навыки моделирования параллельных и последовательных регистров с помощью программ Electronics Workbench или Multisim 11.0.2.

 

1. Общие сведения

Основными элементами современных ЭВМ являются цифровые устройства. При разработке новых конструкций компьютеров проверялись на практике различные варианты их построения. Изобретались вычислительные средства, в которых сигналы могли изменяться непрерывно (аналоговые ЭВМ). Были созданы конструкции, в которых основные элементы компьютера могли находиться в трёх различных устойчивых состояниях (в отечественной ЭВМ «Сетунь» использовалась троичная система счисления). Существуют элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния, например, реле. Контакты реле могут быть либо замкнуты, либо разомкнуты. Первые вычислительные машины были сконструированы с использованием реле. Работу таких элементов удобно описывать с помощью двоичной системы счисления и алгебры логики.

Радиоэлектронные элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния, являются цифровыми устройствами (ЦУ). Два устойчивых состояния удобно обозначать такими терминами: включено - выключено, открыто – закрыто, да – нет, истина – ложь или единица – ноль.

Достоинством цифровых устройств является их высокая помехоустойчивость и стабильность. Такие элементы надёжно работают при случайном изменении напряжения питания, колебаниях окружающей температуры, при действии электромагнитных помех.

Сигналы, представленные в цифровой форме, можно копировать, передавать и хранить практически без искажений. В то же время аналоговые сигналы таковы, что их копии всегда отличаются от оригинала (искажаются).

Все цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные ЦУ и последовательностные ЦУ (или цифровые автоматы).

В комбинационных цифровых устройствах выходной сигнал в каждый момент времени зависит только от сочетания (комбинации) входных сигналов. К таким ЦУ относятся: логические элементы (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), арифметико-логические устройства, преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры, и др.).

Состояние последовательностных ЦУ зависит не только от входных сигналов, имеющихся в данный момент времени, но и от предшествующего состояния ЦУ. Эти элементы обладают памятью. К последовательностным цифровым устройствам относятся триггеры, счётчики, регистры.

Аппаратно цифровые устройства могут быть реализованы на различных элементах: электромагнитных реле, электровакуумных лампах, дискретных транзисторах, в виде микросхем, выполненных по интегральной полупроводниковой технологии.

При работе цифровых устройств их элементы в какой-то момент времени проводят электрический ток (открытое состояние), а в другой момент времени ток не проводят (закрытое состояние). Таким образом формируются сигналы логической единицы и логического нуля (цифровые сигналы).

 

 

Принцип действия логических элементов рассмотрим на примере работы устройства, выполняющего логическую операцию И-НЕ. Заметим, что схемотехническое построение элемента может быть различным: с использованием технологий РТЛ, РЕТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, И²Л. Эти технологии позволяют получить элементы, отличающиеся друг от друга быстродействием, нагрузочной способностью и потребляемой мощностью (экономичностью).

Рассматриваемый элемент построен на комплементарных металл-окисел полупроводниках (полевых транзисторах, выполненных по КМОП - технологии). Термин «комплементарные» означает, что используемые транзисторы взаимно дополняют друг друга. В этих конструкциях применяются транзисторы двух типов. Транзисторы одного типа открываются высоким напряжением, а запираются низким (VT3, VT4). А другие транзисторы наоборот: запираются высоким напряжением, а низким напряжением открываются (VT1, VT2). Такие полупроводниковые элементы носят специальное название – полевые транзисторы с p -каналом и n -каналом. На рисунке показан полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n -типа. Внутренняя часть транзистора между истоком и стоком называется каналом. Транзисторы работают в так называемом ключевом режиме. При этом каждый транзистор либо полностью открыт и проводит электрический ток, либо закрыт и практически ток не проводит. Переключение транзисторов из одного предельного состояния в другое происходит достаточно быстро.

Если попытаться изложить принцип работы транзистора с помощью метафоры, то транзистор можно сравнить с водопроводным краном. Поток воды, протекающий по трубе (каналу) от истока к стоку можно перекрывать с помощью крана. Таким краном в полевом транзисторе является затвор. Управляющее напряжение на затворе позволяет либо открыть канал (пропустить воду), либо перекрыть этот поток.

Как известно, логический элемент И-НЕ работает в соответствии со следующей таблицей истинности.

	x2	x1	y

Если входные сигналы x₁ и x₂ равны нулю, то транзисторы VT1 и VT2 будут открыты, а транзисторы VT3 и VT4 - закрыты. Термин «открытый транзистор» означает, что сопротивление канала транзистора становится небольшим, и между истоком и стоком протекает ток. Через открытые транзисторы VT3 и VT4 высокий потенциал (примерно равный напряжению питания Ucc) передаётся на выходной зажим Y. Высокое выходное напряжение условно обозначено логической единицей (см. верхнюю строку таблицы истинности).

Если входные сигналы x₁ и x₂ одновременно равны высоким потенциалам (единицам), то транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 – открыты. В результате этого через открытые транзисторы VT3 и VT4 на выходную шину Y будет подан потенциал, близкий к нулю вольт (см. нижнюю строку таблицу истинности).

Если на входы элемента И-НЕ подать сигналы x₁ = 1 и x₂ = 0, то транзисторы VT3 и VT1 будут открыты, а транзисторы VT2 и VT4 закрыты. Через открытый транзистор VT1 от источника питания Ucc на выходной зажим Y поступит высокий потенциал, который соответствует логической единице.

Таблица 1

 

В таблице 1 схематично проиллюстрирована работа устройства при четырёх возможных комбинациях входных сигналов. При этом открытые транзисторы изображаются в виде замкнутых контактов переключателей, а закрытые транзисторы - в виде разомкнутых контактов. Управляющие сигналы x₁ и x₂ подаются на затворы полевых транзисторов (на рисунках цепи управления не показаны).Такое изображение допустимо, так как транзисторы работают в ключевом режиме, а входное сопротивление полевого транзистора высокое. Заметим, что номера рисунков в таблице совпадают с номерами строк в таблице истинности. Рассмотренные примеры показывают, как аппаратно (схемотехнически) реализуются некоторые логические операции.

Условное графическое обозначение элемента И-НЕ показано на рисунке. Кружок на выходе логического элемента говорит о том, что элемент выполняет операцию инверсии (отрицание, НЕ). Символ «&» внутри прямоугольника свидетельствует о том, что данный элемент выполняет логическую операцию конъюнкции (логическое умножение, И). Два указанных символа совместно обозначают логическую операцию И-НЕ. Заметим, что зарубежные стандарты определяют иное изображение логических элементов.

Элементы, реализующие другие логические функции, имеют другую конфигурацию (другую схему построения). Заметим, что на базе логических элементов строятся все цифровые устройства: дешифраторы, сумматоры, триггеры, регистры и т.д.

Рассмотрим принцип действия ещё одного важного элемента цифровых ЭВМ – триггера.

Существует несколько широко распространённых типов триггеров: RS-, D-, T-, JK– триггеры и др. Простейшими являются RS–триггеры, причём они входят в состав более сложных конструкций. Триггеры D-типа используются для построения регистров. T-триггеры являются счётными, они делят частоту входного сигнала на два и служат для построения двоичных счётчиков. JK–триггеры являются универсальными. На их основе можно реализовать любой из перечисленных типов триггеров.

Условное графическое обозначение RS-триггера показано на рисунке. Буквы RS являются аббревиатурой английских слов R eset (сброс) и S et (установка). Триггер управляется сигналом логического нуля (активный сигнал 0). Если на S-вход подать сигнал логического нуля, а на R-вход подать сигнал логической единицы, то триггер установится в единичное состояние. При этом на прямом выходе Q будет присутствовать сигнал логической единицы, а на инверсном выходе - сигнал логического нуля. Если теперь на оба входа триггера подать сигналы логической единицы, то он перейдёт в режим хранения информации. Его состояние не изменится до прихода новых управляющих сигналов, поступающих на входы R и S.

Принцип действия RS-триггера удобно пояснить с помощью рисунка, на котором изображён триггер, построенный на логических элементах И-НЕ. С помощью переключателей 1 и 2 легко изменять сигналы на входах логических элементов DD1 и DD2. Показанное на рисунке состояние соответствует подаче логического нуля на элемент DD1 и логической единицы на элемент DD2. Заметим, что логическому нулю соответствует потенциал, близкий к нулю (поэтому переключатель 1 подсоединён к корпусу, земле устройства). Логической единице соответствует некоторое положительное напряжение. По этой причине вход R триггера через переключатель 2 и резистор подсоединён к источнику напряжения +U.

В соответствии с таблицей истинности для логического элемента И-НЕ на выходе Q элемента DD1 появится сигнал логической единицы (светодиод Н1 загорится). Сигнал логической единицы с выхода элемента DD1 подаётся на верхний вход элемента DD2, на нижний вход которого в это время также подаётся сигнал логической единицы. В соответствии с таблицей истинности элемента И-НЕ на выходе DD2 появится логический ноль (светодиод Н2 погаснет). Триггер установится в единичное состояние. Такая комбинация входных сигналов соответствует режиму установки триггера в единичное состояние.

Если теперь переключатель 1 переместить в верхнее положение (таким образом подаётся сигнал логической единицы на вход S), то триггер перейдёт в режим хранения информации. Его состояние останется прежним, так как на нижний вход элемента DD1 подаётся сигнал логического нуля.

Чтобы изменить состояние триггера (перевести его в нулевое состояние), следует на вход R подать сигнал логического нуля. Для этого нужно переключатель 2 перевести в нижнее положение. Сигнал логического нуля на нижнем входе элемента DD2 вызовет появление логической единицы на инверсном выходе триггера. В результате загорится светодиод Н2, а сигнал логической единицы с выхода DD2 попадёт на нижний вход элемента DD1. В соответствии с таблицей истинности, наличие двух единиц на входах приведёт к появлению логического нуля на выходе элемента И-НЕ. Триггер перейдёт в нулевое состояние. Указанная комбинация входных сигналов соответствует режиму записи нуля.

Триггеры являются основными элементами, из которых состоит статическая оперативная память. На триггерах строят счётчики и регистры. С помощью регистров, например, осуществляется операция сдвига, которая нужна для реализации операции умножения. С помощью регистров преобразуют параллельный код в последовательный (и наоборот). Это необходимо, например, для работы модема. С помощью модема многоразрядные двоичные слова, циркулирующие внутри ЭВМ, передаются по двухпроводной линии связи.

На рисунке показан четырёхразрядный регистр памяти, построенный на синхронных D-триггерах.

 

 

 

Информация в триггеры DD1…DD4 записывается при поступлении на входы C1 разрешающего (синхронизирующего) импульса. Синхронизирующий сигнал формируется с помощью ключа С. В каждый триггер записывается та информация, которая присутствует на входе D.Например, на входе D триггера DD1 присутствует сигнал логической единицы, поэтому он установится в единичное состояние и светодиод Н1 загорится. В это же время триггер DD2 установится в нулевое состояние, так как на его D-входе присутствует логический ноль. Этот сигнал сформирован с помощью ключа 2.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: