Тема работы: Работа со сдвиговым регистром

8.2 Цель работы: Изучение принципов построения и работы регистров сдвига.

8.3 Оборудование и программное обеспечение:

- персональный компьютер

- программа Electronics Workbench

8.4 Теоретическая часть работы

Регистры (англ. register) представляют собой, по сути, несколько D-триггеров (обычно от 4 до 16), соединенных между собой тем или иным способом. Поэтому принципиальной разницы между ними и отдельными D-триггерами не существует. Правда, триггеры, входящие в состав регистров, не имеют такого количества разнообразных управляющих входов, как одиночные триггеры.

Рисунок 21 - Структура сдвигового регистра

В сдвиговых регистрах (б) все триггеры соединены в последовательную цепочку (выход каждого предыдущего триггера соединен со входом D следующего триггера). Тактовые входы всех триггеров (С) объединены между собой. В результате такой триггер может рассматриваться как линия задержки, входной сигнал которой последовательно перезаписывается из триггера в триггер по фронту тактового сигнала С. Информационные входы и выходы триггеров могут быть выведены наружу, а могут и не выводиться - в зависимости от функции, выполняемой регистром.

В связи с названием направления сдвига в сдвиговых регистрах часто возникает путаница. Сдвиг бывает двух видов: вправо (основной режим, который есть у всех сдвиговых регистров) и влево (этот режим есть только у некоторых, реверсивных сдвиговых регистров). Названия эти отражают внутреннюю структуру регистров сдвига (рисунок 22) и перезапись сигналов последовательно по цепочке триггеров. При этом триггеры, вполне естественно, нумеруются слева направо, например, от 0 до 7 (или от 1 до 8) для 8-разрядных регистров. В результате сдвиг информации регистром вправо представляет собой сдвиг в сторону разрядов, имеющих большие номера, а сдвиг информации регистром влево - это сдвиг в сторону разрядов, имеющих меньшие номера.

Однако, как известно, в любом двоичном числе слева расположены старшие разряды, а справа - младшие разряды. Поэтому сдвиг двоичного числа вправо будет сдвигом в сторону младших разрядов, а сдвиг влево - сдвигом в сторону старших разрядов. Это противоречие, не чей-то злой умысел, просто так исторически сложилось, и об этом надо помнить разработчику цифровой аппаратуры.

Рисунок 22 - Направление сдвига в сдвиговых регистрах

8.5 Выполнение лабораторной работы

8.5.1 Реализовать схему четырехразрядного сдвигового регистра.

Для формирования входных сигналов использовать ключи. К выходным цепям подключить индикаторы.

8.5.2 С помощью моделирования получить таблицу истинности схемы. Нарисовать временную диаграмму работы схемы.

8.5.3 Охватить регистр обратной связью, для чего инверсный выход последнего триггера подключить на вход регистра. На тактовый вход подключить генератор импульсов с частотой 1Гц.

8.5.4 С помощью моделирования определить алгоритм работы полученной схемы. Нарисовать временную диаграмму работы схемы.

8.5.5 Ответить на контрольные вопросы.

8.6 Контрольные вопросы

8.6.1 Какие типы регистров существуют?

8.6.2 Область применения сдвиговых регистров?

8.6.3 Дать сравнительную характеристику временной диаграммы и таблицы истинности схемы.

8.7 Вывод

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

9.1 Тема работы: Работа с реверсивным счетчиком: предварительная установка, счет на увеличение, счет на уменьшение

9.2 Цель работы:Изучение принципов построения и работы двоичных счетчиков.

9.3 Оборудование и программное обеспечение

- персональный компьютер

- программа Electronics Workbench

9.4 Теоретическая часть работы

Счетчики представляют собой более высокий, чем регистры, уровень сложности цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память. Хотя в основе любого счетчика лежат те же самые триггеры, которые образуют и регистры, но в счетчиках триггеры соединены более сложными связями, в результате чего их функции - сложнее, и на их основе можно строить более сложные устройства, чем на регистрах. Точно так же, как и в случае регистров, внутренняя память счетчиков - оперативная, то есть ее содержимое сохраняется только до тех пор, пока включено питание схемы. С выключением питания память стирается, а при новом включении питания схемы содержимое памяти будет произвольным, случайным, зависящим только от конкретной микросхемы, то есть выходные сигналы счетчиков будут произвольными.

Рисунок 23 - Работа 4-разрядного двоичного счетчика

Как следует из самого названия, счетчики предназначены для счета входных импульсов. То есть с приходом каждого нового входного импульса двоичный код на выходе счетчика увеличивается (или уменьшается) на единицу (рисунок 23). Срабатывать счетчик может по отрицательному фронту входного (тактового) сигнала (как на рисунке) или по положительному фронту. Режим счета обеспечивается использованием внутренних триггеров, работающих в счетном режиме. Выходы счетчика представляют собой как раз выходы этих триггеров. Каждый выход счетчика представляет собой разряд двоичного кода, причем разряд, переключающийся чаще других (по каждому входному импульсу), будет младшим, а разряд, переключающийся реже других, - старшим.

Счетчик может работать на увеличение выходного кода по каждому входному импульсу; это основной режим, имеющийся во всех счетчиках, он называется режимом прямого счета. Счетчик может также работать на уменьшение выходного кода по каждому входному импульсу; это режим обратного или инверсного счета, предусмотренный в счетчиках, называемых реверсивными. Инверсный счет бывает довольно удобен в схемах, где необходимо отсчитывать заданное количество входных импульсов.

Большинство счетчиков работают в обычном двоичном коде, то есть считают от 0 до (2N–1), где N - число разрядов выходного кода счетчика. Например, 4-разрядный счетчик в режиме прямого счета будет считать от 0 (код 0000) до 15 (код 1111), а 8-разрядный - от 0 (код 0000 0000) до 255 (код 1111 1111). После максимального значения кода счетчик по следующему входному импульсу переключается опять в 0, то есть работает по кругу. Если же счет - инверсный, то счетчик считает до нуля, а дальше переходит к максимальному коду 111...1.

Имеются также двоично-десятичные счетчики, предельный код на выходе которых не превышает максимального двоично-десятичного числа, возможного при данном количестве разрядов. Например, 4-разрядный двоично-десятичный счетчик в режиме прямого счета будет считать от 0 (код 0000) до 9 (код 1001), а затем снова от 0 до 9. А 8-разрядный двоично-десятичный счетчик будет считать от 0 (код 0000 0000) до 99 (код 1001 1001). При инверсном счете двоично-десятичные счетчики считают до нуля, а со следующим входным импульсом переходят к максимально возможному двоично-десятичному числу (то есть 9 - для 4-разрядного счетчика, 99 - для 8-разрядного счетчика). Двоично-десятичные счетчики удобны, например, при организации десятичной индикации их выходного кода. Применяются они гораздо реже обычных двоичных счетчиков.

По быстродействию все счетчики делятся на три большие группы:

- Асинхронные счетчики (или последовательные).

- Синхронные счетчики с асинхронным переносом (или параллельные счетчики с последовательным переносом, синхронно-асинхронные счетчики).

- Синхронные счетчики (или параллельные).

9.5 Выполнение лабораторной работы

9.5.1 Реализовать схему четырехразрядного двоичного счетчика (Рисунок 24). При реализации Т-триггера воспользоваться схемой приведенной на рисунке 25 Для формирования входного сигнала использовать ключ. К выходным цепям подключить индикаторы.

9.5.2 С помощью моделирования получить временную диаграмму работы схемы.

9.5.3 Подключить к выходным цепям счетчика семисегментный индикатор с двоичным входом. Провести моделирование схемы.

9.5.4 Реализовать двоично-десятичный счетчик. Для этого выхода второго и четвертого триггеров, через элемент И-НЕ подключить к входу сброса триггера.

9.5.5 Выполнить исследование работы модели двоично-десятичного счетчика. Определить алгоритм преобразования.

9.5.6 Ответить на контрольные вопросы.

Рисунок 24 - Схема двоичного счетчика

Рисунок 25 - Схема преобразования D-триггера в Т-триггер.

9.6 Контрольные вопросы

9.6.1 Какие типы счетчиков существуют?

9.6.2 Как увеличить разрядность счетчика? Привести схему.

9.6.3 Принцип работы двоично-десятичного счетчика?

9.6.4 Как получить счетчик для восьмеричной системы счисления?

9.7 Вывод

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА