Асинхронный двоичный счетчик с последовательным переносом(суммирующий).
Лекция №13
Последовательностные логические устройства (цифровые автоматы): регистры, счетчики
План
1. Регистры.
1.1. Запоминающий регистр.
1.2. Сдвигающий регистр.
2. Счетчики.
2.1. Суммирующий счетчик.
2.2. Вычитающий счетчик.
2.3. Реверсивный.
Регистры
При выполнении различных логических и арифметических операций возникает необходимость хранения кода числа в течение некоторого времени. Иногда надо сдвинуть код вправо или влево, подсчитать кол-во импульсов и т.д. – эти операции выполняют специальные устройства: регистры, счетчики и дешифраторы.
Регистры – это узлы ЭВМ, предназначенные для хранения и преобразования чисел. Он представляет собой совокупность триггеров со схемой управления входными и выходными сигналами. Разрядность регистра соответствует количеству используемых в нем триггеров, т.е. число триггеров определяет разрядность слова. Каждый триггер регистра имеет прямой и инверсный выходы, используемые соответственно для получения прямого и интенсивного кодов.
Занесение информации в регистры называется операцией ввода или записи. Выдачу информации внешним устройством называют операцией вывода или считывания.
Классификация регистров:
1. По виду выполняемых операций:
1.1. Регистры для приема.
1.2. Для передачи.
1.3. Для сдвига информации.
2. По способу приема и передачи информации:
2.1. Последовательные.
2.2. Параллельные.
2.3. Параллельно-последовательные.
3. По количеству каналов, по которым информация поступает на входы:
3.1. Однофазные – информация поступает на каждый разряд, только по одному каналу.
3.2. Парафазные – по обоим каналам.
4. По количеству тактов управления необходимых для записи кода слова:
4.1. Однотактные.
4.2. Двухтактные.
4.3. Многотактные.
Запоминающий регистр
Запоминающие регистры — простейший вид регистров. Их назначение — хранить кодовую информацию небольшого объема в течение относительно непродолжительного времени. Эти регистры представляют собой набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд двоичного числа — бит информации. Запись и считывание информации производится одновременно во всех разрядах параллельным кодом. Структура запоминающего регистра иллюстрируется рис.1.
Рис.1. Запоминающий регистр; а) структурная схема, б) условное обозначение
Триггеры в схеме включены параллельно. На входах и выходах триггеров поставлены схемы «И», для управления моментов записи и считывания Уст «О» обнуляет регистр. Для записи числа на схемы «И» 1-3 подается число, по сигналу «разрешения записи» информация поступает к регистру, а по сигналу «С.И.» записывается в регистр и будет храниться там, пока не подадут сигнал Уст «О» или не выключат питание. При подаче сигнала разрешения считывания информация поступает на выход. На выходе информация получается в прямом коде. Для того, чтобы преобразовать число, записанное в регистре из прямого кода в обратный, его надо считывать с выходов 
.
Сдвигающий регистр
Регистры сдвига или сдвиговые регистры (англ. shift register) представляют собой, последовательно соединенную цепочку триггеров. Т.е. в сдвиговых регистрах 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.
Основной режим их работы - это сдвиг разрядов кода, записанного в эти триггеры. То есть по тактовому сигналу содержимое каждого предыдущего триггера переписывается в следующий по порядку в цепочке триггер. Код, хранящийся в регистре, с каждым тактом сдвигается на один разряд в сторону старших разрядов или в сторону младших разрядов, что и дало название регистрам данного типа.
Рис.2. Сдвигающий регистр
Рис.3 Временная диаграмма сдвигающего регистра и условное обозначение
Сдвигающий регистр применяется для выполнения операций сдвигов кода в последовательный и обратно. Сдвиг кода влево на один разряд соответствует умножению кода числа на основании системы счисления. Сдвиг вправо – делению. Для уменьшения кол-ва связей и оборудования сдвигающий регистр удобно строить на «D» триггерах. Установка этого регистра в 0 выполняется отрицательным импульсом на вход в 
. Параллельный код поступает на входы x1-x4. Запись параллельного кода осуществляется положительным импульсом на вход C2, чтобы преобразовать параллельный код в последовательный надо подать информацию на входы x1-x4 при импульсе C2 (C2 = 1), затем считывать информацию в последовательном коде с выходом Q4 при подаче синхроимпульса C1 на каждый вид числа. Это называется выдвижением числа из регистра.
Для преобразования из последовательного кода в параллельный, информация подается на D1 и по каждому синхроимпульсу С1 информация задвигается в регистр. Информация считывается в параллельном коде с Q1-Q4. Если логически распределить так, что на х1 (Q1) находятся младший разряд числа, а на х4 (Q4) старшие, то такой регистр будет осуществлять сдвиг числа влево (*)[1]. Если наоборот х1 старший, х4 младший – сдвиг вправо (÷)[2].
Счетчики
Счетчиком называют устройство, осуществляющее счет числа поданных на его вход импульсов и фиксирующее это число в двоичном коде.
Счетчик представляет собой устройство, предназначенное для подсчета числа сигналов поступающих на его вход и запись этого числа в виде кода хранящегося в триггерах. Количество разрядов счетчика определяется наибольшим числом, которое должно быть получено в каждом конкретном случае.
По направлению счета все счетчики делятся на:
· суммирующие,
· вычитающие,
· реверсивные.
В суммирующих счетчиках с приходом каждого импульса результат счета увеличивается на единицу. У вычитающих счетчиков каждый последующий импульс уменьшает число счета на единицу. Реверсивные счетчики могут производить подсчет импульсов, как в режиме суммирования, так и в режиме вычитания.
Обычно счетчики строятся на Т-триггерах. С приходом каждого импульса происходит изменение состояния триггеров. По состоянию триггеров можно определить число поступивших на вход импульсов. Число триггеров в счетчике берется таким, чтобы множество их состояний превышало число импульсов, которое должно быть зафиксировано. Такое использование счетчика называют режимом счета. Если число импульсов не ограничено, то счетчик будет работать в режиме деления их числа на коэффициент счета Ксч равный Ксч =2n, где n - число триггеров. Через каждые 2n импульсов он возвращается в начальное состояние и снова начинает счет.
Классификация:
1. По целевому назначению.
1.1. Простые (суммирующие, вычитающие).
1.2. Реверсивные – для работы в режиме сложения и вычитания.
2. По способу организации счета.
2.1. Асинхронные – сигнал от разряда к разряду, передается естественным путем в различные интервалы времени, в зависимости от сочетания входных сигналов.
2.2. Синхронные – сигналы от разряда к разряду, передаются принудительным путем с помощью тактовых сигналов.
3. По способу организации целей переноса между разрядами.
3.1. С последовательным переносом.
3.2. С параллельным.
3.3. С частично параллельным переносом.
4. По системе счисления (двоичные, десятичные, счетчики с основанием не≠ 2).
Асинхронный двоичный счетчик с последовательным переносом(суммирующий).
Рис. 4. Асинхронный двоичный счетчик с последовательным переносом (суммирующий)
Триггеры в схеме соединены последовательно. Прямой выход одного соединен со счетным входом следующего триггера, схема обнуляется установкой 0. В исходном состоянии на счетчике 0 0 0 0. На вход J-K подаются единицы. Первый входной сигнал хсч установит триггер (1) в состояние 1, все остальные останутся в состоянии 0. Второй входной сигнал установит первый триггер в состоянии 1, третий – 0, четвертый – 0.
Вычитающий счетчик
Рис. 5 Условное обозначение и таблица истинности вычитающего счетчика.
Рис. 6 Временная диаграмма вычитающего счетчика
В вычитающем счетчике поступление на вход очередного уровня лог.1 (очередного импульса) вызывает уменьшение хранившегося в счетчике числа на единицу.
Реверсивный счетчик
В реверсивных счетчиках предусматривается специальный переключательная схема для переключения со счетчика либо в режим сложения, либо в режим вычитания. В работе предусмотрены две цепи передачи переносов, одна из которых соответствует схеме суммирующего счетчика, другая — схеме вычитающего счетчика. Таким образом, счетчики, которые в процессе работы могут менять направление счета называются, реверсивными.
Реверсирования достигается тем, что в цепях меж разрядных связей производятся передачи либо сигнала переноса с прямых выходов Q, либо сигнала заема с инверсных выходов Q. Выбор знака операции «счет» определяется значениями сигналов на управляющих пиках «вычитания» или «суммирования». На входы D1 – D4 подается число, которым задается исходное состояние счетчика. Входы «+1» «-1» - раздельные входы, по которым счетчик складывает или вычитает. Выходы «1 – 4» - выходы Q. РП – перенос. В случае, когда счетчик досчитает до 15, на 16 импульс через выход единица переноса поступит на следующий разряд. В – выход заем.
Рис. 7 Реверсивный счетчик
Для счетных импульсов предусмотрены два входа: "+1" - на увеличение, "-1" - на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается к входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если вставить ее перед первым триггером (выход элемента к входу первого триггера, входы - к шинам +1 и -1). Непонятная картина между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.
Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый - четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины "+1" (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе - с шины "-1". Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.
Рис. 8 Четырехразрядный двоичный счетчик
Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный - СТ2/10. Входы D0 - D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет производиться начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 - D3, или, как говорят, разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е. задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться в дальнейшем.
Контрольные вопросы:
1. Что такое регистры и для чего они предназначены?
2. Какие регистры вы знаете?
3. Каково назначение запоминающего регистра?
4. Что такое выдвижение числа из регистра?
5. Что такое счетчики?
6. Какие счетчики называются реверсивными?
Литература:
1. http://lab201.jimdo.com/студентам/лекции-мдк-01-01/12-суммирующие-и-вычитающие-счетчики/
2. http://studopedia.su/10_9333_summiruyushchie-vichitayushchie-i-reversivnie-schetchiki.html
[1] умножить
[2] делить