Последовательные регистры (регистры сдвига).

Последовательные регистры (регистры сдвига) характеризуются записью числа последовательным кодом. В них число вводится и выводится последовательно разряд за разрядом. Разряды такого регистра соединены последовательно. Каждый разряд выдает информацию в следующий и одновременно принимает новую информацию из предыдущего. Дли этого каждый разряд должен иметь два запоминающих элемента. В первый элемент передается информация из предыдущего разряда, одновременно второй запоминающий элемент передает свою информацию в последующий разряд; затем информация, принятая первым запоминающим элементом, передается во второй, а первый освобождается для приема новой информации.

Таким образом, регистр состоит из последовательно соединенных двоичных ячеек памяти, состояния которых передаются (сдвигаются) на последующие ячейки под действием тактовых импульсов. Тактовые импульсы управляют работой регистра. Регистры сдвига могут управляться одной последовательностью тактовых импульсов. В этом случае регистры называют однотактными. При управлении двумя, тремя, четырьмя и т.д. последовательностями тактовых импульсов регистры соответственно относят к двух-, трех- и четырехтактным, а в общем случае — к многотактным.

Частота следования тактовых импульсов обычно неизменна. В многотактных регистрах последовательности тактовых импульсов следуют с взаимным фазовым сдвигом 2 /m эл.град, где 2 — период следования импульсов одной из последовательностей, a m — количество последовательностей тактовых импульсов. Однотактные регистры сдвига выполняют по структурной схеме рис.4.2,а, показанной для четырех разрядов. Первая ячейка регистра относится к его младшему разряду, а четвертая — к старшему. При таком расположении разрядов запись числа в регистр производится начиная с его старшего разряда. При обратном расположении разрядов в регистре запись числа должна начинаться с его младшего разряда.

Рис.4.2. Структурная схема последовательных однотактных регистров (а)

и их временные диаграммы (б)

Тактовые импульсы подаются на все триггеры ячеек одновременно. Их воздействие направлено на переключение триггеров из состояния «1» в состояние «0» с записью единицы в триггер следующей ячейки.

На рис.4.2,б приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс записи информации в регистр. В качестве примера взят код 1011, соответствующий числу 11. Перед записью информации регистр устанавливают в состояние «0». Для этого в отсутствие сигнала на входе подается серия тактовых импульсов с числом импульсов, равным количеству разрядов в регистре. При записи информации одновременно с поступлением кода числа подаются тактовые импульсы. Тактовыми импульсами осуществ­ляется продвижение информации от младшего разряда регистра к старшему. В результате после четвертого тактового импульса ячейки регистра принимают состояния, соответствующие коду принятого четырехразрядного числа.

Операция считывания информации из последовательного регистра может быть проведена в параллельном или последовательном коде. Для передачи информации в параллельном коде используют выходы разрядов регистра. Таким образом, последовательный регистр позволяет осуществить операцию преобразования последовательного кода в параллельный, Считывание информации в последовательном коде реализуется подачей серии тактовых импульсов. В последовательном регистре записанное число может быть сдвинуто тактовыми импульсами на один или несколько (k) разрядов. Операции сдвига соответствуют умножению числа на 2^k. Например, сдвиг кода 0010 числа 2 на один разряд дает код 0100 (число 4), на два разряда — код 1000 (число 8).

При реализации однотактных регистров сдвига необходимо учитывать следующее обстоятельство. В этих регистрах тактовые импульсы воздействуют на перевод в состояние «0» триггеров всех разрядов одновременно. Поэтому в однотактных регистрах должна быть решена задача разделения во времени (по меньшей мере на длительность тактовых импульсов t_и) операций считывания единицы с триггера каждого разряда и ее переписи в триггер следующего разряда. В противном случае перепись единицы в следующий разряд не будет произведена.

Эта задача может быть решена включением в цепь передачи сигнала от одной ячейки к другой элемента задержки. Элемент задержки будет задерживать импульс записи единицы в последующую ячейку на время действия тактового импульса. Однако наличие элементов задержки обусловливает критичность работы схемы в отношении длительности тактовых импульсов. Кроме того, для элементов задержки, состоящих из реактивных элементов L, С, затруднено интегральное исполнение. В связи с указанным разнесение во времени операций считывания и переписи единицы осуществляют схемными средствами, например выполнением ячеек на триггерах с внутренней задержкой (RS-, JK-, D-триггерах).

При использовании триггеров с внутренней задержкой разделение во времени операций считывания и переписи единицы выполняется автоматически, поскольку новое состояние таких триггеров формируется после окончания действия тактовых импульсов.

Другим методом построения однотактных регистров сдвига является использование двухтактного режима их работы. В каждую ячейку таких регистров входят два триггера (основной и дополнительный). Управление производится одной последовательностью тактовых импульсов. Разделение во времени операций считывания единицы из предыдущей ячейки и ее переписи в последующую ячейку достигается тем, что считывание единицы из основных триггеров осуществляется в момент поступления тактового импульса, а запись единицы в них — по окончании тактового импульса.

В схемном отношении рассматриваемый метод построения однотактных регистров сдвига наиболее просто реализуется с применением тактируемых D-триггеров. Схема двухразрядного регистра, выполненная на D-триггере (приведена на рис.4.3,а. Временные диаграммы рис.3б иллюстрируют процесс продвижения единицы в регистре в сторону старшего разряда. В отличие от триггера, а вход «Установка нуля» в триггере регистра является инверсным. Инверсный вход «Установка нуля» всех триггеров объединен с тактируемым входом и связан в основных триггерах ячеек регистра с шиной тактовых импульсов Т непосредственно, а в дополнительных триггерах — через элемент НЕ.

Рис.4.3. Схема однотактного последовательного регистра на D-триггерах (а) и его временные диаграммы (б)

В исходном состоянии все триггеры регистра установлены в состояние «0» (рис.4.3,б). При наличии сигнала на входе первым тактовым импульсом через открытый элемент И₂ записывается единица в основной триггер первого разряда (ячейки). Сигнал Q₁ =1 передается на информационный вход дополнительного триггера первой ячейки, но поскольку на выходе ее инвертора действует сигнал Т=0, элемент И₂ закрыт и дополнительный триггер остается в состоянии «0» (Q₁=0).

По окончании первого тактового импульса на обоих входах элемента И₂ дополнительного триггера первой ячейки присутствует единица, он переключается в состояние Q=1. Таким образом, результатом поступления первого тактового импульса является запись единицы в оба триггера первой ячейки. Состояние «1» основного триггера сохраняется по входам элемента И₁(Q₁=1,Т =0), а дополнительного — по входам элемента И₂ (Q₁=1, Т=1). Если сигнал на входе регистра равен нулю, то поступление второго тактового импульса приводит к запиранию элементов И₁, И₂ основного триггера первой ячейки и переключению его в состояние «0». При этом основной триггер второй ячейки по входам элемента И₂ (Q₁=1, Т=1) переключается в состояние Q₂=1.

На этапе действия второго тактового импульса дополнительный триггер первой ячейки поддерживается в состоянии Q₁=1 по обоим входам элемента И₁, а дополнительный триггер второй ячейки остается в состоянии Q₂=0 по обоим входам его элемента И₁.

После окончания второго тактового импульса элементы И₁, И₂ дополнительного триггера первой ячейки закрываются, что вызывает переключение этого триггера в состояние Q₁=0. Дополнительный триггер второй ячейки переводится в состояние Q₂=1 наличием единиц на входах его элемента И₂. Таким образом, происходит перемещение входной информации во второй разряд регистра.

Каждая ячейка (разряда) многотактного регистра состоит в общем случае из n последовательно включенных триггеров. Управление многотактным регистром производится n последовательностями тактовых импульсов, причем каждая из последовательностей предназначена для управления одноименными триггерами ячеек. Применение многотактного режима работы является еще одним методом разнесения во времени операций считывания и записи информации в разрядах регистра. Главное же преимущество многотактных регистров — их высокая информативность, обусловленная большим числом выходов каждого разряда.

Построение двухтактных регистров сдвига показано на примере двухразрядного регистра (рис.4.4,а).

Каждая его ячейка состоит из двух D-триггеров предыдущей схемы. Управление основными триггерами ячеек осуществляется тактовыми импульсами Т₁, а дополнительными — Т₂. Фазовый сдвиг второй последовательности тактовых импульсов относительно первой равен (Т/2).

Процесс записи информации (при наличии единичного сигнала на входе) иллюстрируют временные диаграммы рис.4.4,б. Первым тактовым импульсом по каналу Т₁ записывается единица в первый триггер первой ячейки. Затем тактовым импульсом по каналу Т₂ записывается единица во второй триггер первой ячейки. Вторым тактовым импульсом канала Т₁ осуществляется считывание единицы с первого триггера первой ячейки и запись единицы в первый триггер второй ячейки. Вторым тактовым импульсом по каналу Т₂ устанавливается в состояние «0» второй триггер первой ячейки, а во второй триггер второй ячейки записывается единица.

Рис.4.4. Схема двухтактного последовательного регистра на D-триггерах (а) и его временные диаграммы (б)

Аналогично выполняются регистры сдвига на большее число тактов работы.