Операционные элементы

Наряду с рассмотренными ранее комбинационными операционными элементами (сумматор, дешифратор, мультиплексор, преобразователь кода, цифровой компаратор и др.) имеется большая группа последовательностных операционных устройств, таких как регистр, счетчик, арифметико-логические устройства, и др. Наиболее широко распространёнными из них являются регистры.

5.3.1 Регистры

Регистр представляет собой набор триггеров, охваченных общей цепью синхронизации. Триггеры называют разрядами регистра.

По способу ввода / вывода информации регистры делят на:

1) Параллельные (регистры хранения, информация вводится и выводится одновременно по всем разрядам).

2) Последовательные (регистры сдвига, информация бит за битом “проталкивается“ через регистр и выводится также, последовательно бит за битом).

3) Комбинированные (параллельный ввод, последовательный вывод или наоборот).

По способу представления информации регистры делятся на однофазные и парафазные.

В однофазном регистре информация представляется в прямом или обратном (инверсном) виде, в парафазных - и в том и в другом виде одновременно, то есть в информации всегда имеются нули и единицы.

На рис. 5.2 изображён трёхразрядный регистр хранения на RS-триггерах (это парафазный регистр, так как есть и ):

Рисунок 5.2 – Парафазный регистр хранения

Регистр обозначают идентификатором (имя регистра) RG [ 1 – 18 ], P1[ 1 – 6 ]. Здесь [...] - количество разрядов.

Все входы образуют входную шину, а выходы – выходную шину. Условное обозначение регистра показано на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 – Условное обозначение регистра

На операционных схемах регистры и их соединение изображают так, как показано на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 – Соединение регистров хранения

В этой операционной схеме c тремя 24 – разрядными регистрами выполняются следующие микрооперации передачи:

Y1: RG3: = RG2

Y2: RG2: = RG1

Y3: RG2: = RG3

Y4: RG1[1-8]: = RG2 [1-8]

Часть разрядов в регистре, которые носят самостоятельное значение называются субрегистром или подрегистром (RG2[ 1-8] – подрегистр регистра RG2[1-24]). Регистры хранения могут выполнятся на триггерах любых типов.

Синтез регистров хранения.

Возьмем два четырёхразрядных регистра хранения на JK-триггерах и соединим их между собой с помощью конъюнкторов (рис. 5.5).

Рисунок 5.5 – Соединение регистров с помощью конъюнкторов

Входы Y1 и Y2 являются дополнительными управляющими входами. На операционных схемах такое соединение регистров условно обозначают следующим образом (рис. 5.6)

Рисунок 5.6 – Соединение регистров на операционных схемах

Рассмотрим, как будут влиять сигналы Y1 и Y2 на передачу информации с регистра P1 на регистр Р2.

Пусть, например, Y1=Y2=0. Тогда P2 находится в режиме хранения своей информации, так как на выходах всех конъюнкторов имеются нули (на входах J = K = 0). Если Y1=1, Y2=0, то на входах К =0 (нижние конънкторы), а состояние входов J рассмотрим по таблице (рис. 5.7), в которой состояние регистра определяется прямыми выходами триггеров:

Рисунок 5.7 – Состояния входов и выходов регистра Р2

Если на входе J = 1, то на выходе Р2 тоже будет единица. Таким образом, выполняется микрооперация дизъюнкции над содержимым регистров

Y1: Р2: = Р1 V Р2.

Возьмём другой случай Y1= 0, Y2 = 1 (рис. 5.8).

Рисунок 5.8 – Состояния входов и выходов регистра Р2

Видно, что выполняется другая микрооперация, а именно – конъюнкция

Y2: P2: = P1 P2

Нетрудно видеть, что если Y1=Y2=1, то Р1: = Р2, то есть выполняется микрооперация передачи.

Мы выполнили анализ регистра, то есть, соединили регистры и ответили на вопрос что будет при таком соединении.

На практике обычно ставится задача не анализа, а синтеза, то есть, как соединить регистры между собой, чтобы выполнялась требуемая микрооперация.

Синтез регистра сводится к синтезу одного разряда, так как все остальные разряды идентичны. Пусть, например, требуется синтезировать регистр на Т-триггерах для выполнения следующих микроопераций между входной информацией и содержимым регистра:

1) Передача 2) Дизьюнкция (V) 3) Конънкция ()

Составим схему (рис. 5.9):

Рисунок 5.9 – Схема для синтеза одного разряда регистра

Здесь КС – комбинационная схема.

Составим таблицу истинности работы нашего устройства, но сначала необходимо произвольно закодировать управляющие сигналы (рис. 5.10):

Y1	Y2	Микрооперация
		Передача
		V

Рисунок 5.10 – Кодировка микроопераций

Составляем таблицу истинности для дальнейшего синтеза (рис. 5.11)

Xвх	Y1	Y2	Q(t)	Q(t+1)
				*	-
				*	-
				*	-
				*	-

Рисунок 5.11 – Таблица истинности для синтеза регистра

На основании словаря переходов Т-триггера (рис. 5.12) заполняем колонку с сигналом T* - выходным сигналом комбинационной схемы

Рисунок 5.12 – Словарь переходов Т - триггера

Составим карту Карно (рис. 5.13) и минимизируем функцию для Т*

Рисунок 5.13 – Карта Карно для регистра

Получаем минимальную форму

,

по которой составляем комбинационную схему одного разряда регистра (рис. 5.14)

Рисунок 5.14 – Схема одного разряда регистра

По такому алгоритму регистры хранения можно создавать для выполнения различных микроопераций на триггерах любого типа.