Краткие теоретические сведения. Регистры и счетчики являются наиболее рас­пространенными функциональными узлами последовательностного типа в устройствах вы­числительной техники

Регистры и счетчики являются наиболее рас­пространенными функциональными узлами последовательностного типа в устройствах вы­числительной техники. Они строятся на основе триггеров – элементов, обладающих памятью и, поэтому их состояние оказывается зависимым не только от сигналов, воздействующих на входы в данный момент времени, но также и от предыдущих состояний.

Регистром называют цифровой узел, предназначенный для за­писи и хранения числа. Помимо хранения информации некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например, из последовательной во времени формы представления в параллельную, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону младшего разряда (вправо) или старшего разряда (вле­во), инвертировать код.

В соответствии с назначением различают регистры хранения и регистры сдвига. Важнейшей характеристикой регистров хранения является разряд­ность, которая определяется количеством триггеров для хранения числа. Основу регистра хранения составляют одноступенчатые асин­хронные RS -триггеры, каждый из которых служит для хранения одного разряда (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Регистр хранения:

а – функциональная схе­ма;

б – условное обозначение

Регистры сдвига предназначены для преобразования информа­ции путем ее сдвига под воздействием тактовых импульсов. Такие регистры пред­став­ляют совокупности последовательно соединенных триггеров, как правило, двухступен­чатой структуры. Число тригге­ров определяется разрядностью записываемого слова. Различают регистры прямого сдвига (вправо, т. е. в сторону младшего разряда), обратного сдвига (вле­во, т. е. в сторону старшего разряда) и реверсивные, допускающие сдвиг в обоих направлениях.

Наиболее широко распространены регистры сдвига на D -триггерах со статическим управлением (рис. 8.2). Такие регистры имеют один информационный вход, вход для так­товых импульсов (импульсов сдвига) и установочный вход. Выходы в регистре могут быть с каждого разряда для считывания информации одновременно со всех разрядов, т.е. параллельным кодом.

Рис. 8.2. Регистр сдвига:

а – функциональная схе­ма;

б – условное обозначение

Запись осуществляется поразрядно со стороны старшего или младшего разряда. Для записи N- разрядного слова необходимы N импульсов сдвига. С помощью регистра сдвига можно осуществлять преобразование информации из последовательной формы представления в параллельную, а если предусмотрена запись информации параллельным кодом, то можно преобразовать информацию из параллельной формы представления в последовательную.

Цифровым счётчиком импульсов называют цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в за­данном коде и может храниться требуемое время.

Счетчики строят на Т -триггерах и JK -триггерах с применением при необходимости логических элементов в цепях межразрядных связей. Количество триггеров N должно быть таким, чтобы множе­ство внутренних состояний счетчика 2^N было не меньше максимального числа импульсов, которое должно быть зафиксировано. С приходом очередного счетного импульса изменяется состояние счетчика, которое в заданном коде отображает результат счета.

Считывание результата параллельным N -разрядным кодом может быть произведено после каждого счетного импульса. Если ко­личество счетных импульсов не ограничивать, то счетчик будет работать в режиме деления их числа на коэффициент (модуль) счета К_СЧ, равный 2^N. Через каждые 2^N импульсов он будет возвращать­ся в начальное состояние и снова считать импульсы. Эта операция часто называется пересчетом, а счетчики, ее осуществляющие, пере­счетными устрой­ствами, либо делителями, либо счетчиками-дели­телями.

Если необходимый коэффициент счета не равен 2^N, применяют различные способы сокращения числа внутренних состояний счетчи­ка. Для построения счетчика применяются не только триггеры со счетным входом, но и D -триггеры, и JK -триггеры двухступенча­той структуры или с динамическим управлением.

Счетчики можно классифицировать по ряду признаков. По на­правлению счета их делят на суммирующие (с прямым счетом), вычитающие (с обратным счетом) и реверсивные. В суммирующих счетчиках с приходом очередного счетного импульса результат уве­личивается на единицу, а в вычитающих – уменьшается на единицу. Реверсивными называются счетчики, которые могут работать как в режиме суммирующего счетчика, так и в режиме вычитающего.

По способу организации переноса различают счетчики с по­следовательным, параллельным и комбинированным (параллельно-последовательным) переносом.

Порядок смены состояний суммирующего счетчика показан в табл. 8.1. В качестве исходного принято состояние, определяемое нулевым уровнем на выходах всех триггеров, т.е. Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0. С приходом очередного счетного импульса к содержимому счетчика прибавляется единица.

Из таблицы 8.1 также следует, что триггер первого, самого младшего разряда, на который поступают входные сигналы, должен менять свое состояние каждый раз с при­ходом очередного счетного импульса, а триггер каждого последую­щего разряда – вдвое реже триггера предыдущего разряда.

Описанные порядок смены состояний счетчика и характер про­цесса их установления могут быть реализованы, если счетчик будет построен на последовательно соединен­ных Т -триггерах (рис. 8.3). Каждый по­следую­щий разряд при этом будет переключаться сигналом пере­носа, формируемым на выходе предыдущего разряда. Счетчики, построенные таким образом, получили название счетчиков с последо­вательным переносом.

Таблица 8.1

Рис. 8.3. Счетчик с последовательным переносом:

а – функциональная схе­ма;

б – условное обозна­чение;

в – временные диаграммы

Широко применяют триг­геры с прямым динамическим входом, которые для опрокидывания требуют перепада уровня от 0 к 1. При использовании таких триггеров для построения сумми­рующего счетчика с последо­вательным переносом необходимо вход каждого после­дующего триггера соеди­нять с ин­версным вы­хо­дом предыдущего. При­мер такого счетчика на Т -триг­герах, по­лученных из D -триг­геров с динами­че­ским управлением, приве­ден на рис. 8.4.

Вычитающий счетчик с последовательным переносом имеет об­ратный порядок смены состояний: с приходом очередного счетного импульса содержащееся в счетчике число уменьшается на единицу.

Рис. 8.4. Счетчик на D –триг­герах с динами­ческим управ­лением:

а – функциональная схе­ма;

б – условное обозна­чение

Счетчики-делители предназначены для деления числа или ча­стоты повторения импульсов на заданный коэффициент К_СЧ . Обыч­но требуемый коэффициент меньше числа состояний счетчика 2^N, что обусловливает необходимость исключения «лишних» состояний. Например, для построения счетчика-делителя с К_СЧ = 10 необходим четырехразрядный счетчик, число состояний которого следует умень­шить с 16 до 10 исключением шести лишних.

Счетчик-делитель может быть реализован и на D -триггерах. Однако функцио­нальная схема получается более сложной из-за большого числа дополнительных логических элементов. Поэтому для таких делителей предпочтительнее JK -триггеры с входной логикой.

Широкое применение на практике находят делители, построен­ные на основе счетчиков с последовательным переносом, в схему которых вводится обратная связь для исключения лишних состояний. Такой счетчик работает в режиме суммирова­ния или вычитания до некоторого состояния, задаваемого коэффициентом счета К_СЧ. Это состояние дешифрируется устройством, на выходе которого формируется сигнал сброса счетчика в исходное нулевое состояние. Сигнал сброса по цепи обратной связи поступает на R -входы всех триггеров одновременно, благодаря чему они устанавливаются в нуль.

На рис. 8.5 приведен счетчик-делитель на JK -триггерах с К_СЧ= 10.

Рис. 8.5. Счетчик-делитель на 10 с устройством сброса

Дешифратором служит логический элемент И. Поскольку из-за наличия на его входе состязаний сигналов возможны сбои в работе счетчика, то к нему добавляется RS -триггер Т ₅, который, переключившись, сохраняет на выходе единичный уровень до прихода следующего счетного импульса, возвращаю­щего триггер в нулевое состояние, чем обеспечивается функциональная надежность счетчика. При достижении в счетчике дешифрируемой комбинации 1010, благодаря тому, что входы логического элемента И соединены с выходами второго и четвертого разрядов счетчика, происходит воздействие на RS -триггер, который формирует сигнал сброса и схема возвращается в исходное состояние.

Функциональные возможности регистров и счетчиков широко используются в различных цифровых устройствах. На основе счетчиков могут быть составлены схемы для временного распределения тактовых импульсов, каким, например, является кольцевой регистр (рис. 8.6).

Рис. 8.6

Временные диаграммы распре­делителя импульсов на кольцевом регистре представлены на рис. 8.7. В таком кольцевом регистре с каждым очередным тактовым импульсом единица, предварительно записан­ная в первый триггер T₁, передвигается в соседний триггер и т. д. Число вы­ходов распределителя, соответственно, равно числу триггеров в регистре.

Рис. 8.7. Временные диаграммы распределителя импульсов на кольцевом регистре