Файл: 1.8-к Послідовні цифрові пристрої.pdf

Тема 1.8 Послідовні цифрові пристрої. Тригери та регістри.

Мета: розглянути призначення та принципи роботи тригерів та регістрів.

Перелік питань для вивчення.

1.Визначення та призначення тригерів.

2.Класифікація тригерів.

3.Асинхронний RS-тригер (найпростіша комірка пам’яті).

4.Асинхронні та синхронні тригери. D-тригер.

5.T-тригер.

6.JK-тригер.

7.Призначення та будова регістрів.

8.Класифікація регістрів.

9.Паралельні регістри.

10.Послідовні регістри.

11.Паралельно-послідовний регістр.

12.Послідовно-паралельний регістр.

13.Універсальні регістри.

1. Визначення та призначення тригерів.

Тригер – це запам'ятовуючий елемент з двома стійкими станами, зміна яких відбувається під дією вхідних сигналів.

Як елемент комп'ютера, тригер призначений для зберігання одного біта інформації. Схема тригера забезпечує запис, читання, знищення та індикацію збереженої двійкової інформації. На основі тригерів будують типові функціональні вузли комп'ютерів – регістри, лічильники, накопичу-

вальні суматори, а також мікропрограмні автомати.

Усі різновиди тригерів являють собою елементарний автомат, який складається з елемента пам'яті (ЕП) та схеми керування (СхК), яка утворює вхідну логіку (рис. 1.8.1).

Рис. 1.8.1 Структура тригера у вигляді ЕП і СхК.

Стан тригера визначається сигналами на прямому Q та інверсному виходах.

Зміна стану тригера (його перемикання) забезпечується зовнішніми сигналами й сигналами зворотнього зв’язку на виході тригера, які поступають на входи СхК. Звичайно зовнішні сигнали, як і входи тригера, позначають латинськими буквами R, S, Т, С, V та іншими. В найпростіших схемах тригерів окрема СхК може бути відсутньою. Оскільки функціональні властивості тригерів визначаються їхньою СхК, то назви основних входів переносяться на всю схему тригера.

2. Класифікація тригерів.

За законами функціонування тригери поділяються на 4 основні типи:

1.RS-тригери;

2.D-тригери;

3.T-тригери;

4.JK-тригери.

За способом синхронізації тригери поділяються на 2 типи:

-асинхронні тригери;

-синхронні тригери.

3. Асинхронний RS-тригер (найпростіша комірка пам’яті).

Розглянемо схему з двох елементів «АБО-НЕ» зі зворотнім зв’язком (рис. 1.8.2).

Один з входів встановлює тригер в стан 1. Його називають S (від англ. set - встановити). Другий вхід скидає тригер в стан 0, його називають входом R (від англ. reset — скинути). Такий тригер називають RS-тригером.

Виконаємо аналіз функціонування RS-тригера на базі елементів АБО-НЕ за допомогою таблиці істинності (рис. 1.8.3) та пояснимо його роботу за допомогою діаграми (рис 1.8.4).

Після надходження сигналу 1 на вхід S тригер перемикається в стан 1, якщо він був у стані 0 або зберігає 1 на виході Q, якщо він вже знаходився в цьому стані.

Відповідно під дією сигналу 1 на вході R тригер перемикається в 0 або зберігає цей стан. Комбінація S=R=1 не змінює стан виходів тригера та являється забороненою.

Початковий стан тригера (відразу після включення та за відсутності сигналів 1 на входах S і R не визначений, він є випадковою величиною.

Рис. 1.8.2 RS-тригер на базі елементів «АБО-НЕ».

Рис. 1.8.3 Таблиця істинності RS-тригера.

Рис. 1.8.4 Часова діаграма роботи RS-тригера.

4. Асинхронні та синхронні тригери. D-тригер.

За способом запису інформації розрізняють асинхронні та синхронні тригери. Стан асинхронного тригера може змінитися в будь-який момент — тоді, коли прийде вхідний сигнал. У синхронному тригері стан може змінюватися тільки в певні моменти часу — тоді, коли поступає додатковий синхронізуючий сигнал. RS-тригep є асинхронним. На його базі може бути побудований синхрон-

ний D-тригер (рис. 1.8.5).

Сигнали, призначені для запису в тригер, поступають на інформаційний вхід D. Сигнали, що визначають момент запису, поступають на вхід С. Зміна стану статичного D-тригера можлива тільки протягом того часу, коли С = 1. Якщо ж на вхід С поступає сигнал 0, то зміна сигналу на виході тригера не відбувається, він зберігає попередній стан.

Рис. 1.8.5 Синхронний D-тригер.

Оскільки такий тригер затримує вихідний сигнал до приходу чергового синхроімпульсу, він отримав назву «D-тригер» (від англ. delay — затримка).

5. T-тригер.

Т-тригер (від англійського toggle - перекидатися) має тільки тактовий вхід Т і змінює свій стан на протилежний по фронту або зрізу кожного нового тактового імпульсу (рис. 1.8.6).

На рисунку 1.8.6 показані способи виконання Т-тригера на базі D- або RS-тригера, а також умовне позначення та часові діаграми Т-тригера. Кожного разу по фронту сигналу Т змінюється рівень напруги на виході Q.

Частота зміни напруги на виході Q Т-тригера в два рази менше частоти імпульсів на його тактовому вході. Ця властивість Т-тригера використовується при побудові двійкових лічильників, а

Т-тригер називають також лічильним тригером.

Рис. 1.8.6 Т-тригер і часові діаграми його роботи.

6. JK-тригер.

JK-тригер виконує найбільш універсальні функції (J – jerk - поштовх; K - kill - ліквідувати). Він будується на базі RS-тригера з динамічним тактовим входом (рис. 1.8.7), але, на відміну від нього, в JK-тригері усунено заборонений стан при J = K = 1. При збігу логічних одиниць на

інформаційних входах J і K він працює як лічильний (режим перемикання), тобто змінює свій стан на протилежний при кожному новому такті.

Логічна 1 на вході J встановлює тригер в стан одиниці (режим запису 1, установка), логічна 1

на вході K переводить тригер в стан логічного нуля (режим запису 0, скидання) за наявності такто-

вого імпульсу.

За наявності логічних нулів на входах J і K тактовий імпульс не змінює стан тригера (режим зберігання).

Рис. 1.8.7 JK-тригер.

7. Призначення та будова регістрів.

Регістри – це послідовні пристрої, призначені для зберігання та обробки багаторозрядних двійкових слів.

У регістрі можуть виконуватися наступні мікрооперації: прийом (запис) слова; передача слова в інший регістр; порозрядні логічні операції; зсув слова вліво або вправо на задане число розрядів; перетворення послідовного коду слова в паралельний і навпаки; установка регістра в початко-

вий стан (скидання). Крім того, регістр може здійснювати перетворення двійкового коду з прямого в зворотній (коли одиниці замінюються нулями, а нулі — одиницями), і навпаки.

Оскільки регістр призначений для зберігання двійкового числа (слова), то його основу складають запам'ятовуючі елементи — тригери. У кожному тригері повинна зберігатися цифра розряду числа.

Регістр є впорядкованою послідовністю (сукупністю) тригерів, число яких відповідає числу розрядів в слові.

8. Класифікація регістрів.

Регістри класифікуються за способами введення-виведення та вираження вхідної та вихідної інформації.

Залежно від способу введення та виведення розряду числа регістри бувають паралельні, по-

слідовні, паралельно-послідовні та послідовно-паралельні.

У паралельному регістрі введення або виведення слова здійснюється в паралельній формі — одночасно для всіх розрядів, в послідовному регістрі розряди числа вводяться та виводяться послідовно один за одним, в паралельно-послідовному регістрі введення числа здійснюється в паралельній формі, а виведення - в послідовній, в послідовно-паралельному - навпаки.

9. Паралельні регістри.

Паралельні регістри (рис. 1.8.8) використовуються для оперативного зберігання багаторозрядного слова, яке поступає на інформаційні входи Dі. У такому регістрі під дією сигналу синхронізації розряди вхідного слова заносяться та зберігаються у відповідних комірках. Зафіксоване в розрядах регістра слово може бути зчитане з його виходів.

Рис. 1.8.8 Умовно-графічне позначення паралельного регістра.

10.Послідовні регістри.

Упослідовному регістрі (регістрі зсуву) (рис 1.8.9) є один інформаційний вхід DI та один ви-

хід з останнього розряду Qп-1. Такий регістр містить п однорозрядних комірок, з’єднаних між собою.

Рис. 1.8.9 Умовно-графічне позначення послідовного регістра.

Під дією сигналу синхронізації дані, що послідовно поступають на інформаційний вхід DI, переміщуються по комірках регістра (рис. 1.8.10).

Рис. 1.8.10 Спрощена структура послідовного регістра.

Через п тактів біт, який прийшов першим, може бути зчитаним з виходу регістра. Потім на виході з'явиться другий біт, третій і т.д.

Якщо синхронізацію після заповнення розрядів регістра припинити, то послідовно занесене вхідне слово зберігатиметься в комірках регістра до відновлення подачі сигналів синхронізації.

11. Паралельно-послідовний регістр.

Паралельно-послідовний регістр (рис. 1.8.11) відрізняється від послідовного тим, що вхідне слово під дією спеціального сигналу РЕ (parallel enable) може бути одночасно завантажене в усі комірки регістра, а далі послідовно розряд за розрядом виведено через його вихід Qn-1. Такі регістри використовуються для перетворення паралельної форми вираження даних в послідовну.

Рис. 1.8.11 Умовно-графічне позначення паралельно-послідовного регістра.

12. Послідовно-паралельний регістр.

Послідовно-паралельний регістр (рис. 1.8.12) виконує зворотню процедуру. У нього є один інформаційний вхід і декілька виходів кожного з розрядів. Такий пристрій здійснює перетворення послідовної форми вираження інформації в паралельну.

Рис. 1.8.12 Умовно-графічне позначення послідовно-паралельного регістра.

13. Універсальні регістри.

Регістри, які можуть виконувати функції паралельно-послідовних та послідовно-паралельних

регістрів, відносяться до класу універсальних (рис. 1.8.13).

Рис. 1.8.13 Умовно-графічне позначення універсального регістра.

Їх внутрішня структура є комбінацією послідовного та паралельного регістрів. Зазвичай в таких регістрах реалізується додаткова функція примусового обнулення всіх комірок, яка виконується при подачі певного сигналу на вхід скидання R.

14. Регістри зсуву.

Регістр, який може здійснювати зсув числа, називається регістром зсуву. Регістр зсуву може бути однонаправленим (для зсуву числа в бік молодшого розряду — правий зсув, в бік старшого розряду - лівий зсув, а також реверсивним, таким, що забезпечує зсув в обидві сторони.

Напрям зсуву в реверсивному регістрі визначається відповідними сигналами керування. Для позначення таких регістрів під символом RG вводиться значок ↔.

Контрольні запитання.

1.Дайте визначення тригера.

2.Назвіть призначення тригера.

3.Які типові функціональні вузли комп'ютерів будують на основі тригерів?

4.Поясніть принцип роботи тригера за допомогою структурної схеми.

5.Яким чином визначається стан тригера?

6.Яким чином відбувається зміна стану тригера?

7.Яким чином класифікують тригери за законами функціонування?

8.Яким чином класифікують тригери за способом синхронізації?

9.Поясніть роботу асинхронного RS-тригера за допомогою функціональної схеми та таблиці істинності.

10.Поясніть роботу асинхронного RS-тригера за допомогою часової діаграми.

11.Поясніть загальні принципи роботи асинхронного тригера.

12.Поясніть загальні принципи роботи синхронного тригера.

13.Поясніть принцип роботи D-тригера.

14.Поясніть принцип роботи JK-тригера.

15.Дайте визначення регістра.

16.Які мікрооперації можуть виконуватися в регістрі?

17.Які елементи складають основу регістра?

18.Які бувають регістри залежно від способу введення та виведення розряду числа?

19.Поясніть принцип роботи паралельного регістра.

20.Поясніть принцип роботи послідовного регістра.

21.Поясніть принцип роботи паралельно-послідовного регістра.

22.Поясніть принцип роботи послідовно-паралельного регістра.

23.Поясніть принцип роботи універсальних регістрів.

24.Який регістр називають регістром зсуву?

25.Як класифікують регістри зсуву залежно від напряму зсуву числа?

26.Чим визначається напрям зсуву в реверсивному регістрі?

27.Як позначаються реверсивні регістри?

Література.

1.Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. — К,: "МК-Пресс", 2004. — 576 с, ил.

2.Келим Ю. М. Вычислительная техника: Учеб. пособие для студ. сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 384 с.

3.Шарапов А.В. Микроэлектроника: Учебное пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2007. — 158 с.

4.Лехин С. Н. Схемотехника ЭВМ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 672 е.: ил. — (Учебная литература для вузов).