Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Лабораторная работа №5

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ

СЕВЕРНЫЙ АДМИНИМТРАТИВНЫЙ ОКРУГ

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №5

 

Исследование регистров

 

1. Цель работы

Целью работы является изучение принципов работы параллельного и сдвигового регистров.

 

2. Краткие теоретические сведения

 

Регистры

 

Наиболее распространенным узлом цифровой техники и устройств автоматики являются регистры. Регистры строятся на базе синхронных одно- и двухступенчатых RS и D-триггеров. Регистры могут быть реализованы также на базе JK -триггеров. По способу приема и выдачи информации регистры делятся на следующие группы (см. рисунок 5.1): с параллельным приемом и выдачей (а); с последовательным приемом и выдачей (б); с последовательным приемом и параллельной выдачей (в); с параллельным приемом и последовательной выдачей (г); комбинированные, с различными способами приема и выдачи (д) и реверсивные.

Рисунок 5.1 Функциональные схемы основных типов регистров

 

Регистры хранения (памяти). Регистры с параллельным приемом и выдачей информации служат для хранения информации и называются регистрами памяти или хранения. Изменение хранящейся информации в регистре памяти (запись новой информации) осуществляется после установки на входах D0 . . . Dm новой цифровой комбинации (информации) при поступлении определенного уровня или фронта синхросигнала (синхроимпульса) С на вход “С” регистра. Количество разрядов записываемой цифровой информации определяется разрядностью регистра, а разрядность регистра, в свою очередь, определяется количеством триггеров, образующих этот регистр. В качестве разрядных триггеров регистра памяти используются синхронизируемые уровнем или фронтом триггеры. Регистры памяти могут быть реализованы на D-триггерах, если информация поступает на входы регистра в виде однофазных сигналов и на RS-триггерах, если информация поступает в виде парафазных сигналов. В некоторых случаях регистры могут иметь вход для установки выходов в состояние “0”. Этот асинхронный вход называют входом R “сброса” триггеров регистра. На рисунке 5.2 приведены схемы четырехразрядных регистров памяти на D- и RS-триггерах, синхронизируемых уровнем и фронтом синхроимпульсов.

 


Рисунок 5.2. Регистры хранения, на D – триггерах, синхронизируемых уровнем

синроимпульса (а), фронтом (б) и на RS – триггерах,

синхронизируемых фронтом (в)

 

Регистры сдвига. Регистры с последовательным приемом или выдачей информации называются сдвиговыми регистрами или регистрами сдвига. Регистры сдвига могут выполнять функции хранения и преобразования информации. Они могут быть использованы для построения умножителей и делителей чисел двоичной системы счисления, т.к. сдвиг двоичного числа влево на один разряд соответствует умножению его на два, а сдвиг вправо - делению на два. Регистры сдвига широко используются для выполнения различных временных преобразований цифровой информации: последовательное накопление последовательной цифровой информации с последующей одновременной выдачей (преобразование последовательной цифровой информации в параллельный код) или одновременный прием (параллельный прием) информации с последующей последовательной выдачей (преобразование параллельного кода в последовательный). Регистры сдвига могут служить также в качестве элементов задержки сигнала, представленного в цифровой форме. Действительно, регистры с последовательным приемом (вводом) и выводом осуществляют задержку передачи информации на m+1 тактов (m+1 - число разрядов регистра) машинного времени. Регистры сдвига обычно реализуются на D-триггерах (см. рисунок 5.3 под литерой а) или на RS-триггерах под литерой б), где для ввода информации в первый разряд включается инвертор (первый разряд представляет собой D-триггер).

 

 



Рисунок 5.3 Регистры сдвига на D-триггерах а), RS-триггерах б),

комбинированный регистр на D- триггерах

 

Следует отметить, что все регистры сдвига строятся на базе двухступенчатых триггеров или синхронизируемых фронтом синхроимпульса. Разрядность регистров сдвига, как и у регистров хранения, определяется количеством триггеров, входящих в их состав. На рисунке 5.3 приведены схемы четырехразрядных регистров сдвига, реализованных на D- и RS-триггерах, а временные диаграммы, поясняющие работу регистра сдвига, приведены на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 Временная диаграмма работы сдвигового регистра

 

Вывод параллельной информации из регистра сдвига (смотрите рисунок 5.3 (в) осуществляется при подключении всех триггеров регистра к отдельным выводам (см. рис. 5.3 (а) и 5.3 (б) эти выводы показаны штриховыми линиями). Как было сказано выше, регистры сдвига синхронизируются фронтом тактирующих импульсов, т.е. запись новой информации в триггеры регистра происходит в течение очень короткого времени - за время длительности фронта синхроимпульса, вернее в момент поступления соответствующего фронта синхроимпульса. Обычно, это “время” значительно меньше времени распространения сигнала, т.е. времени переключения триггера регистра в новое состояние. Работу регистра сдвига рассмотрим на примере схемы, приведенной на рисунке 5.3 (а).

Можно предположить, что в начале все триггеры регистра находятся в состоянии логического нуля, т.е. Q0=0, Q1=0, Q2=0, Q3=0. Если на входе D-триггера Т1 имеет место логический 0, то поступление синхроимпульсов на входы “С” триггеров не меняет их состояния.

Как следует из рисунков 5.3 (а) и 5.4, синхроимпульсы поступают на соответствующие входы всех триггеров регистра одновременно и записывают в них то, что имеет место на их информационных входах. На информационных входах триггеров Т2, Т3, Т4 - уровни логического “0”, т.к. информационные входы последующих триггеров соединены с выходами предыдущих триггеров, находящихся в состоянии логического “0”, а на вход “D” первого триггера, по условию примера, подается “0” из внешнего источника информации. При подаче на вход “D” первого триггера “1”, с приходом первого синхроимпульса, в этот триггер запишется “1”, а в остальные триггеры - “0”, т.к. к моменту поступления фронта синхроимпульса на выходе триггера Т1 “ещё” присутствовал логический “0”. Таким образом, в триггер Т1 записывается та информация (тот бит), которая была на его входе “D” в момент поступления фронта синхроимпульса и т.д.

При поступлении второго синхроимпульса логическая “1” , с выхода первого триггера, запишется во второй триггер, и в результате происходит сдвиг первоначально записанной “1” с триггера Т1 в триггер Т2, из триггера Т2 в триггер Т3 и т.д. Таким образом, производится последовательный сдвиг поступающей на вход регистра информации (в последовательном коде) на один разряд вправо в каждом такте синхроимпульсов.

После поступления m синхроимпульсов (на рисунках m=4) регистр оказывается полностью заполненным разрядами числа, вводимого через последовательный ввод “D”. В течение следующих четырех синхроимпульсов производится последовательный поразрядный вывод из регистра записанного числа, после чего регистр оказывается полностью очищенным (регистр окажется полностью очищенным только при условии подачи на его вход уровня “0” в режиме вывода записанного числа).

 

3. Задание для самостоятельного выполнения

Внимание!

При выполнении практикума в лабораторном классе:

Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и приборами как с электрическими установками! Сетевое питание на стенд и питание на тестируемые схемы подавайте только после полного монтажа схемы и проверки монтажа преподавателем!

 

3.1. Практическое исследование параллельного регистра.

На рисунке 5.5 изображена функциональная схема подключения регистра с параллельным входом и параллельным выходом. Регистр с подобной организацией доступа к данным часто называют параллельным регистром.

Модуль «single_pulse» предназначен для формирования одиночного импульса длительностью в один период тактовой частоты при нажатии на кнопку SA1.

С помощью переключателей SA5 задайте значение на входе регистра. Зафиксируйте значение кнопкой SA1. Контролируйте по свечению светодиодов HL1-HL4 истинность фиксированного значения на выходе регистра.

Заполните таблицу, состоящую из записанных и считанных из регистра значений.

 

3.2. Практическое исследование последовательно-параллельного регистра.

Исследуйте работу последовательно-параллельного регистра. Для этого сконфигурируйте ПЛИС в соответствии с функциональной схемой представленной на рисунке 5.6.

Последовательно-параллельный регистр обладает последовательным входом и параллельным выходом. Также в схеме активирован вход сброса регистра позволяющий перевести все триггера регистра в начальное состояние - «0». Для исключения эффекта «дребезга контактов» и формирования одиночного импульса длительностью в один период тактовой частоты служит дополнительный модуль «single_pulse».

Изменяя положение переключателя SA5 и производя сдвиг нажатием на кнопку SA1, заполните регистр необходимыми значениями. Полученные результаты оформите в таблице.

 

3.3. Практическое исследование параллельно-последовательного регистра.

Функциональная схема представленная на рисунке 5.7 предназначена для практического изучения работы параллельно-последовательного регистра. Сконфигурируйте ПЛИС согласно схеме.

Установите на параллельном информационном входе значение, используя массив микропереключателей SA5. С помощью кнопки SA2 зафиксируйте значение в регистре. Сдвиг осуществляется нажатием на кнопку SA1, при этом контролируйте выход светодиодом HL1. Полученные результаты оформите в таблице.

 

4. Контрольные вопросы

1. В чем заключается назначение регистров?

2. На какие основные типы делятся регистры?

3. Принцип работы параллельного регистра.

4. Принцип работы последовательно-параллельного регистра.

5. Принцип работы параллельно-последовательного регистра.


 

Рисунок 5.5 Функциональная схема подключения параллельного регистра


 

Рисунок 5.6 Функциональная схема подключения последовательно-паралельного регистра


 

Рисунок 5.7 Функциональная схема подключения параллельно-последовательного регистра