ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.01.2021
Просмотров: 723
Скачиваний: 2
18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРОВ СЧЕТЧИКОВ И ДЕШИФРАТОРОВ
Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом работы простейших регистров, счетчиков, дешифраторов, способами ввода и вывода информации.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Регистры, счетчики и дешифраторы являются наиболее распространенными функциональными узлами в устройствах вычислительной техники. Их используют для ввода и вывода информации, выполнения над ней различных операций.
Каждый из этих узлов выполняет определенные функции. Узлы связаны между собой линиями связи, по которым передается цифровая информация. Передача информации осуществляется в виде кода, т.е. комбинации электрических сигналов. В современной вычислительной технике логические и арифметические операции выполняются в основном над числами, представленными в двоичном коде, в котором используются числа «0» и «1». Для представления одного разряда двоичного числа служит триггер, имеющий два устойчивых состояния, одно из которых принимается за «1», а другое за «0».
Передача цифровой информации по линиям связи может осуществляться в виде параллельного кода по нескольким каналам одновременно или в виде последовательной комбинации сигналов по одному каналу. В первом случае увеличивается быстродействие, во втором получается более экономичная схемная реализация.
Передача информации от одного устройства в другое может осуществляться синхронно с тактовыми импульсами, когда сигнал воздействует на элемент в строго определенный момент времени, а именно, в момент воздействия тактового импульса. Такие устройства называются синхронными. Если же выходной сигнал одного устройства непосредственно воздействует на следующий элемент, то такие устройства называются асинхронными.
Счетчики. Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосредственным цифровым представлением результата, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ.
В устройствах обработки информации измеряемый параметр (скорость, частота пульса, температура, давление, время и т.п.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.
По целевому назначению счетчики подразделяют на суммирующие, вычитающие и реверсивные.
Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т.е. для сложения. С приходом очередного счетного импульса на вход счетчика, его показание увеличивается на единицу.
Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т.е. для вычитания. Каждый счетный импульс, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.
Реверсивные счетчики предназначены для выполнения операции счета как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. они могут работать в режиме сложения и вычитания.
Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров. По способу передачи информации внутри счетчика, между триггерами, счетчики подразделяют на асинхронные и синхронные.
Счет числа поступающих импульсов производится с использованием двоичной системы счисления.
Основнми показателями счетчиков являются: модуль счета (коэффициент счета Ксч) и быстродействие.
Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Модуль счета двоичного счетчика находят из соотношения:
Ксч = 2 N,
где N – число разрядов счетчика.
Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотой f СЧ следования счетных импульсов и связанным с ним временем t УСТ. установки счетчика. Величина t УСТ. определяет максимальное время протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика с поступлением на вход очередного счетного импульса.
Рассмотрим два наиболее характерных схемотехнических варианта счетчиков на счетных Т- триггерах с внутренней задержкой.
Двоичный счетчик с последовательным переносом (асинхронный). На рис.1 показана схема четырехразрядного счетчика с последовательным переносом. Он имеет один вход, на который поступают счетные импульсы и вход установки нуля. Триггеры соединены последовательно, так что каждый последующий разряд срабатывает после того, как переключился предыдущий. Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис.2, и таблица состояний счетчика (рис.3).
Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q 1 = Q 2 = Q 3 = Q 4 = 0) подачей импульса на вход «Установка нуля». При поступлении первого счетного импульса первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания действия входного импульса переходит в состояние Q 1 = 1. В счетчик записывается число 1 с кодом (0001). Уровень 1 с выхода Q 1 воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению. По окончании второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «0», а второй разряд переключается в состояние «1». В счетчике записывается число 2 с кодом 0010. Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом последующих импульсов. По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а 16-й импульс переключает первый разряд счетчика в состояние «0». Уровень Q 1=1 переводит второй разряд счетчика в состояние Q2= 0, что в свою очередь вызывает Q 3= 0, а затем и Q 4 = 0, т.е. счетчик переходит в исходное состояние.
Если на счетный вход каждого последующего триггера счетчика подать сигнал с инвертирующего выхода предыдущего триггера, то счетчик будет осуществлять операцию вычитания, т.е. будет вычитающим.
Счетчик с параллельным переносом (синхронный) (рис.4).
Счетчик с параллельным переносом характеризуется большим быстродействием, поскольку счетные импульсы воздействуют одновременно на все триггеры. Условие переключения определяет логический элемент И, включенный на входе V (тактовый вход) каждого разряда счетчика. На выходе этого элемента формируется разрешающий переключение сигнал, если предыдущие разряды имеют состояние логической «1». Таким образом, с поступлением каждого счетного импульса переключаются те триггеры, которым предшествуют разряды с состоянием логической «1» на выходах. При выполнении счетчика формируется сигнал переноса CR в старший разряд. Наличие выхода сигнала переноса позволяет объединять между собой группы четырехразрядных счетчиков путем соединения выхода переноса одной группы со счетным входом другой (т.е. наращивать разрядность).
Делитель частоты в процессе работы двоичного счетчика частоты следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой входных импульсов (рис.2). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты. При этом входная f вх и выходная f вых частоты счетчика связаны соотношением f вых = f вх / Ксч.
Счетчики с Ксч 2 N . В рассмотренных двоичных счетчиках Ксч связан с числом разрядов N зависимостью Ксч = 2 N и может быть равен 2,4,8,1 и т.д. Однако на практике часто возникает необходимость в счетчиках с коэффициентом счета Ксч = 3,10 и т.д.
Такие счетчики выполняются на основе двоичных счетчиков. Общий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с Ксч = 2 N соответствующего числа “избыточных” состояний. Число избыточных (запрещенных) состояний S определяется разностью:
S = 2 N – Ксч,
где 2 N – количество состояний двоичного счетчика,
Ксч – требуемый коэффициент счета.
Способы построения счетчиков с коэффициентом счета Ксч 2 N достаточно разнообразны. Наибольшее распространение получил способ принудительной установки в состояние «0» всех разрядов двоичного счетчика (счетчики с естественным порядком счета). В них порядок счета такой же, как и в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения дополнительных связей счет заканчивается раньше значения 2 N. Так, у счетчика с Ксч = 10 переход разрядов в состояние «0» будет происходить с приходом не 16-го, а 10-го счетного импульса («система 16-6»). Счетчики с Ксч = 10 называют десятичными или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа импульсов с последующим отображением результата. Десятичные счетчики часто включают последовательно (рис.5). Последовательное соединение двух схем десятичного счета дает перерасчет на 100, трех – на 1000 и т.д. Первая декада производит счет единиц входных импульсов от 0 до 9. Десятый импульс устанавливает разряды первой декады в состояние «0», а формируемый ею на выходе импульс записывает «1» во вторую декаду, что соответствует числу 10. Вторая декада считает десятки (от 10 до 99), третья - сотни (от 100 до 999) и т.д.
Если в пределах всех декад счет ведется в двоичной системе счисления, то, например, числу 978 будет отвечать код 1001 0111 1000, характеризующий двоично-десятичную систему счисления всего счетного устройства.
Регистры. Регистры предназначены для записи и хранения кода. Некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например, из последовательной формы представления в параллельную и обратно, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону старшего или младшего разряда, инвертировать код.
В зависимости от способа записи информации (код числа) различают параллельные, последовательные, параллельно-последовательные регистры. По назначению регистры разделяют на регистры хранения и сдвига.
Параллельные регистры (регистры хранения). В параллельных регистрах запись двоичного числа осуществляется параллельным кодом, т.е. во все разряды регистра одновременно.
Их функция сводится только к приему, хранению и передаче информации (двоичного числа). В связи с этим параллельные регистры также называют регистрами хранения.
Принцип построения параллельных регистров иллюстрируется их структурной схемой (рис.6) для четырехразрядной цифровой информации. Обозначения на рисунке: Т1 – триггер младшего разряда; Т4 – триггер старшего разряда; Э1 – Э4 – элементы предназначенные для управления записью информации в регистр; Э5 – Э8 – элементы, служащие для управления считыванием информации из регистра.
Перед записью двоичного числа все триггеры устанавливают в состояние «0» подачей импульса по входу «Установка нуля». Для записи в регистр входной информации подают импульс записи, открывающий входные элементы И.
Код входного числа записывается в регистр. Например, на входе присутствует код 1011, что соответствует числу 11, то это же число будет записано в регистр. По окончании операции записи информация, записанная в регистр, сохраняется, несмотря на то, что входная информация (число) может изменяться.
Для считывания информации подают импульс по входу «Считывание». На выходные шины регистра подается код числа, записанного в регистре. При этом число, записанное в регистр, сохраняется. При построении регистров этого типа наибольшее распространение получили D- триггеры.
Последовательные регистры (регистры сдвига). Регистры сдвига характеризуются записью числа последовательным кодом. Регистр состоит из последовательно соединенных двоичных ячеек памяти, состояние которых передается (сдвигается) на последующие ячейки под действием тактовых импульсов.
Регистры сдвига выполняют по структурной схеме рис.7, показанной для четырех разрядов. Первая ячейка относится к его младшему разряду, а четвертая – к старшему. При таком расположении разрядов, запись числа в регистр производится с его старшего разряда. При обратном расположении разрядов в регистре, запись числа должна начинаться с его младшего разряда.
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.8 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 отсутствии сигнала на входе подается серия тактовых импульсов с числом, равным количеству разрядов в регистре. При записи 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 состояние, соответствующее 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 может выполнять операцию считывания 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 (n) разрядов. Операции сдвига соответствуют умножению числа на «2» Например, сдвиг кода 0010 числа 2 на один разряд дает код 0100 (число 4), на два разряда - код 1000 (число 8).
Для реализации ячеек используются триггеры с внутренней задержкой (R- S t - , J- K t - , D t – триггеры).
Параллельно – последовательные и реверсивные регистры.
В параллельно-последовательных регистрах сочетаются свойства регистров параллельного и последовательного действия. Они позволяют осуществлять запись информации как в последовательном, так и в параллельном коде, в связи с чем могут быть использованы для преобразования кодов из последовательного в параллельный и обратно. На рис. 9 приведена структурная схема параллельно-последовательного регистра. Для преобразования последовательного кода в параллельный серией тактовых импульсов, в регистр записывается информация (число) последовательного кода. Выходы разрядов регистра при этом представляют ту же информацию в параллельном коде. Для обратного преобразования информации в регистр вводится по входам параллельного кода.
Реверсивные регистры предназначены для осуществления сдвига кода числа в сторону как старшего, так и младшего разрядов. Регистр содержит связи последовательной передачи информации в направлении от младших разрядов к старшим и наоборот. Прямой или обратный сдвиг кода осуществляют управляющим сигналом, вводящим в действие либо прямую, либо обратную связи между разрядами.