Применение регистров сдвига. Регистры сдвига
В прошлый раз был рассмотрен вариант увеличения выходов микроконтроллера при помощи микросхемы – дешифратора , сегодня рассмотрим более продвинутый вариант на сдвиговом регистре 74HC595. Использовав всего одну микросхему можно заиметь в свое распоряжение дополнительно 8 выходов, использовав всего 3 ноги микроконтроллера. А благодаря возможности расширения, добавив вторую микросхему, количество выходов можно увеличить до 16. Если мало, можно добавить третью и получить в пользование уже 24 выхода и такой трюк можно повторять сколько угодно раз. При этом количество занимаемых ног микроконтроллера так и останется 3, красота!
Итак, рассмотрим более подробно назначение выводов микросхемы и научимся управлять сдвиговым регистром 74hc595 в Bascom-AVR.
Для начала ознакомимся с выводами микросхемы, а точнее с их функциональностью. Ниже представлена вырезка из даташита на 74hc595 с обозначением выводов микросхемы:
- Q0…Q7 – выходы которыми будем управлять. Могут находится в трёх состояниях: логическая единица, логический ноль и высокоомное Hi-Z состояние
- GND – земля
- Q7′ – выход предназначенный для последовательного соединения регистров.
- MR – сброс регистра.
- SH_CP – вход для тактовых импульсов
- ST_CP – вход «защёлкивающий» данные
- OE – вход переводящий выходы из HI-Z в рабочее состояние
- DS – вход данных
- VCC
– питание 5 вольт
Логика работы с регистром
Когда на тактовом входе SH_CP появляется логическая единица, бит находящийся на входе данных DS считывается и записывается в сдвиговый регистр. Этот бит записывается в самый младший разряд. При поступлении на тактовый вход следующего импульса высокого уровня, в сдвиговый регистр записывается следующий бит со входа данных. А тот бит который был записан ранее сдвигается на один разряд влево, а его место занимает вновь пришедший бит. Следующий тактовый импульс запишет третий бит, а два предыдущих сдвинутся дальше. Когда все восемь бит заполнились и приходит девятый тактовый импульс то регистр снова начинает заполнятся с младшего разряда и всё повторятся вновь. Что бы данные появились на выходах Q0…Q7 нужно их «защёлкнуть». Для этого необходимо подать логическую единицу на вход ST_CP .
- MR
осуществляет сброс регистра, устанавливая все выходы Q0…Q7
в состояние логического нуля. Для осуществления сброса нужно подать логический ноль на этот вход и подать положительный импульс на вход ST_CP
. Очень полезная функция, так как при подаче питания на микросхему на выходе появляется некое произвольное значение. При работе с регистром на этом выводе должна находится логическая единица.
- OE (output enable) если подать сюда логическую 1, то выходы будут находится в высокоомном HI-Z состоянии. Когда подаем на этот вход логический 0, выходы будут находится в рабочем состоянии.
- Q7′
предназначен для последовательного соединения сдвиговых регистров.
Но лучше один раз увидеть, чем два раза прочитать =) поэтому смотрим на анимацию:
Работа с регистром в лоб
Осваивая работу с незнакомой микросхемой часто бывает полезна работа в лоб, тоесть прямое дергание ногами управления, это позволяет лучше понять принципы работы с подопытным. Итак следуя логике работы, написал программу которая должна будет вывести на выход регистра бинарное число 10010010
$regfile
=
"attiny2313.dat"
$crystal
=
1000000
Config
Portb
=
Output
Sh_cp
Alias
Portb
.
3
"нога для тактовых импульсов
Ds
Alias
Portb
.
2
"нога для вывода данных
St_cp
Alias
Portb
.
0
"нога для "защелкивания" данных в регистр хранения
"вывод через регистр числа 146 (в бинарном представлении 10010010)
St_cp
=
0
"выставляем ногу в режим записи данных
Ds
=
1
"выставляем первый бит
Sh_cp
=
0
"даем импульс на тактовый выход
Sh_cp
=
1
Ds
=
0
"выставляем второй бит
Sh_cp
=
0
Sh_cp
=
1
Ds
=
0
"выставляем третий бит
Sh_cp
=
0
Sh_cp
=
1
Ds
=
1
"выставляем четвертый бит
Sh_cp
=
0
Sh_cp
=
1
Ds
=
0
"выставляем пятый бит
Sh_cp
=
0
Sh_cp
=
1
Ds
=
0
"выставляем шестой бит
Sh_cp
=
0
Sh_cp
=
1
Ds
=
1
"выставляем седьмой бит
Sh_cp
=
0
Sh_cp
=
1
Ds
=
0
"выставляем восьмой бит
Sh_cp
=
0
Sh_cp
=
1
St_cp
=
1
"защелкиваем введенные данные
End
компилируем, зашиваем в микроконтроллер или смотрим в симулятор и видим на выходе нашу комбинацию.
Работает, на выходе регистра появилось отправленное число!
Работа с регистром таким образом хоть и возможна но слишком громоздка и занимает много программной памяти. Но зато наглядно демонстрирует всю методику работы с данной микросхемой. Рассмотрим более подходящий метод.
Управление регистром 74HC595 в Bascom через команду ShiftOut
В Bascom-AVR для работы со всевозможными последовательными интерфейсами есть замечательная команда SHIFTOUT
Эта команда сама разложит число на битовые составляющие и последовательно выведет их на любой пин микроконтроллера, заодно она может выдавать тактовые импульсы. Для работы со сдвиговыми регистрами самое то! Синтаксис команды:
SHIFTOUT Datapin , Clockpin , var , option
Datapin – порт микроконтроллера для вывода данных
Clockpin – порт микроконтроллера для вывода тактовых импульсов
Var – данные которые хотим отправить в регистр
Option – число от 0 до 3, этим параметром выбирается в каком порядке будут вводиться данные в регистр и активный уровень на линии Clock при котором происходит запись бита:
option=0 – старший бит идет первым,
Clock
активный уровень низкий
option=1 –
старший бит идет первым
, Clock
активный уровень высокий
option=2 –
младший бит идет первым
, Clock
активный уровень низкий
option=3 –
младший бит идет первым
, Clock
активный уровень высокий
В нашем случае для работы с регистром 74HC595 параметр option нужно ставить 1 или 3.
Для того чтобы защелкнуть данные в регистре, применим команду PulseOut . Эта команда выводит импульс на ногу микроконтроллера с заданной длительностью. Конфигурация команды выглядит следующим образом:
Теперь давайте выведем число 10010001 (145 в десятичной системе) на выход регистра, подключенному к микроконтроллеру по вышеприведенной схеме:
$regfile
=
"attiny2313.dat"
$crystal
=
1000000
Dim
A
As
Byte
Config
Portb
=
Output
A
=
145
Gosub
Hc595
"уходим на подпрограмму отправки данных
End
Hc595
:
"подпрограмма отправки данных
Shiftout
Portb
.
2
,
Portb
.
3
,
A
,
1
"отправляем данные в регистр
Pulseout
Portb
,
0
,
5
"защелкиваем данные
Return
Прошив микроконтроллер можно увидеть аналогичную картину, на выходе сдвигового регистра выставлена отправленная комбинация битов.
Как видно управление сдвиговым регистром 74HC595 в Bascom состоит всего из двух строк кода, и не представляет никаких сложностей.
Увеличение разрядности
В связи с названием направления сдвига в сдвиговых регистрах часто возникает путаница. Сдвиг бывает двух видов: вправо (основной режим, который есть у всех сдвиговых регистров ) и влево (этот режим есть только у некоторых, реверсивных сдвиговых регистров ). Названия эти отражают внутреннюю структуру регистров сдвига (рис. 8.14) и перезапись сигналов последовательно по цепочке триггеров. При этом триггеры, вполне естественно, нумеруются слева направо, например, от 0 до 7 (или от 1 до 8) для 8-разрядных регистров. В результате сдвиг информации регистром вправо представляет собой сдвиг в сторону разрядов, имеющих большие номера, а сдвиг информации регистром влево - это сдвиг в сторону разрядов, имеющих меньшие номера.
Однако, как известно, в любом двоичном числе слева расположены старшие разряды, а справа - младшие разряды. Поэтому сдвиг двоичного числа вправо будет сдвигом в сторону младших разрядов, а сдвиг влево - сдвигом в сторону старших разрядов. Это противоречие, не чей-то злой умысел, просто так исторически сложилось, и об этом надо помнить разработчику цифровой аппаратуры.
Рис.
8.14.
В стандартные серии цифровых микросхем входит несколько типов сдвиговых регистров , отличающихся возможными режимами работы, режимами записи, чтения и сдвига, а также типом выходных каскадов (2С или 3С). Большинство регистров сдвига имеет восемь разрядов. На рис. 8.15 представлены для примера четыре типа микросхем регистров сдвига .
Регистр ИР8 - наиболее простой из регистров сдвига . Он представляет собой 8-разрядную линию задержки, то есть имеет только один информационный вход, на который подается последовательная сдвигаемая информация (точнее, два входа, объединенных по функции 2И), и восемь параллельных выходов. Сдвиг в сторону выходов со старшими номерами осуществляется по переднему фронту тактового сигнала С. Имеется также вход сброса –R, по нулевому сигналу на котором все выходы регистра сбрасываются в нуль. Таблица истинности регистра ИР8 приведена в табл. 8.5 .
Рис. 8.15.
| Входы | Выходы | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -R | C | D1 | D2 | Q0 | Q1 | Q7 | |
| 0 | X | X | X | 0 | 0 | 0 | |
| 1 | 0 | X | X | Не меняются | |||
| 1 | 1 | Х | Х | Не меняются | |||
| 1 | 0 1 | 1 | 1 | 1 | Q0 | Q6 | |
| 1 | 0 1 | 0 | Х | 0 | Q0 | Q6 | |
| 1 | 0 1 | Х | 0 | 0 | Q0 | Q6 | |
Регистр ИР9 выполняет функцию, обратную регистру ИР8. Если ИР8 преобразует входную последовательную информацию в выходную параллельную, то регистр ИР9 преобразует входную параллельную информацию в выходную последовательную. Однако суть сдвига не меняется, просто в ИР9 все внутренние триггеры имеют выведенные параллельные входы, и только один, последний триггер имеет выход (причем как прямой , так и инверсный). Запись входного кода в регистр производится по нулевому сигналу на входе -WR. Сдвиг осуществляется по положительному фронту на одном из двух тактовых входов С1 и С2, объединенных
Из этого руководства вы узнаете, как управлять 16 светодиодами используя всего 3 линии управления. Мы осуществим это путем последовательной передачи данных в сдвиговые регистры .
Микросхема 74HC595 содержит 8 битный регистр хранения и 8 битный сдвиговый регистр. Данные последовательно передаются в сдвиговый регистр, затем фиксируются в регистре хранения. К регистру хранения подключены 8 выходных линий. На картинке ниже показано расположение выводов микросхемы 74HC595.
Вывод 14 (DS) это вывод данных. В некоторых описаниях он обозначается как «SER».
Когда уровень на выводе 11 (SH_CP, иногда обозначается как SRCLK) переходит из низкого в высокий, значение на выводе DS сохраняется в сдвиговом регистре, при этом данные сдвигаются на один разряд, чтобы предоставить место для нового бита.
Пока на выводе 12 (ST_CP, иногда обозначается как RCLK) низкий уровень, данные записываются в регистр сдвига. Когда уровень переходит в высокий, данные из сдвигового регистра фиксируются в регистре хранения, из которого поступают на выводы Q0…Q7.
На представленной ниже временная диаграмме, показано, каким образом можно установить на выходах Q0…Q7 микросхемы значение 11000011, учитывая что изначально там было значение 00000000.
Ниже показана схема, которую мы соберем в несколько шагов.
Мы используем перфорированную макетную плату с контроллером Atmega8 , которую использовали во многих наших проектах. Добавим еще 2 пустых макетных платы и подведем к ним питание.
Установим микросхему регистра сдвига и подключим к ней питание +5 В и общий провод.
Теперь проведем 3 линии управления между микроконтроллером и регистром сдвига, для чего подсоединим:
- PC0 к DS
- PC1 к ST_CP
- PC2 к SH_CP
Этими линиями являются 3 синих провода на картинке ниже.
Затем подключим светодиоды и резисторы. Я использовал резисторы сопротивлением 510 Ом, но допустимы и другие номиналы.
Для демонстрации работы схемы я написал , которая выводит перемещающийся из стороны в сторону огонек на 8 светодиодах.
Все это конечно впечатляет, но разве я не говорил, что мы будем управлять 16 светодиодами? Чтобы сделать это, нам потребуется еще один сдвиговый регистр 74HC595, больше светодиодов, больше резисторов и больше оранжевых и голубых проводов.
Мы используем вывод Q7, чтобы соединить регистры сдвига в одну цепочку.
Модифицированная схема показана ниже.
Мы остановились на 16 светодиодах, но можно соединить в одну цепочку еще больше регистров сдвига. Эта методика конечно не ограничивается управлением светодиодами, ее можно использовать для увеличения числа портов вывода, чтобы управлять другими видами устройств.
Одно предупреждение касательно этой методики. Когда вы включаете схему, на выходах регистров наблюдаются некоторое произвольное значение. Для того чтобы записать требуемое значение, требуется меньше микросекунды, но для некоторых схем это может стать причиной проблем. В этом случае вы должны использовать выводы MR и OE, для сброса регистров хранения.
Исполнение: SO16-150. Логика стандартная: Тип корпуса: SO16-150 Логическая ИС 74HC595D.118. Описание в формате PDF
- В програмке на 8 светодиодах есть ошибки... Исправьте, плиз...
- А вы знаете какие именно ошибки в программе. Или пробовали компилировать и получили ошибки при компиляции? Как таковых ошибок в программе нет, но есть один нюанс, который был задуман автором, с целью использовать данный пример на разных контроллерах. Всего навсего... Так же один момент - не указана тактовая частота в программе, но я не считаю что это ошибка, а даже наоборот, с этим параметром можно "поиграться" и увидеть результаты и изменения. Единственное, в тексте описания не говорится о том, что мега настроена на работу от внутреннего осциллятора. У меня скомпилировать получилось, все без ошибок (AVRStudio).
- Я компелировал в CodeVisionAVR. Ошибки в delay_ms это мелочи, компилятор не понимает _BV() и bit_is_set. Схему тестирую в протеусе. А как в АВРстудио писать на С++, там же вроде ассемблер...
- AVRStudio + компилятор WinAVR и пишем на Си в студии.
- Поставил WinAVR, не понимает delay.h Какая библиотека в аврстудио для паузы?
- Используем: include
и include - ../new.c:2:26: util/delay.h: No such file or directory:confused:
текст программы в АВРСтудио 4:
#include
#include #define DS_PORT PORTC #define DS_PIN 0 #define ST_CP_PORT PORTC #define ST_CP_PIN 1 #define SH_CP_PORT PORTC #define SH_CP_PIN 2 #define DS_low() DS_PORT&=~_BV(DS_PIN) #define DS_high() DS_PORT|=_BV(DS_PIN) #define ST_CP_low() ST_CP_PORT&=~_BV(ST_CP_PIN) #define ST_CP_high() ST_CP_PORT|=_BV(ST_CP_PIN) #define SH_CP_low() SH_CP_PORT&=~_BV(SH_CP_PIN) #define SH_CP_high() SH_CP_PORT|=_BV(SH_CP_PIN) //Define functions //====================== int i; void ioinit(void); void output_led_state(unsigned char __led_state); //====================== void ioinit (void) { DDRC = 0b00000111; //1 = output, 0 = input PORTC = 0b00000000; } void output_led_state(unsigned char __led_state) { SH_CP_low(); ST_CP_low(); for (i=0;i<8;i++) { if (bit_is_set(__led_state, i)) DS_high(); else DS_low(); SH_CP_high(); SH_CP_low(); } ST_CP_high(); } int main (void) { ioinit(); //Setup IO pins and defaults while(1) { for (i=7; i>0; i--) { output_led_state(_BV(i)); _delay_ms(100); } for (i=0; i<8; i++) { output_led_state(_BV(i)); _delay_ms(100); } } } Запускаю в протеусе. Один огонек горит =((( - Разобрался с регистром или проблемы остались (а то был занят, поэтому не отвечал). Если чего, выложи проект в протеусе, гляну.
1. Оглавление
2. Введение …………………………………………………………… 2
3. Обзор литературных источников ………………………………… 3
3.1. Общие сведения о регистрах ………………………………… 3
3.2. Общие сведения о триггерах …………………………….…... 6
3.3. Сдвигающие регистры ……………………………………….. 12
3.4. Универсальные регистры ……………………………………….. 20
4. Разработка схемы регистра сдвига ………………………………… 24
4.1. Исходные данные ……………………………………………… 24
4.2. Порядок разработки регистра сдвига …………………..……… 24
4.3. Разработка четырёхфазного регистра сдвига ……............……… 25
5. Вывод ……………………………………………………………. 27
6. Список используемой литературы …………………………………. 28
2. Введение
Регистры – самые распространённые узлы цифровых устройств. Они оперируют с множеством связанных переменных, составляющих слово. Над словами выполняется ряд операций: приём, выдача, хранение, сдвиг в разрядной сетке, поразрядные логические операции.
Сдвигающие (последовательные) регистры используются для сдвига n -разрядных чисел в одном направлении. Кроме того, их можно применять для сдвига нечисловой информации.
Регистры сдвига применяют в качестве запоминающих устройств, качестве преобразователей последовательного кода в параллельный, в качестве устройств задержки и счётчиков импульсов (правда, применение сдвигающих регистров в качестве счётчиков достаточно неэкономично).
3. Обзор литературных источников
3.1. Общие сведения о регистрах
Регистры состоят из разрядных схем, в которых имеются триггеры и, чаще всего, также и логические элементы. Действуют они как единое целое.
По количеству линий передачи переменных регистры делятся на однофазные и парафазные, по системе синхронизации на однотактные, двухтактные и многотактные. Однако главным классификационным признаком является способ приёма и выдачи данных. По этому признаку различают параллельные (статические) регистры, последовательные (сдвигающие) и параллельно-последовательные .
В параллельных регистрах приём и выдача слов производится по всем разрядам одновременно. В них хранятся слова, которые могут быть подвергнуты поразрядным логическим преобразованиям.
В последовательных регистрах слова принимаются и выдаются разряд за разрядом. Их называют сдвигающими, так как тактирующие сигналы при вводе и выводе слов перемещают их в разрядной сетке. Сдвигающий регистр может быть нереверсивным (с однонаправленным сдвигам) или реверсивным (с возможностью сдвига в обоих направлениях).
Последовательно-параллельные регистры имеют входы-выходы одновременно последовательного и параллельного типа. Имеются варианты с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO, Serial Input – Parallel Output), параллельным входом и последовательным выходом (PISO, Parallel Input – Serial Output), а также варианты с возможностью любого сочетания способов приёма и выдачи слов.
В параллельных (статических) регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса / установки, разрешение выхода или приёма, то есть цепи управления. Пример схемы статического регистра, построенного на триггерах D-типа с прямыми динамическими входами, имеющего входы сброса R и выходы с третьим состоянием, управляемые сигналом EZ, показан на рисунке 1 .
Рисунок 1. Схема статического регистра (а) и его условное графическое обозначение (б)
Для современной схемотехники характерно построение регистров на триггерах D-типа, преимущественно с динамическим управлением. Многие имеют выходы с третьим состоянием. Некоторые регистры относятся к числу буферных, то есть рассчитаны на работу с большими ёмкостными и / или низкоомными активными нагрузками. Это обеспечивает их работу непосредственно на магистраль (без дополнительных схем интерфейса).
Из статических регистров составляются блоки регистровой памяти – регистровые файлы.
Главные функции регистров:
1) Хранение информации,
2) Прием информации,
3) Выдача информации,
4) Сдвиг информации,
5) Преобразование кодов,
6) Установление в ноль или в единицу нужного числа,
7) Поразрядные логические операции: дизъюнкция, конъюнкция, сложение по модулю 2.
3.2. Общие сведения о триггерах
Триггеры – большой класс электрических устройств, позволяющих длительно находится в одном из двух (или более) устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов (в следствии регенеративного процесса (переходной процесс в электрической цепи, охваченной ПОС)).
Триггер – импульсное логическое устройство с памятью (элемент памяти – фиксатор).
Существует более десятка различных интегральных триггеров. В основу их классификации положены:
Функциональный признак,
Способ записи информации в триггер.
По функциональному признаку различают Т-триггеры, JK-триггеры, RS-триггеры, D-триггеры, комбинированные триггеры (TV, DV, E, R) и т.д.
По способу записи (приёма) информации различают:
8) Асинхронные триггеры:
а) с внутренней задержкой;
б) управляемые уровнем входного импульса;
9) Синхронные триггеры (тактируемые):
а) с внутренней задержкой;
б) управляемые уровнем тактирующего импульса:
Однотактного действия (одноступенчатые);
Многократного действия.
Запись информации в тактируемые триггеры осуществляется только при подаче разрешающего тактирующего импульса. Такие триггеры делят на управляемые уровнем (для срабатывания необходим определённый уровень сигнала) и управляемые фронтом (не зависят от уровня сигнала, важно его присутствие) тактирующего импульса. Тактирующие импульсы иногда ещё называют синхронизирующими, исполнительными, командными сигналами (на схемах обычно обозначают буквой С - Clock).
Динамический вход может быть прямым и инверсным. Прямое динамическое управление подразумевает разрешение на переключение при изменении тактового сигнала с нулевого значения на единичное (). Инверсное динамическое управление – изменение тактового сигнала с единичного на нулевой ().
Управление фронтом тактирующего импульса:
Управление спадом тактирующего импульса:
Управление верхним уровнем тактирующего импульса:
Управление нижним уровнем тактирующего импульса:
Тактируемые триггеры с внутренней задержкой (срабатывают по окончании действия сигнала) являются, как правило, однотактными. Многотактные триггеры срабатывают после n -ного импульса.
RS-триггер имеет два информационных входа: S (Set) и R (Reset). Одновременная подача сигналов S и R не допускается. На рисунке 2 изображен синхронный RS-триггер, срабатывающий по фронту тактирующего сигнала.
Рисунок 2. Синхронный RS-триггер
Кроме входов, простейший RS-триггер имеет и два выхода. Выходы обозначают Q и . Выход Q называют прямым, a - инверсным. Уровни напряжения на обоих выходах взаимно инверсны: если сигнал Q = 1, то = 0, либо если Q = 0, то = 1. Необходимо еще отметить, что состояние триггера, при котором Q = 1, a = 0, называют единичным. При нулевом состоянии триггера Q = 0 и = 1. С поступлением сигналов на входы триггера в зависимости от его состояния либо происходит переключение, либо исходное состояние сохраняется.
Рисунок 3. - триггер: его условное графическое обозначение и схема с двумя логическими элементами И-НЕ
На рисунке 3 показан простейший триггер – типа . Здесь использованы только два логических элемента И-НЕ. Назначение входов: -для установки триггера в единичное состояние и - для возвращения в нулевое состояние. Черточки над обозначениями входов показывают, что переключение триггера происходит, когда входное напряжение высокого уровня сменяется напряжением низкого уровня (рисунок 4 ). Нетрудно видеть, что когда на входы не поступают сигналы, триггер сохраняет свое состояние. Если, например, Q = 1 и = 0, то есть триггер в единичном состоянии, то, поскольку выход DD1 связан с одним из входов DD2, а выход DD2 - с одним из входов DD1, на двух входах DD2 действует напряжение
|
Рисунок 4. Временная диаграмма работы - триггера |
высокого, а на выходе - низкого ( = 0) уровня. В то же время на одном из входов DD1 напряжение низкого, а на выходе - высокого уровня. Если теперь на вход поступает сигнал с обозначенной полярностью (момент t1 , рисунок 4 ), состояние триггера не изменится, потому что поступление сигнала на второй вход DD1 временно изменит только сочетание сигналов на входах (до подачи сигнала оно было 1 и 0, а стало 0 и 0), но выходное состояние DD1 остается при этом неизменным. Если, однако, сигнал поступит на вход (момент t2 ), на обоих входах DD2 уже окажутся напряжения разного уровня, состояние логических элементов изменится и на выходе его будет напряжение высокого уровня. На обоих входах DD1 окажутся напряжения высокого уровня, а на выходе - низкого, то есть триггер "опрокинется" и перейдет в другое состояние: Q = 0 и = 1. |
Из сказанного следует, что смена состояния триггера происходит только при чередовании сигналов низкого уровня на входах и . При этом, если такие сигналы поступят на оба входа одновременно, то после их прекращения состояние триггера станет неопределенным (состояние Q = 0 или Q = 1 равновероятно). Поэтому одновременная подача сигналов низкого уровня на оба входа не разрешается.
Работа -триггера характеризуется таблицей состояний (индексы n и n+1 означают принадлежность сигнала моменту времени t n и следующему за ним t n+1 ):
| Неопределённое состояние |
|||
Не разрешается одновременная подача напряжения низкого уровня на оба входа -триггера.
Триггер типа RS, как и -триггер, "запоминает", на какой из двух входов (R или S) поступил последний сигнал: если на вход R, триггер находится в нулевом состоянии (Q = 0 и = 1), а если на вход S, то в единичном состоянии (Q = 1 и = 0).
Рисунок 5. RS- триггер: его условное графическое обозначение и схема с четырьмя логическими элементами И-НЕ
На рисунке 5 показана схема RS-триггера, выполненного на логических элементах И-НЕ. Она отличается от схемы -триггера тем, что к каждому входу добавлено по инвертору (DD3 и DD4), которые только обеспечивают необходимый уровень входных сигналов.
Изменение входных сигналов от низкого уровня до высокого приводит к смене состояния триггера (моменты t1, t2, t2 и t5 ; в момент t4 опрокидывания не происходит, так как триггер уже установлен в единичное состояние в предшествующий момент - t3, рисунок 6 ).
Рисунок 6. Временная диаграмма работы RS- триггера
Все сказанное относительно RS-триггера сохраняет силу и для -триггера. Единственное различие касается инверсии уровней входных сигналов (R вместо и S вместо ).
Работа RS-триггера характеризуется следующей таблицей состояний:
| Неопределённое состояние |
|||
3.3. Сдвигающие регистры
Триггерным регистром сдвига называют совокупность триггеров с определёнными связями между ними, при которых они действуют как единое устройство. Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собой цепочку разрядных схем, связанных цепями переноса.
В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо (рисунок 7 ) слово сдвигается при поступлении сигнала синхронизации. Вход и выход последовательные (DSR – Data Serial Right). На рисунке 8 показана схема регистра со сдвигом влево (вход данных DSL – Data Serial Left), а на рисунке 9 иллюстрируется принцип построения реверсивного регистра, в котором имеются связи триггеров с обоими соседними разрядами, но соответст-вующими сигналами разрешается работа только одних из этих связей (команды «влево» и «вправо» одновременно не подаются).
Рисунок 7. Схема право-сдвигающего регистра
Рисунок 8 . Схема лево-сдвигающего регистра
Рисунок 9 . Схема реверсивного регистра
Согласно требованиям синхронизации, в сдвигающих регистрах, не имеющих логических элементов в межразрядных связях, нельзя применять одноступенчатые триггеры, управляемые уровнем, поскольку некоторые триггеры могут за время действия разрешающего уровня синхросигнала переключится неоднократно, что недопустимо. В данных схемах следует применить триггеры с динамическим управлением (двухступенчатые).
Появление в межразрядных связях логических элементов и, тем более, логических схем неединичной глубины упрощает выполнение условий работоспособности регистров и расширяет спектр типов триггеров, пригодных для этих схем.
Многотактные сдвигающие регистры управляются несколькими синхропоследовательностями. Из их числа наиболее известны двухтактные с основным и дополнительным регистрами, построенными на простых одноступенчатых триггерах, управляемых уровнем. По такту С1 содержимое основного регистра переписывается в дополнительный, а по такту С2 возвращается в основной, но уже в соседние разряды, что соответствует сдвигу слова. По затратам оборудования и быстродействию этот вариант близок к однотактному регистру с двухступенчатыми триггерами.
В регистре сдвига присутствует набор триггеров с определёнными связями между ними и организация этих связей такова, что при подаче тактового импульса, общего для всех триггеров, выходное состояние каждого триггера сдвигается в соседний. В зависимости от организации связей этот сдвиг может происходить влево или вправо:
Сдвиг влево
Сдвиг вправо
Ввод информации в регистр может выполнятся различными способами, однако наиболее часто используют параллельный или последовательный ввод, при которых ввод двоичного числа осуществляется или одновременно во все разряды регистра, или последовательно во времени по отдельным разрядам. В счётчиках импульсов находят применение сдвигающие регистры с последовательным вводом и выводом информации и со сдвигом вправо. На рисунке 10 a приведена схема четырёхразрядного регистра сдвига, выполненного на RS-триггерах. В этой схеме каждый выход Q триггера соединён со входом S последующего разряда, а каждый выход - с входом R. Тактовые входы всех триггеров соединены вместе, и поступление сигнала синхронизации осуществляется одним общим импульсом через логический элемент И-НЕ (DD7). Состояние первого триггера определяется входными сигналами на входах Х1, Х2 логического элемента И-НЕ (DD5). На вход Х1 подаётся текущая информация, а на вход Х2 сигнал разрешения её передачи. Логический элемент НЕ используется (DD6) используется для инвертирования входного сигнала, подаваемого на вход S.
На рисунке 10 б приведены временные диаграммы выходных сигналов триггеров и состояния регистров при записи в первый разряд единичного сигнала. Если при поступлении первого тактового импульса на входах Х1 и Х2 установлены сигналы Х1 = Х2 = 1, которые затем снимаются к приходу второго тактового импульса, то в результате в первый триггер будет записан сигнал Q 1 = 1. С приходом второго тактового импульса в первый триггер будет записан сигнал Q 1 = 0, а на выходе второго триггера появится сигнал Q 2 = 1, который перед этим был на выходе второго триггера. При поступлении последующих тактовых импульсов единичный сигнал перемещается последовательно в третий и четвёртый триггеры, после чего все триггеры устанавливаются в нулевое состояние.
a)
| n |
Q 1 |
Q 2 |
Q 3 |
Q 4 |
Рисунок 10 . Схема четырёхфазного регистра сдвига (а), временные диаграммы его сигналов и состояния регистров при записи в первый разряд единичного сигнала (б)
Сдвиговые регистры также можно реализовать на D-триггерах ил JK-триггерах. Для всех регистров сдвига характерны следующие положения:
1) необходима предварительная установка исходного состояния и ввод единицы в первый триггер
2) для регистра из n триггеров после поступления n входных тактовых импульсов первоначально введённая единица выводится, вследствие чего прямые выходы всех регистров оказываются в нулевом состоянии.
Интегральные микросхемы регистров сдвига бывают реверсивными, то есть выполняющими сдвиг в любом направлении: влево или вправо. Направление сдвига определяется значением управляющего сигнала.
Рисунок 11. Реализация регистра сдвига на однотактных RS-триггерах
Последовательный регистр сдвига обладает двумя недостатками: он позволяет вводить только по одному биту информации на каждом тактовом импульсе и, кроме того, каждый раз при сдвиге информации в регистре вправо теряется крайний правый информационный бит. На рисунке 12 показана система, которая позволяет осуществлять одновременную параллельную загрузку 4 бит информации.
Рисунок 12. Структурная схема 4-разрядного параллельного регистра
Входы 1, 2, 3, 4 в этом устройстве являются информационными входами. Эту систему можно снабдить еще одной полезной характеристикой - возможностью кольцевого перемещения информации, когда данные с выхода устройства возвращаются на его вход и не теряются.
Рисунок 13. Логическая схема четырёхразрядного параллельного кольцевого регистра
Схема 4-разрядного параллельного кольцевого регистра сдвига показана на рисунке 13 . В этом регистре сдвига используются четыре JK-триггера. Благодаря цепи обратной связи введенная в регистр информация, которая обычно теряется на выходе четвёртого триггера, будет циркулировать по регистру сдвига. Сигналом очистки регистра (установки его выходов в состояние 0000) является уровень логического 0 на входе CLR. Входы параллельной загрузки данных 1, 2, 3 и 4 связаны со входами предварительной установки триггеров (PS), что позволяет устанавливать уровень логической 1 на любом выходе (1, 2, 3, 4). Если на один из этих входов даже кратковременно подать логический 0, то на соответствующем выходе будет установлена логическая 1. Подача тактовых импульсов на входы C всех JK-триггеров приводит к сдвигу информации в регистре вправо. Из четвёртого триггера данные передаются в первый триггер (кольцевое перемещение информации).
Таблица 1.
| № |
Входы |
Выходы |
||||||||
| № тактового импульса |
||||||||||
Принцип работы параллельного регистра сдвига описан в таблице 1 . При включении питания на выходах регистра может установиться любая двоичная комбинация, такая, например, как в строке 1 таблицы. Подача логического 0 на входы CLR триггеров инициирует очистку регистра (строка 2). Далее (строка 3) осуществляется загрузка в регистр двоичной комбинации 0100. Последовательные тактовые импульсы вызывают сдвиг введенной информации вправо (строки 4 - 8). В строках 5 и 6: единица из крайнего правого триггера (четвёртого) переносится в крайний левый триггер (первый). В данном случае можно говорить о кольцевом перемещении единицы в регистре. Далее (строка 9) вновь инициируется очистка регистра с помощью входа CLR. Загружается новая двоичная комбинация 0110 (строка 10). Подача 5 тактовых импульсов (строки 11-15) приводит к кольцевому сдвигу информации на 5 позиций вправо. Для возвращения данных в исходное состояние требуется 4 тактовых импульса.
Если в регистре сдвига на рисунке 13 разорвать петлю обратной связи, то мы получим обычный параллельный регистр сдвига: возможность кольцевого перемещения информации будет исключена.
 |
 |
Рисунок 14. Трехтактный регистр сдвига на RS-триггерах
3.4. Универсальные регистры
Часто вместо обычных последовательных или параллельных требуется применить более сложные сдвигающие регистры: с параллельной синхронной записью информации, реверсивные, реверсивные с параллельной синхронной записью. Такие регистры называют универсальными .
Есть множество серий ИС регистров многорежимных (многофункциональных) или универсальных, способных выполнять набор микроопераций. Многорежимность достигается композицией в одной и той же схеме частей, необходимых для выполнения различных операций. Управляющие сигналы, задающие вид выполняемой в данное время операции, активизируют необходимые для этого части схемы.
Рисунок 15. Универсальные регистры сдвига: а – К155ИР13, б – К500ИР141, в – КМ155ИР1
На рисунке 15 показано три типичных представителя универсальных сдвиговых регистров серии К155, КМ155 и К500.
Микросхема ИР13 (рисунок 15 а ) – это восьмиразрядный реверсивный сдвигающий регистр с допустимой тактовой частотой до 25 МГц при токе потребления до 40 мА. Имеет параллельные входы и выходы, вход асинхронного сброса , входы DSL (сдвиг влево) и DSR (сдвиг вправо) по перепаду синхронизирующих импульсов С, входы выбора режима S0 и S1. При S0 = 0, S1 = 1 происходит сдвиг информации вправо, при S0 = 1, S1 = 0 – влево, а при S0 = S1 = 1 – запись информации в регистр.
Микросхема ИР141 (рисунок 15 б ) – это универсальный четырёх-разрядный сдвиговый регистр, построенный на эмитерно-связной логике. Тактовая частота – до 150 МГц. Потребляемый ток – не менее 120 мА. При S0 = 0, S1 = 1 происходит сдвиг информации вправо, при S0 = 1, S1 = 0 – влево, а при S0 = S1 = 1 – хранение числа, при S0 = S1 = 0 – установка числа.
Микросхема ИР1 (рисунок 15 в ) – это сдвигающий регистр с синхронной записью информации на RS-триггерах. Входы 1 – 4 предназначены для параллельной записи информации, вход D – для последовательной записи. Вход V – управляющий. При V = 0 схема работает как сдвигающий регистр по отрицательному перепаду (с 1 на 0) сигнала С1, а при V = 1 схема работает в режиме синхронной записи в регистр сигналов входов 1 – 4 по отрицательному перепаду сигнала С2.
Регистры, имеющие разнотипные вход и выход, служат основными блоками преобразователей параллельных кодов в последовательные и обратно. На рисунке 16 показана схема преобразователя параллельного кода в последовательный на основе восьмиразрядного регистра типа SI/PO/SO. В этой схеме отрицательный стартовый импульс St, задающий уровень логического нуля на верхнем входе элемента 1, создаёт единичный сигнал параллельного приёма данных на вход L (Load – загрузка), по которому в разряды 1 – 7 регистра загружается преобразуемое слово, а в нулевой разряд – константа 0. На последовательный вход DSR подана константа 1. Таким образом, после загрузки в регистре формируется слово. Тактовые импульсы, поступающие на вход С, вызывают сдвиг слова вправо. Сдвиги выводят слово в последовательной форме через выход Q7. Вслед за информационными разрядами идёт 0, после которого цепочка единиц. Пока ноль не выведен из регистра, на выходе элемента 2 действует единичный сигнал. После вывода нуля все входы элемента 2 становятся единичными, его выход приобретает нулевое значение и через элемент 1 формирует сигнал автоматической загрузки следующего слова, после чего цикл преобразования повторяется.
Рисунок 16. Схема преобразователя параллельного кода в последовательный
Современные регистры мало приспособлены для выполнения поразрядных логических операций, но при необходимости их можно выполнить пользуясь регистрами на RS-триггерах. Для выполнения операции ИЛИ на S вход статического регистра с исходным нулевым состоянием подаётся первое слово, единичные разряды которого устанавливают соответствующие триггеры. Затем без сброса регистра на S выходы подаётся второе слово.
При выполнении поразрядной операции И в первом такте на S входы регистра подаётся первое слово, устанавливающее те разряды регистра, в которых это слово имеет единицы. Затем следует подать на регистр второе слово. Чтобы в регистре сохранились единицы только в тех разрядах, в которых оба слова имеют единицы, второе слово подаётся на входы R триггеров в инверсном виде.
Сложение по модулю 2 может быть выполнено схемой с триггерами типа Т в разрядах путём последовательной во времени подачи на неё двух слов.
4. Разработка схемы регистра сдвига
4.1. Исходные данные
Заданы тактовые импульсы положительной полярности.
4.2. Порядок разработки регистра сдвига
а) Рассмотрение общих требований к схеме регистра.
б) Разработка регистра сдвига.
в) Описание работы разработанной схемы.
4.3. Разработка четырёхфазного регистра сдвига
Необходимо разработать четырёхфазный регистр сдвига на RS-триггерах. Пусть он будет правосдвигающим. Для этого нам понадобится четыре синхронных RS-триггера с синхронизацией по фронту тактирующего импульса и некоторое число логических элементов для создания цепей переноса. Так как сдвигающие регистры с последовательными входом и выходом имеют низкое быстродействие, разработаем схему с параллельными входом и выходом.
Рисунок 17. Разработанная схема правосдвигающего синхронного регистра на RS-триггерах
Выполняя инвертирование сигнала на входах триггеров мы добиваемся того, что подача напряжений одинаковых уровней на входы S и R невозможна. Значит, при S = 0, R = 1 – на выходе получим 0, при S = 1, R = 0 – на выходе получим 1. На входах сдвигающего регистра необходимо установить четыре элемента со следующей таблицей истинности:
Соединив четвёртый выход с первым входом мы получаем кольцевой правосдвигающий регистр. Информация с выхода Q4 не будет теряться, а будет циркулировать заново.
Поскольку такой регистр сдвига четырёхразрядный, количество возможных комбинаций на входе составит 16. Рассмотрим работу нашего регистра при подаче на вход некоторых комбинаций.
| № комбинации |
Вход |
Выход |
|||||||
| № синхроимпульса |
|||||||||
5. Вывод
В курсовом проекте было рассмотрено классификацию регистров, принципы их работы. Рассмотрено типы и принцип работы триггеров как главных составляющих регистров. Было детально рассмотрено регистры сдвига и, в частности, сдвиговые регистры на RS-триггерах.
Также был спроектирован правосдвигающий кольцевой синхронный четырёхразрядный регистр на базе четырёх RS-триггеров и восьми логических элементов. Приведена таблица, описывающая работу регистра при некоторых входных комбинациях.
6. Список используемой литературы
1. Прянишников В.А. Электроника (курс лекций). – С-П., 1998
2. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника (часть первая). – К.: Высшая школа, 1989
3. Будищев М.С. Электротехника, электроника и микропроцессорная техника. – Л.: Афиша, 2001
4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – С-П., 2000
5. Справочник современных интегральных микросхем
Регистры сдвига или сдвиговые регистры (англ. shift register) представляют собой, последовательно соединенную цепочку триггеров.
Т.е. в сдвиговых регистрах все триггеры соединены в последовательную цепочку (выход каждого предыдущего триггера соединен со входом D следующего триггера). Тактовые входы всех триггеров (С) объединены между собой. В результате такой триггер может рассматриваться как линия задержки, входной сигнал которой последовательно перезаписывается из триггера в триггер по фронту тактового сигнала С. Информационные входы и выходы триггеров могут быть выведены наружу, а могут и не выводиться - в зависимости от функции, выполняемой регистром.
Основной режим их работы - это сдвиг разрядов кода, записанного в эти триггеры, То есть по тактовому сигналу содержимое каждого предыдущего триггера переписывается в следующий по порядку в цепочке триггер. Код, хранящийся в регистре, с каждым тактом сдвигается на один разряд в сторону старших разрядов или в сторону младших разрядов, что и дало название регистрам данного типа.
На схемах символом регистра служат буквы RG. Для регистров сдвига указывается также направление сдвига:
· → вправо (основной режим, который есть у всех сдвиговых регистров);
· ← влево (этот режим есть только у некоторых, реверсивных сдвиговых регистров);
· ↔ реверсивный (двунаправленный), т. е. записанную информацию можно сдвигать по линейке триггеров вправо или влево. Для включения режима сдвига предусматривают специальный управляющий вход.
Направление сдвига отражают внутреннюю структуру регистров сдвига (Рис. 4.14) и перезапись сигналов последовательно по цепочке триггеров. При этом триггеры, вполне естественно, нумеруются слева направо, например, от 0 до 7 (или от 1 до 8) для 8-разрядных регистров. В результате сдвиг информации регистром вправо представляет собой сдвиг в сторону разрядов, имеющих большие номера, а сдвиг информации регистром влево - это сдвиг в сторону разрядов, имеющих меньшие номера.
Однако, как известно, в любом двоичном числе слева расположены старшие разряды, а справа - младшие разряды. Поэтому сдвиг двоичного числа вправо будет сдвигом в сторону младших разрядов, а сдвиг влево - сдвигом в сторону старших разрядов. О такой особенности необходимо помнить разработчику цифрового прибора.
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: регистры с последовательным приемом (вводом) и выводом осуществляют задержку передачи информации на m+1 тактов (m+1 - число разрядов регистра) машинного времени.
Регистры сдвига чаще все6го реализуются на D-триггерах (Рис.4.15, а) или на RS-триггерах (Рис.4.15, б), где для ввода информации в первый разряд включается инвертор (первый разряд представляет собой D-триггер).
Следует отметить, что все регистры сдвига строятся на базе двухступенчатых триггеров или синхронизируемых фронтом синхроимпульса.
Регистры сдвига могут быть построены и на триггерах одноступенчатой структуры. В этом случае в каждом разряде регистра нужно использовать два триггера, которые управляются двумя сдвинутыми во времени тактовыми импульсами. Если бы в регистре были применены одноступенчатые триггеры по одному на разряд, то правило работы регистра было бы нарушено: при первом же импульсе сдвига информация, записавшись в первый разряд, перешла бы во второй, затем в третий и т.д.
Разрядность регистров сдвига, как и у регистров хранения, определяется количеством триггеров, входящих в их состав.
Работу регистра сдвига рассмотрим на примере схемы, приведенной на Рис. Рис.4.15.
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 Рис.4.15, 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 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).
Реверсивные регистры сдвига объединяют в себе свойства регистров прямого и обратного сдвига.