3.2. Регістри
Регістром називається послідовнісний ЦА, що реалізовує функції прийому, зберігання і подальшої видачі інформації, поданої у вигляді m-розрядної кодової комбінації (кодового слова).
Регістри є найбільш розповсюдженими вузлами цифрових пристроїв. Основою побудови регістрів, як і інших послідовнісних функціональних вузлів, є тригери.
При введенні додаткових ЛЕ у схеми регістрів з їх допомогою можна здійснювати не тільки збереження, але і деяке перетворення інформації, наприклад, перетворення ПК числа у ОК і навпаки, перетворення кодового слова, що надходить у послідовній формі на паралельну, і навпаки, зсув двійкового числа на декілька розрядів праворуч або ліворуч, одержання певних числових послідовностей шляхом замикання регістра у кільце і таке інше.
У відповідності до виконуваних функцій регістри діляться на регістри без зсуву інформації (регістри пам’яті, накопичувальні або статичні регістри) і регістри зі зсувом інформації (регістри зсуву). Різновидами регістрів зсуву є кільцеві і рекурентні регістри.
За способом подання (формою) вхідних і вихідних кодових слів розрізняють такі типи регістрів:
із паралельним прийомом і видачею інформації (паралельні регістри);
із послідовним прийомом і видачею інформації (послідовні регістри);
із послідовним прийомом і паралельною видачею інформації або навпаки (паралельно-послідовні регістри).
Регістри з послідовним прийомом або видачею інформації є регістрами зсуву. За напрямком зсуву можуть бути регістри зі зсувом праворуч, ліворуч або реверсивні (з можливістю зсуву в обох напрямках).
У залежності від числа вхідних і вихідних каналів регістри діляться на однофазні (сигнали передаються по одному каналу) та парафазні (сигнали передаються по двох каналах – прямому й інверсному). Парафазні регістри реалізуються на RS- або JK-тригерах, однофазні – на D-тригерах. Регістри характеризуються числом розрядів оброблюваного кодового слова і швидкодією, яка обумовлена максимальною тактовою частотою прийому, передавання і зсуву інформації.
Регістр пам’яті (паралельний регістр)
Регістр, що виконує запис числа, збереження і видачу його ПК або ОК усіма розрядами одночасно називається регістром паралельної дії (регістром пам’яті). Схема такого регістра зображена на рисунку 3.10.
Рис. 3.10. Схема паралельного регістра
Вихідний стан (усі тригери встановлені у "0") забезпечується подачею імпульсу на вхід R (скидання). Вхідне кодове слово подається усіма розрядами одночасно на входи Х0…Хn. Якщо в момент подачі вхідного кодового слова на вході „Зап” (запис коду) є рівень логічної 1, то розряди слова надходять на входи S відповідних RS-тригерів. Припустимо, що Х0 = 1, Х1 = 0. Тоді перший RS-тригер буде встановлений в одиничний стан (Q = 1), а другий залишиться в нульовому стані. Таким чином, вхідне кодове слово буде записано у регістр і може зберігатися там як завгодно довго (до подачі імпульсу скидання), якщо на вході „Зап” діє рівень логічного нуля (якщо на цьому вході діє логічний нуль, то на виходах елементів ТА № 1 і № 2 – теж логічні нулі, і зміна Х0, Х1 не впливає на стан тригерів).
Інформація,
що записана в регістрі, може бути отримана
в будь-який момент часу у ПК або у ЗК.
Якщо на входах „ЗПК” (зчитування прямим
кодом) і „ЗОК” (зчитування оберненим
кодом) – рівні логічного нуля, то на
виходах
логічні нулі незалежно від стану
тригерів, тобто інформація, що зберігається,
на виходи регістра не потрапляє.
Якщо
на вхід «ЗПК» поданий рівень логічної
1, то на виходи
регістра надходить збережене кодове
слово у ПК (
).
Якщо на вхід „ЗОК” поданий рівень
логічної 1, то на виходи
регістра надходить збережене кодове
слово у ОК (
).
Т
УГП чотирирозрядного паралельного регістра показано на рисунку 3.11.
І
Рис. 3.11. УГП
паралельного
регістра
Регістр зсуву
Регістр
зсуву –
це група тригерів, з’єднаних таким
чином, що інформація з кожного тригера
може передаватися до наступного тригера,
зсуваючи код, записаний у ньому.
На рисунку
3.12 показана схема регістра зсуву, що
складається з послідовно з’єднаних
D-тригерів
із динамічними входами синхронізації.
Рис. 3.12. Схема регістра зсуву
Розряди
кодового слова подаються на вхід Х
послідовно. По передньому фронту
синхронізуючого імпульсу С
інформація із входу Х
записується в перший тригер (
).
Ця інформація (0 або 1) зберігається у
тригері Т1
один такт до надходження наступного
синхроімпульсу. У наступному такті ця
інформація надійде до тригера Т2,
а до тригера Т1
надійде наступний розряд кодового
слова, тобто в такому регістрі відбувається
зсув даних від тригера до тригера:
.
Н
Таблиця 3.6
Такти |
Стани тригерів регістра |
|||
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
|
Початковий стан |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
2 |
1 |
1 |
0 |
0 |
3 |
0 |
1 |
1 |
0 |
4 |
1 |
0 |
1 |
1 |
У розглянутому випадку зсув інформації здійснювався в напрямку молодших розрядів (праворуч). Також використовуються і регістри зі зсувом ліворуч та реверсивні, що змінюють напрямок зсуву інформації у залежності від значення спеціального керуючого сигналу.
Напрямок зсуву кодового слова, якщо це необхідно, може бути вказаний стрілкою в УГП регістра, як показано у таблиці 3.7.
Таблиця 3.7
Вид регістра |
Регістр зі зсувом праворуч |
Регістр зі зсувом ліворуч |
Реверсивний регістр |
Елемент УГП |
R |
R |
R |
G
G
G
Зміна напрямку зсуву інформації у регістрі досягається шляхом відповідної комутації з’єднань тригерів регістра через додаткові логічні кола за допомогою спеціальних сигналів управління.
Регістри зсуву застосовуються для:
перетворення паралельних кодових слів у послідовні і навпаки;
у схемах множення і ділення (зсув двійкового числа ліворуч або праворуч відповідає його множенню або діленню на два);
для затримки інформації, що передається, на n тактів.
Кільцеві та рекурентні регістри.
Кільцеві і рекурентні регістри є різновидами регістрів зсуву. Наприклад розглянутий раніше регістр зсуву може бути перетворений у кільцевий, якщо вихід тригера Т4 (молодшого розряду Х0) з’єднати з входом тригера Т1 (старшого розряду Х3), як показано на рисунку 3.13.
Елемент АБО в схемі застосовується для відокремлення сигналу, що надходить з виходу регістра на його вхід від сигналу „початкове встановлення” (ПВ). Для забезпечення початкового стану (встановлення всіх тригерів регістра у стан 0) потрібно у схемі регістра передбачити коло скидання (вхід R).
На початку роботи регістра у тригер Т1 записується одиниця шляхом подання сигналу встановлення на вхід ПВ. Потім на синхровходи тригерів подаються сигнали зсуву С = 1, у результаті чого у кожному такті одиниця переноситься з попереднього тригера у наступний, циркулюючи по кільцю. Вона по черзі з’являється на виходах тригерів Х3, Х2, Х1, Х0 і так далі.
К
У
Рис. 3.13. Кільцевий
регістр
Рекурентний
регістр
формує на
виході періодичну рекурентну послідовність
нулів і одиниць довжиною
,
де m
– кількість тригерів у регістрі.
Рекурентний регістр утворюється з кільцевого, якщо вихід його замикається на вхід не безпосередньо, а через кола ЛЗЗ. Звичайно в складі ЛЗЗ використовують суматор по модулю два, який одним входом підключений до виходу регістра Х0, а іншим – до виходу одного з його проміжних розрядів. Схема такого регістра показана на рисунку 3.14.
Послідовності, що утворюються на виходах такого чотирирозрядного рекурентного регістра, подані у таблиці функціонування 3.8.
Рис. 3.14. Рекурентний регістр
Як видно з аналізу таблиці, повторення вихідних комбінацій регістра починається після 15-ти тактів роботи (16-ий рядок співпадає з першим, однак, уже при відсутності імпульсу початкового встановлення).
Рекурентні регістри з великим числом тригерів (інші назви – поліноміальні лічильники, генератори псевдовипадкових послідовностей) застосовуються для одержання довгих кодових комбінацій (рекурентних послідовностей), що наближаються за своїми статистичними характеристиками до флуктуаційного (білого) шуму.
Таблиця 3.8
№ такту |
ПВ |
Х0 (Вихід) |
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Вихід суматора |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
3 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
5 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
6 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
7 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
8 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
9 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
10 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
11 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
12 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
13 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
14 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
15 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
16 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
Вони використовуються в пристроях тестового діагностування цифрових схем, для розв’язування математичних задач методом Монте-Карло, при стохастичному моделюванні систем. У техніці зв’язку рекурентні регістри застосовуються для криптостійкого кодування інформації, для формування сигналів фазування в системах передавання даних; для отримання так званих виборчих кодів та ін.