Лекции / Схемотехника ЭВМ. Лекция 05. Сдвиговые регистры

Таблица 2.23

Число и длина замкнутых циклов для сдвиговых регистров при n = 1 - 16 для случая DR =

Qn-1

2.6. Использование сдвиговых регистров при проектировании специализированных схем

Сдвиговые регистры как многофункциональные узлы цифровых устройств широко используются при проектировании различных специализированных схем.

Пример 2.20. Спроектировать цифровой одновибратор с управляемой длительностью выходного импульса. Длительность выходного импульса τвых должна дискретно изменяться в диапазоне (1 - 8)Т, где Т - период тактовых импульсов. Необходимость использования цифрового одновибратора можно обосновать тем, что существующие ИС одновибраторов типа АГ1, АГ3 и другие выдают выходной импульс, длительность которого τвых определяется внешними компонентами R и C. Это неудобно, если в цифровой системе изменяются (например, с целью повышения быстродействия цифрового блока) частоты тактовых сигна-

лов. В этом случае желательно

				Таблица 2.24			привязать значение τвых к периоду
Кодирование длитель-							тактовых	сигналов,		т.е.	к
ности выходного импульса							машинному, а не реальному
цифрового одновибратора							времени.
							Поставленную		задачу		легко
Номер	a	a		a0
							решить с использованием универсаль-
	2		1
набора					n
							ного регистра. Для формирования
0	0	0		0	1
							длительности τвых можно использовать
							режим сдвига регистра, а установку в
1	0	0		1	2
							исходное	состояние	осуществить в
							режиме	параллельной		загрузки.
2	0	1		0	3
							Изменение длительности τвых можно
							обеспечить	мультиплексированием
3	0	1		1	4
							цепей, которые изменяют режим
							работырегистра.
4	1	0		0	5
							На рис.2.63 приведена схема, в
5	1	0		1	6		которой используются два универ-
							сальных регистра типа К155ИР1 и
6	1	1		0	7		MS 8→1 (типа 555КП7 и т.п.). Коди-
							рование длительности τвых и времен-
7	1	1		1	8		ные диаграммы работы схемы при-
							ведены соответственно в табл.2.24 и
							на рис.2.64.

1
Вход				Выход
С
C1	RG	C1	RG
C2	Q0	C2	Q0
		DR
DR	Q1		Q1
V		V		D0	MS
	Q2		Q2
D0		D0		D1
	Q3		Q3	D2
D1		D1		D3
D2		D2		D4		y	y
D3 D1		D3 D2		D5
				D6
				D7
a2				a2
a1				a1
a0				a0	D3
Рис.2.63. Одновибратор с управляемой длительностью выходного импульса

ИС

D1

ИС

D2

С

T

Вход

(Выход)

Q0

Q1

Q2

Q3

Q0

Q1

Q2

Q3

V

Рис.2.64. Временные диаграммы для рис.2.63 при a2a1a0=101

Рассмотрим работу схемы. Выход Q3 ИС D1 соединен со входом DR ИС D2, таким образом реализуется сдвиговый восьмиразрядный регистр. Выходы восьми разрядов поданы на входы MS 8→1, выход y которого подан на входы V (выбор режима) ИС D1 и D2. Входы D0 - D3 этих ИС соединены с уровнем земли («0»). Тактовые входы С1 и С2 соединены в одну цепь.

На вход DR ИС D1 подаётся сигнал с выхода двухвходового элемента ИЛИ, на один вход которого подаётся запускающий сигнал (цепь «Вход»), а на второй - выход Q0 ИС D1. Исходное состояние схемы - все

Qi = 0.

После появления уровня «1» в цепи «Вход» отрицательный перепад на входе С записывает его в разряд Q0 ИС D1, после чего сигнал «Вход» может быть возвращен к уровню «0», так как «1» с выхода Q0 поступает через элемент ИЛИ на вход DR ИС D1. Теперь разряд Q0 ИС D1 выполняет как бы функцию генерации «1», которая с каждым тактом сдвигается к старшим разрядам регистра. При а2а1а0 = 101 на выход MS сигнал выдаётся с выхода Q1 ИС D2. Уровень «1» появится здесь после шестого такта (см. рис.2.64) и переведет ИС D1 и D2 из режима сдвига (V = 0) в режим параллельной загрузки (V = 1). Поэтому седьмой тактовый импульс загрузит в регистры нули, так как все Di = 0. Таким образом, одновибратор возвращается в исходное состояние.

Пример 2.21. Спроектировать 4-разрядный сдвиговый регистр со сдвигом влево (в сторону старших разрядов) на универсальных JK- триггерах, работающий в двух режимах: 1) при V = 1 - в режиме обычного сдвига; 2) при V = 0 - в режиме сдвига с уплотнением (упаковки). Характер этих режимов иллюстрируется на рис.2.65. В режиме упаковки единица, поступившая в старший разряд, остается в нем, а остальные единицы в сдвигаемом слове «упаковываются» в массив, занимающий столько смежных старших разрядов, сколько единиц в сдвигаемом слове. Если перед группой разрядов в старшем по отношению к ней разряде «0», то эта группа разрядов работает в обычном режиме сдвига, таким образом, режим работы i-го разряда зависит от состояния всех старших по отношению к нему разрядов.

С учётом сказанного достаточно рассмотреть три разряда регистра (Qi+1, Qi, Qi-1), а его функционирование представить табл.2.25.

Из рис.2.66 следует

=Qi−1;

Ji

(2.45)

K =VQ

+

Q

Q

=

Q

(V

+

Q

) =

Q

V

Q .

i

i−1

i+1 i−1

i−1

i+1

i−1 i+1

Таблица 2.25

Функционирование сдвигового регистра в двух режимах (к примеру 2.21)

Номер	V	Qt		Q t	Qt	Q t+1	J *	K	*
набора			i+1	i	i-1	i	i		i
0	0		0	0	0	0	0
1	0		0	0	1	0	1
2	0		0	1	0	1		1
3	0		0	1	1	1		0
4	0		1	0	0	0	0
5	0		1	0	1	0	1
6	0		1	1	0	1		0
7	0		1	1	1	1		0
8	1		0	0	0	0	0
9	1		0	0	1	0	1
10	1		0	1	0	0		1
11	1		0	1	1	0		0
12	1		1	0	0	1	0
13	1		1	0	1	1	1
14	1		1	1	0	1		1
15	1		1	1	1	1		0

			Режим сдвига:										Режим сдвига с уплотнением
	Q7								Q0					Q7		(упаковка):						Q0
Исходное состояниеRG:											DR = 0													DR = 0
	0	0	1	0	1	1	0	1						0	0	1	0	1	1	0	1
Состояние RG после 1-го такта:
	0	1	0	1	1	0	1	0						0	1	0	1	1	0	1	0
Состояние RG после 2-го такта:	1	0	1	1	0	1	0	0						1	0	1	1	0	1	0	0
Состояние RG после 3-го такта:	0	1	1	0	1	0	0	0						1	1	1	0	1	0	0	0
Состояние RG после 4-го такта:
	1	1	0	1	0	0	0	0						1	1	1	1	0	0	0	0
Состояние RG после 5-го такта:
	1	0	1	0	0	0	0	0						1	1	1	1	0	0	0	0
Состояние RG после 6-го такта:	0	1	0	0	0	0	0	0						1	1	1	1	0	0	0	0
Состояние RG после 7-го такта:
	1	0	0	0	0	0	0	0						1	1	1	1	0	0	0	0
СостояниеRG после 8-го такта:	0	0	0	0	0	0	0	0						1	1	1	1	0	0	0	0

Рис.2.65. Иллюстрация режимов сдвига и сдвига с уплотнением

Ji*	Qi					Ki*			Qi
			1	0		V		1		0
V
			1	0	Qi+1			1		0				Qi+1
			1	0				0		0
			1	0				1		0
		Qi-1								Qi-1
		а									б
	Рис.2.66. Карты Карно: а - для Ji*; б - для Ki*

Qi+1 в выражении (2.45) обозначает конъюнкцию всех старших раз-

рядов по отношению к i-му разряду. Итак, уравнения, определяющие структуру 4-разрядного регистра, будут иметь вид

J		3	=Q			;
					2			(2.46)
K	3		=Q V ,
			2

(здесь отсутствующий пятый разряд (с индексом 4) считается установленным в «1»)

J2 =Q1;

(2.47)

K

=

(V +

) =

;

2

Q

Q

Q

V

Q

1

3 1 3

J1

=Q0

;

(2.48)

K

=

(V +

+

) =

;

Q

Q

Q

Q

V

Q Q

1

0

3

2

0

3

2

J0 = DR;

(2.49)

K0 = DR(V +Q3 +Q2 +Q1) = DRVQ3Q2Q1.

Поясним уравнение (2.49). Известно, что в обычном сдвиговом регистре Ji = Qi−1, Ki = Qi−1 , поэтому, например, K0 = DR в случае, когда

V = 1 (режим обычного сдвига) или когда разряды Q3, Q2 или Q1 находятся в состоянии «0», что, как отмечено выше, тоже соответствует обычно-

му режиму сдвига. При V = Q3 = Q2 = Q1 = 0, K0 = 0 и, следовательно, в

разряд Q0 можно либо записать «1» (когда J0 = 1), либо сохранить значение Q0 (когда J0 = 0).

Схема, построенная по уравнениям (2.46) - (2.49), приведена на рис.2.67.

C
		Q0		Q1			Q2		Q3
	R	TT	R	TT	R	TT	R	TT
DR	&		&		&		&
	J		J		J		J
	C		C		C		C
1	&		&		&		&
	K		K		K		K
1	S	1	S		S		S
					1
V
Рис.2.67. Регистр, работающий в режиме сдвига при V = 1 и в режиме сдвига с уплотнением (упаковки) при V = 0

Для самостоятельного изучения рекомендуются следующие материалы.

1.Регистры-шлюзы [13].

2.Организация обмена параллельными кодами между регистровыми структурами [15].

3.Организация обмена последовательными кодами между регистровыми структурами. Схемы передатчиков и приёмников стандартного последовательного интерфейса.

4.Организация на сдвиговых регистрах ОЗУ с последовательной выборкой.

5.Применение регистров в цифровых фильтрах.

6.Принцип организации контроля БИС с ограниченным числом выводов корпуса методом сквозного сдвигового регистра.

7.Цифровые линии задержки.

8.Генераторы псевдослучайных последовательностей при произвольном числе разрядов сдвигового регистра.

9.Схемы умножения и деления двоичного полинома на двоичный полином. Сигнатурные анализаторы. Шифрование сообщений.

10.Реализация конечных автоматов на сдвиговых регистрах.

11.Буферыданных типа«очередь» илибуфер FIFO (first in - first out).

12.Буферыданных типа«магазин» илибуфер LIFO (last in - first out).

13.Регистр последовательного приближения.

14.Различные варианты специализированных схем.

15.ОЗУ в качестве сдвигового регистра [6] и т.д. и т.п.