Послідовні регістри (регістри зсуву)

Послідовні регістри (регістри зсуву) характеризуються записом числа послідовним кодом. У них число вводиться і виводиться послідовно розряд за розрядом. Розряди такого регістра з'єднані послідовно. Кожен розряд видає інформацію в наступний і одночасно приймає нову інформацію з попереднього. Дли цього кожен розряд повинен мати два запам'ятовуючих елемента. У перший елемент передається інформація з попереднього розряду, одночасно другий запам'ятовує елемент передає свою інформацію в наступний розряд; потім інформація, прийнята першим запам'ятовуючим елементом, передається в другій, а перший звільняється для прийому нової інформації.

Таким чином, регістр складається з послідовно з'єднаних двійкових елементів пам'яті, стану яких передаються (зсуваються) на наступні осередки під дією тактових імпульсів. Тактові імпульси управляють роботою регістра. Регістри зсуву можуть управлятися однією послідовністю тактових імпульсів. В цьому випадку регістри називають однотактним. При управлінні двома, трьома, чотирма і т.д. послідовностями тактовихімпульсів регістри відповідно відносять до двох-, трьох- і чотиритактним, а в загальному випадку - до багатотактного.

Частота проходження тактових імпульсів зазвичай незмінна. У багатотактних регістрах послідовності тактових імпульсів слідують з взаємним фазовим зрушенням 2 / m ел.град, де 2 - період проходження імпульсів однією з послідовностей, a m - кількість послідовностей тактових імпульсів. Однотактний регістри зсуву виконують по структурній схемі рис.4.2, а, показаної для чотирьох розрядів. Перша осередок регістру належить до його молодшого розряду, а четверта - до старшого. При такому розташуванні розрядів запис вересня регістр проводиться починаючи з його старшого розряду. При зворотному розташуванні розрядів в регістрі запис числа повинна починатися з його молодшого розряду.

Рис.4.2. Структурна схема послідовних однотактний регістрів (а)

і їх тимчасові діаграми (б)

Тактові імпульси подаються на всі тригери осередків одночасно. Їх дія направлена ​​на перемикання тригерів зі стану «1» в стан «0» із записом одиниці в тригер наступної комірки.

На рис.4.2, б наведені тимчасові діаграми, що ілюструють процес запису інформації в регістр. Як приклад взятий код 1011 відповідний числу 11. Перед записом інформації регістр встановлюють в стан «0». Для цього під час відсутності сигналу на вході подається серія тактових імпульсів з числом імпульсів, що дорівнює кількості розрядів в регістрі. При запису інформації одночасно з надходженням коду числа подаються тактові імпульси. Тактовими імпульсами здійснюва-ляется просування інформації від молодшого розряду регістра до старшого. В результаті після четвертого тактового імпульсу осередки регістру приймають стану, відповідні коду прийнятого чотирирозрядний числа.

Операція зчитування інформації з послідовного регістра може бути проведена в паралельному або послідовному коді. Для передачі інформації в паралельному коді використовують виходи розрядів регістру. Таким чином, послідовний регістр дозволяє здійснити операцію перетворення послідовного коду в паралельний, Зчитування інформації в послідовному коді реалізується подачею серії тактовихімпульсів. У послідовному регістрі записане число може бути зрушене тактовими імпульсами на один або кілька (k) розрядів. Операції зсуву відповідають множенню числа на 2 k. Наприклад, зсув коду 0010 числа 2 на один розряд дає код 0100 (число 4), на два розряду - код 1000 (число 8).

При реалізації однотактний регістрів зсуву необхідно враховувати таку обставину. У цих регістрах тактові імпульси впливають на переклад в стан «0» тригерів всіх розрядів одночасно. Тому в однотактний регістрах повинна бути вирішена задача поділу в часі (щонайменше на тривалість тактових імпульсів tи) операцій зчитування одиниці з тригера кожного розряду і її перепису в тригер наступного розряду. В іншому випадку перепис одиниці в наступний розряд не буде проведена.

Це завдання може бути вирішена включенням в ланцюг передачі сигналу від однієї комірки до іншої елемента затримки. Елемент затримки буде затримувати імпульс записи одиниці в наступну комірку на час дії тактового імпульсу. Однак наявність елементів затримки обумовлює критичність роботи схеми щодо тривалості тактовихімпульсів. Крім того, для елементів затримки, що складаються з реактивних елементів L, С, утруднене інтегральне виконання. У зв'язку з зазначеним рознесення в часі операцій зчитування і перепису одиниці здійснюють схемними засобами, наприклад виконанням осередків на тригерах з внутрішньою затримкою (RS-, JK-, D-тригерах).

При використанні тригерів з внутрішньою затримкою поділ у часі операцій зчитування і перепису одиниці виконується автоматично, оскільки новий стан таких тригерів формується після закінчення дії тактових імпульсів.

Іншим методом побудови однотактний регістрів зсуву є використання двотактного режиму їх роботи. У кожну клітинку таких регістрів входять два тригера (основний і додатковий). Управління проводиться однією послідовністю тактових імпульсів. Поділ у часі операцій зчитування одиниці з попередньої комірки і її перепису в наступну клітинку можливою завдяки тому, що зчитування одиниці з основних тригерів здійснюється в момент надходження тактового імпульсу, а запис одиниці в них - по закінченні тактового імпульсу.

У схемном щодо розглянутий метод побудови однотактний регістрів зсуву найбільш просто реалізується із застосуванням тактіруемих D-тригерів. Схема двухразрядного регістра, виконана на D-тригері (приведена на рис.4.3, а. Тимчасові діаграми ріс.3б ілюструють процес просування одиниці в регістрі в сторону старшого розряду. На відміну від тригера, а вхід «Установка нуля» в тригері регістра є інверсним . Інверсний вхід «Установка нуля» всіх тригерів об'єднаний з тактируемого входом і пов'язаний в основних триггерах осередків регістра з шиною тактовихімпульсів Т безпосередньо, а в додаткових триггерах - через елемент НЕ.

Рис.4.3. Схема однотактного послідовного регістра на D-тригерах (а) і його тимчасові діаграми (б)

У початковому стані всі тригери регістра встановлені в стан «0» (рис.4.3, б). При наявності сигналу на вході першим тактовим імпульсом через відкритий елемент І 2 записується одиниця в основний тригер першого розряду (осередки). Сигнал Q1 = 1 передається на інформаційний вхід додаткового тригера першого осередку, але оскільки на виході її інвертора діє сигнал Т = 0, елемент И2 закритий і додатковий тригер залишається в стані «0» (Q1 = 0).

Після закінчення першого тактового імпульсу на обох входах елемента И2 додаткового тригера першого осередку присутній одиниця, він перейде у стан Q = 1. Таким чином, результатом надходження першого тактового імпульсу є запис одиниці в обидва тригера першого осередку. Стан «1» основного тригера зберігається по входах елемента И1 (Q1 = 1, Т = 0), а додаткового - по входах елемента І 2 (Q1 = 1, Т = 1). Якщо сигнал на вході регістру дорівнює нулю, то надходження другого тактового імпульсу призводить до замикання елементів И1. И2 основного тригера першого осередку і переключення його в стан «0». При цьому основний тригер другий осередки по входах елемента І 2 (Q1 = 1, Т = 1) перемикається в стан Q2 = 1.

На етапі дії другого тактового імпульсу додатковий тригер першого осередку підтримується в стані Q1 = 1 по обом входів елемента И1. а додатковий тригер другого осередку залишається в стані Q2 = 0 по обом входів його елемента И1.

Після закінчення другого тактового імпульсу елементи И1. И2 додаткового тригера першого осередку закриваються, що викликає переключення цього тригера в стан Q1 = 0. Додатковий тригер другий осередки перетворюється на стан Q2 = 1 наявністю одиниць на входах його елемента И2. Таким чином, відбувається переміщення вхідної інформації в другій розряд регістра.

Кожна клітинка (розряду) багатотактного регістра складається в загальному випадку з n послідовно включених тригерів. Управління багатотактного регістром проводиться n послідовностями тактовихімпульсів, причому кожна з послідовностей призначена для управління однойменними тригерами осередків. Застосування багатотактного режиму роботи є ще одним методом рознесення в часі операцій зчитування і запису інформації в розрядах регістру. Головна ж перевага багатотактних регістрів - їх висока інформативність, обумовлена ​​великим числом виходів кожного розряду.

Побудова двотактних регістрів зсуву показано на прикладі двухразрядного регістра (рис.4.4, а).

Кожна його осередок складається з двох D-тригерів попередньої схеми. Управління основними тригерами осередків здійснюється тактовими імпульсами Т1. а додатковими - Т2. Фазовий зсув другий послідовності тактових імпульсів щодо першої дорівнює (Т / 2).

Процес запису інформації (при наявності одиничного сигналу на вході) ілюструють часові діаграми рис.4.4, б. Першим тактовим імпульсом по каналу Т1 записується одиниця в перший тригер першого осередку. Потім тактовим імпульсом по каналу Т2 записується одиниця в другій тригер першого осередку. Другим тактовим імпульсом каналу Т1 здійснюється зчитування одиниці з першоготригера першого осередку і запис одиниці в перший тригер другий осередки. Другим тактовим імпульсом по каналу Т2 встановлюється в стан «0» другий тригер першого осередку, а в другій тригер другий осередки записується одиниця.