Развитие микроэлектронной элементной базы. Характеристика цифровых устройств последовательного типа. Функции триггера, импульсного логического устройства с памятью. Регистр как устройство выполнения функции приема, хранения и передачи информации.
Над словами выполняется ряд операций: прием, выдача, хранение, сдвиг в разрядной сетке, поразрядные логические операции. Регистры состоят из разрядных схем, в которых имеются триггеры и, чаще всего, также и логические элементы. Регистр строится в виде набора триггеров каждый из которых предназначается для хранения цифр определенного разряда двоичного числа. Таким образом, регистр для хранения поразрядного двоичного числа должен содержать n триггеров. 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 высокого, а на выходе низкого (= 0) уровня.[7;76]Цифровые устройства последовательного типа или цифровые автоматы с памятью-это электронные цифровые устройства, логические значения навыходах которых определяются не только совокупностью логических сигналов на входах в данный момент времени, но и состоянием внутренних элементов памяти по результатам его предшествующей работы.Обычно название триггера дают по имеющимся у него входам: RS-триггер, JK-триггер, D-триггер и др. Процесс преобразования информационных сигналов осуществляется под воздействием сигналов, подаваемых на вход V разрешения приема информации и вход C синхронизации, обеспечивающей тактируемый прием информации. Управляющие сигналы на асинхронный триггер воздействуют непосредственно с началом своего появления на их входах, а в синхронных - только с приходом сигнала на входе C. Входы S и R называются входами асинхронной установки триггера. Буквой S обозначают вход, на который подается сигнал, устанавливающий триггер в единичное состояние (Q=1, ).Основным классификационным признаком регистров являются способ записи двоичного кода в регистр и его выдача, т.е. различают параллельные, последовательные (сдвигающие) и параллельно-последовательные регистры. Последовательный регистр осуществляет запись последовательным кодом, начиная с младшего или старшего разряда, путем последовательного сдвига кода тактирующими импульсами. При построении последовательных регистров триггеры соединяются последовательно путем подключения выхода Q i-го триггера ко входу D i-го триггера, как это показано на рисунке 13. Действительно, сигнал выхода Q i 1-го триггера действует на вход D i-го триггера, а сигнал выхода Q i-го триггера действует на вход D i-1-го триггера. Реверсивные регистры должны содержать логические схемы управления, обеспечивающие прохождение сигнала с выхода Q i-го триггера на вход D i-1-го триггера при сдвиге кода вправо и прохождение этого же сигнала на вход D i 1-го при реализации сдвига кода влево.Одним из ведущих направлений развития современной микроэлектронной элементной базы являются БИС (большие интегральные микросхемы) памяти, которые служат основой для построения запоминающих устройств в аппаратуре различного назначения. Номенклатуру микросхем памяти отечественного производства характеризует большое разнообразие конструктивно-технологических и схемотехнических исполнений, функциональных возможностей, электрических характеристик, областей применения. Для хранения небольших объемов информации широко применяют регистры. Разрядность определяет число разрядов двоичной кодовой комбинации, которая может быть записана в регистр.
План
Оглавление
Введение
Глава 1. Цифровые устройства последовательного типа
1.1 Общее представление о триггерах
1.2 RS-триггеры
Глава 2. Регистр, как устройство выполнения функции приема, хранения и передачи информации
Заключение
Литература
Введение
Регистры - самые распространенные узлы цифровых устройств. Они оперируют с множеством связанных переменных, составляющих слово. Над словами выполняется ряд операций: прием, 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. [11]
Регистры сдвига применяют в качестве запоминающих устройств, в качестве преобразователей последовательного кода в параллельный, в качестве устройств задержки и счетчиков импульсов, но применение сдвигающих регистров в качестве счетчиков достаточно неэкономично.
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 парофазные, по системе синхронизации на однотактные, двухтактные и многотактные. Однако главным классификационным признаком является способ приема и выдачи данных. [2; 103]
В параллельных регистрах прием 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 сдвигом) или реверсивным (с возможностью сдвига в обоих направлениях).
Последовательно-параллельные регистры имеют входы-выходы одновременно последовательного и параллельного типа.
В параллельных (статических) регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой.
Из статических регистров составляются блоки регистровой памяти - регистровые файлы.
Главные функции регистров: Хранение информации;
Прием информации;
Выдача информации;
Сдвиг информации;
Преобразование кодов.
Поразрядные логические операции: дизъюнкция, конъюнкция, сложение по модулю 2.
Основная выполняемая регистром функция заключается в хранении одного многоразрядного числа. Регистр строится в виде набора триггеров каждый из которых предназначается для хранения цифр определенного разряда двоичного числа. Таким образом, регистр для хранения поразрядного двоичного числа должен содержать n триггеров. Регистры могут использоваться для выполнения и некоторых других функций: сдвиг хранимого в регистре числа на определенное число разрядов влево или вправо преобразование числа из последовательной формы. [12]
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).
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 (приема) информации различают: Асинхронные триггеры: а) с внутренней задержкой;
б) управляемые уровнем входного импульса;
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.
RS-триггер имеет два информационных входа: S (Set) и R (Reset). Одновременная подача сигналов S и R не допускается. На рисунке 1 изображен синхронный RS-триггер, срабатывающий по фронту тактирующего сигнала. [10; 102]
Рисунок 1. 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 2. -триггер: его условное графическое обозначение и схема с двумя логическими элементами И-НЕ
На рисунке 2 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 2). 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 высокого, а на выходе низкого ( = 0) уровня.[7;76]
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 3), 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.
Рисунок 3. Временная диаграмма работы -триггера.
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 tn и следующему за ним tn 1):
1 1
1 0 1 0
0 1 0 1
0 0 Неопределенное 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 4. RS-триггер: его условное графическое обозначение и схема с четырьмя логическими элементами И-НЕ.
На рисунке 4 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. [11]
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 5).
Рисунок 5. 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 ). [15; 104]
Вывод
Одним из ведущих направлений развития современной микроэлектронной элементной базы являются БИС (большие интегральные микросхемы) памяти, которые служат основой для построения запоминающих устройств в аппаратуре различного назначения. Номенклатуру микросхем памяти отечественного производства характеризует большое разнообразие конструктивно-технологических и схемотехнических исполнений, функциональных возможностей, электрических характеристик, областей применения.
Для хранения небольших объемов информации широко применяют регистры. Номенклатура микросхем регистров хорошо развита и разнообразна. По принципу построения различают регистры хранения и сдвига. Важнейшими характеристиками регистров являются разрядность и быстродействие. Разрядность определяет число разрядов двоичной кодовой комбинации, которая может быть записана в регистр. Быстродействие характеризует максимальную частоту, с которой может производиться запись и чтение информации. Регистры хранения служат для записи, хранения и считывания информации. Для хранения информации могут использоваться RS- или D-триггеры, причем число триггеров должно быть равно числу разрядов кодовой комбинации. Такие регистры представляют собой совокупность последовательно соединенных триггеров, как правило, двухступенчатых. Число триггеров, определяется разрядностью записываемой кодовой комбинации. [4; 112]
По направлению сдвига информации различают регистры со сдвигом вправо (т.е. в сторону младшего разряда), со сдвигом влево (в сторону старшего разряда) и реверсивные, допускающие сдвиг в обе стороны. [7; 279] цифровой триггер регистр микроэлектронный
