Исследование регистров счетчиков и дешифраторов

                          ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРОВ СЧЕТЧИКОВ И ДЕШИФРАТОРОВ

Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом работы простейших регистров, счетчиков, дешифраторов, способами ввода и вывода информации.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

     Регистры, счетчики и дешифраторы являются наиболее распространенными функциональными узлами в устройствах вычислительной техники. Их используют для ввода и вывода информации, выполнения над ней различных операций.

Каждый из этих узлов выполняет определенные функции. Узлы связаны между собой линиями связи, по которым передается цифровая информация. Передача информации осуществляется в виде кода, т.е. комбинации электрических сигналов. В современной вычислительной технике логические и арифметические операции выполняются в основном над числами, представленными в двоичном коде, в котором используются числа «0» и «1». Для представления одного разряда двоичного числа служит триггер, имеющий два устойчивых состояния, одно из которых принимается за «1», а другое за «0».

Передача цифровой информации по линиям связи может осуществляться в виде параллельного кода по нескольким каналам одновременно или в виде последовательной комбинации сигналов по одному каналу. В первом случае увеличивается быстродействие, во втором получается более экономичная схемная реализация.

Передача информации от одного устройства в другое может осуществляться синхронно с тактовыми импульсами, когда сигнал воздействует на элемент в строго определенный момент времени, а именно, в момент воздействия тактового импульса. Такие устройства называются синхронными. Если же выходной сигнал одного устройства непосредственно воздействует на следующий элемент, то такие устройства называются асинхронными.

Счетчики. Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосредственным цифровым представлением результата, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ.

В устройствах обработки информации измеряемый параметр (скорость, частота пульса, температура, давление, время и т.п.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

По целевому назначению счетчики подразделяют на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т.е. для сложения. С приходом очередного счетного импульса на вход счетчика, его показание увеличивается на единицу.

Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т.е. для вычитания. Каждый счетный импульс, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.

Реверсивные счетчики предназначены для выполнения операции счета как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. они могут работать в режиме сложения и вычитания.

Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров. По способу передачи информации внутри счетчика, между триггерами, счетчики подразделяют на асинхронные и синхронные.

Счет числа поступающих импульсов производится с использованием двоичной системы счисления.

Основнми показателями счетчиков являются: модуль счета (коэффициент счета Ксч) и быстродействие.

Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Модуль счета двоичного счетчика находят из соотношения:

                                 Ксч = 2 ^N,

где N – число разрядов счетчика.

     Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотой f _СЧ   следования счетных импульсов и связанным с ним временем t _УСТ. установки счетчика. Величина t _УСТ. определяет максимальное время протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика с поступлением на вход очередного счетного импульса.

Рассмотрим два наиболее характерных схемотехнических варианта счетчиков на счетных Т- триггерах с внутренней задержкой.

Двоичный счетчик с последовательным переносом (асинхронный). На рис.1 показана схема четырехразрядного счетчика с последовательным переносом. Он имеет один вход, на который поступают счетные импульсы и вход установки нуля. Триггеры соединены последовательно, так что каждый последующий разряд срабатывает после того, как переключился предыдущий. Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис.2, и таблица состояний счетчика (рис.3).

Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q ₁ = Q ₂ = Q ₃ = Q ₄ = 0) подачей импульса на вход «Установка нуля». При поступлении первого счетного импульса первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания действия входного импульса переходит в состояние Q ₁ = 1. В счетчик записывается число 1 с кодом (0001). Уровень 1 с выхода Q ₁ воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению. По окончании второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «0», а второй разряд переключается в состояние «1». В счетчике записывается число 2 с кодом 0010. Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом последующих импульсов. По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а 16-й импульс переключает первый разряд счетчика в состояние «0». Уровень Q ₁=1 переводит второй разряд счетчика в состояние Q₂= 0, что в свою очередь вызывает Q ₃= 0, а затем и Q ₄ = 0, т.е. счетчик переходит в исходное состояние.

Если на счетный вход каждого последующего триггера счетчика подать сигнал с инвертирующего выхода предыдущего триггера, то счетчик будет осуществлять операцию вычитания, т.е. будет вычитающим.

Счетчик с параллельным переносом (синхронный) (рис.4).

Счетчик с параллельным переносом характеризуется большим быстродействием, поскольку счетные импульсы воздействуют одновременно на все триггеры. Условие переключения определяет логический элемент И, включенный на входе V (тактовый вход) каждого разряда счетчика. На выходе этого элемента формируется разрешающий переключение сигнал, если предыдущие разряды имеют состояние логической «1». Таким образом, с поступлением каждого счетного импульса переключаются те триггеры, которым предшествуют разряды с состоянием логической «1» на выходах. При выполнении счетчика формируется сигнал переноса CR в старший разряд. Наличие выхода сигнала переноса позволяет объединять между собой группы четырехразрядных счетчиков путем соединения выхода переноса одной группы со счетным входом другой (т.е. наращивать разрядность).

Делитель частоты в процессе работы двоичного счетчика частоты следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой входных импульсов (рис.2). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты. При этом входная f вх и выходная f вых частоты счетчика связаны соотношением f вых = f вх / Ксч.

Счетчики с Ксч ¹ 2 ^N .  В рассмотренных двоичных счетчиках Ксч связан с числом разрядов N зависимостью Ксч = 2 ^N  и может быть равен 2,4,8,1 и т.д. Однако на практике часто возникает необходимость в счетчиках с коэффициентом счета Ксч = 3,10 и т.д.

Такие счетчики выполняются на основе двоичных счетчиков. Общий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с Ксч = 2 ^N соответствующего числа “избыточных” состояний. Число избыточных (запрещенных) состояний S определяется разностью:

                        S = 2 ^N – Ксч,

где 2 ^N – количество состояний двоичного счетчика,

Ксч – требуемый коэффициент счета.

Способы построения счетчиков с коэффициентом счета Ксч ¹ 2 N достаточно разнообразны. Наибольшее распространение получил способ принудительной установки в состояние «0» всех разрядов двоичного счетчика (счетчики с естественным порядком счета). В них порядок счета такой же, как и в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения дополнительных связей счет заканчивается раньше значения 2 N. Так, у счетчика с Ксч = 10 переход разрядов в состояние «0» будет происходить с приходом не 16-го, а 10-го счетного импульса («система 16-6»). Счетчики с Ксч = 10 называют десятичными или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа импульсов с последующим отображением результата. Десятичные счетчики часто включают последовательно (рис.5). Последовательное соединение двух схем десятичного счета дает перерасчет на 100, трех – на 1000 и т.д. Первая декада производит счет единиц входных импульсов от 0 до 9. Десятый импульс устанавливает разряды первой декады в состояние «0», а формируемый ею на выходе импульс записывает «1» во вторую декаду, что соответствует числу 10. Вторая декада считает десятки (от 10 до 99), третья - сотни (от 100 до 999) и т.д.

Если в пределах всех декад счет ведется в двоичной системе счисления, то, например, числу 978 будет отвечать код 1001 0111 1000, характеризующий двоично-десятичную систему счисления всего счетного устройства.

Регистры. Регистры предназначены для записи и хранения кода. Некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например, из последовательной формы представления в параллельную и обратно, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону старшего или младшего разряда, инвертировать код.

В зависимости от способа записи информации (код числа) различают параллельные, последовательные, параллельно-последовательные регистры. По назначению регистры разделяют на регистры хранения и сдвига.

Параллельные регистры (регистры хранения). В параллельных регистрах запись двоичного числа осуществляется параллельным кодом, т.е. во все разряды регистра одновременно.

Их функция сводится только к приему, хранению и передаче информации (двоичного числа). В связи с этим параллельные регистры также называют регистрами хранения.

Принцип построения параллельных регистров иллюстрируется их структурной схемой (рис.6) для четырехразрядной цифровой информации. Обозначения на рисунке: Т₁ – триггер младшего разряда; Т₄ – триггер старшего разряда; Э₁ – Э₄ – элементы предназначенные для управления записью информации в регистр; Э₅ – Э₈ – элементы, служащие для управления считыванием информации из регистра.

Перед записью двоичного числа все триггеры устанавливают в состояние «0» подачей импульса по входу «Установка нуля». Для записи в регистр входной информации подают импульс записи, открывающий входные элементы И.

Код входного числа записывается в регистр. Например, на входе присутствует код 1011, что соответствует числу 11, то это же число будет записано в регистр. По окончании операции записи информация, записанная в регистр, сохраняется, несмотря на то, что входная информация (число) может изменяться.

Для считывания информации подают импульс по входу «Считывание». На выходные шины регистра подается код числа, записанного в регистре. При этом число, записанное в регистр, сохраняется. При построении регистров этого типа наибольшее распространение получили D- триггеры.

Последовательные регистры (регистры сдвига). Регистры сдвига характеризуются записью числа последовательным кодом. Регистр состоит из последовательно соединенных двоичных ячеек памяти, состояние которых передается (сдвигается) на последующие ячейки под действием тактовых импульсов.

Регистры сдвига выполняют по структурной схеме рис.7, показанной для четырех разрядов. Первая ячейка относится к его младшему разряду, а четвертая ­– к старшему. При таком расположении разрядов, запись числа в регистр производится с его старшего разряда. При обратном расположении разрядов в регистре, запись числа должна начинаться с его младшего разряда.

Тактовые импульсы подаются на все триггеры ячеек одновременно. Их воздействие направлено на переключение триггеров из состояния «1» в состояние «0» с записью единицы в триггер следующей ячейки. На рис.8 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс записи информации в регистр. В качестве примера взят код 1011, соответствующий числу 11. Перед записью информации регистр устанавливают в состояние «0». Для этого в отсутствии сигнала на входе подается серия тактовых импульсов с числом, равным количеству разрядов в регистре. При записи одновременно с поступлением кода числа, подаются тактовые импульсы. Тактовыми импульсами осуществляется продвижение информации от младшего разряда регистра к старшему. В результате после четвертого тактового импульса, ячейки регистра принимают состояние, соответствующее коду принятого четырехразрядного числа.

Операция считывания информации из последовательного регистра может быть проведена в параллельном или последовательном коде. Для передачи информации в параллельном коде используют выходы разрядов регистра. Таким образом, последовательный регистр может выполнять операцию считывания последовательного кода в параллельный. Считывание информации в последовательном коде реализуется подачей серии тактовых импульсов.

В последовательном регистре записанное число может быть сдвинуто тактовыми импульсами на один или несколько (n) разрядов. Операции сдвига соответствуют умножению числа на «2» Например, сдвиг кода 0010 числа 2 на один разряд дает код 0100 (число 4), на два разряда - код 1000 (число 8).

Для реализации ячеек используются триггеры с внутренней задержкой (R- S _t - , J- K _t - , D _t – триггеры).

Параллельно – последовательные и реверсивные регистры.

В параллельно-последовательных регистрах сочетаются свойства регистров параллельного и последовательного действия. Они позволяют осуществлять запись информации как в последовательном, так и в параллельном коде, в связи с чем могут быть использованы для преобразования кодов из последовательного в параллельный и обратно. На рис. 9 приведена структурная схема параллельно-последовательного регистра. Для преобразования последовательного кода в параллельный серией тактовых импульсов, в регистр записывается информация (число) последовательного кода. Выходы разрядов регистра при этом представляют ту же информацию в параллельном коде. Для обратного преобразования информации в регистр вводится по входам параллельного кода.

Реверсивные регистры предназначены для осуществления сдвига кода числа в сторону как старшего, так и младшего разрядов. Регистр содержит связи последовательной передачи информации в направлении от младших разрядов к старшим и наоборот. Прямой или обратный сдвиг кода осуществляют управляющим сигналом, вводящим в действие либо прямую, либо обратную связи между разрядами.

Если замкнуть выход регистра сдвига на его вход, то получится кольцевой счетчик, в котором будут циркулировать записанные одна или несколько кодовых единиц. Схема такого счетчика на n разрядов приведена на рис.10. Перед началом счета импульсом в нулевой разряд счетчика (Q ₀) записывается «1», в остальные разряды - «0». С началом счета каждый из приходящих счетных импульсов Т перезаписывает 1 в следующий триггер и число поступивших импульсов определяется по номеру выхода, на котором имеется 1. Предпоследний (N – 1) импульс переведет в единичное состояние последний триггер, а N импульс перенесет это состояние на выход нулевого триггера, и счет начнется сначала. Таким образом, можно построить кольцевой счетчик с произвольным коэффициентом (любым основанием счисления), изменяя лишь число триггеров в цепочке.

Дешифраторы, шифраторы. Дешифратор преобразует код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов. Дешифраторы широко применяются в устройствах управления, в системах цифровой индикации, для построения распределителей импульсов по различным цепям и т.п.

В общем случае дешифратор имеет n входов и 2 ^n-1 выхода, где каждому значению двоичного кода на входе соответствует сигнал на одном вполне определенном выходе, на остальных выходах сигналы отсутствуют. На рис.11а.б приведены принципиальная схема дешифратора на четыре входа и десять выходов и таблица переключений. Как видно их таблицы, любому входному двоичному коду соответствует низкий уровень только на определенном выходе, а на всех сохраняется высокий уровень. Дешифратор построен с помощью десяти четырехвходовых логических элементов И-НЕ и элементов НЕ.

Шифратор наоборот преобразует одиночный сигнал в n - разрядный двоичный код. Наибольшее применение он находит в устройствах информации (пультах управления) для преобразования десятичных чисел в двоичную систему счисления. Предположим, на пульте десять клавишей с тарировкой от 0 до 9. При нажатии любой из них на вход шифратора подается единичный сигнал (Х0¸Х9). На выходе шифратора должен появиться двоичный код (У1, У2, У3, У4) этого десятичного числа. Как видно из таблицы переключений (рис.12б), в этом случае нужен преобразователь с десятью входами и четырьмя выходами. На выходе У1 единица появляется при нажатии любой нечетной клавиши Х1, Х3, Х5, Х7, Х9 т.е. У1 = Х1Ú Х3ÚХ5ÚХ7ÚХ9. Для остальных выходов логические выражения имеют вид: У2 = Х2ÚХ3ÚХ6ÚХ7; У3= Х4ÚХ5ÚХ6ÚХ7; У4 = Х8ÚХ9. Следовательно, для шифратора понадобятся четыре элемента ИЛИ: пятивходовый, два четырехвходовых и двухвходовый (рис.12а).

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В лабораторной установке использованы микросхемы серии К155; четырехразрядный реверсивный счетчик К 155 ИЕ 7, два четырехразрядных сдвиговых регистра К 155 ИР 1, логические элементы И (К 155 ЛИ1), НЕ (К 155 ЛН1), ИЛИ-НЕ (К 155 ЛЕ1).

На рис.13 приведены условные обозначения микросхем и назначение выводов.

На панели установки расположены тумблеры, кнопки и гнезда для управления режимами работы цифровых устройств. Состояние триггеров счетчика, регистров и кода вводимого числа индуцируются светодиодами. В работе предусмотрена возможность ввода числа в сдвиговый регистр 1 параллельным или последовательным кодом. Параллельный код задается с помощью набора тумблеров «код числа», последовательный – кнопкой «код разряда». В счетчик число может быть введено параллельным кодом со сдвигового регистра 1, последовательным кодом путем подачи на вход счетчика одиночных импульсов от генератора одиночных импульсов ГОИ.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ

А. Выполняется при подготовке к работе.

1. Синтезировать в базисе НЕ, ИЛИ – НЕ схему шифратора в двоичном коде на 4 входа (1, 2, 3, 4). Записать таблицу переключений.

2. Синтезировать в базисе НЕ, И схему дешифратора на два двоичных разряда (4 выхода). Записать таблицу переключений.

3. Составить таблицу перевода десятичных чисел от 0 до 15 в двоичный код.

Б. Выполняется в лаборатории.

1. Поочередно ввести параллельным кодом заданные десятичные числа от 0 до 15 в регистр 1. Определить, влияет ли на правильность ввода исходное состояние регистра.

2. Поочередно ввести в регистр 1 заданные десятичные числа от 0 дол 15 последовательным кодом.

3. Ввести в регистр 1 любое десятичное число от 1 до 15 . Подключить к регистру 1 регистр 2 и перевести последовательным кодом введенное число в регистр 2.

4. Перевести в нулевое состояние оба регистра и ввести в регистр 1 логическую «1». Собрать схему кольцевого счетчика. Закольцевать регистры. С помощью генератора импульсов (или генератора одиночных импульсов) осуществить циркуляцию единицы в кольце регистров.

5. Подавая на вход счетчика одиночные импульсы, убедиться в его работоспособности в режиме суммирования и вычитания.

6. Ввести в счетчик параллельным кодом заданное десятичное N ₁ число с регистра 1.

7. В режиме суммирования ввести в счетчик последовательным кодом от ГОИ другое заданное число N₂. Убедиться в правильности выполнения операции суммирования (N = N₁ + N₂). Выполнить те же операции в режиме вычитания (N = N₁ – N₂).

8. Собрать схему дешифратора на 2 разряда. Убедиться в его работоспособности.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

1. Для ввода параллельного кода в регистр 1 устанавливают переключатель «КОД» в положение «ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ». Переключателями «КОД ЧИСЛА» набирают заданное десятичное число в двоичном коде. Выход генератора одиночных импульсов «ГОИ» подключают к гнезду С2 (тактовый вход параллельной загрузки). Нажатием кнопки генератора ГОИ код вводится в регистр 1. Для перевода регистра 1 в нулевое состояние в него вводят «нуль» двоичного кода.

2. Для ввода последовательного кода устанавливают переключатель «КОД» в положение «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ». Выход ГОИ соединяют с гнездом С1 (тактовый вход последовательной загрузки). Ввод числа начинают со старшего разряда. Кнопкой «КОД РАЗРЯДА» задают код разряда 0 или 1 (кнопка нажата) и нажатием кнопки ГОИ вводят код в регистр 1. Аналогично вводятся остальные разряды. Для перевода регистра 1 в нулевое состояние поочередным нажатием кнопки ГОИ в разряды записываются "нули".

3. Регистр 2 подключается к регистру 1 переключением тумблера «РЕГИСТР 2» в положение ВКЛ. Подключение регистра 2 осуществлять после ввода в регистр 1 заданного числа. Сдвиг заданного числа из регистра 1 в регистр 2 выполняют поочередным нажатием кнопки ГОИ, выход которого подключен к гнезду С1 для ввода последовательного кода. Переключатель «КОД» в положении «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ».

4. После загрузки в регистр 1 в режиме последовательного кода логической «1», подключают регистр 2 к регистру 1 тумблером «РЕГИСТР 2». Выход регистра 2 соединяют со входом последовательной загрузки регистра 1 (гнездо S1). Тактовый вход С1 регистра 1 в зависимости от режима циркуляции единицы в кольце (автоматический или ручной) должен быть подключен к выходу ГОИ или ГИ.

5. Переключение счетчика в режим суммирования или вычитания осуществляется тумблером «РЕЖИМ СЧЕТА».

6. Ввод в счетчик параллельным кодом числа с регистра 1 осуществляется нажатием кнопки «ЗАПИСЬ В СЧЕТЧИК».

7. Монтаж схем шифратора и дешифратора выполняют на установке к лабораторной работе «Исследование логических элементов и устройств» в соответствии с методическими указаниями к этой работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается преимущество представления чисел в двоичном коде.

2. Что такое регистр и его назначение.

3. Как работает счетчик импульсов. Типы счетчиков.

4. Кольцевые счетчики на регистрах. Принцип действия. Назначение.

5. В чем заключаются преимущества и недостатки параллельного или последовательного способа передачи цифровой информации.

6. Чем обеспечивается в работе счетчика переход из режима сложения в режим вычитания.

7. Каким образом вводится в регистр заданное число параллельным или последовательным кодом.

8. Что такое дешифратор и шифратор. Назначение. Принцип работы.

9. Делители частоты на счетчиках. Принцип работы. Коэффициент деления.

10. Счетчики с Ксч ¹ 2 ^N. Принципы построения. Декадный счетчик. Что такое двоично-десятичная система счисления.

Рис. 1. Схема четырехразрядного счетчика (асинхронного).

Рис. 2. Временные диаграммы четырех- Рис.3. Таблица состояний четырех-

разрядного асинхронного счетчика.              разрядного асинхронного счетчика.

Рис. 4. Схема синхронного счетчика четырехразрядного.

Рис.5. Структурная схема последовательного включения десятичных счетчиков.

Рис. 6. Структурная схема параллельных регистров.

Рис. 7. Структурная схема последовательных регистров.

Рис. 8. Временные диаграммы последовательных регистров.

Рис. 9. Структурная схема параллельно-последовательных регистров.

Рис. 10. Структурная схема кольцевого счетчика.

Рис. 11. Дешифратор: а) принципиальная схема, б) таблица переключений.

Рис. 12. Шифратор: а) принципиальная схема, б) таблица переключений.

Рис. 13.

ВОПРОСЫ

1. Счетчики. Назначение. Типы счетчиков, их назначение.

2. Основные показатели счетчиков. Делитель частоты.

3. Регистры. Назначение. Типы регистров.

4. Параллельные регистры. Методика записи и считывания информации.

5. Последовательные регистры. Методика записи и считывания информации. Умножение «на 2».

6. Дешифраторы и шифраторы. Назначение. Таблица истинности для дешифратора на 2 разряда и шифратора на 4 входа.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры