Гласман К.Ф., Алексеева Л.А., Покопцева М.Н. Цифровые устройства и микропроцессоры (часть 2)

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО КУЛЬТУРЕ И КИНЕМАТОГРАФИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»

Кафедра видеотехники

ГЛАСМАН К.Ф., АЛЕКСЕЕВА Л.А., ПОКОПЦЕВА М.Н.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

МИКРОПРОЦЕССОРЫ

Учебное пособие

для студентов специальности 210312

«Аудиовизуальная техника»

Часть 2

Санкт-Петербург

2008

УДК 778

Гласман К.Ф., Алексеева Л.А., Покопцева М.Н. Цифровые устройства

и микропроцессоры: Учебное пособие. Часть 2. – СПб.: изд. СПбГУКиТ,

2008. – 86 с.

Учебное пособие «Цифровые устройства и микропроцессоры»

предназначено для студентов факультета аудиовизуальной техники

дневного, вечернего и заочного отделений, обучающихся по

специальности 210312 «Аудиовизуальная техника».

В части 2 учебного пособия рассматриваются принципы построения

последовательностных устройств цифровой техники: регистров, счетчиков,

цифровых формирователей импульсов. Большое внимание уделяется

вопросам расширения функциональных возможностей устройств,

например наращиванию разрядности счетчиков и др. Приводятся схемы

обработки асинхронных сигналов. В ученое пособие также включены

разделы, посвященные запоминающим устройствам, ПЛИС, цифро-

аналоговым и аналого-цифровым преобразователям.

Рецензент – доцент кафедры электротехники В.И. Цветков

Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия кафедрой

видеотехники. Протокол № 13 от 8 мая 2008 г.

Одобрено к изданию Советом ФАВТ. Протокол № 8 от 29 мая 2008 г.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА

4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА

К последовательностным устройствам относятся схемы, выходные

переменные которых зависят не только от текущих значений входных

переменных, но и от последовательности значений входных переменных в

предшествующих тактах. Это означает, что последовательностные

устройства имеют в своем составе, как комбинационные схемы, так и

память (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Обобщенная схема

последовательностного устройства

Переменные , определяющие состояние

устройства, запоминаются на длительность такта и поступают на вход

устройства вместе с k входными переменными . В

качестве памяти может использоваться, например, система из m

динамических триггеров, синхронизируемых тактовыми импульсами .

Значения l выходных переменных

),...,,(

21 m

zzzZ =

( yY

),...,,(

21 k

xxxX =

),...,,

21 l

в -м такте

определяются значениями входных переменных в этом же такте и

состоянием устройства в -м такте . Объединение в систему

комбинационных схем и памяти позволяет создавать устройства с

широким спектром функциональных возможностей.

)1( +n

1+n

4.1. Регистры

Регистрами называются устройства, основное назначение которых -

хранение данных, представленных в цифровой форме. Занесение данных в

регистр производится во время операции ввода, или записи. Выдача

информации в другие устройства носит название операции вывода, или

считывания. По способу ввода и вывода регистры делятся на:

− параллельные,

− последовательные.

В параллельных регистрах все разряды слова данных вводятся и

выводятся одновременно. Такие регистры также называют регистрами

памяти. В последовательных регистрах за один такт вводится (или

выводится) один бит слова данных. Поскольку таким же способом можно

сдвигать кодовые слова на некоторое количество разрядов,

последовательные регистры носят также название регистров сдвига.

Существуют и универсальные регистры.

4.1.1. Регистр памяти

Регистр памяти представляет собой систему синхронных триггеров

(чаще всего D-триггеров) с общим тактовым входом и независимыми

входами и выходами (рис. 4.2).

Рис. 4.2. 4-разрядный регистр памяти:

а – схема, б – УГО

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА

Ввод и вывод данных производится одновременно во всех разрядах.

Запись выполняется при поступлении тактового импульса (в приведенной

схеме при , так как используются статические синхронные триггеры).

В отсутствие тактовых импульсов (при

1=C

) регистр работает в режиме

хранения. С приходом очередного тактового импульса происходит

обновление записанных ранее данных.

Для построения регистров памяти в принципе можно использовать

как статические, так и динамические триггеры. Наращивание разрядности

регистра достигается увеличением числа триггеров и подключением их

тактовых входов к общей линии синхронизации.

Примеры ИС:

К155ТМ5 - 4 статических синхронных D-триггера с попарно

объединенными входами синхронизации.

К155ТМ8 - 4 динамических D-триггера с общим входом

синхронизации и общим входом сброса.

К155ИР15 - 4-разрядный регистр памяти с тремя состояниями на

выходах.

4.1.2. Регистр сдвига

Регистр сдвига, воспринимающий входные данные в

последовательной форме, можно построить, например, на динамических

D-триггерах, соединенных последовательно и имеющих общий вход

синхронизации (рис. 4.3а). Временные диаграммы, иллюстрирующие

работу регистра, приведены на рис.4.3б. На этих диаграммах показано, как

в регистр вводится последовательно (начиная со старшего разряда) слово

данных 1011.

Предполагается, что до записи все триггеры находятся в нулевом

состоянии. С первым тактовым импульсом в первый триггер записывается

«единица» старшего разряда слова. Выход этого триггера переходит в

1 спустя время задержки. Динамический D-триггер воспринимает

информацию со входа

в интервале времени, окружающем вход

синхроимпульса (он определяется временами установления и удержания,

что показано на рис.2.20 [1]). Так как время задержки превышает время

удержания, то второй триггер в первом такте остается в правом состоянии

(точнее - в него записывается 0, который был в нулевом триггере до

синхроимпульса).

Рис. 4.3. 4-разрядный регистр сдвига:

а – схема, б – УГО

С приходом второго тактового импульса в первый триггер

записывается 0 - второй разряд слова, а второй триггер устанавливается в

1, т.е. в то состояние, в котором находился первый триггер в первом такте.

Таким же образом происходит запись данных и в последующие триггеры.

При этом бит входного слова сдвигается с каждым тактовым импульсом от

одного триггера к другому. После четвертого импульса старший разряд

слова появляется на выходе регистра . (при этом в первый триггер

записывается младший бит). Если тактовые импульсы продолжают

поступать, то на выходе появляются последовательно остальные биты

входного слова данных, т.е. происходит последовательный ввод

информации. Это показывает, что регистр сдвига можно использовать не

только как устройство хранения данных, но и как схему задержки на число

тактов, равное количеству триггеров регистра.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА

После четвертого тактового импульса запись окончена и слово

данных, поступавшее на вход регистра последовательно, появляется на

выходах в параллельной форме. Его можно в этом такте ввести в

регистр памяти и затем обрабатывать все разряды одновременно. В этом

случае регистр сдвига можно рассматривать как преобразователь

последовательного кода в параллельный.

QQ −

Надо иметь в виду, что регистр сдвига нельзя строить из триггеров,

«прозрачных» во время синхроимпульса (статических синхронных).

Необходимо применять для этой цели динамические триггеры или

двухступенчатые триггеры типа М-S.

4.1.3. Кольцевой регистр

При необходимости можно последовательно вводить данные в

регистр сдвига и считывать их также в последовательной форме, но без

стирания. Для этого нужно снова вводить данные в регистр с помощью

обратной связи (рис.4.4). Если сигнал управления

равен 1, то на выход

мультиплексора проходят данные со входа и обратная связь не

действует. Информация вводится в регистр сдвига в последовательной

форме. За тактов в регистре будет записано -разрядное

кодовое слово ( - разрядность регистра, т.е. количество триггеров).

Если после этого примет значение 0, то выход регистра будет

подключен ко входу и кодовое слово начнет циркулировать в регистре.

)1( +n

)1+

Мультиплексор на два входа нетрудно построить на логических

элементах.

Рис. 4.4. Кольцевой регистр

4.1.4. Универсальный регистр

Регистр памяти (рис.4.2) работает в режиме параллельной записи и

параллельного вывода данных. В регистр сдвига (рис.4.3) информация

вводится в последовательной форме, а вывести данные можно как в

последовательном, так и в параллельном коде. При этом сдвиг

выполняется в регистре в одном направлении (от младшего разряда к

старшему, или слева направо). Универсальный регистр сочетает

возможности этих регистров, т.е. допускает и ввод и вывод как в

параллельной форме, так и в последовательной. Возможно и изменение

направления сдвига (реверсирование).

Фрагмент схемы универсального регистра показан на рис.4.5. Если

на входах управления и . комбинация

, то схема

стробирования И не пропускает тактовые импульсы и все триггеры

регистра хранят ранее записанную информацию.

Рис. 4.5. Универсальный регистр

(фрагмент схемы)

При

= SS

к выходу мультиплексора подключен вход , и на

вход данных триггера поступает сигнал с входа параллельного ввода

информации (аналогичным способом поступают данные и на

остальные триггеры регистра через вспомогательные мультиплексоры).

Если и , то на выход мультиплексора проходят данные с

входа D

, т.е. выход триггера соединяется (через мультиплексор)

со входом

1−

1−n

триггера . Таким же образом подключается ко входу

триггера и т.д. Регистр при таких управляющих сигналах работает в

режиме сдвига вправо. Если же

1+n

, то выход триггера

подключается к входу триггера и регистр переводится в режим

сдвига влево (регистры с переключаемым направлением сдвига

1+n

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА

называются реверсивными). И сдвиг данных, и параллельный ввод

выполняются по фронту тактовых импульсов.

Универсальные регистры обладают большими функциональными

возможностями. Они могут использоваться в качестве буферной памяти,

схемы задержки, преобразователя последовательных кодов в параллельные

и наоборот, делителя частоты, кольцевого распределителя импульсов и т.д.

Примеры ИС:

К155ИР1 - 4-разрядный универсальный регистр (реверсирование

достигается внешней коммутацией).

К155ИР13 - 8-разрядный универсальный регистр (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Универсальный регистр сдвига К155ИР13

Режимы работы регистра К155ИР13 приведены в таблице 4.1. При

параллельном вводе в триггеры регистра записывают данные с входов

(ввод синхронный). В режиме сдвига вправо триггеры соединены

последовательно и на вход триггера самого младшего разряда ( .)

поступают данные с входа

DD −

. При сдвиге влево данные также вводятся в

последовательной форме. С входа

они поступают на вход триггера

самого старшего разряда ( ). Вход сброса (установки всех триггеров в 0)

является асинхронным.

Таблица 4.1

Режимы работы регистра К155ИР13

S0 S1 Режим

0 0 Хранение

1 1 Параллельный ввод

0 1

Сдвиг влево и ввод

1 0

Сдвиг вправо и ввод

При необходимости можно наращивать разрядность регистров.

Соединение регистров при этом осуществляется подобно тому, как

отдельные триггеры объединяются в регистр. Например, чтобы получить

регистр сдвига на 16 разрядов на двух ИС К155ИР13, нужно выход

первого регистра подключить к входу

второго, а выход второго

соединить со входом

первого. При этом все управляющие входы

(синхронизации, выбора режима, сброса) должны быть объединены.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2