Порядок синтеза многофункционального регистра сдвига

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

Кафедра прикладной математики и информатики

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Арифметические, логические и                                                  алгоритмические основы вычислительной техники»

 

Тема: Порядок синтеза многофункционального регистра сдвига

 

 

 

Выполнил: студент 3 курса 

Титаренко Илья   

Преподаватель: кандидат 

            физико-математических наук,

доцент Макоха А.Н.  

 

 

 

Ставрополь, 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................3

1 НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ РЕГИСТРОВ..........................5

1.1. Классификация по виду выполняемых микроопераций.......5

1.2. Классификация по способу приема и выдачи данных...........5

1.3. Классификация по количеству каналов передачи..................6

1.4. Прием информации в регистр с его установкой в «0» или без установки.........................................................................................6

1.5. Примеры логических операций на регистрах..........................8

2 СИНТЕЗ РЕГИСТРОВ СДВИГА.................................................................9

3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.........................................................................14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................18

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ...............................................................19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Регистры – самые распространенные узлы цифровых устройств. Они оперируют с множеством связанных переменных, составляющих машинное слово. Над словами выполняется ряд микроопераций. Регистры предназначены для приема, временного хранения и выдачи данных.

Чаще всего данные сохраняются в регистре на время  выполнения одной или нескольких машинных команд. Кроме хранения данных регистры могут выполнять и другие операции (поразрядные логические  операции, сдвиг двоичного кода  данных вправо или влево на заданное число разрядов). Основу регистра составляют триггеры, число которых равно разрядности хранимых данных. Триггер — это запоминающий элемент с двумя (или более) устойчивыми состояниями, изменение которых происходит под действием входных сигналов и предназначен для хранения одного бита информации, то есть логический “0” или логическую “1”. Все разновидности триггеров представляют собой элементарный автомат, включающий собственно элемент памяти (ЭП) и комбинационную схему (КС), которая может называться схемой управления или входной логикой. Существуют следующие типы триггеров:

• RS-триггеры

триггеры, сохраняющие своё предыдущее состояние при нулевых входах, и меняющие своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы. При подаче единицы на вход S выходное состояние становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход R выходное состояние становится равным логическому нулю.

• D-триггеры

триггеры, запоминающие состояние входа и выдающие его на выход.  D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D и синхронизации С. После прихода активного фронта импульса синхронизации на вход С D-триггер открывается. Сохранение информации в D-триггерах происходит после спада импульса синхронизации С. Так как информация на выходе остаётся неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защёлкой

• Т-триггеры

триггеры, часто называемые счётными триггерами, так как они являются простейшими счётчиками до 2. Т-триггер часто применяют для понижения частоты в 2 раза, при этом на Т вход подают единицу, а на С — сигнал с частотой, которая будет поделена на 2.

• JK-триггеры

работают так же как RS-триггеры, с одним лишь исключением: при  подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. Вход J аналогичен входу S у RS-триггера. Вход K аналогичен входу R у RS-триггера. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становится равным логическому нулю. На базе JK-триггера возможно построить D-триггер или Т-триггер, так он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединив входы J и К.

 

 

 

 

 

 

1. Назначение и классификация регистров

Регистром называется устройство, предназначенное для временного хранения кода чисел, а также для выполнения некоторых логических преобразований над кодами чисел.  Регистры состоят из разрядных схем, в которые входят запоминающие и логические элементы. Логические элементы позволяют выполнять ряд микроопераций, таких как установка регистра в нуль, прием, выдача, сдвиг, преобразование кодов (из прямого в обратный код и наоборот, последовательного в параллельный или параллельного в последовательный коды), поразрядное логическое сложение, поразрядное логическое умножение, сравнение кодов.

1.1. Классификация по виду выполняемых микроопераций

По виду выполняемых микроопераций над словами различают регистры для приема, передачи и сдвига информации. Для выполнения микроопераций в регистрах используются специальные сигналы, которые подаются на входные и выходные вентили триггеров регистра.

1.2. Классификация по способу приема и выдачи данных

Главным классификационным признаком регистров является способ приема и выдачи данных. 

По этому признаку различают параллельные (статические), последовательные (сдвигающие) и параллельно-последовательные регистры. При параллельном приеме кода слова все разряды кода подаются одновременно на входы регистра. В них хранятся слова, которые могут быть подвергнуты поразрядным логическим преобразованиям.

При последовательном приеме слова  разряды кода принимаются последовательно во времени один за другим. Их называют сдвигающими, так как тактирующие сигналы при вводе и выводе слов перемещают их в разрядной сетке. В этом случае в регистре происходит сдвиг кода на один разряд перед приемом очередного разряда. 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. Имеются  варианты с последовательным входом и параллельным выходом, параллельным входом и последовательным выходом, а также варианты с возможностью любого сочетания способом приема и выдачи слов.

1.3. Классификация по количеству каналов передачи

По количеству каналов передачи, по которым поступает информация на входы разрядов, регистры делятся на однофазные и парафазные. В однофазных регистрах информация поступает на каждый разряд только по одному каналу (прямому или инверсному), а в парафазных – по обоим каналам. По системе синхронизации, то есть по количеству тактов управления, необходимых для записи кода слова, различают однотактные, двухтактные и многотактные регистры.

1.4. Прием информации в регистр с его установкой в «0» или без установки

Прием информации в регистр обычно производится после предварительной  установки его в нуль (рис.1). В этом случае сначала подается управляющий сигнал на шину «Уст. 0». Разряды числа подаются на единичные входы. Затем управляющий сигнал подается на шину «Прием информации». Он разрешает занесение кода в регистр. Записанный в регистр код двоичного слова может храниться до тех пор, пока регистр не будет установлен  сигналом «Уст. 0» в нулевое состояние. На рис.2 показана схема приема информации на регистр без предварительной установки в нуль, для этого используется парафазный код.

Сигнал  «Прием слова» в регистр обычно импульсный, так как кратковременное подключение регистра к кодовой шине слова уменьшает вероятность занесения в регистр ошибочной информации.

   В  процессе передачи информации  с одного регистра на другой  возможно преобразование кодов  слов и выполнение указанных  выше операций.

Вид преобразования или операции определяется организацией схем вентилей обмена информацией между регистрами и наличием управляющих сигналов. В параллельных регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса – установки, разрешения выхода или приема, то есть цепи управления.

Для современной  схемотехники характерно построение регистров  на            D-триггерах, преимущественно с динамическим управлением. Регистр на  D-триггерах позволяет принимать информацию без парафазного представления сигналов.   Регистры с отключаемыми выходами имеют дополнительный вход, устанавливающий режим выдачи кода слова с регистра или режим отключения регистра.Как правило, операция передачи слова с регистра выполняется в схемах с несколькими источниками информации, порознь подключенными к одному общему тракту передачи информации, и совмещается с операцией приема этого слова в регистр-приемник.

1.5. Примеры логических  операций на регистрах

   Пример 1. На рис.3 приведен один из возможных вариантов схемы регистра, выполняющего операцию дизъюнкции, а на рис.4 – вариант схемы выполнения операции конъюнкции.

 

2. Синтез регистров сдвига

Операция сдвига кода – это перемещение  в регистре всех разрядов кода числа  на одинаковое число разрядов влево  или вправо. Регистры, осуществляющие сдвиг кода вправо или влево в  зависимости от управляющих сигналов, называются реверсивными  сдвигающими регистрами. Сдвиги могут выполняться на один или несколько разрядов. На основе сдвигающего регистра можно построить кольцевой регистр, если выход старшего разряда соединить с входом младшего разряда. Тогда информация, сдвигаемая из старших разрядов, принимается на вход младших разрядов. На рисунке 6 приведена схема регистра сдвига на один разряд вправо на JK-триггерах

Сдвиг на один разряд выполняется  подачей одного импульса на шину сдвига. В момент поступления этого импульса значения сигналов на входах J и K каждого триггера определяют его переход в новое состояние. Это новое состояние каждый триггер принимает после окончания импульса сдвига. Одной из основных характеристик регистра сдвига является быстродействие, определяемое временем сдвига на один или несколько разрядов одновременно. Значение времени сдвига равно промежутку времени между моментом поступления импульса на шину сдвига и моментом окончания переходного процесса в схеме, вызванного этим импульсом. Обобщенная схема логической структуры многофункционального регистра сдвига приведена на рисунке 7.

На входы комбинационной схемы   поступают сигналы с выходов  триггеров, а также сигналы, приходящие извне по шинам  х1, х2, …, хn. Назначение шин управления состоит в том, чтобы из всех микроопераций сдвига, выполняемых регистром, выбрать одну, требуемую в данный момент времени.

   Таким образом, сигналы,  поступающие по шинам управления, настраивают определенную цепь  сдвига от одних триггеров  к другим и запрещают работу  остальных цепей. Сигналы   с выходов комбинационной схемы  подаются на входы триггеров. 

Функции возбуждения входов i-го триггера можно записать в следующем виде:

qJi = fJi [Q1(t), Q2(t), …, Qn(t), x1, x2, …, xn];

qKi =fKi [Q1(t), Q2(t), …, Qn(t), x1, x2, …, xn].

   Значения функций и всех переменных в этом выражении определены для одного и того же момента времени t.

   Функциям возбуждения триггеров   соответствуют комбинационные схемы,  формирующие входные сигналы  для этих триггеров. 

Следовательно, если задан тип триггера, то задача логического проектирования схемы регистра сдвига заключается  в составлении функций возбуждения каждого триггера и минимизации  найденных функций в заданном базисе.

   Таблица переходов и матрица  переходов JK–триггера имеют соответственно вид таблиц 1 и 2.

Изучим метод синтеза регистра сдвига на конкретном примере.  Пусть  необходимо спроектировать реверсивный регистр сдвига на один разряд влево и вправо. Число управляющих шин зависит от числа К микроопераций сдвига, который должен выполнять проектируемый регистр, и определяется следующим образом:

В нашем случае необходимо выполнить  две микрооперации: сдвиг влево и сдвиг вправо, следовательно, m = 1, то есть требуется одна шина управления.

   Кодированная таблица переходов i-го разряда регистра представлена столбцами 1-5 таблицы 3. При ее составлении мы считаем, что значение x=0 соответствует сдвигу вправо на один разряд, а x=1 – сдвигу влево на один разряд (нумерация разрядов проводится слева направо).

Функции возбуждения i-го триггера примут вид:

              qJi(t) = fJi [Qi+1(t), Qi-1(t), x],  

qKi(t) = fki [Qi+1(t), Qi-1(t), x].

Очевидно, достаточно получить выражения  только для одного триггера, поскольку структура регистра регулярна. В столбцах 6-7 таблицы 3 записаны функции возбуждения JK–триггеров.

Для составления функции возбуждения i-го триггера в явном виде воспользуемся матрицей переходов (таблица 2) JK–триггера. Рассмотрим первую строку таблицы 3. Триггер из состояния Q = 0 должен при поступлении сигнала на шину сдвига перенять состояние      (i–1)–го триггера, поскольку x=0, то есть для i–го триггера необходимо осуществить переход типа 0-0.