книги / Основы применения интегральных логических элементов
..pdfводить параллельную запись кода в регистр. Запись осущест вляется нулевыми сигналами одновременно в оба триггера разряда, когда не действуют сигналы сдвига. Комбинация сигналов 5Л = RA = 0 приводит к неопределенному состоянию
триггера и поэтому как правило недопустима.
Если в рассмотренной схеме заменить элементы И — НЕ на элементы И Л И — НЕ, получим схему, двойственную исходной. В ней входы сдвига и синхронные входы разряда оказываются инверсными, а асинхронные входы'— прямыми.
Более экономичным по числу элементов и по числу меж элементных связей получается разряд регистра на элементах И — ИЛИ — НЕ (рис. 31,а). Он содержит всего четыре эле
мента, имеет подобно разряду на элементах И — НЕ прямые входы сдвига, прямые синхронные входы и инверсные асин хронные входы. При использовании микросхем серии ТТЛ за траты оборудования составляют две микросхемы на разряд, время полного переключения разряда— 4гср.
При необходимости иметь один синхронный вход на раз ряд, можно построить регистр с использованием ТУ £>-типа (рис. 31,6). В таком регистре время переключения разряда в новое состояние равно удвоенному времени записи в D-триг- гер, т. е. 8 тср.
Для преобразования разряда регистра в разряд счетчика необходимо дополнить разряд обратными связями в соответ ствии с рис. 29,6. Эти связи показаны на рис. 30, а, 31, а, 6
пунктиром. При наличии этих связей сигнал сдвига приводит к инвертированию состояния разряда.
Во всех рассмотренных схемах для осуществления сдвига
в регистре |
(или для воздействия на счетные входы счетчика) |
необходимо |
формировать два сдвиговых (счетных) сигнала |
CJ и С2, которые не должны разрешать запись одновременно |
|
в оба триггера разряда. Существует несколько способов фор мирования этих двух сигналов из одного.
1) Один из сдвиговых сигналов может быть сформирован инвертированием второго, как показано на рис. 31 ,б_ (С2 фор
мируется инвертированием С1). Поскольку С2 — С1, сигналы никогда не могут быть одновременно разрешающими. Для формирования второго сдвигового сигнала этим способом нужен один инвертор независимо от числа разрядов в ре гистре.
2) Способ запрещающих связей заключается в том, что сигналы, разрешающие запись во второй триггер разряда, формируются непосредственно внутри самого разряда (рис. 32, а). Для этого делаются связи с выходов элементов Э1УЭ2Уформирующих сигналы управления первым триггером,
на входы каждого из элементов Э5, Э6, управляющих вторым триггером. Таким образом, если в первый триггер произво дится запись, т. е. на выходе одного из элементов Э1УЭ2 имеется нулевой уровень, то он, попадая на входы элементов Э5, Э6, запрещает появление на их входах нуля, который мог бы изменить состояние второго триггера. И, наоборот, когда синхронизирующий единичный сигнал С1 окончился, на вхо дах Э1 и Э2 возникают единицы, разрешающие запись нового состояния во второй триггер. При этом способе формирования второго сдвигового сигнала несколько увеличиваются за траты оборудования, так как в схеме управления вторым триггером используются трехвходовые элементы вместо двух входовых. При использовании элементов ИЛИ — НЕ может ■быть построена схема триггера с запрещающими связями, двойственная рассмотренной.
3) Разряд регистра (рис. 32,6) также имеет один сдвиго вый вход. Это достигается за счет того, что в состав разряда входят два разных C^S-триггера, причем один из них (пер вый) построен по схеме рйс. 21, б и синхронизируется единич ным сигналом, а второй построен по схеме рис. 21,6 и син хронизируется нулевым сигналом. На входы синхронизации
42
подан один и тот же сигнал, и при единичном состоянии этого сигнала запись производится только в первый триггер раз ряда, а при нулевом— только во второй. Из всех рассмотрен ных схем эта наиболее экономичная по числу затраченного оборудования. Однако в ней возможно' проводить асинхрон ную запись по инверсным входам 5Л и RA только в первый триггер регистра. Второй триггер не имеет асинхронных вхо дов. Поэтому в этой схеме целесообразно считать первый триггер основным, а второй вспомогательным.
В схемах (рис. 31,6 и 32, а, б) один из триггеров разряда всегда находится в состоянии записи, т. е. синхронизирующий сигнал на его входе имеет разрешающее значение. Это об стоятельство позволяет проводить асинхронную запись только
в один из триггеров разряда (в основной), причем сигнал сдвига должен иметь такое значение, чтобы вспомогательный триггер повторял состояние основного. Например, в схеме (рис. 32, б) асинхронную запись возможно производить только в первый триггер (Э1, Э2), но если при этом С = 0, то состоя ние второго триггера повторяет состояние первого.,
Обе схемы (рис. 32, а, б) могут быть преобразованы в раз ряд счетчика. Счетные связи показаны на рисунках пунк тиром.
Ранее уже упоминалось, что при построении разрядов ре гистров и счетчиков используются схемы, в которых для за держки переключения основного триггера используется за держка срабатывания комбинационной схемы, формирующей сигналы управления основным триггером. Простейший разряд такого типа изображен на рис. 33, а. Он содержит основной триггер на элементах Э5, Э6 и схему управления на элемен тах Э1, . . . , Э4. Часть схемы, отделенная пунктиром, пред ставляет собой триггерное устройство D-типа, его вход обо значен буквой D. Добавление элементов Э1, Э2 приводит к тому, что триггер реагирует на состояние входа В /только
в течение короткого интервала времени после прихода разре шающего сигнала по входу С.
Работа разряда при сдвиге единицы и нуля поясняется временной диаграммой (рис. 33,6). Когда С = 0, на выходах
элементов ЭЗ и Э4 появляется единица. При этом сигнал на выходе элемента Э1 есть В, а сигнал на выходе Э2 — D = В, т. е. цепь Э1 — Э2 при отсутствии единичного разрешающего
сигнала С повторяет состояние входного |
сигнала В. |
Если |
|
сигнал на входе В, а следовательно, и на входе D единичный, |
|||
то триггер готов к записи единицы; если В и D — нулевые, то |
|||
в триггер может быть записан нуль. В момент ti |
(рис. 33,6) |
||
на входе С появляется единичный сигнал, |
при |
этом |
D = 1 , |
вследствие чего на выходах ЭЗ и Э4 появится нулевой сигнал. Сигнал на выходе Э4 через время тСр опять становится еди ничным, так как присутствует нуль на выходе Э2. Нулевой сигнал на выходе ЭЗ устанавливает основной триггер в еди ничное состояние, а также, действуя на входе элемента Э2, обеспечивает на его выходе единицу, тем самым блокируя влияние возможных изменений на входе В.
Таким образом, при появлении сигнала сдвига на входе С триггер устанавливается в единичное состояние, и уже через время тСр после начала сдвига (время задержки элемента ЭЗ) изменение сигнала на входе В не влияет на состояние триг гера. Действительно, в момент t2 на входе В сигнал стано
вится нулевым, но это приводит только к изменению на вы ходе Э1. Изменение состояний на выходах триггера начи нается не ранее, чем через 2 тср, и, таким образом, процесс
восприятия старого состояния данного разряда входом сле дующего и процесс перехода данного разряда в новое состоя ние оказываются разнесенными во времени.
После окончания сдвигающего единичного сигнала С в мо мент h последовательно срабатывают элeLV[eнты ЭЗ, Э2 и триг гер готов к новому сдвигу. Так как к этому времени В = 0, то
при отсутствии сдвигающего сигнала на выходе Э2 появляется нуль. При повторном действии сигнала сдвига С = 1 в момент ti на выходе ЭЗ сохраняется единица, а на выходе Э4 возни кает нуль, вследствие чего триггер Э5, Э6 переходит в нуле вое состояние. Процесс перехода заканчивается после того, как изменяет свои состояния последовательно элементы Э4, Э6, Э5, т. е. в момент /4+Зтср. После этого сигнал сдвига
можно, снять, в результате чего .изменяют свое состояние по следовательно элементы Э4, Э1, Э2 и триггер придет в перво начальное состояние. Из временной диаграммы видно, что процесс сдвига единицы происходит за время 5тСр, а процесс сдвига нуля — за 6 тСр.
Рассмотренный разряд регистра может быть преобразован в разряд счетчика, для чего необходимо подать на вход В
44
сигнал с инверсного выхода, как показано на рис. |
34, а; при |
||||
этом |
вход |
сдвига будет |
работать как |
счетный. |
Схема на |
рис. |
34, а |
изображена в |
общепринятом |
начертании |
(см., на- |
например [6]). Легко видеть, что связи, изображенные сплош ными линиями на рис. 34, а, аналогичны связям на рис. 33, о. Однако при общепринятом начертании труднее проследить принцип работы схемы.
Временная диаграмма, иллюстрирующая работу разряда счетчика, изображена на рис. 34,6. Она отличается от диа граммы работы регистра лишь тем, что состояние входа В не может задаваться произвольно, а совпадает с состоянием
Рис. 34
инверсного выхода триггера. Вначале триггер находится в ну левом состоянии и В = Q = 1. После прихода на счетный вход единичного сигнала последовательно срабатывают сле дующие элементы: ЭЗ (на выходе устанавливается нуль); Э5 (на выходе—’единица); Э6 (на выходе — н-уль; триггер пере шел в единичное состояние); Э1 (на выходе— единица).
Нулевой сигнал на выходе ЭЗ может быть снят не раньше, чем нуль появится на выходе Э6 и подтвердит единичное со стояние триггера. Так как ЭЗ переключится в нуль только после окончания счетного импульса, то ясно, что счетный им пульс может быть окончен не ранее, чем за тср до того, как появится нуль на выходе Э6 (рис. 34). Таким образом, мини
мальная длительность счетного импульса равна |
ЗтСр. После |
|
окончания счетного импульса друг |
за другом |
срабатывают |
элементы Э1, Э2 и устанавливаются |
состояния |
Э1 —Q = 1, |
Э2 = 0. Тем самым подготавливаются условия для записи в триггер нуля. Когда поступает следующий тактовый им пульс, появляется нулевой сигнал на выходе Э4, который уста навливает триггер в нуль. При этом последовательно сраба тывают элементы Э4, Э6, Э5. Минимальная длительность счетного импульса, которая обеспечивает это срабатывание, равна ЗтСр (рис. 34,6).
Рассмотрим принципы построения многоразрядных регист ров и счетчиков.
Сдвигающий регистр получается при последовательном соединении отдельных разрядов, т. е. когда выходы каждого предыдущего разряда соединены со входами последующего.
Рас. 35
Вход первого разряда является синхронным входом регистра. Запись информации в регистр производится последовательно (синхронная запись) или параллельно во все разряды (асин хронная запись). При последовательной записи на синхронный вход регистра подаются поочередно разряды записываемого числа и каждый раз одновременно разрешающий уровень сиг нала сдвига. После п сдвигов в 1, 2, . .. , п-м разрядах оказы вается записанным «-разрядное двоичное число. При асин хронной записи все разряды числа записываются в регистр одновременно по асинхронным входам. Запись должна произ водиться в отсутствие сдвигающего сигнала. Если разряды регистра имеют структуру М — S (рис. 35), и один из сдвиго вых сигналов формируется инвертированием второго, тогда
влюбой момент один из сдвиговых сигналов разрешающий. Асинхронную запись в этом случае можно производить только
втот триггер разряда, на входе которого не действует разре шающий сигнал сдвига. Второй триггер в этом случае воспри нимает состояние первого. Если же сигналы сдвига форми руются отдельно и запись производится, когда отсутствуют оба разрешающих сигнала, асинхронную запись приходится проводить в оба триггера разряда.
Если требуется осуществлять сдвиг двоичных чисел в обе стороны, нужен реверсивный сдвигающий регистр. Разряд ре
версивного сдвигающего регистра должен быть построен таким образом, чтобы вход его можно было связать с выходом •как предыдущего, так и последующего разряда. Один из воз можных вариантов изображен на рис. 36. Структура этого разряда аналогична структуре разряда на рис. 31, а, однако первый ^5-триггер имеет две группы синхронных входоз: BSJJ, BRI1 для связи с выходом предыдущего разряда (при сдвиге вправо) и BSJI, BRJ1 для связи с выходом последую щего разряда (при сдвиге) влева. Для осуществления сдвига вначале подается единица на синхронизирующий вход С1П, если надо произвести сдвиг вправо, или на вход С1Л, если сдвиг делается влево. В результате этого первый триггер (основной) воспринимает состояние соседнего разряда (пра вого или левого в зависимости от направления сдвига). После этого подается сигнал С2 и вспомогательный триггер ЭЗ, Э4 воспринимает .состояние основного триггера.
Управлять регистром можно с помощью дополнительной комбинационной схемы (рис. 36). Все сдвиговые сигналы фор мируются из одной последовательности импульсов С. Сигнал С2 получается из С простым инвертированием. Формирование ои!Гнало1в С1Л или С1П происходит при наличии одного из
разрешающих единичных сигналов Л или П.
В многоразрядном суммирующем счетчике каждый сле дующий (старший) разряд ..должен менять свое состояние, когда предыдущий (младший) разряд переходит из единицы в нуль. Сигнал, поступающий с предыдущего разряда на дан ный н производящий это переключение, называют сигналом переноса.
Соединение между собой разрядов счетчиков может быть произведено несколькими способами. Простейший споеоб — непосредственные связи между разрядами. Счетчик с такими связями называется счетчиком с последовательным переносом.
В разрядах счетчика со структурой М — 5 счетных входов два (эго входы синхронизации основного и вспомогательного триггеров). Для правильной работы таких разрядов достаточ но, чтобы в любой момент времени состояния этих входов были противоположны (т. е. один вход можно рассматривать как прямой, а второй — как инверсный). Для формирования одного сигнала из другого применяют инвертор (например, как показано на ,рис. 31,6) и это всегда приходится делать в первом разряде счетчика со структурой М — S. Однако при соединении разрядов можно обойтись без инвертора, а сиг налы на входы следующего разряда подавать с прямого и инверсного выходов предыдущего разряда, как показано на рис. 37. Из временной диаграммы (рис. 38) видно, что только на выходах основных триггеров сигналы соответствуют разря дам двоичного числа, тогда как состояние вспомогательного
Рис. 36
I— 2?
S3
R3
Рис. 37
триггера зависит не только от состояния основного триггера, но и от сигналов на выходах предыдущего разряда. Увеличе ние числа, записанного в счетчике на единицу, происходит, когда на счетный вход поступает очередной единичный им пульс. Если во всех разрядах кроме старшего записаны еди ницы (состояние самого старшего разряда при этом может быть любым), то при переходе счетчика в очередное состояние последовательно переключаются все разряды. При этом время установления нового числа максимально и в /г-разрядном
счетчике не превышает 2итСр, так как последовательно в каж дом из разрядов переключаются два элемента основного триггера.
Параллельная запись кода в счетчик производится по асинхронным входам. При этом надо иметь в виду следующее. Связи между триггерами разряда таковы, что состояние основного триггера передается на вспомогательный прямо, а состояние вспомогательного триггера на основной — с инвер сией. В каждый данный момент открыт вход только одного из
триггеров. |
Поэтому |
надо устанавливать |
основной триггер |
в нужное |
состояние, |
а вспомогательный |
в инверсное. Если |
предыдущий разряд счетчика при этом установлен в единицу, то вспомогательный триггер после окончания асинхронной за писи установится в состояние, в котором находится основной триггер. Если предыдущий разряд счетчика в нулевом состоя-
'нни, то это обеспечивает передачу состояния вспомогательного триггера в основной с инверсией и, следовательно, состояние основного триггера, установленное при асинхронной записи, не изменится.
Для ускорения работы счетчика (уменьшения времени пе рехода его в новое состояние при действии счетного импуль са) используют другие способы связи между разрядами. Мы рассмотрим счетчик с параллельным переносом.
Всчетчике с параллельным переносом одновременно фор мируются входные сигналы для всех разрядов, .кроме первого. Схема счетчика с параллельным переносом изображена на рис. 39. Формирование сигнала переноса в каждый разряд производится элементом И, который объединяет входной сиг
нал счетчика и сигналы с прямых выходов в'сех предыдущих разрядов. Таким образом, сигнал переноса в данный разряд появится лишь в том случае, если на входе счетчика действует счетный импульс и- все предыдущие разряды находятся в еди ничном состоянии. Задержка формирования переноса в рас сматриваемой схеме равна тСр. Если используемый комплекс элементов не содержит неинвертирующих элементов И (ИЛИ), то схема формирования переноса будет содержать два элемента, например И — НЕ и инвертор, и время за держки формирования переноса будет равно 2 тср. Число вхо дов схемы формирования переноса увеличивается от младших разрядов к старшим и равно номеру разряда, в который делается перенос. При большом числе разрядов в счетчике требуемое число входов может превысить максимальное число входов у логических элементов используемой серии. В этом случае можно выполнить схему формирования переноса из нескольких элементов, но это приведет к увеличению времени задержки срабатывания счетчика, поэтому чаще применяют комбинированные связи между разрядами. В счетчике с ком бинированными связями может быть несколько групп разря дов, причем внутри каждой группы осуществлен параллель ный перенос, а связи между группами непосредственные. За держка распространения сигнала внутри каждой группы рав на тср. Общее время срабатывания счетчика, состоящего из п групп с параллельным переносом, равно «(Тер-Кп), где tn— среднее время перехода в новое состояние разряда счетчика.
Вычитающий счетчик отличается от суммирующего тем, чтр_содержащееся в вычитающем счетчике число уменьшается на 'е^ницу при_'дейгствии на счетный' вход переключающего значения сигнала. Для'того чтобы счеТчик'рдботал таким об разом, надо сигнал, переключшбщий следующий разряд (в вы читающем счетчике он называется сигналом заема), формиро вать, когда предыдущий разряд переходит из нуля в единицу. Это произойдет, если входы последующего разряда, которые