Лекция 2: Основные функциональные элементы ЭВМ, часть 2

Счетчиком называется электронная схема, предназначенная для подсчета числа сигналов, поступающих на его счетный вход. Счетчики используются в устройстве управления компьютера при построении распределителей импульсов и организации циклов, в счетчиках команд для формирования адреса выполняемой команды при естественном порядке выполнения и в некоторых других устройствах ЭВМ. Также счетчики широко применяются в качестве самостоятельных узлов в различных системах цифровой автоматики.

Суть работы счетчика заключается в изменении на единицу зафиксированного в нем значения с приходом каждого счетного сигнала. Счетчики принято подразделять на суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующие счетчики увеличивают свое значение, вычитающие – уменьшают, а реверсивные могут работать как на прибавление, так и на вычитание в зависимости от сигналов управления. Параметром, определяющим информационную емкость счетчика, является модуль пересчета, равный числу внутренних состояний. Это значение проставляется на УГО после аббревиатуры CT.

Пример асинхронного трехразрядного двоичного суммирующего счетчика приведен на рис. 2.1, а его условно-графическое обозначение – на рис. 2.2. Для построения этого счетчика использованы JK-триггеры с динамической синхронизацией по спаду синхросигнала. Каждый JK-триггер в счетчике включен в режим инвертирования своего состояния при переключении синхросигнала с высокого уровня на низкий (см. табл. 1.5). Идеализированная временная диаграмма работы этого счетчика показана на рис. 2.3.

Схема асинхронного трехразрядного счетчика

Рис. 2.1. Схема асинхронного трехразрядного счетчика

Условно-графическое обозначение трехразрядного суммирующего счетчика

Рис. 2.2. Условно-графическое обозначение трехразрядного суммирующего счетчика

Временная диаграмма работы счетчика

Рис. 2.3. Временная диаграмма работы счетчика

Быстродействие асинхронного счетчика определяется максимальной задержкой от изменения сигнала на его счетном входе до полного установления состояния всех его выходов. Проведем оценку быстродействия на примере переключения выходов счетчика после поступления восьмого синхросигнала на его вход (рис. 2.4), так как именно в этом такте время переключения выходов счетчика будет максимальным.

Оценка быстродействия асинхронного счетчика

Рис. 2.4. Оценка быстродействия асинхронного счетчика

По фронту 1-0 сигнала С(8) с задержкой сигнала, равной tT, на триггере Q0 (см. рис. 2.1) происходит изменение сигнала на выходе Q0. Это изменение, в свою очередь, приведет к переключению сигнала Q1 с соответствующей задержкой относительно переключения Q0. Вслед за этим с задержкой сигнала на следующем триггере переключится сигнал Q2. То есть общее время задержки переключения сигналов на выходе трехразрядного счетчика составит 3tT. Очевидно, что для n разрядного счетчика время задержки составит

tCT = nxtT

Таким образом, с увеличением разрядности асинхронного счетчика увеличивается его задержка и, следовательно, уменьшается быстродействие.

Этот недостаток устраняется в счетчиках, работающих по синхронной схеме. В них за счет дополнительных управляющих комбинационных схем обеспечивается одновременное переключение всех разрядов при поступлении сигнала на счетный вход (с задержкой, равной задержке одного триггера вне зависимости от разрядности счетчика).

Обычно счетчик имеет вход установки в нулевое состояние (асинхронный сброс составляющих его триггеров в " 0 "). Некоторые счетчики имеют цепи установки в произвольное начальное состояние, с которого уже будет начинаться операция счета.

Регистр хранения

Регистр – внутреннее запоминающее устройство процессора или внешнего устройства, предназначенное для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации [ 3 ]. Регистры представляют собой совокупность триггеров, количество которых равняется разрядности регистра, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение некоторых элементарных операций. Набор этих операций, в зависимости от функционального назначения регистра, может включать в себя одновременную установку всех разрядов регистра в " 0 ", параллельную или последовательную загрузку регистра, сдвиг содержимого регистра влево или вправо на требуемое число разрядов, управляемую выдачу информации из регистра (обычно используется при работе нескольких схем на общую шину данных) и т.д.

Регистры хранения используются для приема, хранения и выдачи многоразрядного кода. Они представляют собой совокупность одноступенчатых триггеров (как правило, D -типа) с общим входом синхронизации. Иногда в регистре имеется также и общий вход асинхронной установки всех триггеров в " 0 ". Схема четырехразрядного регистра хранения приведена на рис. 2.5, а его условно-графическое обозначение – на рис. 2.6.

Структура четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в " 0"

Рис. 2.5. Структура четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в " 0"

Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в " 0"

Рис. 2.6. Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в " 0"

Регистр сдвига

Регистр сдвига – регистр, обеспечивающий помимо хранения информации, сдвиг влево или вправо всех разрядов одновременно на одинаковое число позиций. При этом выдвигаемые за пределы регистра разряды теряются, а в освобождающиеся разряды заносится информация, поступающая по отдельному внешнему входу регистра сдвига. Обычно эти регистры обеспечивают сдвиг кода на одну позицию влево или вправо. Но существуют и универсальные регистры сдвига, которые выполняют сдвиг как влево, так и вправо в зависимости от значения сигнала на специальном управляющем входе или при подаче синхросигналов на разные входы регистра. Регистр сдвига может быть спроектирован и таким образом, чтобы выполнять сдвиг одновременно не на одну, а на несколько позиций.

Регистры сдвига строятся на двухступенчатых триггерах. Схема четырехразрядного регистра, выполняющего сдвиг на один разряд от разряда 0 к разряду 3, показана на рис. 2.7, а его условно-графическое обозначение – на рис. 2.8. Ввод информации в данный регистр – последовательный через внешний вход D0. Регистр имеет вход асинхронной установки всех разрядов в " 0 ". Для наглядности каждый двухступечатый регистр представлен двумя одноступенчатыми с соответствующей организацией синхронизации первой и второй ступеней. Пунктиром обозначен реальный двухступенчатый триггер.

Структура регистра сдвига

Рис. 2.7. Структура регистра сдвига

Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра сдвига с асинхронным входом установки в " 0"

Рис. 2.8. Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра сдвига с асинхронным входом установки в " 0"

Идеализированная временная диаграмма работы регистра сдвига, структура которого представлена на рис. 2.7, показана на рис. 2.9. Предполагаем, что начальное состояние регистра следующее: Q0=0, Q1=1, Q2=1, Q3=0.

Временная диаграмма работы регистра сдвига

Рис. 2.9. Временная диаграмма работы регистра сдвига

Работа регистра сдвига в каждом периоде сигнала синхронизации разбивается на две фазы: при высоком и при низком значении синхросигнала:

При высоком уровне синхросигнала проводится запись значения выхода (i – 1)-го разряда регистра в первую ступень i -го разряда. Вторая ступень каждого разряда сохраняет свое прежнее значение. В этой фазе состояние первой ступени i -го триггера повторяет состояние второй ступени (i – 1)-го триггера. Вторые ступени каждого триггера, а следовательно, и выходы регистра в целом, остаются неизменными.

При низком уровне синхросигнала значение, записанное в первой ступени каждого триггера, перезаписывается в его вторую ступень. Запись в первую ступень триггера запрещена. В этой фазе состояния первой и второй ступеней каждого триггера становятся одинаковыми.

Поступление сигнала R = 0 вне зависимости от значения сигнала на входе синхронизации С и сигнала на входе D0 устанавливает все разряды регистра в нулевое состояние.