Ч 1 Лекция 5 Cчетчики регистры АЛУ Лектор

Ч 1. Лекция 5 Cчетчики, регистры, АЛУ Лектор: Люличева И. А. 1

Содержание лекции n n n Счетчики с последовательным и параллельным переносом, по произвольному основанию. Каскадирование счетчиков, примеры применения Регистры – схемы, разрядность, типы, операции с регистрами Сдвигающие регистры, их классификация Структура АЛУ

Счетчики n n Счётчики классифицируют: по модулю счёта: n двоично-десятичные; n двоичные; n с произвольным постоянным модулем счёта; n с переменным модулем счёта; по направлению счёта: n суммирующие; n вычитающие; n реверсивные; по способу формирования внутренних связей: n с последовательным переносом; n с параллельным переносом; n с комбинированным переносом; n кольцевые;

3 -разрядный счетчик На прошлой лекции мы познакомились со счетчиком с последовательным переносом на Т-триггерах и разобрали графики, поясняющие принцип его работы

Применение счетчиков Каскад из 4 разрядных счетчиков и 4 х семисегментных индикаторов. Таймер. Два счетчика 10 -х, два – по модулю 6!!

4 -разрядный счетчик на Dтриггерах с последовательным переносом

Счетчики с параллельным и сквозным переносом n n n На сайте http: //theory-a. ru/lek 9_1. html Приведены счетчики с одновременным, сквозным и групповым переносом Для ускорения процесса счета в счетчике необходимо, чтобы изменения состояний отдельных разрядов происходило не последовательно, а непосредственно вслед за приходом очередного сигнала счета. Как правило, такие счетчики строят на синхронных двухступенчатых Т-триггерах. При этом счетные сигналы подаются по шине a на синхронизирующие входы триггеров всех разрядов одновременно. Сигнал же на входе Т каждого триггера формируется логической схемой в зависимости от состояний всех триггеров счетчика. Синтез такого счетчика можно провести на основании кодированной таблицы переходов трехразрядного счетчика и таблицы функций возбуждения.

Счетчики с параллельным и сквозным переносом n Разрядность счетчика с параллельным переносом ограничивается возможностями логических элементов. Поэтому иногда бывает целесообразно строить менее быстродействующую схему, но с использованием только двухвходовых логических элементов. При синтезе такого счетчика функции возбуждения имют вид T 1 = a; T 2 = Q 1 T 1; T 3 = T 2 Q 2; T 4 = T 3 Q 3; … Tn = Tn-1 Qn-1. Счетчик, построенный по этим уравнениям, называется счетчиком со сквозным переносом

Каскадное всключение счетчиков n 32 -разрядный счетчик можно набрать из 16 двухразрядных или 8 ми 4 -х разрядных, такая схема - с групповым переносом

Счетчик в Proteus

Каскадирование счетчиков Использование трех 8 разрядных счетчиков со светодиодами проиллюстиру ет вам счет в 2 -ной системе

3. Синхронный регистр n Этот регистр называется синхронным, т. к. данные изменяются во всех триггерах одновременно

Регистры n Примерами 8 ми разрядных регистров могут служить микросхемы КР 1533 ИР 22 (74 ALS 373) - 8 -разрядный регистрзащелка и КР 1533 ИР 23 (74 ALS 374) - 8 -разрядный регистр, фиксирующий информацию по переднему фронту сигнала синхронизации.

Операции с регистрами Данные в каждом регистре можно сохранять по переднему фронту CLOCК n Данные можно считать с Q выходов n Новые днные можно перезагружать в регистр опять по сигналу CLOCК n Регистр можно обнулить по сигналу на Clear n Но существуют регистры, данные в которых также можно сдвинуть.

Регистры сдвига Если объединить несколько D-триггеров по цепочке, соответствующей уравнению , то получим т. н. регистр сдвига. Регистры используются как устройства с последовательным вводом данных (для ввода Nразрядного двоичного слова необходимо n тактов квантования), а также для выполнения операций умножения или деления на 2^n путем сдвига двоичного слова на n разрядов влево или вправо соответственно.

Очень простой 3 -битный сдвигающий регистр

4 -х разрядный сдвигающий

Categories of registers n n Registers are measured by the number of bits they can hold, for example, an "8 -bit register" or a "32 bit register". Registers are usually implemented as a register file, but they also may be implemented using individual flip-flops, high speed core memory and other ways in various devices. A processor often contains several kinds of registers, that can be classified according to their content or instructions that operate on them. An example of a register with operation is a shift register.

Параллельный регистр 4 бита входных данных подются на DA DB DC DD. Вход mode управляет напралением сдвига. Данные сдвигаются на 1 разряд по каждому сигналу синхронизации, выводятся на выводы QA QB QC QD.

Сдвигающий регистр с послед. Входом и паралл. выходом

Структура 4 -разрядного параллельного регистра сдвига

Типы памяти. ОЗУ n n Схемы, в которых в качестве запоминающей ячейки используется параллельный регистр называются статическим оперативным запоминающим устройством - статическим ОЗУ (RAM - random access memory - память с произвольным доступом), т. к. информация в нем сохраняется все время, пока к микросхеме ОЗУ подключено питание. В отличие от статической ОЗУ в микросхемах динамического ОЗУ постоянно требуется регенерировать их содержимое, иначе информация будет испорчена.

Типы памяти. Статическое ОЗУ n n n Статические ОЗУ требуют для своего построения большой площади кристалла, поэтому их ёмкость относительно невелика. Статические ОЗУ применяются для построения микроконтроллерных схем из-за простоты построения принципиальной схемы и возможности работать на сколь угодно низких частотах, вплоть до постоянного тока. Кроме того статические ОЗУ применяются для построения КЭШ-памяти в универсальных компьютерах из-за высокого быстродействия статического ОЗУ.

Арифметико-логическое устройство n n Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. Архитектура этого компьютера позже стала прототипом архитектур большинства последующих компьютеров. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции включая сложение, вычитание, умножение и деление.

Арифметико-логическое устройство n n n АЛУ является фундаментальным блоком МП для современных компьютеров, и любой дешевый МК также содержит АЛУ. Современные процессоры часто содержат не одно, а несколько АЛУ: для целых чисел – CPU, для чисел с плавающей запятой – FPU и др. Не говоря уже о многоядерных процессорах, где число АЛУ в 2 -4 раза больше числа ядер!

Арифметико-логическое устройство, вычитатель n n Пример простейшего АЛУ приведем для арифметических операций. При использовании дополнительных кодов операцию вычитания двух положительных чисел можно заменить операцией суммирования, при этом получение отрицательного числа из положительного числа является элементарной операцией. Для этого необходимо проинвертировать число и прибавить к нему 1. Схема вычитателя числа A из числа B приведена на следущем слайде

Арифметико-логическое устройство, вычитатель n Если же потребуется в процессе вычислений изменять арифметическую операцию, то в схему можно ввести коммутатор.

Арифметико-логическое устройство n n n Схема примитивного АЛУ используются четырёхвходовые коммутаторы, для управления каждым из которых достаточно двух бит. То есть для управления всей схемы в целом достаточно четырёх бит.

Арифметико-логическое устройство n n При небольшом изменении схемы такое устройство может быть преобразовано в схему, которая позволяет осуществлять не только арифметические, но и логические операции. Для этого нужно вести дополнительный коммутатор, который будет разрывать цепи переноса между разрядами. Эта управляющая цепь обычно называется M.

Арифметико-логическое устройство n Подчеркнём основную особенность полученного устройства. Арифметико-логические устройства позволяют выбирать вид выполняемой операции при помощи кода, подаваемого на специальные ножки микросхемы. Это позволяет программировать одно и то же устройство для выполнения различных функций.

АЛУ и регистры МП/МК n n n Часто собственные регистры АЛУ в микропроцессорах отсутствуют (или они программно-недоступны). Это позволяет рассматривать АЛУ микропроцессоров как комбинационную схему, выполняющую арифметические и логические операции над операндами, находящимися в регистрах микропроцессора. Результат операции засылается в некоторый регистр микропроцессора. 31

АЛУ и регистры МП/МК n n Для микроконтроллеров и микропроцессоров типичной является такая организация, при которой их внутренние регистры используются в различных целях – не только для хранения информации, но и в качестве счетчиков, сдвигающих регистов и т. п. Система связей у этих регистров централизованная -обеспечивающая возможность разнообразных межрегистровых пересылок, в том числе передач в АЛУ и из АЛУ 32

СТРУКТУРА РОН МК И МП На доске R 0 -R 7 или Ax-Dx, и др. 33

АЛУ и регистры МП/МК n n n АЛУ , используемые в МК, представляют собой комбинационные схемы, настраиваемые сигналами на различные действия. Это может быть двоичное или двоично – десятичное сложение, вычитание, логическое умножение и т. д. При написании программ в командах задаются биты, определяющие выбор источников операндов для АЛУ , настраивающие АЛУ на выполнение различных операций и указывающие место занесения результата. 34

АЛУ Most ALUs can perform the following operations: n Integer arithmetic operations (addition, subtraction, and sometimes multiplication and division, though this is more expensive) n Поразрядные логические (AND, NOT, OR, XOR) n Bit-shifting operations (shifting or rotating a word by a specified number of bits to the left or right, with or without sign extension). Shifts can be interpreted as multiplications by 2 and divisions by 2 n

АЛУ n n n Разработка арифметико-логического устройства, выполняющего все более сложные операции, в конце концов, привело к разработке микропроцессорных систем. Развитие этих систем изменило окружающий нас мир. Поэтому – учите матчасть!))

Вопросы для самоконтроля n n n n Поясните принцип наращивания разрядности счетчика Поясните диаграмму работы счетчика Какие регистры вам известны? Какие действия можно выполнять с регистрами? Поясните отличие статической и динамической памяти. Поясните принцип наращивания памяти Какие операции может выполнять АЛУ? 37

Литература n n n Источники: В. Л. Шило Популярные цифровые микросхемы 1988 Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. Учеб. пособие для вузов. Изд. 2. — БХВ-Петербург, 2004. http: //theory-a. ru/lek 9_1. html http: //digital. sibsutis. ru/cont. CVT. htm 38