Схемотехническая реализация элементов вычислительной техники

Регистр хранения

Регистр – внутреннее запоминающее устройство процессора или внешнего устройства, предназначенное для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации. 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 многоразрядого 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. 5.15, а его условно-графическое обозначение – на Рис. 5.16.

Рис. 5.15. Структура четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в "0"

Рис. 5.16. Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в "0"

Каждый триггер, ходящий в состав регистра, имеет независимый вход для записи своего разряда числа и общие входы для всех триггерных схем для их синхронизации и установки в "0".

Проектирование многовыходной логической схемы на примере схемы управления JK-триггера

Обобщенная схема синхронного одноступенчатого триггера представлена на Рис. 5.9. Такой триггер состоит из запоминающей ячейки (см. Рис. 5.7) и схемы управления, которая зависит, в общем случае, от входных сигналов данного типа триггера и его состояния в текущий момент времени. Спроектируем такую схему управления для JK-триггера, таблица переходов которого представлена в Табл. 5.10.

Особенностью проектирования данной схемы является то, что здесь на основе одних и тех же входных сигналов необходимо реализовать две различные функции схемы управления запоминающей ячейки: ФАЛ для входа и ФАЛ для входа .

В общем случае, реализация подобной многовыходной схемы представляет собой нетривиальную задачу, так как часть оборудования, используемого для создания логической функции для одного из выходов, может быть использована также при реализации какой-либо другой функции. Поэтому минимизированная для каждой ФАЛ схема может оказаться не оптимальной с точки зрения для всей многовыходной функции.

В данной лекции мы рассмотрим минимизацию каждой из необходимых функций независимо друг от друга.

Построим таблицу истинности для логических функций и , которые обеспечивают выработку управляющих сигналов на запоминающую ячейку в зависимости от управляющих сигналов J и K, синхросигнала C и состояния запоминающей ячейки Q (Табл. 5.12).

Таблица 5.12.

Входы				Выходы
C	J	K	Q(t)
0	X	X	X	1	1
1	0	0	X	1	1
1	0	1	X	1	0
1	1	0	X	0	1
1	1	1	0	0	1
1	1	1	1	1	0

Проведем минимизацию с помощью диаграммы Вейча ФАЛ для получения сигнала :

В результате минимизации получим

Проведем аналогичную минимизацию для сигнала .

Получим следующий результат:

Исходя из полученных уравнений для реализации управляющей схемы запоминающей ячейки, получим следующую схему JK-триггера на элементах "Штрих Шеффера" (Рис. 5.17):

Рис. 5.17.

Условно-графическое обозначение этого триггера приведено на Рис. 5.18:

Рис. 5.18. Условно-графическое обозначение синхронного JK триггера

Краткие итоги

В лекции рассматриваются элементы, лежащие в основе различных узлов вычислительной техники. Это как простейшие комбинационные схемы, реализующие элементарные функции алгебры логики, так и более сложные схемы с памятью, на которых базируются триггеры, регистры, счетчики различных типов. Рассмотрен порядок проектирования многовыходных комбинационных схем.

Контрольные вопросы

1. Каким образом функции алгебры логики соотносятся с элементами компьютера?
2. Соответствует ли система элементов компьютера функционально полному набору логических функций?
3. Объясните на схемотехническом уровне работу элемента "И-НЕ".
4. Спроектируйте в одноэлементном базисе "И-НЕ" схему, реализующую логическую функцию . Необходимо ли для проектирования этой схемы приводить её к совершенному виду?
5. Сколько элементов "И-НЕ" потребуется для реализации функции ?
6. Чем комбинационные схемы отличаются от последовательностных ?
7. Приведите примеры и условные графические обозначения комбинационных схем.
8. Расскажите об областях использования комбинационных схем в ЭВМ.
9. Сколько выходов имеет дешифратор с восемью входами?
10. Какое максимальное количество входов может иметь мультиплексор с четырьмя адресными входами?
11. Приведите примеры и условные графические обозначения последовательностных схем
12. Почему сдвиговые регистры строят на двух-, а не одноступенчатых триггерах?
13. В каких устройствах ЭВМ используются счетчики?
14. Нарисуйте схему четырехразрядного регистра хранения на основе RS-триггеров.