Rejestr jest układem składającym się z zespołu przerzutników, służącym do przechowywania informacji w systemie cyfrowym. Rejestry spełniają w urządzeniach cyfrowych funkcję pomocniczych pamięci o niewielkich pojemnościach.
Z punktu widzenia sposobu wprowadzania i wyprowadzania informacji rejestry można podzielić na:
równoległe, w których wprowadzanie i wyprowadzanie informacji odbywa się równolegle,
równoległo-szeregowe, w których wprowadzanie informacji odbywa się równolegle, natomiast wyprowadzanie jest szeregowe,
szeregowo-równoległe, w których wprowadzanie informacji jest szeregowe, a wyprowadzanie równoległe,
szeregowo-szeregowe, w których wprowadzanie i wyprowadzanie informacji jest szeregowe.
Jedynie pierwszy rodzaj rejestrów zalicza się do grupy równoległych, natomiast trzy pozostałe zalicza się ogólnie do rejestrów szeregowych lub przesuwających. W każdym z rejestrów szeregowych występuje przesuwanie informacji co najmniej przy wprowadzaniu lub wyprowadzaniu informacji.
Rejestry szeregowe najczęściej stosuje się jako układy pośredniczące pomiędzy urządzeniami o różnym sposobie przetwarzania informacji, o różnych szybkościach pracy itp. Rejestry równoległe to przede wszystkim pomocnicze elementy pamięciowe o małej pojemności.
Wielkościami charakteryzującymi rejestr są:
długość rejestru równa liczbie (n) zawartych w nim przerzutników,
szybkość pracy rejestru równa czasowi trwania lub wyprowadzania informacji dla rejestru równoległego, a dla rejestru szeregowego jest ona definiowana jako maksymalna częstotliwość impulsów taktujących.
Rejestry, podobnie jak liczniki, dzieli się na asynchroniczne i synchroniczne. Rejestry asynchroniczne są zbudowane z przerzutników asynchronicznych, a rejestry synchroniczne - z przerzutników synchronicznych.
Zbudować rejestr asynchroniczny z wpisywaniem dwuprzewodowym. Opisać jego działanie, ilustrując przebiegami czasowymi wartości charakterystycznych zmiennych.
Zbudować rejestr przesuwający przedstawiony na rys. 10.6a. Dobrać czasy propagacji przerzutników D ukazujące poprawną i niepoprawną pracę rejestru ("clock-skew"). Zilustrować pracę rejestru przebiegami czasowymi wartości charakterystycznych zmiennych.
Zbudować rejestr przesuwający z rys. 10.6b. Porównać jego pracę z układem z rys. 10.6a. porównania dokonać na podstawie przebiegów czasowych.
Zaprojektować rejestr równoległo-szeregowy, którego ideę przedstawiono na rys. 10.9. Zbudować Układ i opisać jego działanie.
Zbudować rejestr przesuwający jako wybierak cyfrowy z krążącą informacją, zgodnie z przykładami z rys. 10.10. Do wpisania informacji użyć wejść asynchronicznych s r przerzutników.
Rejestry asynchroniczne są zbudowane z przerzutników asynchronicznych nie połączonych ze sobą bezpośrednio, jednak wpisywanie informacji do tych przerzutników odbywa się w tym samym interwale czasu. Na rys. 10.1a pokazano rejestr równoległy zbudowany z przerzutników r. Zerowanie wyjść Q odbywa się przewodem Z, natomiast wpisywanie wartości zmiennych X jest bramkowane sygnałem A.
Rozwiązanie o identycznym działaniu wykorzystujące zmienne s r przerzutników scalonych JK przedstawiono na rys. 10.1b.
Zasady działania rejestrów ilustrują przebiegi przedstawione na rys. 10.1c.
Wpisywanie informacji Xi na wyjście Qi odbywa się (jednym) przewodem ai po uprzednim wyzerowaniu rejestru.
Rys. 10.1 Rejestr równoległy asynchroniczny z wpisywaniem jednoprzewodowym: a), b) przykłady rozwiązań
Rys. 10.1. Rejestr równoległy asynchroniczny z wpisywaniem jednoprzewodowym: c) przebiegi czasowe
Rys. 10.2 Rejestr równoległy asynchroniczny z wpisywaniem dwuprzewodowym: a) schemat ideowy, b) przebiegi czasowe
Dla odróżnienia układy przedstawione na rys. 10.1a i b zwane są rejestrami o "wpisywaniu jednoprzewodowym". Rejestr asynchroniczny o "wpisywaniu dwuprzewodowym" przedstawiono na rys. 8.2a. W układzie tym nie jest potrzebne uprzednie zerowanie przerzutników. Informacja Xi zostaje przepisywana na wyjście Qi, którego wartość jest określona dwoma sygnałami (dwuprzewodowo) na wejściach s i r przerzutnika.
Zasady pracy rejestru ilustruje rys. 10.2b.
Dla A=1 wartość ai jest określona przez wartość zmiennej Xi.
Gdy ai=1 oraz A=1, następuje wyzerowanie Qi, gdy ai=0, następuje ustawienie Qi=1. Poprawne wpisywanie informacji do rejestru w czasie trwania sygnału wpisującego A=1 ma miejsce wtedy, gdy informacji Xi w czasie trwania wpisywania nie ulega zmianie. Warunek ten zaznaczono na przebiegach czasowych pokazanych na rys. 10.3.
Wartość tą zaznaczona na wykresie oznacza minimalny czas trwania wartości A=1, potrzebnej do przepisania wartości Xi na wyjście Qi (ts - czas ustalania).
Rys. 10.3. Przebiegi czasowe ilustrujące pracę rejestrów z rys 10.1 i rys. 10.2; ts - czas ustalania
Często przy wpisywaniu dwuprzewodowym zachodzi potrzeba niezależnego zerowania rejestru. przykład takiego rozwiązania pokazano na rys. 10.4, gdzie jeden element rejestru został zbudowany z bramek AND-OR-INVERT. Zasadę pracy układu ilustrują przebiegi czasowe z rys 10.4b.
Sygnał A=1 powoduje dwuprzewodowe wpisanie informacji Xi, natomiast Z=0 - niezależne wyzerowanie rejestru.
Rys. 10.4. Jeden bit rejestru asynchronicznego wykonany z elementów AND-OR-INVERT: a) schemat ideowy, b) przebiegi czasowe
Rejestry synchroniczne są budowane z przerzutników synchronicznych, do których informacja Xi jest wpisywana w takt impulsu zegarowego. Różnica w zasadach działania rejestrów asynchronicznych i synchronicznych jest w zasadzie formalna i polega ona jedynie na rodzaju użytych do ich budowy przerzutników. Faktycznie układy przedstawione na rys. 10.1-10.4 są synchronizowane sygnałem A=1.
W układzie przedstawionym na rys. 10.5a wpisywanie Xi odbywa się na przednim zboczu impulsu taktującego, na rys. 10.5b przedstawiono przebiegi czasowe ilustrujące pracę tego rejestru.
Wartości zmiennych informacyjnych Xi muszą być ustalane, zanim pojawi się impuls taktujący T. Wyprzedzenie wartości Xi względem T oznaczono na rysunku przez ts, zwany czasem ustalania.
Rys. 10.5 Rejestr równoległy z wpisywaniem synchronicznym: a) schemat ideowy, b) przebiegi czasowe
Wyzerowanie Qi nastąpi przednim zboczem sygnału zegarowego T, gdy czas trwania Xi=0 i T=1 jest większy lub równy wartości th, zwanej czasem utrzymania. Zarówno ts, jak i th są podawane w katalogach producenta elementów scalonych.
Rejestry szeregowe, zwane również przesuwającymi, przyjmują lub przekazują informację szeregowo. Przykłady rejestrów, do których informacja jest wprowadzana szeregowo, natomiast jej wyprowadzanie odbywa się szeregowo lub równolegle, przedstawiono na rys 10.6.
Rys. 10.6. Rejestry przesuwające synchroniczne: a) wyzwalane przednim zboczem impulsu T, b) wyzwalane dwstopniowo
Układy te różnią się sposobem taktowania. Rozwiązanie z rys. 10.6a jest taktowane przednim zboczem impulsu T, natomiast układ z rys. 10.6b jest taktowany dwustopniowo.
Szeregowe taktowanie przednim zboczem pociąga za sobą problemy związane z właściwym doborem czasów propagacji przerzutników zwanych zjawiskiem "clock skew". Rozwiązanie drugie jest pozbawione tych ograniczeń.
Pracę trzybitowego rejestru przesuwającego ilustruje rys. 10.7.
Takty:
Kierunek -----> przesuwu informacji
101
0
0
0
000
0
010
1
0
0
000
I
001
0
1
0
000
II
000
1
0
1
000
III - a) odczyt równoległy
000
0
1
0
100
IV
000
0
0
1
010
V
000
0
0
0
101
VI - b) odczyt szeregowy
Rys. 10.7. Przykład transmisji informacji przez trzybitowy rejestr o wprowadzeniu szeregowym informacji i odczycie: a) równoległym, b) szeregowym.
Przedstawiono na nim poszczególne fazy wprowadzania i wyprowadzania informacji. Odczyt równoległy słowa wpisanego szeregowo do rejestru następuje równolegle po trzech taktach, natomiast wyprowadzenie szeregowe informacji następuje po sześciu taktach impulsu zegarowego, licząc od momentu rozpoczęcia wprowadzania informacji.
Przykład rejestru umożliwiającego przesuwanie informacji w dwóch kierunkach przedstawiono na rys. 10.8.
Rys. 10.8. Schemat rejestru przesuwającego w prawo i w lewo, dwukierunkowego.
Przewody Sl i Sp służą do przełączania kierunku przesuwu informacji w rejestrze.
Na rys. 10.9 przedstawiono układ, w którym informacja może być wprowadzana szeregowo wejściem X lub równolegle przewodami X0 - Xn-1. Rozwiązanie to nie jest kompletne, jednak zadaniem ćwiczącego jest skompletowanie układu i szczegółowy opis jego działania.
Rejestr przesuwający może połączyć w "pierścień" wyjście Y z wejściem X, wtedy informacja wprowadzona do rejestru (np. za pośrednictwem wejść asynchronicznych s r) będzie w nim krążyć w takt impulsu zegarowego T. Układ taki jest zwany licznikiem pierścieniowym lub wybierakiem cyfrowym.
Zasadę działania wybieraka cyfrowego ilustrują dwa przykłady na rys. 10.10. Na wstępie zostaje wpisany zadany wektor informacji, który cyklicznie jest przesuwany w takt impulsu T.
a)
b)
takty
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
I
0
0
1
1
1
0
II
1
0
0
0
1
1
III
itd.
itd.
Rys. 10.10. Zasada działania trzypozycyjnego wybieraka cyfrowego: a) cykliczny przesył "1", b) cykliczny przesył "0"
[1] W. Binkowski, H. Krzyż, J. Piecha: Elektronika analogowa i cyfrowa w zadaniach. Katowice Wydawnictwo Uniwersytetu śląskiego 1981.
[2] J. Millman, C. Halkias: Układy scalone analogowe i cyfrowe. Warszawa WNT 1976.
[3] P. Misiurewicz, M. Grzybek: Półprzewodnikowe układy logiczne TTL. Warszawa WNT 1979.
[4] J. Kalisz: Cyfrowe układy scalone w technice systemowej. Warszawa MON 1977.
[5] M. Łakomy, J. Zabrodzki: Cyfrowe układy scalone TTL. Warszawa PWN 1974.
[6] J. Siwiński: Układy przełączające w automatyce. Warszawa WNT 1980.
[7] W. Traczyk: Układy cyfrowe automatyki. Warszawa WNT 1974.
[8] F. Wagner: Projektowanie urządzeń cyfrowych. Warszawa WNT 1978.
[9] W. Majewski: układy logiczne. Warszawa WNT 1974.
