Тиратрон сдвиговый регистр. Применение сдвиговых регистров
по тактовому сигналу содержимое каждого предыдущего триггера переписывается в следующий по порядку в цепочке триггер . Код, хранящийся в регистре, с каждым тактом сдвигается на один разряд в сторону старших разрядов или в сторону младших разрядов, что и дало название регистрам данного типа.В связи с названием направления сдвига в сдвиговых регистрах часто возникает путаница. Сдвиг бывает двух видов: вправо (основной режим, который есть у всех сдвиговых регистров ) и влево (этот режим есть только у некоторых, реверсивных сдвиговых регистров ). Названия эти отражают внутреннюю структуру регистров сдвига (рис. 8.14) и перезапись сигналов последовательно по цепочке триггеров. При этом триггеры, вполне естественно, нумеруются слева направо, например, от 0 до 7 (или от 1 до 8) для 8-разрядных регистров. В результате сдвиг информации регистром вправо представляет собой сдвиг в сторону разрядов, имеющих большие номера, а сдвиг информации регистром влево - это сдвиг в сторону разрядов, имеющих меньшие номера.
Однако, как известно, в любом двоичном числе слева расположены старшие разряды, а справа - младшие разряды. Поэтому сдвиг двоичного числа вправо будет сдвигом в сторону младших разрядов, а сдвиг влево - сдвигом в сторону старших разрядов. Это противоречие, не чей-то злой умысел, просто так исторически сложилось, и об этом надо помнить разработчику цифровой аппаратуры.
Рис.
8.14.
В стандартные серии цифровых микросхем входит несколько типов сдвиговых регистров , отличающихся возможными режимами работы, режимами записи, чтения и сдвига, а также типом выходных каскадов (2С или 3С). Большинство регистров сдвига имеет восемь разрядов. На рис. 8.15 представлены для примера четыре типа микросхем регистров сдвига .
Регистр ИР8 - наиболее простой из регистров сдвига . Он представляет собой 8-разрядную линию задержки, то есть имеет только один информационный вход, на который подается последовательная сдвигаемая информация (точнее, два входа, объединенных по функции 2И), и восемь параллельных выходов. Сдвиг в сторону выходов со старшими номерами осуществляется по переднему фронту тактового сигнала С. Имеется также вход сброса –R, по нулевому сигналу на котором все выходы регистра сбрасываются в нуль. Таблица истинности регистра ИР8 приведена в табл. 8.5 .
Рис. 8.15.
| Входы | Выходы | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -R | C | D1 | D2 | Q0 | Q1 | Q7 | |
| 0 | X | X | X | 0 | 0 | 0 | |
| 1 | 0 | X | X | Не меняются | |||
| 1 | 1 | Х | Х | Не меняются | |||
| 1 | 0 1 | 1 | 1 | 1 | Q0 | Q6 | |
| 1 | 0 1 | 0 | Х | 0 | Q0 | Q6 | |
| 1 | 0 1 | Х | 0 | 0 | Q0 | Q6 | |
Регистр ИР9 выполняет функцию, обратную регистру ИР8. Если ИР8 преобразует входную последовательную информацию в выходную параллельную, то регистр ИР9 преобразует входную параллельную информацию в выходную последовательную. Однако суть сдвига не меняется, просто в ИР9 все внутренние триггеры имеют выведенные параллельные входы, и только один, последний триггер имеет выход (причем как прямой , так и инверсный). Запись входного кода в регистр производится по нулевому сигналу на входе -WR. Сдвиг осуществляется по положительному фронту на одном из двух тактовых входов С1 и С2, объединенных
Для построения регистров используются последовательноесоединение этих элементов.
Последовательный регистр (регистр сдвига или сдвиговый регистр) обычно служит для преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот. Применение последовательного кода связано с необходимостью передачи большого количества двоичной информации по ограниченному количеству соединительных линий. При параллельной передаче разрядов требуется большое количество соединительных проводников. Если двоичные разряды последовательно бит за битом передавать по одному проводнику, то можно значительно сократить размеры соединительных линий на плате (и размеры корпусов микросхем).
Принципиальная схема последовательного (сдвигового) регистра, собранного на основе и позволяющего осуществить преобразование последовательного кода в параллельный, приведена на рисунке 1. Обратите внимание, что если для параллельных регистров подходили как триггеры работающие по потенциалу (триггеры-защелки), так и триггеры, работающие по фронту, то для реализации последовательного (сдвигового) регистра подходят только D триггеры, работающие по фронту!
Рисунок 1. Схема последовательного (сдвигового) регистра
Внутри сдвигового регистра триггеры соединены последовательно, то есть выход первого соединён с входом второго и т.д. рассмотренного последовательного регистра приведено на рисунке 2.
Рисунок 2. Условно-графическое обозначение последовательного (сдвигового) регистра
Входы синхронизации в последовательных (сдвиговых) регистрах, как и в параллельных регистрах, объединяются. Это обеспечивает одновременность смены состояния всех триггеров, входящих в состав последовательного (сдвигового) регистра.
Преобразование последовательного кода в параллельный в последовательном (сдвиговом) регистре производится следующим образом. Отдельные биты двоичной информации последовательно подаются на вход сдвигового регистра D0. Каждый бит сопровождается отдельным тактовым импульсом синхронизации, который поступает на вход синхронизации последовательного регистра C.
После поступления первого тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе D0, запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра и поступает на его выход, а так как он соединён с входом второго триггера, то и на его вход. Если бы последовательный (сдвиговый) регистр был собран на D триггерах, работающих по потенциалу, то этот бит тут же записался во второй D триггер! В нашем случае этого не происходит, так как к этому моменту фронт на входе синхронизации C уже закончился.
После поступления второго тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе второго триггера последовательного (сдвигового) регистра, запоминается в нем и поступает на его выход, а так как он соединён с входом третьего триггера, то и на его вход. Одновременно следующий бит входного последовательного кода запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра.
После поступления четвертого тактового импульса в триггерах последовательного (сдвигового) регистра будут записаны логические уровни бит, которые последовательно присутствовали на его входе D0. Теперь этими битами можно воспользоваться, например, для отображения на индикаторах.
Пусть на вход последовательного (сдвигового) регистра поступает сигнал, временная диаграмма которого изображена на рисунке 3, тогда состояние выходов этого регистра будет последовательно принимать значения, записанные в таблице 1.
Рисунок 3. Временная диаграмма работы сдвигового регистра
На рисунке 3 вместе с логическими уровнями записываются значения бит, которые передаются по соединительной линии или присутствуют на выходах сдвигового регистра.
| № такта | 1 | 2 | 3 | 1 |
|---|---|---|---|---|
| Q0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| Q1 | X | 1 | 0 | 1 |
| Q2 | X | X | 1 | 0 |
| Q3 | X | X | X | 1 |
В качестве примера реализации последовательного (сдвигового) регистра можно назвать отечественную микросхему 1564ИР1 или иностранную 74НС164.
Для хранения и обработки информации в микро-ЭВМ широко используются сдвиговые регистры. Сдвиговый регистр состоит из ряда триггеров (по одному на каждый бит информации), соединенных так, что выход каждого триггера подключен ко входу следующего. Информация в регистре сдвигается на один разряд вправо или влево при поступлении каждого тактового импульса. Это устройство идеально подходит для обработки последовательной информации (подаваемой по биту в каждый момент времени), преобразования параллельной информации (все биты поступают одновременно) в последовательную и последовательной в параллельную.
Сдвиговые регистры реализуются на СИС – устройствах, выполненных с применением RS-, JK-, или D – триггеров, и различия между ними главным образом связаны с методом обработки входных и выходных данных. В данном разделе описываются основные типы этих регистров.
Рис. 2.29. Типичный 4 х разрядный регистр с последовательным входом.
Рис. 2.30. Временная диаграмма работы 4 х разрядного сдвигового регистра.
Сдвиговый регистр с последовательным входом.
Сдвиговый регистр с последовательным входом – это устройство, в котором данные последовательно поступают на вход, как показано на рис. 2.29 для 4 х разрядного сдвигового регистра. В данном случае используются D – триггеры. Работает регистр следующим образом. В исходном положении импульс сброса (логический 0) подается на вход «Установка в 0», устанавливая выходы Q 0 -Q 3 в 0. Дале первый бит данных подается на последовательный вход. При воздействии переднего фронта первого тактового импульса Q 0 принимает значение равное D 1 . Затем на последовательный вход подается D 2 . При воздействии переднего фронта второго тактового импульса Q 0 =D 2 и Q 1 =D 1 . Продолжается этот процесс, после четырех тактовых импульсов имеем Q 0 =D 4 , Q 1 =D 3 , Q 2 =D 3 , Q 3 =D 1 . Временная диаграмма для последовательно поступающих входных данных показана на рис. 2.30.
Выход данных при этом может быть как последовательным так и параллельным. В последнем случае сдвиговый регистр работает как последовательно-параллельный преобразователь. Очевидно, для сдвиговых регистров, имеющих большое число разрядов (более восьми), параллельные выходы нецелесообразны из-за большого количества выходов в корпусе ИС. Существуют сдвиговые регистры, имеющие более 1000 разрядов.
Сдвиговый регистр с параллельным входом
Сдвиговый регистр с параллельным, входом - это устройство, в котором входные данные поступают одновременно по параллельным информационным каналам (рис. 2.31).. Запись данных в регистр осуществляется следующим образом. Сначала производится сброс содержимого регистра подачей импульса (логического 0) на вход «Установка в 0». Далее D 1 -D 4 подаются на входы и импульс (логическая 1) .поступает на вход записи. Это приводит к записи информации во все регистры с использованием входов предустановки. После этого при появлении каждого тактового импульса информация сдвигается на один разряд вправо. Выход данных может быть как последовательным, так и параллельным. Многие сдвиговые регистры, выполненные в виде ИС, имеют параллельный вход и последовательный выход. Эти устройства известны как параллельно-последовательные преобразователи.
В описанных выше сдвиговых регистрах сдвиг производился в одном направлении при появлении каждого тактового импульса. Во многих случаях, однако, желательно иметь возможность сдвигать информацию и влево, и вправо. Регистры, обладающие этой способностью, называются реверсивными сдвиговыми регистрами. Управление сдвигом в таких регистрах осуществляется путем подключения выходов триггеров к соответствующим входам при сдвиге влево или вправо. Направление сдвига регулируется входом «Способ работы». Реверсивные сдвиговые регистры с последовательными и параллельными входами и выходами называют универсальными сдвиговыми регистрами.
Рис. 2.31. Типичный 4-разрядный сдвиговый регистр с параллельным выходом.
Пример регистра
В микросхеме ИР1 каждый разряд образован синхронным двухступенчатым триггером RS с логикой на входе (рис. 2.32). Регистр сдвига позволяет реализовать следующие режимы работы: запись информации параллельным кодом; сдвиг вправо; сдвиг влево. Управление режимом работы регистра осуществляется по входам VI, V2, С1, С2 (выводы 1, 6, 9, 8).
Рис. 2.32. Логическая структура микросхемы ИР1
Для записи в регистр информации параллельным кодом следует на вход управления режимом V2 подать напряжение высокого уровня, на вход С2 напряжение низкого уровня, а информационные сигналы на входы D1 - D8. Напряжение на входах С1, VI может быть любым. Для сдвига за писанной параллельным кодом информации вправо тактовые импульсы подаются на вход С2 (вывод 8). При этом на входе V2 (вывод 6) следует поддерживать напряжение высокого уровня. При операциях с данными, представленными в последовательном коде, входную информацию в виде последовательности импульсов подают на вход информации VI (вывод 1), тактовые импульсы на вход синхронизации С1 (вывод 9), а на входах V2, D1 - D8 поддерживают напряжение низкого уровня. Режимы работы ИС ИР1 при различных видах записи информации представлены в табл. 2.11.
При сдвиге влево на вход выбора режима V2 подается напряжение высокого уровня, которое блокирует прохождение тактовых импульсов, для сдвига вправо. Если при этом на входы параллельного кода разрядов D1 - D8 не подавать параллельный код числа, а выход последнего разряда соединить с входом параллельного кода предыдущего разряда, его выход с аналогичным входом предшествующего ему разряда и т. д. то получим регистр сдвига влево. Входом последовательного кода в этом случае служит вход параллельного кода последнего разряда регистра сдвига.
Микросхемы ИР1 могут быть использованы в качестве основного элемента в арифметических устройствах буферной памяти, элемента задержки на n тактов, преобразователя последовательных кодов в параллельные и наоборот, делителя частоты, закольцованного распределителя импульсов и т. д.
Одной из проблем, возникающих при разработке микроконтроллерных устройств часто становится необходимость экономии линий портов ввода/вывода. Многие периферийные устройства, которые могут работать в связке с процессором, требуют для передачи информации большого количества соединительных проводников. Актуальность этой задачи не снизилась даже с появлением процессоров с большим количеством выводов, так как одновременно усложнились и периферийные устройства. Для устройств индикации, одним из вариантов снижения количества требуемых линий может стать использование регистров сдвига (Shift register).
Регистр сдвига представляет собой цепочку из нескольких, последовательно соединенных D-триггеров. На первый триггер подключается информационный выход микроконтроллера. С каждым импульсом тактового сигнала, передаваемого по отдельной линии, уровень на входе каждого из триггеров записывается на выход. В итоге происходит сдвиг сигнала от начала к концу цепочки. Если использовать подключить выходные линии после каждого из триггеров, то сдвиговый регистр будет представлять собой последовательно-параллельный преобразователь. Это значит, что для организации каких-либо индикаторов, будет минимально необходимо использовать только два вывода микроконтроллера.
В настоящее время производители предлагают большое количество моделей регистров сдвига, с различными функциональными особенностями. Далее будут рассматриваться только микросхемы с последовательным входом и параллельным выходом. Также для описываемых целей можно использовать некоторые универсальные модели регистров.
Использование регистра 74164
|
Регистр сдвига |
Одной из наиболее простых и распространенных микросхем, реализующих функцию регистра сдвига, считается модель 74164 (555ИР8) и ее технологические варианты. Данная микросхема представляет собой 8-ми разрядный регистр с последовательной загрузкой и параллельным выходом. Используя 74164 можно сравнительно просто получить линейный индикатор из 8-ми светодиодов или односимвольный семисегментный индикатор. При необходимости, допускается последовательное соединение нескольких микросхем, что увеличит количество выходных линий, и подключенных к ним индикаторов.
Выходной ток каждой линии современных вариантов 74ACT164 и 74HCT164 составляет 25мА, что позволяет напрямую подключать маломощные одиночные светодиоды или семисегментные индикаторы. Время цикла этих микросхем может находиться на уровне 15нС, что соответствует возможности работы на частоте 66МГц. Учитывая, что подобная или более высокая частота работы процессоров встречается редко, для формирования тактовых импульсов достаточно просто включить и выключить выход контроллера, без какой-либо задержки.Для загрузки данного регистра сдвига достаточно двух линий: DATA и CLK. Это позволяет задействовать только две линии микроконтроллера, для управления устройством индикации. При этом во многих случаях может оказаться не важно, сколько микросхем будет соединено последовательно, и соответственно сколькими индикаторами управляет контроллер.
Вариантов использования 74164 существует множество. Можно выделить несколько из них. Первый, вышеназванный индикатор на основе нескольких светодиодов. Второй – одиночный семисегментный индикатор или линейка из них. Пример линейки индикаторов показан в статье – Термометр на микроконтроллере PIC12F629 .
Программирование индикации с использование регистра сдвига также не отличается высокой сложностью. Особенно если в микроконтроллере реализована такая операция, как сдвиг байта через бит переноса. Проверкой данного бита можно определить уровень, который требуется установить на линии данных. Циклически повторяя такой сдвиг и формируя тактовые импульсы можно полностью загрузить регистр сдвига.Следующим вариантом использования может стать схема динамической индикации, когда для снижения количества используемых линий микропроцессора, параллельный вывод на отдельные сегменты, заменяется на последовательный, с использованием последовательно-параллельного преобразователя. Этот же преобразователь может использоваться в схеме включения ЖК-индикатора на базе HD44780.
Использование регистров 74595 и 4094
Применение регистров сдвига позволяет строить большие схемы с использованием светодиодных индикаторов. Но в случае, если индикаторы потребляют большой ток (состоят из множества отдельных светодиодов), выходного сигнала регистра становится недостаточно. Для усиления сигнала можно применять различные схемы, состоящие из отдельных транзисторов, или сборок. Наиболее просто и выгодно в этом случае использовать микросхему ULN2803, содержащую 8 транзисторных ключей. Каждый ключ способен коммутировать ток до 500мА при напряжении до 50В, что позволяет подключать к нему до нескольких десятков отдельных светодиодов, маломощных ламп накаливания, либо сегменты крупногабаритных матричных индикаторов. Единственным отличием от вышеприведенных схем, будет использование светодиодных индикаторов с общим анодом, так как ULN2803, по сути, представляет собой ключ нижнего плеча.При всех своих достоинствах, микросхема 74164 имеет некоторые недостатки. В первую очередь к ним следует отнести непосредственное подключение выходов схемы к выходным линиям триггеров. В медленных системах светодиодной индикации, при загрузке регистра, можно наблюдать движение информации от входа к выходу в виде посторонней засветки сегментов. В случае частого обновления информации, подобная засветка вызывает несколько неприятные ощущения. Для ее устранения следует применять регистры, оснащенные выходной защелкой. Примером таких элементов служат микросхемы 74595 и 4094. Каждая из них имеет дополнительный вход стробирования SCLK. При неизменном принципе загрузки, информация на выходе этих устройств сможет появиться только после прохождения импульса по данному входу. Такое решение требует использования дополнительного вывода микроконтроллера, но позволяет строить индикаторы с большим количеством сегментов, без появления различных неприятных эффектов. Особенно полезно использование регистров, оснащенных защелками совместно с микроконтроллерами, работающими на пониженных частотах или от внутренних генераторов.
Применение регистров сдвига несколько усложняет схему готового устройства, но позволяет использовать минимум выходов микроконтроллера и имеет множество других достоинств. Помимо прочего использование вышеприведенных решений позволяет упростить программирование и создавать без больших затрат многоразрядные индикаторы.
You have no rights to post comments
1. Умножение на 2 – это сдвиг двоичного числа влево на 1 разряд.
Деление на 2 – это сдвиг числа вправо на 1 разряд.
Каждый последующий сдвиг числа – это дальнейшее умножение или деление на степень двойки.
2 Преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот можно осуществить по схеме, приведенной на рис. 3.43.
Рис. 3.43. Схема преобразования кода параллельный\последовательный
S – data serial - последовательный вход данных
P/ S – вход управления режимом ввода (параллельный/последовательный)
Для осуществления преобразования регистр RG1 переводят в режим параллельного приема информации, а RG2 последовательного приёма, воздействуя на входы управления P/S соответствующим логическим уровнем сигнала. Параллельный код через входы D 1 - D 4 загружается в передающий регистр RG1, появляясь в параллельном виде на его выходах Q 1 – Q 4 . После этого оба регистра переводят в режим сдвига и на тактовый вход «с» подают серию из четырех импульсов. Передаваемый код вытесняется из передающего регистра в линию связи начиная со старших разрядов числа. Регистр–приёмник принимает и сдвигает каждый бит информации синхронно с передающим регистром. Таким образом, с окончанием серии из четырех тактовых импульсов, передаваемый код будет размещен в принимающем регистре и может быть прочитан из него в параллельном виде, т. к. появится на его выходах Q 1 – Q 4 . Это синхронный способ передачи кода.
При асинхронном способе синхронизирующий перепад, называемый стартовым битом, сопровождает цепочку из 5-8 бит (чаще всего байт). Это стандартный последовательный интерфейс .
Для выполнения функции как приемника так и передатчика при обмене в стандартном последовательном формате выпускаются специальные микросхемы КР580ВВ51 (ввод-вывод) или КР581ВА1.
Экономические расчеты стоимости кабеля связи и аппаратуры преобразования показывают, что при разрядности в 1-2 байта передача последовательным кодом уже при расстояниях в несколько метров становится выгоднее передачи параллельным кодом.
Сигналы сдвига подаются на RG непрерывно, а выход замкнут на вход DS. В результате однажды записанный в регистр код будет в этом кольце циркулировать. Поставив параллельно m одинаковых регистров можно записывать и считывать m-разрядные слова параллельным кодом.
Недостаток – большое время обращения
Достоинства – малые аппаратурные затраты и низкая стоимость.
Например 144ИР3 имеет ёмкость 64 бит.
4. Кольцевые распределители
Распределителями называют узлы, распределяющие поток импульсов последовательно, импульс за импульсом, по нескольким выходам по определенным циклограммам.
Применяют для управления шаговыми двигателями, обслуживания матриц ПЗС и др. многоразрядных объектов (рис. 3.44).
Рис. 3.44. Кольцевой распределитель
Схема предусматривает внесение единицы через элемент ИЛИ на вход последовательного приема информации DS. Последующие импульсы сдвига с частотой следования f вх перемещают эту единицу от младших разрядов к старшим, выделяя её на выходах Q 1 – Q 4 (рис. 3.45).
Рис. 3.45 Диаграмма кольцевого распределителя
Очевидно, что частота выходных импульсов на каждом из выходов окажется в четыре раза меньше входной, а в общем виде это соотношение зависит от числа разрядов сдвигового регистра – n. f вых = f вх / n
Достоинством такого распределителя является возможность преобразования последовательности импульсов в восьмеричный (десятичный) код без применения дешифратора.
Недостаток схемы – после сбоя работоспособность можно восстановить только путем внесения новой единицы.
От этого недостатка свободна схема с самовосстановлением после сбоя (рис. 3.46).
Рис. 3.46. Кольцевой распределитель с самовосстановлением после сбоя
Очевидно, что при смещении единицы в четвертый триггер регистра будет выполняться условие: Q̅ 1 ·Q̅ 2 ·Q̅ 3 = 1. Эта единица по цепи обратной связи поступит на вход DS, после чего цикл повторится.
5. Счетчик импульсов
Кольцевой распределитель можно рассматривать как счетчик-делитель с коэффициентом счета равным числу триггеров. Соединив последовательно два регистра по четыре разряда можно построить делитель на 16 (рис. 3.47).
Рис. 3.47 Счетчик-делитель на 16
Явным недостатком такой конструкции является малая ёмкость. Действительно, затратив те же 8 триггеров, можно собрать двоичный счетчик с коэффициентом деления 2 8 = 256.
6. Кольцевой распределитель с перекрестной связью