寄存器

1数字电路和计算机中用来暂时存放二进制代码、指令、运算数据或结果的逻辑部件称为寄存器。寄存器可以由触发器组成，由于一个双稳态触发器可以存储一位二进制数码，要存放N位二进制数，就需要N个触发器。常用的有四位、八位、十六位等寄存器。5.4寄存器寄存器存放（输入）和取出（输出）数码的方式有并行和串行两种。按功能不同,寄存器常分为数码寄存器和移位寄存器两种。25.4.1数码寄存器数码寄存器是具有接收数码、存储数码功能的时序逻辑部件。右图电路为四位数码寄存器，各触发器均为D功能且并行使用。该寄存器的各个触发器的输入输出端是相互独立的,只能存放数码。CP4X4Q4D&3X3Q3D&2X2Q2D&1X1Q1D&读出脉冲输入输出3CP4X4Q4D&3X3Q3D&2X2Q2D&1X1Q1D&读出指令由于电路接收数码时各位数码是同时输入的,而各位输出数码也是同时取出的,因此称为并行输入、并行输出寄存器。例：X4X3X2X1=1011CP由0→1时接收数据，且Q3Q2Q1Q0=1011CP=0，1，1→0；Q3Q2Q1Q0保持数据不变（寄存）状态方程为：414XnQ33X1nQ212XnQ111XnQ11101110接收指令111044位MSI寄存器741755.4.2移位寄存器CR为各触发器的直接置0端，用作寄存器的“清零”。1.移位的概念除了具有暂存数码的功能之外，还具有移位功能的逻辑部件称为移位寄存器。可用来构成缓冲或暂存寄存器､移位寄存器和图形发生器等。所谓移位功能：就是存在寄存器中的数码（即各触发器的状态）可以在移位正脉冲（CP）的作用下，依次向右或向左转移到相邻的触发器中。5移位寄存器是在寄存器的基础上发展起来的。两者在结构上的区别为：1）寄存器中的各级触发器在电路上互相独立。各个触发器的输入数据都来自电路外部（典型芯片为74175）。2）移位寄存器中的各级触发器在电路上有联系，除第一级外的各级触发器的数据输入端均连接相邻触发器的输出端。移位寄存器根据不同用途分类有单向(向左或向右)和双向(即能向左又能向右)移位之分。按输入/输出方式进行分类有：串入→串出串入→并出并入→串出并入→并出6低位高位原数据1001左移：串出1←001X←串入右移：串入→X100→1串出高位低位原数据1001右移：串出1←001X←串入左移：串入→X100→1串出一般规定右移是向高位移（即数码先移入最低位），左移是向低位移（即数码先移入最高位），而不管看上去的方向如何。右移：QA→QD（AtoD的移位）；左移：QA←QD（DtoA的移位）。D是高位，A是低位。关于左移､右移：71．右移移位寄存器每个触发器的Ｑ端输出接到相邻高位（左边一位）触发器的输入端D,即Di=Ｑi－1,只有第一个触发器输入端接数码DSR。各触发器均为D功能且串行使用。在接收数码前，先用一个负脉冲（又称清零脉冲或复位脉冲）把所有的触发器都置为0状态（简称清零或复位）。并行输出Ｑ4Ｑ３Ｑ２Ｑ１ＱDＱDＱDＱD串行输入DSR串行输出F4F3F21RDRDRDRDCP移位脉冲CR清“0”F8为了分析方便，以下我们都用Ｑ表示时序电路的现态，Ｑn+1表示时序电路的次态。状态方程为：3414QDQn2313QDQn1212QDQnSL111DDQnCP上升沿有效并行输出Ｑ4Ｑ３Ｑ２Ｑ１ＱDＱDＱDＱD串行输入DSR串行输出F4F3F21RDRDRDRDCP移位脉冲CR清“0”F9并行输出Ｑ4Ｑ３Ｑ２Ｑ１ＱDＱDＱDＱD串行输入DSR串行输出F4F3F21RDRDRDRDCP移位脉冲CR清“0”F101100000001000111101100DSR=1011工作时先清零CR=0，Q4Q3Q2Q1=0000314QQn213QQn112QQnSR11DQn在移位脉冲作用下，数码1011依次送入寄存器中，这种方式叫串行输入。当4个CP上升沿到来后，寄存器并行输出Q4Q3Q2Q1=1011，Q4作为串行输出端，第8个CP上升沿到来后，输出1011。10D010110000711000810000触发器状态移位脉冲Ｑ4Ｑ3Ｑ2Ｑ10000010001200103010141011510110601100314QQn213QQn112QQnSR11DQn12345678CPDSR1011Ｑ01011Ｑ201011Ｑ301011Ｑ4010111112．左移移位寄存器图示为左移移位寄存器逻辑图。数据由D4端输入，各触发器之间的连接方式为Di=Ｑi＋1。状态方程为：SRnDDQ4144313QDQn3212QDQn2111QDQnCP上升沿有效Ｑ4Ｑ3Ｑ2Ｑ1数据输入DSLDＱDＱDＱDＱ串行输出F4F3F2F1移位脉冲清“0”123.双向移位寄存器4X3X2X1XCP1Q1D&&&12312Q2D&&&12313Q3D&&&12314Q4D&&&1231RD左移串出右移串出左移串入左移控制接收控制右移控制右移串入并行输出并行输入可实现右移、左移、并入、并出、串入和串出等操作。各种功能各需要有一个控制端，这些功能都不执行相当于保持功能。DSRDSL133.74LS194四位双向移位寄存器DCBACPC4M10RDQCQBQAQD4,2D4,31,4DSLDSRD1S0S/21DR30SRG4D4,3D4,3D4,3)13()14()15()6()5()4()2()11()10()9()1()12()7()3(（1）管脚图和逻辑符号这是一种具有并行输出、并行输入、左移、右移、保持等多种功能的通用移位寄存器。逻辑符号中的SRG4（ShiftRegister4）是四位移位寄存器的缩写。11674LS194SRSERACLRBCDGNDVCCQAQBQCQDCLKS089SLSERS1QAQBQCQDABCDCLR：异步置零端S1、S0：工作方式控制端ABCD：并行数码输入端QAQBQCQD：并行数码输出端DSR：右移串行数码输入端DSL：左移串行数码输入端CP：移位脉冲输入端14（2）74LS194功能表输入输出CRSDABCDQAQBQCQD0×××××××11××110×10×11010CP↑××↑ABCDABCD××××××××××××××11↑↑0000××10↑QA0QB0QC0QD01QA0QB0QC00QA0QB0QC0QB0QC0QD01QB0QC0QD00QA0QB0QC0QD01S01××011100×0SLDSR××××××××××××××异步置零保持功能并行置数右移输入1右移输入0左移输入1左移输入0保持工作方式控制端S1S0区分四种功能。S1S0功能00保持01右移10左移11并行置数结论：清零功能最优先（异步方式）。移位、并行输入都需CP的↑到来（同步方式）。155.4.3寄存器的应用移位寄存器在数字装置中作为逻辑部件，应用十分广泛。除了在计算机中大量应用于乘、除法所必须的移位操作及数据存储外，还可以用它作为数字延迟线，串行、并行数码转换器以及构成各种环形计数器等。161DC1QGCP加数移位寄存器移位方向进位寄存器全加器累加器SiC1-iCiBiAi0B1BnB1-nB&0A1AnA1-nAX相减相加0=X1=X1.二进制串行加法器B0A00S0=A0⊕B0⊕C0-1S0C0C0=A0B0S1=A1⊕B1⊕C0C1=(A1⊕B1)C0+A1B1S0C01B1A1S1C1如果继续下去，当第n个CP脉冲作用后，加数与被加数全部向左移走，而原来存放被加数的累加寄存器中就存入了运算结果和（Sn-1……S1S0）。Sn-1SnS1S017如果把移位寄存器的输出，以一定的方式反馈到第n位D触发器Fn的输入端Dn，则可构成许多特殊编码的移位寄存器型计数器。2.环形计数器（1）电路组成（2）工作原理211QQn312QQn413QQn114QQnDQn1特性方程：状态方程：（CP的上升沿有效）是一个自循环的左移移位寄存器。QDFnQDFn-1QDF1CP反馈逻辑电路QDF4CPQDF3QDF2QDF118（CP的上升沿有效）显然在CP脉冲作用下：可循环左移移位一个1，或循环移位一个0。DＱDＱDＱDＱF4F3F2F1CP四位环形计数器11111211QQn312QQn413QQn114QQn状态方程：19状态图：有效循环无效循环1000→0100000001011100→01101101→1110↑↓↑↓↑↓0001←0010111110101001←00111011←0111四位环形计数器的状态图注：有效循环的四种状态在每一个时刻，只有一个触发器Q端作为电路的输出状态，且在连续的CP作用下，触发器的Q端轮流出现矩形脉冲，故此电路又称为环形脉冲分配器。如上例环形分配“1”。电路不能自启动（CP的上升沿有效）211QQn312QQn413QQn114QQn状态方程：20将上电路作如下改进，可得能够自启动电路。1＆DＱDＱDＱDＱF4F3F2F1CP能够自启动的四位环形计数器驱动方程：2344QQQD43QD32QD21QD特性方程：DQn1状态方程：23414QQQQn413QQn312QQn211QQn（CP上升沿有效）21状态图：电路能自启动状态方程：23414QQQQn413QQn312QQn211QQn（CP上升沿有效）Ｑ4Ｑ3Ｑ2Ｑ1Ｑ4n+1Ｑ3n+1Ｑ2n+1Ｑ1n+10000100000011000001000010011000101000010010100100110001101110011100001001001010010100101101101011100011011010110111001111111011111100000↓↓1111→0111→0011→0001→1000↑↑有效循环↓1101→01100010←0100←1001↑↑11000101←1011↑1010状态表：22可见，在CP脉冲的驱动下，各Q端轮流输出矩形脉冲，所以也可以构成顺序脉冲发生（分配）器。8CP1234567Q3Q2Q1Q0时序图：顺序脉冲指在每个循环周期内，在时间上按一定先后顺序排列的脉冲信号。常用来控制某些设备按照事先规定的顺序进行运算或操作。缺点是状态利用率低，记N个数需要N个触发器，使用触发器多。23利用并行置数功能S1S0=11将电路初态置为Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0=1000用移位寄存器CT74LS194构成顺序脉冲发生器CP12345678Q3Q2Q1Q0电路执行左移功能。来一个CP脉冲，各位左移一次，即Q3→Q2→Q1→Q0。左移输入信号DSL由Q0提供，因此能实现循环左移。顺序脉冲宽度为一个CP周期。D0D3D2D1Q3Q2Q1Q0S1S0DSLDSRCPCT74LS19411000×Cr1110243.扭环形计数器扭环形计数器的结构特点是：Dn＝Ｑ1，如图示。DＱDＱDＱDＱF4F3F2F1ＱCP四位扭环形计数器211QQn312QQn413QQn114QQn状态方程：（CP的上升沿有效）25状态图：它有8个有效状态，8个无效状态，电路不能自启动，工作时应预先将计数器置成0000状态。0000→1000→1100→11100100→1010→1101→0110↑有效循环↓↑无效循环↓0001←0011←0111←11111001←0010←0101←1011211QQn312QQn413QQn114QQn状态方程：（CP的上升沿有效）26将以上电路作如下改进，可得能够自启动电路。＆＆DＱDＱDＱDＱF4F3F2F1CP驱动方程：1324QQQD43QD32QD21QD特性方程：DQn1状态方程：13214QQQQn413QQn312QQn211QQn（CP上升沿有效）27状态图：0000→1000→1100→