集成寄存器和移位寄存器

6.4集成寄存器和移位寄存器寄存器與移位寄存器均是數(shù)字系統(tǒng)中常見的主要部件，寄存器用來存入二進(jìn)制數(shù)碼或信息，移位寄存器除具寄存器的功能外，還可將數(shù)碼移位。6.4.1寄存器

1.寄存器寄存器是存放二進(jìn)制數(shù)碼，就必須有記憶單元即觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器能存放一位二進(jìn)制碼，存放N位數(shù)碼，就應(yīng)具有N個(gè)觸發(fā)器。寄存器為了保證正常存數(shù)，還必須有適當(dāng)?shù)拈T電路組成控制電路。圖6–41四位鎖存器的邏輯圖寄存器接收數(shù)碼或信息的方式有兩種：單拍式和雙拍式。雙拍式。第一拍，在接收數(shù)據(jù)前，先用復(fù)零負(fù)脈沖使所有觸發(fā)器恢復(fù)至“0”態(tài)。第二拍，在接受指令端加入接受指令(正脈沖)。將每一個(gè)與非門打開，把輸入端數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的觸發(fā)器中。單拍式。接受命令將全部與非門打開，如輸入數(shù)據(jù)是1，則使Sd=0、Rd=1,觸發(fā)器無論原來是何態(tài)，均將觸發(fā)器置“1”，即將數(shù)據(jù)“1”寫入觸發(fā)器。如輸入數(shù)據(jù)是“0”，則使Sd=1，Rd=0,觸發(fā)器置“0”，將數(shù)據(jù)寫入觸發(fā)器。利用Rd,Sd端，而將輸入激勵(lì)端作為它用，圖6-43即是采用Rd,Sd寄存數(shù)據(jù)的電路。其中，圖(a)是雙拍式，圖(b)是單拍式。圖6–43利用Rd,Sd組成寄存器2.基本寄存器通常所說的寄存器均為基本寄存器。圖6-42是中規(guī)模集成四位寄存器74LS175的邏輯圖，其功能表如表6-21所示。圖6–4274LS175表6–21功能表

當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP為上升沿時(shí)，數(shù)碼D0~D3可并行輸入到寄存器中去，因此是單拍式。四位數(shù)碼Q0~Q3并行輸出，故該寄存器又可稱為并行輸入、并行輸出寄存器。Cr為0，則四位數(shù)碼寄存器異步清零。CP為0，Cr為1，寄存器保存數(shù)碼不變。若要擴(kuò)大寄存器位數(shù)，可將多片器件進(jìn)行級聯(lián)。6.4.2移位寄存器

移位寄存器的設(shè)計(jì)比較容易，因?yàn)樗臓顟B(tài)要受移位功能的限制。如原態(tài)為010，當(dāng)它右移時(shí)，其次態(tài)只有兩種可能，當(dāng)移進(jìn)1時(shí)，則次態(tài)為101；如移進(jìn)0，則次態(tài)為001。不可能有其它的次態(tài)出現(xiàn)，否則就失去移位功能。以3位右移為例，輸入信號用ＳR表示。則狀態(tài)遷移可用方程表示如下：

用D觸發(fā)器組成時(shí)，由于Qn+1=D，故D0=SR，D1=Qn0,D2=Qn1，按此方程連接電路如圖6-44(a)所示。如用JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，由于其特征方程為，故將移位方程作如下變化圖6–44三位右移寄存器(a)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)；(b)JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)如要組成左移如要組成左移則圖6–45三位左移寄存器(a)

D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)；(b)

JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)

將左、右移三位寄存器結(jié)合在一起，加上控制信號X，就可組成雙向移位寄存器，X=1左移，X=0右移。以D觸發(fā)器為例，其激勵(lì)函數(shù)為圖6–46三位雙向移位寄存器6.4.3集成移位寄存器功能分析及其應(yīng)用1.典型移位寄存器介紹74LS194是一種典型的中規(guī)模集成移位寄存器。它是由4個(gè)RS觸發(fā)器和一些門電路所構(gòu)成的4位雙向移位寄存器。其邏輯圖及符號圖如圖6-47所示，功能表如表6-22所示。圖6–4774LS194四位雙向通用移位寄存器(a)邏輯電路圖；(b)慣用符號；(c)新標(biāo)準(zhǔn)符號表6–2274LS194功能表

2.移位寄存器的應(yīng)用

(1)在數(shù)據(jù)傳送體系轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用。數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送體系有兩種，具體介紹如下：串行傳送體系。每一節(jié)拍只傳送一位信息，N位數(shù)據(jù)需N個(gè)節(jié)拍才能傳送出去。并行傳送體系。一個(gè)節(jié)拍同時(shí)傳送N位數(shù)據(jù)。在數(shù)字系統(tǒng)中，兩種傳送系統(tǒng)均存在，如計(jì)算機(jī)主機(jī)對信息的處理和加工是并行傳送數(shù)據(jù)的，而信息的傳播是串行傳送數(shù)據(jù)的，因此存在兩種數(shù)據(jù)傳送體系的轉(zhuǎn)換。①串行轉(zhuǎn)換為并行。圖6–48串行轉(zhuǎn)換為并行示意圖②并行轉(zhuǎn)換為串行。圖6–49并行轉(zhuǎn)換為串行示意圖

例12

用74LS194組成七位串行輸入轉(zhuǎn)換為并行輸出的電路。解轉(zhuǎn)換電路如圖6-50所示，其轉(zhuǎn)換過程的狀態(tài)變化如表6-23所示。圖6–50七位串入→并行輸出轉(zhuǎn)換電路表6-23七位串入—并出狀態(tài)表

例13

用74LS194組成七位并入轉(zhuǎn)換為串出。

解圖6-51是轉(zhuǎn)換電路，其轉(zhuǎn)換過程的狀態(tài)變化如表6-24所示。圖6–51七位并入—串出轉(zhuǎn)換電路表6-24七位并入—串出狀態(tài)表(2)組成移位型計(jì)數(shù)器。圖6–52移位型計(jì)數(shù)器一般結(jié)構(gòu)圖6–53移位寄存器的全狀態(tài)圖三位移位寄存器全狀態(tài)圖；(b)四位移位寄存器全狀態(tài)圖

例14

設(shè)計(jì)模10移位型計(jì)數(shù)器。

解模10計(jì)數(shù)器需4級觸發(fā)器，所以從圖6-53的四位移位寄存器全狀態(tài)圖上選循環(huán)周期為10的狀態(tài)遷移序列。當(dāng)然會(huì)有多種不同的選取組合，從中任選一種即可。我們選如下序列：0→8→4→10→13→14→15→7→3→1其余不用的狀態(tài)可作為無關(guān)項(xiàng)處理，為了保證具有自啟動(dòng)能力，將其引入有效循環(huán)如圖6-54所示。實(shí)現(xiàn)器件可以用觸發(fā)器和門電路實(shí)現(xiàn)；也可選取中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)。圖6–54例14狀態(tài)遷移圖表6-25狀態(tài)遷移關(guān)系圖6–55例14移位型十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

移位型計(jì)數(shù)器中有兩種常用計(jì)數(shù)器，即環(huán)型計(jì)數(shù)器和扭環(huán)型計(jì)數(shù)器。環(huán)型計(jì)數(shù)器具有如下特點(diǎn)：其進(jìn)位模數(shù)與移位寄存器觸發(fā)器數(shù)相等；結(jié)構(gòu)上其反饋函數(shù)F(Q1Q2…Qn)=Qn，圖6-56是用74LS194構(gòu)成的四位環(huán)型計(jì)數(shù)器及其狀態(tài)遷移圖。如起始態(tài)為Q0Q1Q2Q3=1000，其狀態(tài)遷移為1000→0100→0010→0001，但存在無效循環(huán)和死態(tài)(如0和15)，即無自啟動(dòng)能力。圖6–56四位環(huán)型計(jì)數(shù)器

由于我們選定環(huán)型計(jì)數(shù)器每個(gè)狀態(tài)只有一個(gè)“1”(或選定每個(gè)狀態(tài)只有一個(gè)“0”)，故無需譯碼即可直接用于順序脈沖發(fā)生器。但環(huán)型計(jì)數(shù)器狀態(tài)利用率低，16個(gè)狀態(tài)僅利用了4個(gè)狀態(tài)。

扭環(huán)型計(jì)數(shù)器(又稱為約翰遜計(jì)數(shù)器)。其特點(diǎn)是：進(jìn)位模為移位寄存器觸發(fā)器級數(shù)n的2倍，即為2n；電路結(jié)構(gòu)上反饋函數(shù)F(Q1Q2…:Qn)=Qn。圖6-57是用74LS194構(gòu)成的扭環(huán)形計(jì)數(shù)器，由于存在一個(gè)無效循環(huán)，故無自啟動(dòng)能力。圖6–57四位扭環(huán)型計(jì)數(shù)器

扭環(huán)形計(jì)數(shù)器可以獲得偶數(shù)計(jì)數(shù)器(或稱為偶數(shù)分頻器)，如要獲得奇數(shù)分頻器，其反饋函數(shù)由相鄰兩觸發(fā)器組成，即F=QmQm+1。其規(guī)律如下：以右移為例，F(xiàn)=Q0Q1得三分頻電路；F=Q1Q2得五分頻電路；F=Q2Q3

得七分頻電路。如要得九分頻以上的電路，則應(yīng)將多片四位74LS194擴(kuò)展為八位，舉例如下。

例1574LS194電路如圖6-58所示，列出該電路的狀態(tài)遷移關(guān)系，并指出其功能。解狀態(tài)遷移關(guān)系如表6-26所示，由所得狀態(tài)遷移關(guān)系，可看出是七個(gè)狀態(tài)一循環(huán)，故為7分頻電路，即fo=1/7fCP。其波形圖如圖6-59所示。圖6-58例15電路圖表6–26狀態(tài)遷移關(guān)系圖6–59例15波形圖圖6–60三種奇數(shù)分頻電路*6.5序列信號發(fā)生器

序列信號發(fā)生器是能夠循環(huán)產(chǎn)生一組或多組序列信號的時(shí)序電路，它可以用移位寄存器或計(jì)數(shù)器構(gòu)成。序列信號的種類很多，按照序列循環(huán)長度M和觸發(fā)器數(shù)目n的關(guān)系一般可分為三種：

(1)最大循環(huán)長度序列碼，M=2n。

(2)最長線性序列碼(m序列碼)，M=2n-1。

(3)任意循環(huán)長度序列碼，M<2n。6.5.1序列信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)1.反饋移位型序列信號發(fā)生器圖6–61反饋移位型序列信號發(fā)生器框圖

其設(shè)計(jì)按以下步驟進(jìn)行：

(1)根據(jù)給定序列信號的循環(huán)長度M，確定移存器位數(shù)n,2n-1<M≤2n。

(2)確定移位寄存器的M個(gè)獨(dú)立狀態(tài)。將給定的序列碼按照移位規(guī)律每n位一組，劃分為M個(gè)狀態(tài)。若M個(gè)狀態(tài)中出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，則應(yīng)增加移存器位數(shù)。用n+1位再重復(fù)上述過程，直到劃分為M個(gè)獨(dú)立狀態(tài)為止。

(3)根據(jù)M個(gè)不同狀態(tài)列出移存器的狀態(tài)表和反饋函數(shù)表，求出反饋函數(shù)F的表達(dá)式。

(4)檢查自啟動(dòng)性能。

(5)畫邏輯圖。

例16

設(shè)計(jì)一個(gè)00011101序列發(fā)生器。解

(1)確定移存器的位數(shù)n。因M=8，故n≥3，選定為三位，用74LS194的三位。

(2)確定移存器的八個(gè)獨(dú)立狀態(tài)。將序列碼00011101按照每三位一組，劃分為八個(gè)狀態(tài)，其遷移關(guān)系如下所示：(3)作出反饋函數(shù)表，如表6-27所示，由遷移關(guān)系可看出移存器只進(jìn)行左移操作，因此S1=1,S0=0。將F(SL)的卡諾圖填入圖6-62(a)中，選用四選一實(shí)現(xiàn)F(SL)函數(shù)，其邏輯圖如圖6-62(b)所示。表6–27反饋函數(shù)表圖6–6200011101序列信號發(fā)生器

例17

設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生100111序列的反饋移位型序列信號發(fā)生器。解

(1)確定移存器位數(shù)n。因M=6，故n≥3。

(2)確定移存器的六個(gè)獨(dú)立狀態(tài)。將序列碼100111按照移位規(guī)律每三位一組，劃分六個(gè)狀態(tài)為100、001、011、111、111、110。其中狀態(tài)111重復(fù)出現(xiàn)，故取n=4，并重新劃分六個(gè)獨(dú)立狀態(tài)為1001、0011、0111、1111、1110、1100。因此確定n=4，用一片74LS194即可。(3)反饋激勵(lì)函數(shù)表，求反饋函數(shù)F的表達(dá)式。根據(jù)每一狀態(tài)所需要的移位輸入即反饋輸入信號，列出反饋函數(shù)表如表6-28所示。從表中可見，移存器只需進(jìn)行左移操作，因此反饋函數(shù)F=SL。表6-28也表明了組合反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出和輸入之間的函數(shù)關(guān)系，因此可填出F的卡諾圖如圖6-63(a)所示，并求得表6–28例17反饋函數(shù)表(4)檢查自啟動(dòng)性能。圖6–63例17F的卡諾圖和移存器的全狀態(tài)圖圖6–64修正后的全狀態(tài)圖和F的卡諾圖圖6–65例17邏輯電路圖2.計(jì)數(shù)型序列碼發(fā)生器圖6–66計(jì)數(shù)型序列碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

例18

設(shè)計(jì)1101000101序列信號發(fā)生器。解由于給定序列長度P=10，故先用74LS161設(shè)計(jì)一個(gè)模10的計(jì)數(shù)器，我們利用74LS161的預(yù)置端LD，用后10個(gè)狀態(tài)，即0110~1111。令該10個(gè)狀態(tài)中每一個(gè)狀態(tài)的輸出符合給定序列的要求，列出其真值表如表6-29所示，對應(yīng)的輸出卡諾圖如圖6-67(a)所示。采用八選一數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)，電路如圖6-67(b)所示。表6–29真值表圖6–67例18設(shè)計(jì)過程及邏輯圖

例19

設(shè)計(jì)一個(gè)能同時(shí)產(chǎn)生兩組代碼的信號發(fā)生器，這兩組代碼分別是：F1=110101和F2=010110。

解首先用74LS194設(shè)計(jì)一個(gè)具有自校正的模6扭環(huán)型計(jì)數(shù)器如圖6-68(a)所示，并畫出輸出序列卡諾圖如圖6-68(b)所示。然后用一片3-8譯碼器和與非門實(shí)現(xiàn)輸出組合邏輯。最后畫出邏輯圖如圖6-68(c)所示。圖6–68例19的設(shè)計(jì)過程及邏輯圖6.5.2m序列碼發(fā)生器m序列碼也稱偽隨機(jī)序列碼，其主要特點(diǎn)是：

(1)每個(gè)周期中，“1”碼出現(xiàn)2n-1次，“0”碼出現(xiàn)2n-1-1次，即0、