Układy cyfrowe - Wykład
Układy licznikowe - liczniki synchroniczne
i rejestry
Wykład 11B
Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji
Instytut Informatyki i Elektroniki
© Zbigniew SkowroÅ„ski
Klasyfikacja liczników synchronicznych
Liczniki synchroniczne z przeniesieniami równoległymi
(ang. Parallel Carry lub Look-Ahead),
-1
fmax = [tp max przerzutnika + tp max bramki( AND)]
Liczniki synchroniczne z przeniesieniami szeregowymi
(ang. Serial Carry lub Ripple Carry)
-1
fmax = [tp max przerzutnika + (n - 2)tp max bramki( AND)]
Klasyfikacja ta związana jest z układem kombinacyjnym, generującym odpowiednie
przeniesienie dla wejść informacyjnych przerzutników, wchodzących w skład licznika
synchronicznego, może on być realizowany w dwojaki sposób, jako układ równoległy
lub jako układ szeregowy (albo jako układ równoległo-szeregowy)
© Zbigniew SkowroÅ„ski 2
Licznik synchroniczny Parallel Carry
QA
QB
QC
QD
"1"
15
EN Q EN Q EN Q EN Q
CLK CLK CLK CLK
WE
-1
fmax = [tp max przerzutnika + tp max bramki( AND)]
© Zbigniew SkowroÅ„ski 3
Licznik synchroniczny Serial Carry
QA
QB
QC
QD
"1"
EN Q EN Q EN Q EN Q
CLK CLK CLK CLK
WE
-1
fmax = [tp max przerzutnika + (n - 2)tp max bramki( AND)]
© Zbigniew SkowroÅ„ski 4
Przykład 1
Synchroniczny licznik 4-bitowy zliczajÄ…cy do przodu
© Zbigniew SkowroÅ„ski 5
Przykład 2
Synchroniczny licznik 4-bitowy zliczający do tyłu
© Zbigniew SkowroÅ„ski 6
Przykład 3
Synchroniczny licznik 4-bitowy zliczający do przodu/tyłu
Q Q Q
0 1 2
Q
3
V
CC
Up/Down
J Q J Q J Q
J Q
Clk Clk Clk
Clk
K Q K Q K Q
K Q
© Zbigniew SkowroÅ„ski 7
Licznik z przykładu 3 w trybie zliczania do tyłu
Q Q Q
0 1 2
Q
3
V
CC
Up/Down
J Q J Q J Q
J Q
Clk Clk Clk
Clk
K Q K Q K Q
K Q
© Zbigniew SkowroÅ„ski 8
Licznik z przykładu 3 w trybie zliczania do przodu
Q Q Q
0 1 2
Q
3
V
CC
Up/Down
J Q J Q J Q
J Q
Clk Clk Clk
Clk
K Q K Q K Q
K Q
© Zbigniew SkowroÅ„ski 9
Scalony licznik synchroniczny 74163 (1)
Schemat i tablica stanów
74163
3 14
A QA
4 13
B QB
5 12
Sygnał RC0 podaje przeniesienie
C QC
6 11
D QD
15
RCO
z najstarszego bitu i ma wartość "1 , gdy
7
ENP
10
ENT
2 wszystkie bity sÄ… jedynkami oraz ENT=1
CLK
9
LOAD
1
CLR
WEJÅšCIA AKTUALNY STAN NAST
PNY STAN
/Clr /Ld EnT EnP QD QC QB QA QD* QC* QB* QA*
0 * * * * * * * 0 0 0 0
1 0 * * * * * * D C B A
1 1 0 * * * * * QD QC QB QA
1 1 * 0 * * * * QD QC QB QA
1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1
1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0
© Zbigniew SkowroÅ„ski 10
Scalony licznik synchroniczny 74163 (2)
Charakterystyka:
Licznik '163 jest w pełni synchroniczny, jego wyjścia zmieniają się wyłącznie przy
zboczu narastajÄ…cym CLK
Jeśli potrzebne jest asynchroniczne zerowanie licznika, to należy użyć licznika
74161, w którym wejście /CLR podłączone jest do asynchronicznych wejść
zerujących wewnętrznych przerzutników
Kolejnymi układami o takich samych wyprowadzeniach są liczniki '160 i '162.
Stanowią one odpowiedniki liczników '161 i '163 z tą różnicą, że liczą modulo 10
Chcąc uzyskać licznik o mniejszej pojemności niż 16 dla liczników '161 i '163
(10 dla liczników '160 i '162), należy odpowiednio łączyć wyjścia (dekodując stan)
z wejściami /LOAD i /CLR
Pierwsze z nich używa się przy liczeniu od 16-n do 15 ( od 10-n do 9 dla '160 i '162),
zaÅ› drugie od 0 do n
© Zbigniew SkowroÅ„ski 11
Liczniki synchroniczne - wnioski
Większa szybkość działania niż w przypadku
:&
liczników asynchronicznych
Nie występuje problem generowania błędnych
:&
stanów na wyjściu licznika
A
atwy sposób projektowania bardziej złożonych
:&
liczników na bazie wcześniej skonstruowanych
Problemy generowania błędnych stanów i małej
szybkości działania to wady liczników
asynchronicznych
© Zbigniew SkowroÅ„ski 12
Definicja rejestru
Rejestrem nazywamy zestaw
przerzutników D taktowanych
wspólnym zegarem
Najczęściej rejestry służą do
przechowywania powiÄ…zanych ze
sobą danych, na przykład bajtów lub
słów danych, czy adresu
w systemie mikroprocesorowym
© Zbigniew SkowroÅ„ski 13
8 bitowy rejestr scalony 74374
IstotnÄ… cechÄ… tego rejestru (oraz
/OE
większości układów MSI)
jest zastosowanie bufora lub
CLK
bramki negacji na tych wejściach,
z których sygnał steruje wieloma
układami.
1D D
Wiąże się to z rozwiązaniem
CLK
problemu obciążalności wyjść.
Q 1Q
Na jego wyjściach występują
również bufory trójstanowe,
które odblokowują wyjście przy
stanie niskim wejścia /OE
2D D
CLK
Q 2Q
© Zbigniew SkowroÅ„ski 14
8 bitowy rejestr scalony 74377
D Q 1Q
CLK
1D
Układ ten różni się od '374 brakiem
bramek trójstanowych na wyjściach,
/G w zamian za co ma wejście blokujące /G,
aktywne w stanie niskim.
Jeśli przy narastającym zboczu zegara na
CLK
wejściu /G jest stan niski, wówczas na
przerzutniki przekazywane sÄ… dane z
wejść D.
Jeśli zaś jest stan wysoki, przerzutniki
zachowują swój aktualny stan.
© Zbigniew SkowroÅ„ski 15
Definicja rejestru przesuwnego
Rejestrem przesuwnym
nazywamy n-bitowy rejestr
zdolny do przesuwania swej
zawartości o 1 bit przy każdym
takcie zegara
© Zbigniew SkowroÅ„ski 16
Przykład 4
© Zbigniew SkowroÅ„ski 17
Klasyfikacja rejestrów przesuwnych
Rejestry jednokierunkowe
Rejestry dwukierunkowe
W obu tych grupach z kolei można wyróżnić rejestry:
o Szeregowe - SISO (ang. Serial Input / Serial Output), umożliwiające
szeregowe wprowadzanie i wyprowadzanie informacji, tzn. bit po bicie
o Szeregowo - równoległe - SIPO ( ang. Serial Input / Parallel Output),
umożliwiające szeregowe wprowadzanie informacji i równoległe
wyprowadzanie
o Równoległe - szeregowe - PISO (ang. Parallel Input / Serial Output),
umożliwiające równoległe wprowadzanie i szeregowe wyprowadzanie
informacji
o Równoległe - PIPO (ang. Parallel Input / Parallel Output), umożliwiające
równoległe wprowadzanie i równoległe wyprowadzanie informacji
© Zbigniew SkowroÅ„ski 18
Rejestry SISO
© Zbigniew SkowroÅ„ski 19
Rejestr PISO  Å‚adowanie i przesuwanie
© Zbigniew SkowroÅ„ski 20
Rejestr PISO  przykładowe przebiegi
© Zbigniew SkowroÅ„ski 21
Rejestr SIPO
© Zbigniew SkowroÅ„ski 22
Rejestr SIPO  przykładowe przebiegi
© Zbigniew SkowroÅ„ski 23
Rejestr PIPO z przesuwaniem w prawo
© Zbigniew SkowroÅ„ski 24
Scalony rejestr przesuwny UCY 74164
74164 Rejestr ten zbudowany jest z przerzutników RS-MS.
1 3
A QA
Zmiana stanu przerzutników występuje przy zmianie
2 4
B QB
5
QC
sygnału na wejściu taktującym z 0 na 1.
6
QD
10
QE
Rejestr ten należy do rejestrów SIPO i jest
8 11
CLK QF
12
QG
wykorzystywany głównie jako układ zmiany
9 13
CLR QH
informacji szeregowej na równoległą
o Wejście szeregowe A i B, które wewnętrznie mnożone są logicznie
o Wejście zerujące /CLR (asynchroniczne)
o Wejście taktujące CLK
o wyjścia równoległe QA, QB, QC, QD, QE, QF, QG, QH
© Zbigniew SkowroÅ„ski 25
UCY 74164  budowa wewnętrzna
© Zbigniew SkowroÅ„ski 26
Scalony rejestr przesuwny UCY 74194
74194
2 Scalony rejestr rewersyjny (4-bitowy typu PIPO).
SR
3 15
A QA
4 14 Rejestr ten często nazywany jest  rejestrem
B QB
5 13
C QC
uniwersalnym bowiem przy jego pomocy można
6 12
D QD
7
SL
skonstruować różne rejestry (jednokierunkowe,
11
CLK
SIPO, PISO).
9
S0
10
S1
1
CLR
Rejestr może wykonywać cztery operacje, w zależności od stanów
wejść programujących S0 i S1:
o przesuwanie w lewo, gdy S0=1 i S1=0
o przesuwanie w prawo, gdy S0=0 i S1=1
o wpisywanie równoległe informacji, gdy S0=1 i S1=1
o zakaz (blokada) wejścia taktującego, jeśli S0=0 i S1=0
© Zbigniew SkowroÅ„ski 27
Operacje przesuwania w lewo i w prawo - 1
© Zbigniew SkowroÅ„ski 28
Operacje przesuwania w lewo i w prawo - 2
© Zbigniew SkowroÅ„ski 29
Operacje przesuwania w lewo i w prawo - 3
© Zbigniew SkowroÅ„ski 30
Operacje przesuwania w lewo / w prawo /
Å‚adowanie
© Zbigniew SkowroÅ„ski 31
Rejestry - zastosowania
Do budowy pamięci
Układy zmiany informacji wprowadzanej szeregowo na
równoległą i odwrotnie
Liczniki pierścieniowe
Liczniki w kodzie Johnsona
Dzielniki częstotliwości
Układy generowania ciągów pseudolosowych
© Zbigniew SkowroÅ„ski 32
Dodatek do wykładu (1)
Schemat blokowy licznikowego
A
układu arytmetycznego
realizujÄ…cego operacjÄ™ A - B +C
PC1
C
7497
Clk
LR1
Rozdzielacz
74193
Start
PC2
Stop
7497
B
© Zbigniew SkowroÅ„ski 33
Dodatek do wykładu (2)
Schemat ideowy licznikowego
układu arytmetycznego
U1
4 U4B
A0 B0 7
1
A1 B1
realizujÄ…cego operacjÄ™ A-B+C
14 9 11
A2 B2 J Q
P
15
R
A3 B3
2 PC1 6
A4 B4 CLK
3
A5 B5
C
12 10
K Q
L
9
CLK
10 74LS76
STROBE
11 7
8
ENABLE ENABLE
12 6 U2
JEDEN UNITY/CAS Y
5 15 3
ZERO Z C0 A QA Y0
13 1 2
ZEROWANIE CLR C1 B QB Y1
10 6
LADOWANIE C2 C QC Y2
97 9 7
C3 D QD Y3
5 12
UP CO
4 13
DN BO
11
LOAD
U4A 14
2 CLR
4 15 74LS193
J Q
P
R
1 Licznik Rewersyjny
CLK
U6A
C
16 14
K Q
L
1 2
74LS76
3
74LS04
U7A
Rozdzielacz U3 U5A 1
2
4 3
B0 B0
1 4 15 2
B1 B1 J Q
P
14
R
B2 B2
15 1 74LS00
3 B3 B3 CLK
2
B4 B4
C
U8A 3 PC2 16 14
B5 B5 K Q
L
74LS08
9 74LS76
CLK
10
3
STROBE
11 7
ENABLE ENABLE
12 6
UNITY/CAS Y
5
Z
13
1 2
CLR
97
Sygnal STOP
CLK
START
© Zbigniew SkowroÅ„ski 34
Dodatek do wykładu (3)
Schemat ideowy licznikowego układu arytmetycznego realizującego operację A - B/D
U1
15 3
B0 A QA
1 2 U5A
B1 B QB 2
10 6
B2 C QC
9 7 4 15
CLK B3 D QD J Q
P
R
5 12 1
START UP CO CLK
4 13
DN BO
C
11 16 14
LOAD K Q
L
14
CLR
74LS76
74LS193
3
U4A U7A
1 U3
2 12 1 2 15 3
A0 A QA Y0
13 1 2
A1 B QB Y1
10 6
A2 C QC Y2
74LS11 74LS04 9 7
ZEROWANIE A3 D QD Y3
LADOWANIE
5 12
UP CO
4 13
JEDEN DN BO
11
LOAD
14
CLR
74LS193
U2
15 3
D0 A QA
1 2
D1 B QB
10 6
D2 C QC
9 7
D3 D QD
5 12
UP CO
4 13
DN BO
11
LOAD
14
CLR
74LS193
U6A
2
3
1
74LS08
© Zbigniew SkowroÅ„ski 35
Dodatek do wykładu (4)
Schemat układu 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4
D1
0 0
przeznaczonego D2
1 1
D3
2 2
do wyświetlania
D4
3 3
jednego z trzech D5
4 4
D6
5 5
znaków
D7
6 6
D8
alfanumerycznych
7
Pamięć ROM Wyświetlacz
Wpis równoległy
D C B A
Licznik nastawny Licznik pierścieniowy
Dekoder
X Y
© Zbigniew SkowroÅ„ski 36
Dodatek do wykładu (5)
Output_A
Schemat układu
U1
1
przeznaczonego 0 COL1
U3
2
1
COL2
12
14 3
Input_A A QA 2 COL3
9 15
1 4
do wyświetlania
CLK B QB A 3 COL4
8 14
5
QC B 4 COL5
11 13
6
QD C 5 NONE0
12
2 7
jednego z trzech
R0(1) D 6 NONE1
3 9
R0(2) 7 NONE2
10
8 NONE3
znaków 11
74LS93
9 NONE4
3
74LS42
alfanumerycznych
U5A
74LS32
1 2
U4A
RESET
2
3
1
74LS08
U2
10 9
A1 S1 ADR_0
8 6
A2 S2 ADR_1
3 2
A3 S3 ADR_2
1 15
LOW A4 S4 ADR_3
11
MODE_0 B1
7
B2
4
MODE_1 B3
16
B4
13 14
C0 C4 NONE5
74LS83
© Zbigniew SkowroÅ„ski 37