Счетчики и регистры

Счетчики и регистры — эго цифровые узлы, обязательно присутствующие в любой вычислительной системе. Производимые ими вычислительные действия невозможны без операций запоминания и хранения результатов вычислений. Другими словами, счетчики и регистры являются устройствами с памятью и по этой причине рассматриваются в классе последовательностных устройств.

Счетчики

Счетчиком называется функциональный узел, преобразующий информацию о количестве поступивших на его вход импульсов в «-разрядный двоичный код. Кроме этого, счетчики запоминают полученную информацию и хранят ее по крайней мере до прихода следующего импульса.

Основным элементом счетчика обычно является Г-триггер, который, как уже отмечалось ранее, называется счетным. Количество используемых триггеров зависит от разрядности счетчика п, так как каждый разряд выходного цифрового кода реализуется отдельным триггером. Количество импульсов, которое может «сосчитать» «-разрядный двоичный счетчик, равно числу различных состояний для совокупности из п триггеров, т. е. 2^я. Когда число поступивших на вход импульсов становится > 2^W, в схеме счетчика происходит возврат всех разрядных триггеров в исходное („нулевое“) состояние, а затем повторение счета. При этом фактически счетчик выполняет операцию деления количества поданных на его вход импульсов на Т. Величина 2» называется модулем счета.

По функциональному назначению различают счетчики суммирующие и вычитающие, в зависимости от их реакции на приход очередного импульса. У суммирующего счетчика с приходом каждого импульса цифровой код на выходе увеличивается на «1», а у вычитающего — уменьшается. В схемах реверсивных счетчиков предусматривается возможность переключения режима работы либо на суммирование, либо на вычитание.

При построении счетчиков применяются два главных способа подачи на них импульсов, подлежащих счету.

• 1. Подсчитываемые импульсы подаются на вход триггера младшего разряда. Его реакция служит воздействием на триггер более старшего (следующего за ним) разряда и т. д. Такой способ называется последовательным переносом.
• 2. Вся поступающая импульсная последовательность одновременно подается на все разрядные триггеры. Такое воздействие называется параллельным переносом.

Счетчики с параллельным переносом обладают более высоким быстродействием по сравнению со счетчиками последовательного переноса (в которых реакция каждого разрядного триггера запаздывает по отношению к своему воздействию). Однако их схема существенно сложнее [1].

Рассмотрим принцип функционирования трехразрядного счетчика, реализованного, но схеме с последовательным переносом (рис. 21.11, а). Она содержит триу/С-триггера типа М-S, превращенных в Т-триггеры путем подачи «1» на входы J и К. Напомним, что Г-триггеры типа М-S называют двухступенчатыми, гак как каждый из них включает в себя две ячейки: ведущую и ведомую (см. выше). Двухступенчатый Г-триггер изменяет свое состояние на противоположное под действием заднего фронта каждого поступившего на его вход тактового импульса. Уточним, что во время заднего фронта импульса на входе триггера происходит перепад уровня сигнала от «1» к «О». В то же время на передний фронт поступившего на вход импульса (перепад от «О» к «1») двухступенчатый триггер не реагирует.

Рис. 21.11. Трехразрядный суммирующий счетчик с последовательным переносом:

а — структурная схема; б — временные диаграммы его состояний Отметим основные особенности схемы счетчика на рис. 21.11, а:

• • последовательность подсчитываемых импульсов поступает на счетный вход триггера Т_{;
• • прямой выход Q каждого из грех Т-триггеров соединен со счетным входом триггера более старшего разряда (Q, — со входом Г₉, a Q₂ — со входом Г₃);
• • исходным состоянием счетчика является Q, = О, Q₂ = О, Q₃ = 0, что соответствует цифровому коду 000.

При подаче на вход устройства импульсной последовательности, подлежащей счету, выходные сигналы Q_p Q₂, Q₃ принимают значение «1» или «0», а их совокупность Q₃Q₂Q_{ совпадает с двоичным кодом количества поданных импульсов. Например, при поступлении первого импульса изменится состояние с «0» до «1» только первого триггера, г. е. Q, = 1, Q₂ = 0, Q₃ = 0, а на выходе счетчика появится комбинация двоичного кода Q₃Q₂Qi — 001. Следующий за ним импульс вернет Т_{ в «нулевое» состояние, а Т₂ переключится в «единицу»; при этом Т₃ останется в состоянии «0», так как он не реагирует на передний фронт воздействия на своем входе. Этому режиму соответствует на выходе всего устройства код Q₃Q₂Q_V равный 010, и т. д.

Работа счетчика (см. рис. 21.11, а) иллюстрируется временной диаграммой, представленной на рис. 21.11, б, и таблицей истинности (табл. 21.3), где отражены все 2″ = 8 различных состояний разрядных триггеров. Обратим внимание, что восьмой импульс возвращает схему в исходное «нулевое» состояние и, начиная с девятого импульса, процесс повторяется.

Таблица 213

Таблица истинности для счетчика

Если счетные входы всех триггеров в последовательной цепочке, изображенной на рис. 21.11, я, начиная со второго, соединить с инверсными выходами предыдущих каскадов, то рассматриваемая схема превращается в вычитающий счетчик. С появлением на его входе очередного импульса цифровой код на выходе будет уменьшаться на «1» [1].