Регистры. 
Электроника

Регистром называют устройство, осуществляющее прием, хранение и выдачу двоичных чисел в определенном коде. В отличие от запоминающих устройств в регистрах информация хранится не более нескольких тактов. Запоминающими элементами в регистрах служат триггеры, число которых равно числу разрядов хранимых чисел. Схемы регистров служат для ввода и вывода хранимых чисел, преобразования их кодов, сдвига кодов на то или иное число разрядов. Регистры подразделяют на параллельные (регистры памяти), последовательные (регистры сдвига) и параллельно-последовательные (например, ввод — в параллельном коде, а вывод — в последовательном, и наоборот).

В регистрах памяти числа вводят и выводят в параллельном коде, в регистрах сдвига — в последовательном (разряд за разрядом), поэтому в регистрах памяти число вводится (выводится) за один такт, а в регистрах сдвига — за п тактов, где п — разрядность чисел.

По способу ввода-вывода различают регистры однофазного и парафазного типа. В однофазных ввод (и вывод) возможен только в прямом или обратном коде, в парафазных — как в прямом, так и в обратном кодах. Вид осуществляемого ввода (вывода) определяется сигналами управления.

Исходным состоянием регистра является нулевое. После ввода двоичного числа Х1 триггеры переходят в состояния, соответствующие значениям разрядов числа X1 которое хранится до момента передачи его другому устройству либо до ввода в регистр другого числа Х2.

В последовательных регистрах при каждом сдвигающем (обычно синхронизирующем) импульсе происходит сдвиг кода хранимого числа влево или вправо на один разряд. При этом число выводится в последовательном коде разряд за разрядом, начиная с младшего (при сдвиге вправо) или старшего (при сдвиге влево). В информационной технике регистры сдвига применяют для преобразования последовательного кода в параллельный (и обратно), для умножения и деления многоразрядных чисел, построения распределителей импульсов, преобразователей кодов и т. д.

В параллельных регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи синхронизации (тактирования), сброса (установки), разрешения выхода (выдачи данных) или приема, т. е. цепи управления.

Для современной схемотехники характерно построение регистров именно на D-триггерах, преимущественно с динамическим управлением. Многие регистры имеют выходы с третьим состоянием, а некоторые — мощные выходные каскады и относятся к числу буферных. Такие регистры способны работать на большую емкостную или низкоомную активную нагрузку. Это обеспечивает их работу непосредственно на магистраль.

Регистровые файлы

Из параллельных регистров составляют блоки регистровой памяти — регистровые файлы. Такие блоки обеспечивают хранение нескольких слов с возможностью независимой и одновременной записи одного слова и чтения другого. Управляющие входы обеспечивают выбор того или иного регистра и разрешают запись в него слова данных (напомним, что в литературе, посвященной цифровой схемотехнике, под «словом» понимается двоичное число).

Размерность регистровой памяти можно наращивать, составляя из нескольких ИС блок памяти. При наращивании числа хранимых слов выходы отдельных ИС с тремя состояниями соединяются в одной точке. При наращивании разрядности слова входы разрешения и адресации нескольких ИС соединяют параллельно, тогда выходы ИС в совокупности дают единое информационное слово.

Регистры сдвига

Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собой цепочку триггеров, связанных цепями переноса.

В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо (рис. 3.36, а) слово сдвигается при поступлении синхронизирующего сигнала. При каждом импульсе сдвига происходит перезапись содержимого предыдущего триггера в последующий и запись очередного разряда в крайний левый триггер. В результате за четыре такта в регистр будет занесено четырехразрядное слово. Причем первый (по времени поступления) разряд будет занесен в крайний правый регистр.

Рис. 3.36. Схемы регистров сдвига вправо (а), влево (б) и реверсивного (в).

В регистре со сдвигом влево (рис. 3.36, б) заполнение его данными происходит справа налево. В реверсивном регистре (рис. 3.36, в) имеются связи триггеров с обоими соседними разрядами. С помощью команд «влево» и «вправо» разрешается прохождение сигнала на вход триггера либо через один, либо через другой конъюнктор. Через нижний конъюнктор проходит сигнал с выхода левого триггера, а через верхний — с выхода правого триггера (на рисунке не показан). Естественно, что команды «влево» и «вправо» одновременно подаваться не могут.

Универсальные регистры

В сериях ИС и библиотеках БИС/СБИС программируемой логики имеется много вариантов регистров. Среди них есть многорежимные (многофункциональные) или универсальные, способные выполнять набор микроопераций. Так, например, универсальный регистр может обеспечивать параллельный прием и выдачу данных, сдвиг параллельно записанного слова влево или вправо, поразрядный ввод слова, как это осуществляется в регистрах сдвига, и выдачу этого слова на выход в параллельном коде, сброс всей записанной информации. Многорежимность достигается композицией в одной и той же схеме частей, необходимых для выполнения различных операций. Управляющие сигналы, задающие вид выполняемой операции, активизируют необходимые для этого части схемы. На рис. 3.37 показано условное обозначение типового универсального регистра. Входы D служат для параллельной записи восьмиразрядного слова данных, а выходы Q — для его выдачи. Возможна последовательная поразрядная загрузка слова со сдвигом всех разрядов влево или вправо. Через вход DSR осуществляется поразрядная загрузка слова через нулевой разряд со сдвигом всего записываемого слова в сторону старших разрядов. Вход DSL обеспечивает загрузку слова через седьмой разряд со сдвигом в сторону младших разрядов. Входы S0 и S, — управляющие. Вход S0 разрешает сдвиг влево, а вход S1 — вправо. Вход R обеспечивает асинхронный сброс всех разрядов регистра, т. е. его «обнуление», вход С — синхронизирующий. Выводы Ucc и GND служат для подключения к микросхеме напряжения питания.

Рис. 3.37. Универсальный регистр.

Регистры, имеющие разнотипные вход и выход, служат основными блоками преобразователей параллельных кодов в последовательные и обратно. Так, например, через параллельные входы в регистр может быть занесено слово данных. Подавая в регистр импульсы сдвига, на его последовательном выходе можно получить последовательность разрядов загруженного слова. Если регистр имеет последовательный вход и параллельный выход, то в него в последовательном коде разряд за разрядом можно занести слово данных, а через параллельный выход его целиком прочитать. Преобразование параллельного кода в последовательный — очень актуальная задача, так как передача цифровой информации в сетях осуществляется в последовательном коде, а обработка ее в процессорах вычислительных устройств — в параллельном.