Последовательностные функциональные узлы. Регистры и регистровая память
Аннотация: Рассматривается принцип действия регистров как элементов электронной памяти.
Ключевые слова: задний фронт сигнала, дешифратор адреса, register file, запоминающее устройство, логический, триггер, регистр,разрядность, байт
Регистр - это ИМС средней степени интеграции, предназначенная для запоминания и хранения многоразрядного слова.
Регистр-защелка
Простейший регистр представляет собой параллельное соединение нескольких триггеров (рис. 8.1,а). УГО регистра-защелки приведена на рис. 8.1,б. Если регистр построен на триггерах-защелках, то его называют регистр- "защелка". Как правило, в состав ИС регистра входят буферные усилители и элементы управления, например как показано на рис. 8.2,а. Здесь изображена функциональная схема 8-разрядного D -регистра-защелки КР580ИР82 с тремя состояниями на выходе. Его УГО представлено на рис. 8.2,б.
 

Рис. 8.1. Четырёх-разрядный регистр-"защелка" с прямыми выходами: а - функциональная схема; б - УГО
 

увеличить изображение
Рис. 8.2. Восьми-разрядный регистр-"защелка" КР580ВМ80А: а - функциональная схема; б - УГО
Третьим состоянием (первые два - это логический 0 и логическая 1) называется состояние выходов ИС, при котором они отключены и от источника питания, и от общей точки. Другие названия этого состояния - состояние высокого сопротивления, высокоимпедансное состояние, Z-состояние [1, с. 61 - 63; 2, с. 68 - 70].
Достигается это третье состояние специальным схемным решением [3, с. 117 - 118] в выходной части логических элементов, когда выходные транзисторы логических элементов заперты и не подают на выход ни напряжения питания, ни потенциала земли (не 0 и не 1).
Регистр КР580ИР82 состоит из 8 функциональных блоков (рис. 8.2,а). В каждый из них входит D -триггер-защелка с записью по заднему фронту и мощный выходной вентиль на 3 состояния. STB - стробирующий вход,   - разрешение передачи - сигнал, управляющий третьим состоянием: если  , то происходит передача информации со входов   на соответствующие выходы  , если же  , все выходы   переводятся в третье состояние. При   и   ИС работает в режиме шинного формирователя - информация со входов   передается на выходы   в неизменном виде.
При подаче на   заднего фронта сигнала происходит "защелкивание" передаваемой информации в триггерах, то есть там запоминается то, что было на момент подачи  . Пока  , буферный регистр будет хранить эту информацию, независимо от информации на D -входах. При подаче переднего фронта   при сохранении   состояние выходов   будет изменяться в соответствии с изменением на соответствующих входах  . Если же  , то все выходные усилители переводятся в третье состояние. При этом, независимо от состояния входов, все выходырегистра   переводятся в третье состояние.
Все выводы регистра могут иметь активный нулевой уровень, что отображается на УГО в виде инверсных сигналов и обозначений выводов.
Существует множество разновидностей регистров, например, сдвиговые регистры [4, глава 8], в которых триггеры соединены между собой таким образом, что передают информацию последовательно от одного триггера к другому [5, стр. 109 - 122], но мы здесь остановимся на регистре-защелке и его применении.
Регистровая память
Регистровая память - register file - это сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) - схема из нескольких регистров, предназначенная для хранения нескольких многоразрядных слов.
 

увеличить изображение
Рис. 8.3. Схема регистровой памяти из четырех 8-разрядных регистров
На рис. 8.3 показан пример реализации СОЗУ, состоящего из четырех 8-разрядных регистров (подключение RG2 и RG3 не показано, оно осуществляется аналогично). Данное СОЗУ имеет информационный объем 4x8 бит - 4 слова по 8 бит, или 4 байта. Здесь DI - data input - входная шина данных, DO - data output - выходная шина данных, WR - сигнал записи в СОЗУ, RD - сигнал чтения информации из СОЗУ, ВШД - внутренняя шина данных.
Каждый регистр имеет двухразрядный адрес, который подается на входы дешифратора. Например, крайний левый на рис. 8.3регистр RG1 имеет адрес  , следующий -   (не показан на рисунке), далее -   (не показан), а крайний справа регистрRG4 имеет адрес  .
При наличии активного сигнала записи   дешифратор в соответствии с кодом адреса выдает на один из регистровактивный сигнал  , по которому информация с входной шины данных DI записывается в выбранный регистр. По заднему фронту   информация в этом регистре "защелкивается".
Если, например, на DI подана информация  ,   и адрес регистра равен  , тогда активный сигнал на выходе "3" дешифратора будет подан как   на регистр RG4. На остальных регистрах в это время будет неактивный уровень сигнала  , поэтому информация   с входной шины данных будет записана в RG4, в остальных регистрах будет храниться записанная ранее информация.
При активном сигнале чтения   активизируются все 8 мультиплексоров (на схеме показаны первый, второй и восьмой, остальные подключены аналогичны), поскольку на их разрешающие входы подан активный сигнал  . В соответствии с поданным на дешифратор адресом, мультиплексоры коммутируют на выходную шину данных информацию с выбранного регистра. Например,  , адрес регистра равен  . Тогда на всех мультиплексорах будет  , все они начинают выбирать информацию в соответствии с адресом  . Поэтому на выходную шину DO будут поданы разряды внутренней шины с номерами 25 - с первого мультиплексора, 26 - со второго, 27 - с третьего, 28 - с четвертого, 29 - с пятого, 30 - с шестого, 31 - с седьмого и 32 - с восьмого мультиплексора. Таким образом, информация, являющаяся копией содержимого регистра RG 4 с адресом   передается на выходную шину данных DO.
 

увеличить изображение
Рис. 8.4. Схема регистровой памяти из четырех 2-разрядных регистров
Рассмотрим еще один пример синтеза схемы регистровой памяти объемом на 4 двухразрядных слова [6, c. 54,55]. Поскольку количество регистров равно 4, для их адресации достаточны 2 линии адреса. Соответственно количеству регистров разрядность мультиплексоров равна 4. Схема приведена на рис. 8.4. Здесь же отображено состояние всех точек схемы при заданной входной информации. На рис. 8.4 приняты обозначения   и   - значения выходов регистров   и   соответственно в предыдущие моменты времени - показывают, что информация на соответствующем выходе не изменяется. Аналогично   - неизменное состояние выхода мультиплексора.
Ключевые термины
Z-состояние - то же, что третье состояние.
Высокоимпедансное состояние - то же, что третье состояние.
Регистр - это ИМС средней степени интеграции, предназначенная для запоминания и хранения многоразрядного слова.
Регистровая память - register file - это сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) - схема из нескольких регистров, предназначенная для хранения нескольких многоразрядных слов.
Состояние высокого сопротивления - то же, что третье состояние.
Третье состояние (первые два - это логический   и логическая   ) - состояние выходов ИМС, при котором они отключены и от источника питания, и от общей точки.
Принятые сокращения
СОЗУ - сверхоперативное запоминающее устройство.
ИМС - интегральная микросхема
Краткие итоги
Если триггер может быть воспринят как устройство для хранения одного бита информации, параллельное соединение триггеров с единым управлением позволяет синтезировать регистр, предназначенный для сохранения одного многоразрядного числа.Разрядность сохраняемого числа равна разрядности регистра. Соединение нескольких регистров позволяет создать схему памяти для хранения нескольких многоразрядных чисел. Количество этих чисел равно количеству регистров и равно целой степени числа 2 - то есть возможно соединение 2, 4, 8, 16 и т.д. регистров. Для их адресации понадобятся соответственно 1, 2, 3, 4 и т.д. адресные линии