Ελλθνικι Δθμοκρατία Σεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Ηπείρου Ψθφιακά Ηλεκτρονικά Ενότθτα 10 : Καταχωρθτζσ Φϊτιοσ Βαρτηιϊτθσ 1
Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Σμιμα Ψθφιακά Ηλεκτρονικά Ενότητα 10: Καταχωρθτζσ Φϊτιοσ Βαρτηιϊτθσ Κακθγθτισ Εφαρμογϊν Άρτα, 2015 2
Άδειεσ Χρήςησ Σο παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται ςε άδειεσ χριςθσ Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπωσ εικόνεσ, που υπόκειται ςε άλλου τφπου άδειασ χριςθσ, θ άδεια χριςθσ αναφζρεται ρθτϊσ. 3
κοποί ενότητασ Περιγραφι τθσ λειτουργίασ των καταχωρθτϊν. Επιλογι του κατάλλθλου τφπου καταχωρθτι. χεδίαςθ ενόσ κυκλϊματοσ που περιζχουν καταχωρθτι. 4
Περιεχόμενα ενότητασ Καταχωρθτζσ Καταχωρθτισ με παράλλθλθ φόρτωςθ Καταχωρθτζσ Ολίςκθςθσ ειραϊκι μεταφορά ειραϊκι Πρόςκεςθ Κακολικόσ καταχωρθτισ ολίςκθςθσ Παράδειγμα Καταχωρθτι Ολίςκθςθσ Άςκθςθ 5
Χρηματοδότηςη Σο ζργο υλοποιείται ςτο πλαίςιο του Επιχειρθςιακοφ Προγράμματοσ «Εκπαίδευςη και Δια Βίου Μάθηςη» και ςυγχρθματοδοτείται από τθν Ευρωπαϊκι Ζνωςθ (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Σαμείο) και από εκνικοφσ πόρουσ. Σο ζργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα ςτο TEI Ηπείρου» ζχει χρθματοδοτιςει μόνο τθ αναδιαμόρφωςθ του εκπαιδευτικοφ υλικοφ. Σο παρόν εκπαιδευτικό υλικό ζχει αναπτυχκεί ςτα πλαίςια του εκπαιδευτικοφ ζργου του διδάςκοντα. 6
Καταχωρητζσ Μια Ομάδα από flip-flops και λογικζσ πφλεσ για εκτζλεςθ διαφόρων λειτουργιϊν όπωσ μεταφορά, αποκικευςθ και επεξεργαςία πλθροφοριϊν. Σα flip-flops μοιράηονται το ίδιο ρολόι. Αποτελεί βαςικι μονάδα για τθ ςχεδίαςθ ακολουκιακϊν κυκλωμάτων και CPUs. 7
Καταχωρητζσ Ο απλοφςτεροσ τφποσ καταχωρθτι αποτελείται από D-flip-flops, χωρίσ εξωτερικζσ πφλεσ. Σα δεδομζνα ειςόδου εγγράφονται ςτον καταχωρθτι κατά τθν εφαρμογι ενόσ κοινοφ παλμοφ. 8
Καταχωρητζσ Καταχωρθτισ που αποτελείται από 4 D flipflop. Η είςοδοσ άμεςου μθδενιςμοφ (Clear_b) ςυνδζεται με τθν ενεργι χαμθλά είςοδο επαναφοράσ/μθδενιςμοφ R (reset) όλων των flipflop. 9
Καταχωρητήσ με παράλληλη φόρτωςη Σα ςφγχρονα ψθφιακά ςυςτιματα διακζτουν μια κφρια γεννιτρια ρολογιοφ (master clock generator), θ οποία παρζχει μια ςυνεχι ακολουκία παλμϊν ρολογιοφ. Η ειςαγωγι νζων πλθροφοριϊν ςε ζναν καταχωρθτι αποκαλείται φόρτωςη (load), ι ενημζρωςη (update). 10
Καταχωρητήσ με παράλληλη φόρτωςη Επειδι όλα τα bits του καταχωρθτι φορτϊνονται ταυτόχρονα (με ζνα μόνο παλμό), θ φόρτωςθ ονομάηεται παράλλθλθ. Για να είναι το ςφςτθμα ςυγχρονιςμζνο, πρζπει όλοι οι παλμοί του ρολογιοφ να φτάνουν τθν ίδια ςτιγμι ςε όλα τα ςθμεία του ςυςτιματοσ, ζτςι ϊςτε όλα τα flip-flop να πυροδοτοφνται ταυτόχρονα. 11
Καταχωρητήσ με παράλληλη φόρτωςη 12
Καταχωρητήσ με παράλληλη φόρτωςη το προθγοφμενο ςχιμα παρουςιάηεται ζνασ 4-bit καταχωρθτισ με μια είςοδο ελζγχου φόρτωςθσ. Οι επιπλζον πφλεσ υλοποιοφν ζναν πολυπλζκτθ 2 ειςόδων, θ ζξοδοσ του οποίου κακορίηει εάν το flip-flop κα διατθριςει τθν πλθροφορία που ιδθ ζχει, ι εάν κα φορτϊςει τθν πλθροφορία που υπάρχει ςτον δίαυλο δεδομζνων. 13
Καταχωρητζσ Ολίςθηςησ Ζνασ καταχωρθτισ ςτον οποίο οι πλθροφορίεσ που περιζχονται, είναι δυνατόν να ολιςκαίνουν προσ τθ μία ι προσ τθν άλλθ κατεφκυνςθ ονομάηεται καταχωρθτισ ολίςκθςθσ (shift-register). Ζνασ καταχωρθτισ ολίςκθςθσ αποτελείται από μία αλυςίδα flip-flop ςυνδεδεμζνων ςτθ ςειρά, ζτςι ϊςτε θ ζξοδοσ του ενόσ να τροφοδοτεί τθν είςοδο του επόμενου. 14
Καταχωρητζσ Ολίςθηςησ Ο απλοφςτεροσ καταχωρθτισ ολίςκθςθσ, αποτελείται μόνο από D flip-flop. 15
Καταχωρητζσ Ολίςθηςησ Με κάκε παλμό του ρολογιοφ, το περιεχόμενο του καταχωρθτι ολιςκαίνει κατά μία κζςθ προσ τα δεξιά. Αυτόσ ο καταχωρθτισ ολίςκθςθσ είναι μονισ κατεφκυνςθσ και θ ςυγκεκριμζνθ διάταξθ δεν υποςτθρίηει ολίςκθςθ προσ τα αριςτερά. 16
ειραϊκή μεταφορά Ζνα ψθφιακό ςφςτθμα λειτουργεί ςειριακά, όταν οι πλθροφορίεσ μεταφζρονται και επεξεργάηονται το ζνα bit μετά το άλλο ςε διαδοχικοφσ χρόνουσ. το παρακάτω ςχιμα απεικονίηεται θ ςειραϊκι μεταφορά από τον καταχωρθτι Α ςτον καταχωρθτι Β με καταχωρθτζσ ολίςκθςθσ. 17
ειραϊκή μεταφορά α) χθματικό διάγραμμα β) Διάγραμμα χρονιςμοφ 18
ειραϊκή μεταφορά Ζςτω ότι οι καταχωρθτζσ ολίςκθςθσ ζχουν τζςςερα bit ζκαςτοσ. Σότε, θ μονάδα ελζγχου που επιβλζπει τθ μεταφορά κα πρζπει να ςχεδιαςτεί με τρόπο ϊςτε να ενεργοποιεί τουσ καταχωρθτζσ ολίςκθςθσ, μζςω του ςιματοσ ελζγχου ολίςκθςθσ, για ζνα ςυγκεκριμζνο χρονικό διάςτθμα τεςςάρων παλμϊν που απαιτείται για το πζραςμα μιασ λζξθσ. (β) 19
ειραϊκή μεταφορά Σο ςιμα ελζγχου ολίςκθςθσ είναι ςυγχρονιςμζνο με το ρολόι και αλλάηει τιμι αμζςωσ μετά τθν αρνθτικι ακμι του ρολογιοφ. Οι επόμενοι τζςςερισ παλμοί του ρολογιοφ βρίςκουν το ςιμα ελζγχου ολίςκθςθσ ςτθν ενεργι κατάςταςθ, οπότε θ ζξοδοσ τθσ πφλθσ AND που είναι ςυνδεδεμζνθ με τθν είςοδο CLK παράγει τζςςερισ παλμοφσ, T 1 Τ 2, T 3, T 4. 20
ειραϊκή μεταφορά Παράδειγμα ςειραϊκισ μεταφοράσ Παλμόσ Ρολογιοφ Καταχωρητήσ Ολίςθηςησ Α Καταχωρητήσ Ολίςθηςησ Β Αρχικι τιμι 1 0 1 1 0 0 1 0 Μετά από Σ 1 1 1 0 1 1 0 0 1 Μετά από Σ 2 1 1 1 0 1 1 0 0 Μετά από Σ 3 0 1 1 1 0 1 1 0 Μετά από Σ 4 1 0 1 1 1 0 1 1 21
ειραϊκή Πρόςθεςη τουσ ψθφιακοφσ υπολογιςτζσ, οι βαςικζσ λειτουργίεσ εκτελοφνται ςυνικωσ παράλλθλα. Οι ςειραϊκζσ λειτουργίεσ είναι πιο αργζσ, αλλά ζχουν το πλεονζκτθμα ότι χρειάηονται λιγότερα ςτοιχεία κυκλϊματοσ και καλϊδια. 22
ειραϊκή Πρόςθεςη Παράδειγμα ειριακοφ τρόπου λειτουργίασ. Ζςτω δφο δυαδικοί αρικμοί οι οποίοι πρζπει να προςτεκοφν. Αποκθκεφονται ςε δφο καταχωρθτζσ ολίςκθςθσ. Σα bit προςτίκενται ανά ηεφγθ με τθ χριςθ ενόσ κυκλϊματοσ πλιρουσ ακροιςτι (FA) 23
ειραϊκή Πρόςθεςη 24
ειραϊκή Πρόςθεςη Αρχικά ο καταχωρθτισ Α περιζχει τον πρϊτο προςκετζο, ο καταχωρθτισ Β περιζχει το δεφτερο προςκετζο και το flip-flop για το κρατοφμενο μθδενίηεται. Οι ζξοδοι (SO) των Α και Β παρζχουν δφο bit ςτον πλιρθ ακροιςτι ςτισ ειςόδουσ χ και y. Η ζξοδοσ Q του flip-flop δίνει το κρατοφμενο ειςόδου που είναι απαραίτθτο ςτο z. 25
ειραϊκή Πρόςθεςη Ο ζλεγχοσ ολίςκθςθσ ενεργοποιεί τουσ δφο καταχωρθτζσ και το flip-flop τον επόμενο παλμό του ρολογιοφ τα περιεχόμενα και των δφο καταχωρθτϊν ολιςκαίνουν μια κζςθ προσ τα δεξιά Σο bit ακροίςματοσ του S κα ειςζλκει ςτο αριςτερότερο flip-flop του Α και το κρατοφμενο εξόδου κα μεταφερκεί ςτο flipflop Q. 26
ειραϊκή Πρόςθεςη Ο ςειριακόσ ακροιςτισ μπορεί να υλοποιθκεί και ωσ ακολουκιακό κφκλωμα. Ζςτω το ακολουκιακό κφκλωμα ότι ζχει δφο ειςόδουσ, x και y, ςτισ οποίεσ πρζπει να δοκεί ζνα ηεφγοσ bit ίδιασ τάξθσ, μια ζξοδο S, θ οποία παράγει το bit ακροίςματοσ, και ζνα flip-flop Q για να αποκθκεφεται το κρατοφμενο. 27
ειραϊκή Πρόςθεςη Ο πίνακασ καταςτάςεων για το ακολουκιακό κφκλωμα. Παροφςα Κατάςταςη Είςοδοι Επόμενη Κατάςταςη Ζξοδοσ Είςοδοι flip-flop Q x y Q S I Q K Q 0 0 0 0 0 0 X 0 0 1 0 1 0 X 0 1 0 0 1 0 X 0 1 1 1 0 1 X 1 0 0 0 1 X 1 1 0 1 1 0 X 0 1 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 X 0 Μετά από απλοποίθςθ: J Q = xy, K Q = x + y, S = x y Q 28
ειραϊκή Πρόςθεςη Σο διάγραμμα του κυκλϊματοσ αποτελείται από 3 πφλεσ και ζνα JK flip-flop. Η ζξοδοσ S είναι ςυνάρτθςθ και τθσ παροφςασ κατάςταςθσ Q. H επόμενθ κατάςταςθ του Q εξαρτάται από τθν παροφςα κατάςταςθ Q και τισ τιμζσ x,y. 29
ειραϊκή Πρόςθεςη Δεφτερθ μορφι του ειραϊκοφ ακροιςτι 30
Καθολικόσ καταχωρητήσ ολίςθηςησ Οι δυνατότθτεσ που παρζχουν οι καταχωρθτζσ είναι οι ακόλουκεσ: 1. Μια είςοδο μθδενιςμοφ (κζτει τον καταχωρθτι ςτο 0). 2. Μία είςοδο CP για τουσ παλμοφσ ρολογιοφ. 3. Μία είςοδο ελζγχου δεξιάσ ολίςκθςθσ. 4. Μία είςοδο ελζγχου αριςτερισ ολίςκθςθσ. 31
Καθολικόσ καταχωρητήσ ολίςθηςησ 5. Μία είςοδο ελζγχου παράλλθλθσ φόρτωςθσ. 6. Ν γραμμζσ παράλλθλθσ ειςόδου / n γραμμζσ παράλλθλθσ εξόδου. 7. Μία γραμμι ςειριακισ ειςόδου / μία γραμμι ςειριακισ εξόδου. 8. Μία κατάςταςθ ελζγχου θ οποία αφινει αναλλοίωτεσ τισ πλθροφορίεσ. 32
Καταχωρητζσ ολίςθηςησ Αμφίδρομοσ Καταχωρητήσ ολίςθηςησ: Ζνασ καταχωρθτισ που ολιςκαίνει τα περιεχόμενά του και προσ τισ δφο κατευκφνςεισ. Μονόδρομοσ Καταχωρητήσ ολίςθηςησ: Ζνασ καταχωρθτισ που ολιςκαίνει τα περιεχόμενά του μόνο προσ τθ μία κατεφκυνςθ. Καταχωρητήσ ολίςθηςησ με παράλληλη φόρτωςη: Ζνασ καταχωρθτισ που μπορεί να κάνει ολιςκιςεισ και να φορτωκεί παράλλθλα. 33
Παράδειγμα Καταχωρητή Ολίςθηςησ Διάγραμμα 4-bit αμφίδρομου καταχωρθτι ολίςκθςθσ, παράλλθλθσ φόρτωςθσ. Η δεξιά και θ αριςτερι κατεφκυνςθ ςτθν ολίςκθςθ ςχετίηονται με τθν κατεφκυνςθ που ακολουκείται κατά τθν γραφι των αρικμϊν. 34
Παράδειγμα Καταχωρητή Ολίςθηςησ 35
Παράδειγμα Καταχωρητή Ολίςθηςησ Οι λειτουργίεσ του καταχωρθτι του παραδείγματοσ: S 1 S 2 Λειτουργία καταχωρθτι 0 0 Καμία αλλαγι 0 1 Ολίςκθςθ δεξιά 1 0 Ολίςκθςθ αριςτερά 0 0 Παράλλθλθ φόρτωςθ 36
Άςκηςη χεδιάςτε ζναν 4-bit καταχωρθτι ολίςκθςθσ με παράλλθλθ φόρτωςθ, χρθςιμοποιϊντασ D flipflop. Πρζπει να υπάρχουν δυο είςοδοι ελζγχου: Mια είςοδοσ ολίςκθςθσ (shift) Mια είςοδοσ φόρτωςθσ (load) Όταν shift=1, τα περιεχόμενα του καταχωρθτι ολιςκαίνουν κατά μια κζςθ. 37
Άςκηςη Σα νζα δεδομζνα ειςάγονται ςτον καταχωρθτι όταν load=1 και shift=0. Εάν και οι δφο είςοδοι ελζγχου ιςοφνται με το 0, τα περιεχόμενα του καταχωρθτι δεν πρζπει να αλλάηουν. 38
Βιβλιογραφία Morris M., Ciletti M. (1984). Ψθφιακι χεδίαςθ Με ειςαγωγι ςτθ Verilog HDL. Ζκδοςθ 5 θ (2014) Εκδόςεισ Παπαςωτθρίου. Ciletti, M.D. 1999. Modeling, Synthesis, and Rapid Prototyping with Verilog HDL. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. Roth, C.H. 2009. Fundamentals of Logic Design,6 th ed, St. Paul, MN: Brooks/Cole. 39
θμείωμα Αναφοράσ Copyright Σεχνολογικό Ίδρυμα Ηπείρου. Φϊτιοσ Βαρτηιϊτθσ. Ψθφιακά Ηλεκτρονικά. Ζκδοςθ: 1.0 Άρτα, 2015. Διακζςιμο από τθ δικτυακι διεφκυνςθ: http://eclass.teiep.gr/courses/comp117/ Καταχωρθτζσ, Ενότθτα 10, Σμιμα Μθχανικϊν Πλθροφορικισ Σ.Ε., ΣΕΙ ΗΠΕΙΡΟΤ - Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα ςτο ΣΕΙ Ηπείρου 40
θμείωμα Αδειοδότθςθσ Σο παρόν υλικό διατίκεται με τουσ όρουσ τθσ άδειασ χριςθσ Creative Commons Αναφορά Δθμιουργοφ-Μθ Εμπορικι Χριςθ-Όχι Παράγωγα Ζργα 4.0 Διεκνζσ [1] ι μεταγενζςτερθ. Εξαιροφνται τα αυτοτελι ζργα τρίτων π.χ. φωτογραφίεσ, Διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριζχονται ςε αυτό και τα οποία αναφζρονται μαηί με τουσ όρουσ χριςθσ τουσ ςτο «θμείωμα Χριςθσ Ζργων Σρίτων». Ο δικαιοφχοσ μπορεί να παρζχει ςτον αδειοδόχο ξεχωριςτι άδεια να χρθςιμοποιεί το ζργο για εμπορικι χριςθ, εφόςον αυτό του ηθτθκεί. [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.el 41
Σζλοσ Ενότητασ Επεξεργαςία: Κολοβοφ Ξανθή Άρτα, 2015 42
Διατιρθςθ θμειωμάτων Οποιαδιποτε αναπαραγωγι ι διαςκευι του υλικοφ κα πρζπει να ςυμπεριλαμβάνει: το θμείωμα Αναφοράσ το θμείωμα Αδειοδότθςθσ τθ Διλωςθ Διατιρθςθσ θμειωμάτων το θμείωμα Χριςθσ Ζργων Σρίτων (εφόςον υπάρχει) μαηί με τουσ ςυνοδευόμενουσ υπερςυνδζςμουσ. Καταχωρθτζσ, Ενότθτα 10, Σμιμα Μθχανικϊν Πλθροφορικισ Σ.Ε., ΣΕΙ ΗΠΕΙΡΟΤ Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα ςτο ΣΕΙ Ηπείρου 43
Σζλοσ Ενότθτασ Καταχωρθτζσ 44