ΑΣΠΑΙΤΕ ΤΜΗΜΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & μ-υπολογιστων ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΟΙ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ ΚΑΙ Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥΣ ΜΕ FLIP-FLOP ΚΑΙ ΠΥΛΕΣ Θεωρητικό Μέρος Οι καταχωρητές είναι ψηφιακά κυκλώματα που αποθηκεύουν δυαδικές πληροφοριές δηλαδή δυαδικά ψηφία (bits). Αποτελούνται, συνήθως, από D Flip-flops (FFs). Ο αριθμός των D-FF καθορίζει τον αριθμό των bits που μπορεί να αποθηκεύει ο καταχωρητής και ονομάζεται μήκος του καταχωρητή. Οι καταχωρητές υλοποιούνται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα με δυνατότητες μεταφοράς δεδομένων που επιτυγχάνεται με τη χρήση λογικών πυλών. Άρα, οι καταχωρητές είναι κυκλώματα που αποτελούνται από FFs για την αποθήκευση δεδομένων και από πύλες που ελέγχουν το πότε και πως θα μεταφερθούν τα δεδομένα στον καταχωρητή. Παρακάτω, θα μελετηθούν οι καταχωρητές παράλληλης φόρτωσης ή απλώς παράλληλοι καταχωρητές (Σχήμα 1) και οι καταχωρητές ολίσθησης (shift registers), (Σχήμα 2). Οι καταχωρητές ολίσθησης έχουν τη δυνατότητα μεταφοράς δεδομένων προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά. Φόρτωση (loading) λέγεται η μεταφορά δυαδικών πληροφοριών μέσα στον καταχωρητή. Σχήμα 1. Ο καταχωρητής n δυαδικών ψηφίων υλοποιείται με παράλληλη σύνδεση n D-FFs με κοινό clock και clear. 1
Σχήμα 2. Σειριακός καταχωρητής 4 δυαδικών ψηφίων. Ο Σειριακός Καταχωρητής 4 δυαδικών ψηφίων υλοποιείται με 4 D-FFs και κοινό clock. Στην είσοδο (In) εφαρμόζεται το λιγότερο σημαντικό ψηφίο μιας λέξης 4-bit. Με την εφαρμογή του Clock, το bit αυτό περνά στην έξοδο Q 1. Με το επόμενο Clock εφαρμόζεται και περνά στην Q 1 το δεύτερο πιο σημαντικό ψηφίο, ενώ το περιεχόμενο της Q 1 περνά στην Q 2. Έτσι, μετά από 4 Clock η 4-bit λέξη αποθηκεύεται στις εξόδους των FFs του καταχωρητή. Ο καταχωρητής αυτός είναι σεριακής εισόδου σειριακής εξόδου, serial in serial out (SISO). Καταχωρητής ολίσθησης με παράλληλη φόρτωση 4-bit Σχήμα 3. Σειριακός καταχωρητής 4 δυαδικών ψηφίων με δυνατότητα ολίσθησης Shift (ενεργό 0) ή παράλληλης φόρτωσης (Load), ενεργό 1. Σειριακή μεταφορά δεδομένων Σχήμα 4. Σειριακή μεταφορά των δεδομένων του καταχωρητή Α στον καταχωρητή Β. 2
Πειραματικό Μέρος Α. Καταχωρητής ολίσθησης 2 bit Με βάση το ολοκληρωμένο κύκλωμα 7476 που περιέχει 2 JK FFs πραγματοποιήστε το παρακάτω κύκλωμα και ελέξτε τη λειτουργία του. Οι διακόπτες C, R, P είναι στο λογικό 1. Τοποθετήστε τον P στη θέση λογικό 0. Τι παρατηρείτε; Επαναφέρατε. Τοποθετήστε τον R στη θέση λογικό 0. Τι παρατηρείτε; Επαναφέρατε. Τοποθετήστε τον C στη θέση λογικό 0. Τι παρατηρείτε; Επαναφέρατε. Με τους διακόπτες P και R στο λογικό 1, καταχωρήστε τις λέξεις 00, 01, 10, 11 στην έξοδο του καταχωρητή. Περιγράψτε τη διαδικασία που ακολουθείτε. Σχήμα 5. Καταχωρητής ολίσθησης 2-bit. Β. Παράλληλος Καταχωρητής 2 bit Με βάση το ολοκληρωμένο κύκλωμα (integrated circuit IC) 7476 που περιέχει 2 JK FFs πραγματοποιήστε το παρακάτω κύκλωμα και ελέξτε τη λειτουργία του. Οι διακόπτες C, R, P είναι στο λογικό 1. Τοποθετήστε τον P στη θέση λογικό 0. Τι παρατηρείτε; Επαναφέρατε. Τοποθετήστε τον R στη θέση λογικό 0. Τι παρατηρείτε; Επαναφέρατε. Τοποθετήστε τον C στη θέση λογικό 0. Τι παρατηρείτε; Επαναφέρατε. Με τους διακόπτες P και R στο λογικό 1, καταχωρήστε τις λέξεις 00, 01, 10, 11 στην έξοδο του καταχωρητή. Περιγράψτε τη διαδικασία που ακολουθείτε. Σχήμα 6. Παράλληλος καταχωρητής 2-bit. 3
Γραπτή άσκηση 1. Απαντήστε στα ερωτήματα των Α και Β του πειραματικού μέρους της άσκησης. 2. Μελετήστε το ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) 7495 (αμφίδρομος καταχωρητής ολίσθησης με παράλληλη φόρτωση) και απαντήστε στα ακόλουθα: Ι. Παράλληλη φόρτωση της λέξης 1011 με το ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) 7495 (Σχήμα 7) 1. Τι πρέπει να συνδέσετε στον ακροδέκτη 7 και γιατί; 2. Τι πρέπει να συνδέσετε στον ακροδέκτη 14 και γιατί; 3. Τι πρέπει να συνδέσετε στους ακροδέκτες 10, 11, 12, 13 ώστε να διαβάζετε το περιεχόμενο του καταχωρητή και γιατί; 4. Τι πρέπει να συνδέσετε στους διακόπτες SWi ώστε να φορτώσετε παράλληλα στον καταχωρητή τη λέξη 1011 και γιατί; 5. Ποιος ο ρόλος του διακόπτη Α (FROM LOGIC SWITCH A) που συνδέεται στους ακροδέκτες 8 και 9; 6. Για παράλληλη φόρτωση του καταχωρητή, ποια θα πρέπει να είναι η θέση του διακόπτη Β (FROM LOGIC SWITCH Β) που συνδέεται στον ακροδέκτη 6 και γιατί; 7. Η είσοδος στον ακροδέκτη 1 επηρεάζει τη λειτουργία του κυκλώματος, όταν το κύκλωμα πραγματοποιεί παράλληλη φόρτωση και γιατί; Σχήμα 7. Παράλληλος καταχωρητής 4-bit με το IC 7495. 4
ΙΙ. Σειριακή φόρτωση της λέξης 1011 με το ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) 7495 (Σχήμα 8) Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: SI (σειριακή είσοδος - serial input) SW1 SW2 SW4 SI 0 X? X 1 SI? Εξηγήστε τη λειτουργία του κυκλώματος. Σχήμα 8. Καταχωρητής ολίσθησης 4-bit με το IC 7495. 5