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Memoria registros y contadores - Monografía



 
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Informática. Computación. Entrada en serie. Circuitos. Electrónica. Relojes. Sincrónico



INTRODUCCIÓN



REGISTROS


Los registros son circuitos secuenciales conectados por una serie de biestables conectados en cascada. Tienen diversas aplicaciones prácticas como:

- Transmitir y recibir datos en serie y en paralelo.
- Conversión de datos en formato serie y paralelo y viceversa.
- Almacenamiento de información (memoria)

Tipos de registros:



- Registros de desplazamiento ENTRADA SERIE - SALIDA SERIE.

Es el registro más sencillo, en el que recibimos la información en serie e y en la salida obtenemos también en serie, pero retardad tantos ciclos de reloj  como número de biestables compongan el registro.  Funcionan de la siguiente forma, partiendo de que en el inicio todos los biestables están reseteados Q=0, en el primer flanco de subida de la señal de reloj (o bajada, dependiendo del biestable), el contenido de la entrada del primer biestable pasa a la su salida que es a su vez la entrada del segundo biestable. Este tipo de registro se suele usar como unidad de retardo.

- Registros de desplazamiento  ENTRADA SERIE - SALIDA PARALELO.

En este tipo de registros, la información se recibe en serie  y la salida la obtenemos en paralelo, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como biestables compongan el registro. Las salidas Q están conectadas a las entradas del biestable y a su vez a la salida en paralelo, el funcionamiento es igual que el anterior pero dependiendo del número de biestables y al terminar el ciclo de reloj, tememos una salida de tantos bits en paralelo como número de biestables.

- Registros de desplazamiento  ENTRADA PARALELO - SALIDA SERIE.

En este tipo de registro, la información es introducen en el registro en paralelo simultáneamente en todos los biestables, por el contrario, la salida de los bits se obtienen en serie, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro. Se realizan conjugando con un circuito combinacional y otra entrada que llamamos Shift/Load con una entrada directa y otra invertida, cuando se producen un flanco activo de reloj, se produce un paso de las entradas al registro de datos a través del c. Combinacional, cuando está a nivel alto, las puertas permiten el desplazamiento en serie hacia la derecha de los bits almacenados., Produciéndose la salida de todos los datos una vez transcurridos los ciclos de reloj,  es útil a la hora de convertir datos paralelos a serie para poderlos enviar por un cable.

- Registros de desplazamiento ENTRADA PARALELO - SALIDA PARALELO.

En este tipo de registros la información si introducida simultáneamente en los biestables paralelo y cuando se producen un flanco activo de la señal de reloj, los datos se obtienen también a la salida en paralelo.

- Registro UNIVERSAL. 

Es el que vamos a estudiar al final de la introducción; existe un circuito en el mercado que se denomina Registro Universal XX194, ya que permite todos los tipos de registros de desplazamiento que hemos estudiado. Para seleccionar el modo de funcionamiento, dispone de dos líneas de control que van conectadas a un multiplexor, estas líneas de control seleccionan la forma de conectar los biestables y así funcionar de una forma u otra.

CONTADORES



Los contadores son circuitos secuenciales cuya salida representa el número de impulsos que se la aplica a la entrada de reloj. Está formado básicamente por biestables interconectados. Pueden contar de forma ascendente si su contenido se incrementa con cada impulso o si decrementa, aunque por lo general los contadores pueden realizar esta función de ambas maneras según el estado de una entrada. Las aplicaciones de los contadores son las siguientes:

- Relojes y temporizadores
- Divisores de frecuencia.
- Frecuencímetros.

Según la forma de conectar la señal de reloj, los contadores pueden clasificarse en asíncronos y síncronos.

Contadores Asíncronos:



En este tipo, la señal de reloj se conecta sólo al primer biestable, mientras que las otras entradas se conectan a la salida del biestable anterior. El conectarse de esta forma la señal de reloj provoca que todos los biestables no cambien de estado al mismo tiempo, por ello reciben el nombre de asíncronos. Las salidas pueden atacar a un display visualizador de siete segmentos, por ejemplo. Su funcionamiento es el siguiente, se parte de que todos los flip-flops están reseteados, cuando se produce un flanco activo de la señal de reloj, las salidas del primer biestable cambian Q=0 y Q’=1, Q’ conectada a la señal de reloj del segundo biestable, produce un flaco activo, cambiando el segundo biestable el estado de sus salidas, este proceso se produce de forma indefinida a lo largo de los biestables. Podemos realizar un contador descendente si lo que conectamos a la señal de reloj es la salida Q y no Q’.  El asíncrono además de indicar el número de impulsos de señal recibidos puede dividir la frecuencia de la señal de reloj. Como ejemplo la salida de la señal del primer flip-flop tiene la mitad de frecuencia que la salida de señal de reloj original, la salida del segundo flip-flop, una frecuencia 4 veces menor, así sucesivamente obteniendo divisiones en cada salida múltiplos de 2. El inconveniente de este divisor de frecuencias viene dado por el tiempo de propagación de la señal, que hace que si cambiamos el estado del primer biestable deben cambiar de estado éste y el siguiente, provocando que la señal de reloj tenga un retardo al bascular. Si se conectan más, el tiempo de espera que corresponde con el tiempo de propagación, aumenta, lo que limita la frecuencia de funcionamiento del contador. Esta frecuencia máxima viene determinada por la siguiente fórmula F< 1/n.tp (tp= tiempo de propagación y n= número de biestables).


Ampliación de contadores asíncronos:



El método para conseguir contadores asíncronos de más bits consiste en conectar en cascada tantos biestables como número de bits que queramos que tenga el contador., llevando la señal de reloj externa al primero de3 ellos y la salida de cada biestable a la entrada del reloj siguiente. El número máximo de estados por los que pasa un contador se denomina módulo del contador. Este número viene determinado por la expresión 2^n donde n indica el número de bis del contador. Ejemplo, un contador de módulo 4 pasa por 4 estados, y contaría del 0 al 3. Si necesitamos un contador con un módulo distinto de 2^n, lo que haremos es añadir un circuito combinacional (puerta NAND) cuyas entradas sean las salidas a 1 del contador, y añadir la salida del circuito a todas las entradas CLEAR de los biestables.


Contadores síncronos:


En este tipo de biestables, la señas de reloj externa se conecta a todos los biestables. Con ello se consigue que todos los biestables evolucionen a la vez,  y por lo tanto no se produzcan tiempos de retardo ni transitorios. Para conseguirlo hay que añadir una lógica combinacional para implementarla en el contador, mientras que los biestables hacen de memoria para saber en qué estado se encuentra, la lógica combinacional se encargará de calcular cual será el siguiente estado al que debe pasar el contador.

Diseño de un contador síncrono:



El diseño de un contador síncrono debe pasar por varias fases de diseño:

1.    Dibujar el diagrama de estados. Se representa en él la forma simbólica del funcionamiento del sistema, representando los estados que deseamos y las transiciones precisas.
2.    Realizar la tabla simbólica de transiciones.  Es otra forma de representar el anterior diagrama de estados, y está compuesta por dos columnas, la de estado actual (estado en el que se encuentra el sistema)  y estado futuro (el estado que pretendemos que evolucione el sistema).
3.    Realizar la tabla de codificación de estados. Se trata  de codificarlo en binario, el número de biestables del sistema depende del número de estados del mismo. Por ejemplo, si queremos un contador de 8 estados (módulo 8) siguiendo la relación N=2^n; n=log(2)N, serían necesarios 3 biestables para codificar los estados del contador. 7(10)=111(2) son tres bits, por lo tanto necesitamos 3 biestables. Pasamos a binario tanto el estado actual como el estado futuro y cada bit de salida es una salida de un biestable.
4.    Crear una tabla de transiciones codificada. Tiene dos columnas al igual que la tabla simbólica de transiciones, pero ya codificada en binario. El estado actual representa el valor de la salida de los biestables (salida Q) y el estado futuro representa el valor de la salida que deben tomar Q en el siguiente flanco activo, denominándose Q+.
5.    Realización de las tablas de excitación. Para conseguir  que un biestable pase de un estado actual a un estado futuro, es preciso aplicarle la excitación conveniente a sus entradas. Para ello se aplican tablas de excitación, que son las tablas de verdad de los biestables pero vistas a la inversa, es decir, la entrada en función de la salida.  Como ejemplo ponemos la tabla de excitación de los biestables J-K y D.

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6.    Obtención del circuito combinacional necesario, simplificación e implementación.



Una vez obtenida la tabla de excitación del contador síncrono, el problema se reduce al obtener las funciones de las excitaciones, utilizando para ello Karnaugh. Una vez obtenidas las funciones, se puede implementar el circuito, conectado las salidas Q a las entradas de los siguientes biestables a través del combinacional.

PRÁCTICAS



3.1 Ensayo y experimentación del registro de desplazamiento universal xx194.



Como hemos apuntado anteriormente, este circuito permite todas las posibilidades de aplicación explicadas. Para ello dispone de dos entradas (S0 y S1) que seleccionan el modo de funcionamiento, con cuatro salidas, Q1, Q2, Q3, Q4 y las siguientes señales:

- CLK: Entrada de señal de reloj activa en el flanco de subida
- CLR: Entrada a puesta a cero activa a nivel bajo.
- Dsr: Entrada de datos, desplazamiento a hacia la derecha, para carga serie.
- Dsl: Entrada de datos, desplazamiento hacia la izquierda, para carga serie.
- A, B, C, D: Entrada de datos para carga en paralelo.
- S0: En carga paralelo, hace el desplazamiento hacia la derecha.
- S1: En carga paralelo, hace el desplazamiento hacia la izquierda.

Lo que vamos a hacer es montar el circuito en la placa entrenadora según la figura 3.44 del libro (Pág. 58) y completar el cronograma de la figura 3.45, una vez completados todos los cronogramas, tenemos que señalar en una tabla según la combinación de las entradas S0 y S1.


Registro universal MM74HC194


Este registro bidireccional está diseñado para incorporar virtualmente todas las características que se pueden realizar en un registro de desplazamiento. Contiene entradas y salidas tanto en serie como en paralelo,  entradas en serie tanto desde la derecha como de la izquierda a través de entradas de control, y entrada de reset.  La carga en paralelo se realiza aplicando a las cuatro entrada de datos el control de las entradas s0 y s1, cuyas transiciones de estado se realizan a través del flanco activo de la señal de reloj, en este caso, a nivel alto.
El desplazamiento hacia la derecha se realiza cuando s0 está a nivel alto y s1 a nivel bajo. Los datos en serie para este modo se ejecutan el  desplazamiento derecho de entrada de datos. Cuando s0 está a nivel bajo y s1 está a nivel alto, el desplazamiento de los datos se realiza desde la izquierda.

Tabla de verdad:

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Leyenda:



H= Nivel alto
L= Nivel Bajo
X= Irrelevante el estado
= Flanco activo de reloj, flanco de subida de señal
a, b, c, d= Datos en paralelo
QAo, QBo, QCo, QDo= El nivel actual o anterior en memoria.
QAn, QBn, QCn, Qdo= Nivel de los estados una vez activo el flanco de reloj.

- Con el Workbench realizamos el circuito que se pide en el libro, además de practicar la tabla de verdad en la placa y mesa entrenadora. Se realizan cronogramas para los diferentes estados que pueden tomar S0 y S1.

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- Cuando S0 y S1 están las dos a nivel bajo, las salidas se mantienen en memoria, independientemente del reloj y de las entradas SR y SL:

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- Cuando S0=0 y S1=1, el nivel depende de cómo esté SL, si está a nivel alto, se irán desplazando a nivel alto de izquierda a derecha, si está a nivel bajo, se irán desplazando a nivel bajo de izquierda a derecha independientemente de cómo esté SL.

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- Cuando S0=1 y S1=0 el desplazamiento se va realizando a la inversa, de derecha a izda, empezando por Q3 y el nivel de desplazamiento depende de cómo esté SR:

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3.3 Ensayo y experimentación de un contador síncrono up/down.


Los circuitos xx190 y xx191 son contadores que permiten la cuenta tanto ascendente como descendente. La diferencia entre los dos radica en que el xx190cuenta en BDC (0 al 9) y el xx191 es un contador binario de 4 bits (del 0 al 15), ensayaremos (modificación del ejercicio del libro Pág. 58) con el 192, le pondremos un visualizador y le añadiremos un combinacional para que cuente hasta 5.


Contador MM74HC192



Estos contadores pueden ser preseteados introduciendo los datos deseando en las entradas A, B, C, D. Cuando la entrada LOAD está a nivel bajo, obtenemos en la salida la cuenta independiente de la señal de reloj. Esta característica permite que el contador se pueda dividir en varios contadores modificando el tamaño de la cuenta con estas entradas. Con la entrada CLEAR reseteamos el contador.
Las salidas BORROW y CARRY son las que en sumas naturales, sacan el acarreo dependiendo de si el contador es creciente o decreciente.

- En la práctica con la mesa entrenadora y la placa y la representación en el Workbench, haremos que sólo cuente hasta 5 y empiece la cuenta, así como conectarlo a un display BCD para comprobar su funcionamiento.

Tabla de verdad del 74192:


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Leyenda:


H= Nivel Alto
L= Nivel Bajo
X= Irrelevante nivel
= Flanco activo de reloj- transición

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La segunda parte del ejercicio es implementar un circuito combinacional para que sólo cuente hasta 5. Según el proceso lo que hacemos es añadir una puerta lógica al circuito, que cuando llegue en sentido creciente hasta 6, representado en binario es 0110, siendo la función de salida S=QB · QC y conectando la salida, a la entrada CLEAR, para que cuando se cumpla la función QB=H y QC=H para un circuito creciente, se ponga de nuevo el contador a cero. Podemos utilizar integrados con puertas AND, como el 7408, en nuestro caso decidimos poner en el Workbench la puerta para entender mejor el funcionamiento, en este caso, de un circuito en sentido creciente.

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Autor:

Xpatricia





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