1）实验目的

（1）熟悉寄存器的电路结构和工作原理。

（2）掌握中规模集成电路74LS194双向移位寄存器的逻辑功能和使用方法。

（3）熟悉移位寄存器的逻辑电路和工作原理。

2）实验原理

在数字电路中，常常需要将一些数码、指令或运算结果暂时存放起来，能完成这种作用的部件叫做寄存器。寄存器具有清除数码、接收数码、存放数码和传送数码的功能。寄存器常分为数码寄存器和移位寄存器两种，其区别在于有无移位的功能。

（1）数码寄存器

由JK触发器组成的数码寄存器如图4.59所示，端输入负脉冲时，使各移位寄存器清零。

CP端的脉冲为写脉冲，当CP脉冲下降沿到来时，d3、d2、d1、d0各位数据被输入到寄存器中，并寄存。数码的输出由读出脉冲控制。所以数据寄存器就有如下特点：①能清除；②能写入；③能寄存；④能读出。这种输入、输出方式称为并行输入、并行输出。

图4.59　4位数码寄存器

（2）移位寄存器

具有移位逻辑功能的寄存器称为移位寄存器。移位功能是每位触发器的输出与下一级触发器的输入相连而形成的。它可以起到多方面的作用，可以存贮或延迟输入—输出信息，也可以用来把串行的二进制数转换为并行的二进制数（串并转换）或者相反（并串转换）。在计算机电路中，还应用移位寄存器来实现二进制的乘2和除2功能。

图4.60为4位串行输入、串并行输出的左移移位寄存器（由4个D触发器构成）。

图4.60　4位串行输入、串并行输出的左移移位寄存器

由图4.60可知，CP脉冲的输入（上升沿起作用）作为同步移位脉冲，数据（码）的移位操作由“左移控制”端控制，数码是从串行输入端输入，输出可以是串行输出或并行输出。

移位寄存器在应用中需要左移、右移、保持、并行输入/输出或串行输入/输出等多种功能。具有上述多种功能的移位寄存器称为多功能双向移位寄存器。如中规模集成电路74LS194就是具有左移、右移、清零、数据并入/并出（串出）等多种功能的移位寄存器。它的管脚排列见图4.61，逻辑功能见表4.26。

由表4.26可知，74LS194具有如下功能：

①清除：当时，不管其他输入为何种状态，输出全为0状态。

②保持：CP=0，时，其他输入为任意状态，输出状态保持。或者，M1、M0均为0，其他输入为任意状态，输出状态也保持。

图4.61　74LS194管脚排列图

③置数（送数）：，M1=M0=1，在CP脉冲上升沿时，将输入端数据D0、D1、D2、D3置入Q0、Q1、Q2、Q3中，并寄存。

④右移：，M1=0，M0=1，在CP脉冲上升沿时，实现右移操作，此时若DSR=0，则0向Q0移位，若DSR=1，则1向Q0移位。

⑤左移：，M1=1，M0=0，在CP脉冲上升沿时，实现左移操作，此时若DSL=0，则0向Q3移位，若DSL=1，则1向Q3移位。

表4.26　74LS194逻辑功能表

（3）移位寄存器的应用

移位寄存器用来构成计数器，这是在实际工程中经常用到的。比如用移位寄存器构成环形计数器、扭环形计数器和自启动扭环形计数器等。它还可用作数据寄存器，比如，两个数相加、相减其结果的存放等。

用74LS194构成的环形计数器、扭环形计数器和自启动的扭环形计数器如图4.62所示。

图4.62　74LS194双向移位寄存器的应用

在图4.62（a）中，输入4个移位脉冲，完成一次移位循环，即它是模M=4的环形计数器，如果需要模M=8的环形计数器，则需两片74LS194，这种环形计数器无自启动能力，必须在启动计数操作前，先置某个数在移位寄存器内（如0001或0011）然后再进行循环计数。

图4.62（b）为两片74LS194组成的扭环形计数器，它比图4.62（a）中的计数范围要大，最大模M=16。而环形计数器两片74LS194最大模M=8。所以，同样的计数范围，图4.62（b）连接方法比图4.62（a）要节省一半电路。扭环形计数器实际上就是把某一位取反后接到数据输入端，进行向左或向右移位。图4.62（b）就是把右边一片74LS194的Q2取反后接到左边一片74LS194的DSR右移输入端，构成模M=14的扭环形计数器。该计数器清零后即可启动，实现扭环形计数。图4.62（c）为两片74LS194构成的M=13的自启动扭环形计数器，其状态表如图4.63所示。

图4.63　74LS194构成的自启动环形计数器，模M=13的状态图

移位寄存器在数字运算电路中，常用作数据的存放、寄存等。

图4.64就是74LS194移位寄存器的具体应用。两个寄存器（JA、JB）分别存放数据A和B，两者通过相加后，再送到寄存器JA中。设JA寄存器存放的数据为1010，JB寄存器存放的数据为0101，即JA=10，JB=5，相加后（JA+JB=15），结果为1111，再送至JA中。

图4.64中，全加器用74LS183，进位触发器用D触发器74LS74。

图4.64　用74LS194双向移位寄存器组成的加法电路JA+JB➝JA(www.daowen.com)

3）实验内容

（1）数据寄存器

①在实验系统中，选4只JK触发器（把74LS112双JK触发器芯片自行插入实验系统中），按图4.59直接接线。d3、d2、d1、d0接数据开关或逻辑开关，与门输出接4只LED发光二极管，4只触发器的清零端连接到实验系统中复位按钮，写入脉冲接单次脉冲，读出脉冲接逻辑开关。

②接线完毕，则可通电实验。置d3d2d1d0=1010，清“0”（）后，按动单次脉冲，这时Q3、Q2、Q1、Q0将被置为1010，再将读出开关（逻辑开关）置1，就可观察到4只发光二极管为亮、灭、亮、灭，即输出数据为1010。

③改变d3、d2、d1、d0的数值，重复步骤②，验证其数据寄存的功能，并记录结果。

用D触发器代替JK触发器，也能很方便地实现，可自行连接实验线路，进行验证。

（2）移位寄存器

①用4只D触发器（74LS74）连成左移、右移移位寄存器，按图4.65（a）连线。D触发器用实验系统中的D触发器（也可自行插入）。

②接线完毕后，先置数据为0001，然后输入移位脉冲。置数，即把Q3、Q2、Q1、Q0置成0001。按动单次脉冲，移位寄存器可实现左移功能。

③按图4.65（b）连线，方法同步骤②，则可完成右移移位功能。

图4.65　D触发器构成移位寄存器的实验线路图

④图4.60为带移位控制的串入、串出、并出的4位左移移位寄存器，可自行连线进行实验论证。

（3）集成移位寄存器

①基本功能验证

图4.66　74LS194双向移位寄存器实验接线图

将74LS194插入实验系统中，按图4.66接线，16脚接电源正极，8脚接地，输出端Q3、Q2、Q1、Q0接4只LED发光二极管，工作方式控制端M1、M0及清零端分别接逻辑开关K1、K2和复位按钮K3（“”），CP端接单次脉冲，数据输入端D0、D1、D2、D3分别接4只数据开关或逻辑开关。

接线完毕后，接通电源，即可进行74LS194双向移位寄存器的功能验证（对照表4.26输入各有关参数）。

清除（零）：按复位按钮K3（“”），使=0，这时Q0、Q1、Q2、Q3接的4只LED发光二极管全灭，即Q0Q1Q2Q3=0000。

保持：使，CP=0状态，拨动逻辑开关K1（M1）和K2（M0），输出状态不变，或者使=1，M1=M0=0，按动单次脉冲，这时输出状态仍不变。

置数：使，M1=M0=1（即K1=K2=1），置数据开关为0101（D0～D3），按动单次脉冲，这时数据0101（D0～D3）已存入Q0～Q3中。LED发光二极管此时为灭、亮、灭、亮（即0101）。变换数据D0～D3=1011，输入单次脉冲，则数据1011在CP上升沿时存入Q0～Q3中。右移：把Q3接到DSR，见图4.66中虚线，按上述方法先置入数据0001（这时使，M1=M0=1，D0～D3=0001）。再置M1=0，M0=1为右移方式，输入单次脉冲，移位寄存器这时在CP上升沿时实现右移操作。按动4次单次脉冲，一次移位循环结束。即如图4.67（a）状态图所示。

左移：将Q3连到DSR的线断开，而把Q0接到左移输入DSL端，其余方法同上述右移。即，M0=0，M1=1（寄存器起始状态仍为0001），则输入4个移位脉冲后，数据左移，最后结果仍为0001。其左移状态图见图4.67（b）。

图4.67　74LS194右移、左移状态图

再把Q3接到DSL（Q0与DSL连线断开），输入单次脉冲，观察移位情况，记录并分析。

②应用

用74LS194移位寄存器可构成各种计数器。

a.按图4.62（a）接线，Q0～Q3接4只LED发光二极管，DSR与Q3相连，D0～D3接数据开关（或逻辑开关），M1、M0、分别接逻辑开关和复位开关，CP接单次脉冲，电源+、-分别接芯片16、8脚。接线完毕，预置寄存器为1000状态，并使M0=1，M1=0，，寄存器处于移位（右移）状态，即环形计数状态。输入单次计数脉冲，观察LED发光二极管Q0～Q3的状态，不难发现Q0～Q3按右移方式出现，且一次循环为4个脉冲，即计数器的模M=4。

b.按图4.62（b）接线，并按步骤a.进行实验，发现QA～QG输出按右移方式出现，且一次循环为14个脉冲，即计数器的模为14（M=14）。这种计数器称为扭环形计数器。

c.按图4.62（c）接线，进行实验论证。计数器的状态应和图4.63所示的M=13的状态图一致。

d.按图4.64接线，进行JA+JB➝JA。

这里CP接单次脉冲，接复位开关，M1、M0接逻辑开关，JA的D0～D3和JB的D0～D3分别接数据开关。寄存器JA送全加器（74LS183）的Ai端，JB送全加器（74LS183）的Bi端，全加器的进位Ci由D触发器（74LS74）寄存，D触发器的输出作为上次进位的输出接到全加器的Ci-1端，全加器的和Si接到寄存器JA的输入端，这里选用右移方式，则把和Si接到右移输入端DSR，JB寄存器数据仍送回JB中。

接线完毕，先预清：JA=0，JB=0，进位触发器D为零；然后置数：JA=1010，JB=0101（置数方法参考74LS194基本功能验证方法）。输入移位脉冲，进行JA+JB➝JA的运算。输入4个脉冲，一次运算完成，此时JA应该为1111，JB应该为0101，若结果不是此数，则出错，应找到出错原因；若运算结果正确，再更换JA和JB另一组数据，进行JA+JB➝JA的操作。

4）预习要求

（1）复习数据寄存器、移位寄存器的工作原理和逻辑电路。

（2）预习中规模集成电路74LS194双向移位寄存器的逻辑功能、管脚排列及其各种应用方法。

5）实验报告

（1）画出各实验电路和时序状态图。

（2）设计由74LS194构成8位、16位移位寄存器的方法，并实现M=25的自启动扭环形计数器。

6）实验设备

（1）数字电路实验系统（SDS-Ⅵ）一台

（2）集成电路：74LS74、74LS112、74LS08、74LS194、74LS04、74LS00、74LS183各一片