Διαφορετικοί τύποι καταχωρητών βάρδιας και οι εφαρμογές του με παραδείγματα

Τι είναι το Shift Register:

Τα Shift Register είναι διαδοχικά λογικά κυκλώματα, ικανά να αποθηκεύουν και να μεταφέρουν δεδομένα. Αποτελούνται από Flip Flops που συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε η έξοδος ενός flip flop να μπορεί να χρησιμεύσει ως η είσοδος του άλλου flip-flop, ανάλογα με τον τύπο των καταχωρητών αλλαγής που δημιουργούνται.

Οι καταχωρητές Shift είναι βασικά ένας τύπος μητρώου που έχουν τη δυνατότητα μεταφοράς δεδομένων ("shift"). Οι καταχωρητές είναι γενικά συσκευές αποθήκευσης που δημιουργούνται με τη σύνδεση ενός συγκεκριμένου αριθμού flip flops μαζί σε σειρά και ο όγκος των δεδομένων (αριθμός bit) που μπορούν να αποθηκευτούν από το μητρώο είναι πάντοτε άμεσα ανάλογος με τον αριθμό των σαγιονάρων, καθώς κάθε Το flop είναι ικανό να αποθηκεύει μόνο ένα bit κάθε φορά. Όταν τα flip-flops σε έναν καταχωρητή συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε η έξοδος του ενός flip flop, γίνεται η είσοδος του άλλου, δημιουργείται ένας καταχωρητής shift.

Τα Flip Flops είναι συσκευές με λειτουργία παρόμοια με αυτή του μάνδαλου. Μπορεί να αναφέρεται ως bistable δονητής που μπορεί να κινηθεί μεταξύ δύο καταστάσεων (0 ή 1) και είναι ικανός να αποθηκεύει δεδομένα σε bits. Τα νέα δεδομένα διαβάζονται σε ένα flip flop με κάθε κύκλο ρολογιού και τα προηγούμενα δεδομένα αποστέλλονται στην έξοδο.

Shift Registers Περιλαμβάνεται από ποια flip-flops;

Αυτό όμως εξαρτάται από το είδος του flip flop, καθώς η σχέση εισόδου, εξόδου και κύκλου ρολογιού μεταξύ των σαγιονάρων ποικίλλει. Υπάρχουν διαφορετικά είδη σαγιονάρων, αλλά τα πιο συνηθισμένα που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία καταχωρητών αλλαγής ταχυτήτων είναι τα flip flops D (Delay).

Για τη λειτουργία του D flip flops που τα καθιστά τόσο επιθυμητά για ταχυτολόγια, Όποτε υπάρχει αλλαγή στο ρολόι ενός D flip flop (είτε άνοδο είτε πτώση, ανάλογα με τις προδιαγραφές του flip flop). Τα δεδομένα στην έξοδο "Q" γίνονται τα ίδια δεδομένα με αυτά στην είσοδο "D". Η έξοδος "Q" του flip flop θα παραμείνει σε αυτήν την τιμή μέχρι τον επόμενο κύκλο ρολογιού, όπου στη συνέχεια θα αλλάξει ξανά στην τιμή (Υψηλή ή χαμηλή, 1 ή 0) στην είσοδο.

Τώρα που γνωρίζουμε τι είναι τα Sift Registers, θα προχωρήσουμε σε μια βαθύτερη βουτιά στους τύπους flip-flop και τις εφαρμογές τους. Αλλά πριν από αυτό, για να δώσουμε μια πιο πρακτική έκθεση σχετικά με το πού χρησιμοποιούνται οι καταχωρητές βάρδιας, ρίξτε μια ματιά στον δημοφιλή καταχωρητή μετατόπισης 74HC595 που έχουμε χρησιμοποιήσει με διαφορετικούς μικροελεγκτές για τη διασύνδεση μιας οθόνης ή ακολουθίας LED.

• Shift Register με 74HC595 με Arduino για έλεγχο μιας ακολουθίας LED
• Shift Register με ESP32 για διασύνδεση 7-Segment Display
• Shift Register με Raspberry Pi για έλεγχο πολλαπλών LED
• Shift Register με PIC για τον έλεγχο της ακολουθίας των LED

Τύποι Μητρώων στην Ψηφιακή Ηλεκτρονική

Οι καταχωρητές Shift κατηγοριοποιούνται σε τύπους κυρίως από τον τρόπο λειτουργίας τους, είτε σειριακά είτε παράλληλα.

Υπάρχουν έξι (6) βασικοί τύποι καταχωρητών μετατόπισης που παρατίθενται παρακάτω, αν και μερικοί από αυτούς μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω με βάση την κατεύθυνση της ροής δεδομένων είτε μετακίνηση προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά.

1. Serial in - Serial out Shift Register (SISO)

2. Serial In - Parallel out shift Register (SIPO)

3. Parallel in - Parallel out Shift Register (PIPO).

4. Παράλληλος σε - Serial out Shift Register (PISO)

5. Μητρώα αμφίδρομης αλλαγής

6. Μετρητές

1. Μητρώα σειριακής εισόδου - σειριακής εξόδου

Serial in - Οι σειριακοί καταχωρητές μετατόπισης είναι καταχωρητές μετατόπισης που ρέουν σειριακά σε δεδομένα (ένα bit ανά κύκλο ρολογιού) και μεταδίδουν επίσης δεδομένα με τον ίδιο τρόπο, το ένα μετά το άλλο.

Ένα απλό σειριακό in - serial Out 4-bit shift register φαίνεται παραπάνω, ο καταχωρητής αποτελείται από 4 σαγιονάρες και η ανάλυση του τρόπου λειτουργίας του εξηγείται παρακάτω.

Κατά την εκκίνηση, ο καταχωρητής αλλαγής εκκαθαρίζεται πρώτα, αναγκάζοντας τις εξόδους όλων των σαγιονάρων στο μηδέν, τα δεδομένα εισόδου εφαρμόζονται στη συνέχεια στην είσοδο σειριακά, ένα bit κάθε φορά.

Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι μεταβίβασης δεδομένων μέσω ενός μητρώου αλλαγών SISO.

1. Μη καταστρεπτική ανάγνωση
2. Καταστροφική ανάγνωση

• Μη καταστρεπτική ανάγνωση

Μη καταστρεπτική ανάγνωση, οι καταχωρητές μετατόπισης έχουν πάντα έναν τρόπο λειτουργίας ανάγνωσης / εγγραφής με μια επιπλέον γραμμή που προστίθεται για να επιτρέπει την εναλλαγή μεταξύ των λειτουργιών ανάγνωσης και εγγραφής.

Όταν η συσκευή βρίσκεται σε κατάσταση λειτουργίας "εγγραφή", ο καταχωρητής μετατόπισης μετατοπίζει κάθε δεδομένα ένα bit κάθε φορά συμπεριφέροντας ακριβώς όπως η καταστροφική έκδοση ανάγνωσης και έτσι τα δεδομένα χάνονται, αλλά όταν ο τρόπος λειτουργίας αλλάζει σε "ανάγνωση", τα δεδομένα τα οποία μετακινούνται έξω στην είσοδο επιστρέφουν στο σύστημα και χρησιμεύουν ως είσοδος στον καταχωρητή βάρδιας. Αυτό βοηθά να διασφαλιστεί ότι τα δεδομένα παραμένουν περισσότερο (εφόσον παραμένουν σε λειτουργία ανάγνωσης)

• Καταστροφική ανάγνωση

Για καταστροφικές αναγνώσεις, τα δεδομένα χάνονται εντελώς καθώς το flip flop μετατοπίζει τις πληροφορίες. Υποθέτοντας ότι ο καταχωρητής μετατόπισης 4-bit παραπάνω, θέλουμε να στείλουμε τη λέξη "1101". Μετά την εκκαθάριση του καταχωρητή μετατόπισης, η έξοδος όλων των σαγιονάρων γίνεται 0, οπότε κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου ρολογιού καθώς εφαρμόζουμε αυτά τα δεδομένα (1101) σειριακά, οι έξοδοι των σαγιονάρων μοιάζουν με τον παρακάτω πίνακα.

Πρώτος κύκλος ρολογιού:

FF0	FF1	FF2	FF3
1	0	0	0

Δεύτερος κύκλος ρολογιού:

FF0	FF1	FF2	FF3
0	1	0	0

Τρίτος κύκλος ρολογιού:

FF0	FF1	FF2	FF3
1	0	1	0

Τέταρτος κύκλος ρολογιού:

FF0	FF1	FF2	FF3
1	1	0	1

2. Serial in - Παράλληλος καταχωρητής Shift

Ο δεύτερος τύπος καταχωρητή βάρδιας που θα εξετάσουμε είναι ο σειριακός καταχωρητής μετατόπισης εκτός σειράς, επίσης γνωστός ως SIPO Shift Register. Αυτοί οι τύποι καταχωρητών αλλαγής χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή δεδομένων από σειριακό σε παράλληλο. Τα δεδομένα έρχονται το ένα μετά το άλλο ανά κύκλο ρολογιού και μπορούν είτε να μετατοπιστούν και να αντικατασταθούν είτε να διαβαστούν σε κάθε έξοδο. Αυτό σημαίνει ότι όταν διαβάζονται τα δεδομένα, κάθε ανάγνωση σε bit καθίσταται διαθέσιμη ταυτόχρονα στην αντίστοιχη γραμμή εξόδου τους (Q0 - Q3 για τον καταχωρητή μετατόπισης 4-bit που φαίνεται παρακάτω).

Μια σειριακή 4-bit στο - Παράλληλος καταχωρητής μετατόπισης απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα.

Ένας πίνακας που δείχνει πώς τα δεδομένα μετατοπίζονται από το σειριακό - παράλληλος καταχωρητής αλλαγής 4 bit εμφανίζεται παρακάτω, με τα δεδομένα να είναι 1001.

Σαφή	FF0	FF1	FF2	FF3
1001	0	0	0	0
	1	0	0	0
	0	1	0	0
	0	0	1	0
	1	0	0	1

Ένα καλό παράδειγμα του σειριακού καταχωρητή shift παράλληλα είναι ο καταχωρητής shift 74HC164, ο οποίος είναι ένας καταχωρητής shift 8-bit.

Η συσκευή διαθέτει δύο σειριακές εισόδους δεδομένων (DSA και DSB), οκτώ παράλληλες εξόδους δεδομένων (Q0 έως Q7). Τα δεδομένα εισάγονται σειριακά μέσω DSA ή DSB και οποιαδήποτε από τις εισόδους μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενεργό HIGH memungkinkan για εισαγωγή δεδομένων μέσω της άλλης εισόδου. Τα δεδομένα μετατοπίζονται στις μεταβάσεις LOW-to-HIGH της εισόδου ρολογιού (CP). Ένα LOW στην είσοδο master reset (MR) διαγράφει τον καταχωρητή και αναγκάζει όλες τις εξόδους LOW, ανεξάρτητα από άλλες εισόδους. Οι είσοδοι περιλαμβάνουν διόδους σφιγκτήρα. Αυτό επιτρέπει τη χρήση τωρινών περιοριστικών αντιστάσεων για διασύνδεση εισόδων σε τάσεις άνω του VCC.

3. Παράλληλος in - Serial out Shift Register

Στον καταχωρητή Parallel in - Serial out shift, τα δεδομένα παρέχονται παράλληλα, για παράδειγμα, εξετάστε τον καταχωρητή 4-bit που φαίνεται παρακάτω.

Αυτός ο καταχωρητής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση και μετατόπιση μιας λέξης 4-bit, με την είσοδο ελέγχου εγγραφής / μετατόπισης (WS) να ελέγχει τον τρόπο λειτουργίας του καταχωρητή αλλαγής ταχυτήτων. Όταν η γραμμή ελέγχου WS είναι χαμηλή (Λειτουργία εγγραφής), τα δεδομένα μπορούν να γραφτούν και να χρονολογηθούν μέσω D0 έως D3. Για να μετατοπίσετε τα δεδομένα κατά σειρά, η γραμμή ελέγχου WS φέρεται HIGH (Shift mode), ο καταχωρητής μετατοπίζει τα δεδομένα στην είσοδο του ρολογιού. Το Parallel in Serial το Shift Register ονομάζεται επίσης PISO Shift register.

Ένα καλό παράδειγμα ενός παράλληλου in - serial out shift register είναι ο 74HC165 8-bit register register αν και μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως σειριακός in - serial out shift register.

Η συσκευή διαθέτει σειριακή είσοδο δεδομένων (DS), οκτώ παράλληλες εισόδους δεδομένων (D0 έως D7) και δύο συμπληρωματικές σειριακές εξόδους (Q7 και Q7 '). Όταν η παράλληλη είσοδος φορτίου (PL) είναι χαμηλή, τα δεδομένα από D0 έως D7 φορτώνονται στον καταχωρητή αλλαγής ασύγχρονα. Όταν το PL είναι ΥΨΗΛΟ, τα δεδομένα εισέρχονται στο μητρώο σειριακά στο DS. Όταν η είσοδος ενεργοποίησης ρολογιού (CE) LOW τα δεδομένα μετατοπίζονται στις μεταβάσεις LOW-to-HIGH της εισόδου CP. Το HIGH on CE θα απενεργοποιήσει την είσοδο CP. Οι είσοδοι είναι ανθεκτικές σε υπέρταση έως 15 V. Αυτό επιτρέπει τη χρήση της συσκευής σε εφαρμογές αλλαγής επιπέδου ΥΨΗΛΗΣ σε χαμηλή.

Το λειτουργικό διάγραμμα του καταχωρητή αλλαγής φαίνεται παρακάτω.

Το διάγραμμα χρονισμού για το σύστημα είναι όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

4. Παράλληλος - Παράλληλος καταχωρητής βάρδιου

Για παράλληλο παράλληλο καταχωρητή μετατόπισης, τα δεδομένα εξόδου στις παράλληλες εξόδους εμφανίζονται ταυτόχρονα καθώς τροφοδοτούνται τα δεδομένα εισόδου. Αυτός ο τύπος καταχωρητή αλλαγής ονομάζεται επίσης ως καταχωρητής μετατόπισης PIPO.

Τα δεδομένα εισόδου σε κάθε έναν από τους ακροδέκτες εισόδου από D0 έως D3 διαβάζονται ταυτόχρονα όταν η συσκευή είναι χρονισμένη και ταυτόχρονα, τα δεδομένα που διαβάζονται από κάθε μία από τις εισόδους διαβιβάζονται στην αντίστοιχη έξοδο (από Q0 έως Q3).

Ο καταχωρητής βάρδιας 74HC195 είναι ένας καταχωρητής μετατόπισης πολλαπλών χρήσεων που μπορεί να λειτουργήσει στις περισσότερες από τις λειτουργίες που περιγράφονται από όλους τους τύπους που έχουμε συζητήσει μέχρι στιγμής, ειδικά ως παράλληλος παράλληλος καταχωρητής αλλαγής.

5. Μητρώα αμφίδρομης αλλαγής

Οι καταχωρητές μετατόπισης θα μπορούσαν είτε να εκτελέσουν μετατόπιση δεδομένων προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά, ή και τα δύο ανάλογα με το είδος του καταχωρητή μετατόπισης και τη διαμόρφωσή τους. Στις λειτουργίες δεξιάς μετατόπισης, τα δυαδικά δεδομένα διαιρούνται με δύο. Εάν αυτή η λειτουργία αντιστραφεί, τα δυαδικά δεδομένα πολλαπλασιάζονται με δύο. Με κατάλληλη εφαρμογή συνδυαστικής λογικής, ένας σειριακός καταχωρητής μετατόπισης μπορεί να διαμορφωθεί ώστε να εκτελεί και τις δύο λειτουργίες.

Σκεφτείτε τον καταχωρητή 4-bit στην παρακάτω εικόνα. Μερικές πύλες NAND έχουν διαμορφωθεί ως πύλες OR και χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της κατεύθυνσης της μετατόπισης, είτε δεξιά είτε αριστερά.

Η γραμμή ελέγχου αριστερά / εγγραφή χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης προς την οποία μεταφέρονται τα δεδομένα, είτε δεξιά είτε αριστερά.

Ο καταχωρητής αλλαγής διπλής κατεύθυνσης 74HC194 είναι ένα καλό παράδειγμα. Ο καταχωρητής μπορεί να λειτουργεί σε όλους τους τρόπους και παραλλαγές σειριακής και παράλληλης εισόδου ή εξόδου. Το λειτουργικό διάγραμμα του 74HC194 που επισημαίνει τη γραμμή ελέγχου, το ρολόι, τους ακροδέκτες εισόδου και εξόδου φαίνεται παρακάτω.

Το διάγραμμα χρονισμού της συσκευής φαίνεται επίσης παρακάτω. Θα σας βοηθήσει καλύτερα να κατανοήσετε πώς ελέγχει η γραμμή ελέγχου τις ενέργειες του μητρώου.

6. Μετρητές

Οι μετρητές, που μερικές φορές ονομάζονται rotate shift register είναι βασικά καταχωρητές μετατόπισης με τις εξόδους τους να τροφοδοτούνται ξανά στη συσκευή ως εισόδους με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργεί ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Αυτά τα είδη καταχωρητών αναφέρονται ως μετρητές λόγω του προτύπου και της ακολουθίας που παρουσιάζουν. Ο πιο δημοφιλής τύπος μετρητών αλλαγής ταχυτήτων είναι οι μετρητές δακτυλίου.

Μετρητής δαχτυλιδιών

Οι μετρητές δακτυλίου είναι βασικά ένας τύπος μετρητή στον οποίο η έξοδος του πιο σημαντικού bit τροφοδοτείται ως είσοδος στο λιγότερο σημαντικό bit. Ένας μετρητής δακτυλίου 4-bit απεικονίζεται στο παρακάτω διάγραμμα χρησιμοποιώντας D flip flops.

Όταν εφαρμόζεται ο παλμός του ρολογιού, η έξοδος κάθε σταδίου μεταφέρεται στο επόμενο και ο κύκλος συνεχίζεται. Όταν το διάφανο γυρίσει ψηλά, όλα τα σαγιονάρες εκτός από το πρώτο (το οποίο τίθεται στο 1) επαναφέρεται στο μηδέν.

Εφαρμογές των καταχωρητών Shift

Οι καταχωρητές Shift χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, μερικές από τις οποίες είναι:

1. Παράλληλη με σειριακή μετατροπή, όπου χρησιμοποιούνται για τη μείωση του αριθμού των καλωδίων, ή των γραμμών που απαιτούνται για την επικοινωνία μεταξύ δύο συσκευών, καθώς η σειριακή επικοινωνία απαιτεί γενικά μόνο δύο καλώδια σε σύγκριση με την παράλληλη, η οποία εξαρτάται από τον αριθμό των bit που αποστέλλονται.

2. Επέκταση IO για μικροελεγκτές. Στα ηλεκτρονικά της σύγχρονης εποχής, οι μικροελεγκτές καρφίτσες IO αναφέρονται ως ακίνητα και κάποιος χρειάζεται όσο το δυνατόν περισσότερο για συγκεκριμένη εφαρμογή όπως ενεργοποίηση 100 leds ή ανάγνωση 100 διακοπτών καλάμι με κάτι σαν Arduino ή Atmeg328p microcontroller. Για παράδειγμα, το παρακάτω διάγραμμα κυκλώματος δείχνει πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας σειριακός προς παράλληλος καταχωρητής μετατόπισης για τον έλεγχο 8 LED, χρησιμοποιώντας μόνο τρεις από τους ακροδέκτες IO μικροελεγκτών.

3. Χρησιμοποιούνται σε μητρώα κατάστασης που χρησιμοποιούνται σε διαδοχικές συσκευές. Όπως μια μηχανή πεπερασμένης μνήμης, η επόμενη κατάσταση της συσκευής καθορίζεται πάντα μετατοπίζοντας και εισάγοντας νέα δεδομένα στην προηγούμενη θέση.

4. Μια άλλη κύρια εφαρμογή βρίσκεται στις Χρονικές καθυστερήσεις. Οι καταχωρητές μετατόπισης χρησιμοποιούνται για χρονική καθυστέρηση σε συσκευές, με τον χρόνο να ρυθμίζεται από το ρολόι, ή να αυξάνεται από διαδοχικούς καταχωρητές μετατόπισης ή να μειώνεται λαμβάνοντας την έξοδο από χαμηλότερο σημαντικό bit.

Η χρονική καθυστέρηση συνήθως υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο.

t = N * (1 / fc)

N είναι ο αριθμός του σταδίου flip flop στο οποίο λαμβάνεται η έξοδος, Fc είναι η συχνότητα του σήματος ρολογιού και t που είναι η τιμή που καθορίζεται είναι το χρονικό διάστημα για το οποίο η έξοδος θα καθυστερήσει.

Κατά την επιλογή ενός καταχωρητή shift για μια συγκεκριμένη εργασία λόγω του μεγάλου εύρους και πληκτρολογήστε το σημαντικό για να επιλέξετε αυτό που ταιριάζει με την ιδιαίτερη ανάγκη σας, λαμβάνοντας υπόψη πράγματα όπως, τον τρόπο λειτουργίας, το μέγεθος bit (αριθμός σαγιονάρων), δεξιά ή αριστερά ή αμφίδρομη κ.λπ.

Μερικά από τα πιο δημοφιλή μητρώα βάρδιας είναι:

1. 74HC 194 4-bit αμφίδρομος καθολικός καταχωρητής μετατόπισης
2. 74HC 198 8-bit αμφίδρομος καθολικός καταχωρητής μετατόπισης
3. 74HC595 Μηχάνημα αλλαγής σειριακής-παράλληλης-εξόδου
4. 74HC165 Μηχάνημα αλλαγής παράλληλου σε σειρά
5. IC 74291 4-bit universal shift register, binary up / down counter, σύγχρονο.
6. IC 74395 4-bit universal shift register με έξοδο τριών καταστάσεων.
7. IC 74498 8-bit αμφίδρομος καταχωρητής μετατόπισης με παράλληλες εισόδους και εξόδους τριών καταστάσεων.
8. IC 74671 4-bit αμφίδρομος καταχωρητής βάρδιας.
9. IC 74673 16-bit serial-in serial-out shift register με καταχωρητές αποθήκευσης εξόδου.
10. IC 74674 16-bit παράλληλος σε σειριακή έξοδο-καταχωρητής με έξοδο τριών καταστάσεων.

Υπάρχουν πολλά ακόμη, απλά πρέπει να βρείτε ποια ταιριάζει καλύτερα στην εφαρμογή σας.

Ευχαριστούμε που διαβάσατε, μέχρι την επόμενη φορά.