Регистры и сдвиговые цепи

Регистр объединяет несколько триггеров для хранения многобитного слова. Если каждый бит имеет собственный вход и выход, данные передаются параллельно. Если выход одного триггера соединён со входом следующего, возникает сдвиговый регистр, который перемещает данные на один разряд за такт.

Сдвиговые регистры применяются для преобразования serial↔parallel, задержки цифрового потока, расширения числа линий ввода-вывода и построения некоторых счётчиков и генераторов последовательностей.

• SISO передаёт данные последовательно через цепочку; задержка равна числу ступеней в тактах.
• SIPO принимает последовательный поток и выдаёт параллельное слово.
• PISO загружает слово параллельно и затем выдаёт биты последовательно.
• PIPO хранит и передаёт слово параллельно; универсальные регистры могут поддерживать несколько режимов.
• Направление сдвига и порядок битов MSB/LSB должны быть согласованы с протоколом.

Каждая ступень обычно является D-триггером с общим clock. На фронте все ступени одновременно принимают значения предыдущих ступеней, поэтому нельзя рассматривать перенос как последовательное «протекание» внутри одного такта.

При серийном обмене важны не только данные, но и момент считывания относительно clock. Внешний регистр типа 74HC595, например, дополнительно имеет защёлку выходов, что позволяет сначала сдвинуть новое слово, а затем одновременно обновить физические выходы.

Используйте четырёх- или восьмиразрядный регистр и логический анализатор, подписав направление сдвига до начала эксперимента.

1. Введите известную битовую последовательность и после каждого такта записывайте состояние ступеней.
2. Проверьте serial-in/parallel-out на восьми тактах.
3. Измените порядок передачи MSB-first на LSB-first и сравните полученное слово.
4. Если есть latch, покажите различие между внутренним сдвигом и обновлением выходов.
5. Соберите кольцевой режим, замкнув выход последней ступени на вход первой, и наблюдайте циркуляцию единицы.

• Считать, что все ступени обновляются одна за другой в течение одного фронта.
• Перепутать MSB-first и LSB-first при связи с периферией.
• Забыть отдельный latch у регистра расширения выходов.
• Не инициализировать регистр и принимать случайное стартовое содержимое за данные.

При смещённом на один бит слове сначала сравнивают clock/data timing и число фронтов. Если данные зеркальны по разрядам, проверяют порядок MSB/LSB.

Регистр — это память для слова, а сдвиговый регистр — управляемый тактом конвейер битов, связывающий параллельное и последовательное представление данных.