Андрей Смирнов
Время чтения: ~7 мин.
Просмотров: 0

Последовательные регистры (регистры сдвига)

Иногда требуется ОЧЕНЬ много выходных портов. Особенно если хотим сделать что нибудь на светодиодах. Гирлянду какую-нибудь навороченную. Что делать? Брать под это дело ATMega128 с ее полусотней выводов? Избыточно — для ламеров. Ставить i2с расширитель портов? Дорого. Для мажоров. Тут на помощь из вековых глубин выплывает старая добрая дискретная логика. На этот раз нас выручит грошовый сдвиговый регистр. Возьму, для примера, 74HC164 он же, для любителей совковых трешевых микросхем в неубиваемом каменном корпусе, наш КM555ИР8.

У него есть 8 выходов и четыре входа. R-сброс, С-тактовый, А1 и А2 вход. На самом деле, внутри они заведены через логический элемент 2И-НЕ и идут на D триггеры. D — это такой тип триггера, который по тактовому импульсу схватывает и отправляет на выход то, что у него на входе. Как видишь, тут они цепью стоят ,передавая бит от одного к другому и нет принципиальной разницы сколько их тут будет, восемь штук или восемь миллиардов. Но чем больше, тем дольше по этой эстафете гнать данные до конца. Поэтому мы смело можем эти регистры соединять последовательно.Получается вот такая схема:

Наполнять регистр просто: 1) Поднимаем и держим RESET в 1 2) Выдаем первый (старший) бит на Data. 3) Опускаем в 0 и поднимаем в 1 тактовый выход. На восходящем фронте происходит занос в регистр и сдвиг всей цепочки на один шаг. 4) Повторить со второго пункта пока все биты не выдадим.

А для сброса достаточно уронить Reset в ноль на пару микросекунд. Все просто 🙂

З.Ы. Кружок на входе регистра означает, что вход инверсный. Т.е. подал ноль — сработало Треугольник на входе показывает по какому фронту произойдет срабатывание. Запомнить просто: _/ _ — это, типа, импульс. А треугольник, как стрелочка, указывает на нужный фронт. ->_/ _ передний (восходящий фронт) и _/ _<- задний (нисходящий фронт)

Ну и даташитик напоследок, а еще протеусовская модель, где можно вручную переключателем поперетыкать уровень на входе и потыкать кнопку тактового входа. Правда я там поленился на диоды питание заводить — там по квадратикам логических уровней итак все видно хорошо 🙂

DSC01321_-1.png

Ардуино: всё о сдвиговом регистре

Сдвиговый регистр — очень распространенное устройство, которое часто применяется для упрощения работы с сегментными индикаторами, с линейками и с матрицами светодиодов. Все эти устройства состоят из множества светодиодов, и если управлять ими напрямую, потребуется занять много выводов контроллера. К примеру, для подключения обычного сегментного индикатора необходимо задействовать восемь выводов. Два таких индикатора займут уже 16 ног Ардуино.

Регистр позволяет нам увеличить количество цифровых выводов микроконтроллера, и мы сможем управлять любым количеством светодиодов, реле, зуммеров и любых других цифровых устройств.

DSC01321_-1024x768.png

В электронике регистром называют устройство, которое может хранить небольшой объем данных для быстрого доступа к ним. Они есть внутри каждого контроллера и микропроцессора, включая и микроконтроллер Atmega328 — сердце Ардуино Уно. Как правило регистры представляют собой сборку из D-триггеров — элементарных ячеек памяти, с которыми мы уже встречались в отдельном уроке. Записывать данные в регистр можно либо последовательно, либо параллельно. Регистры первого типа называются сдвиговыми, второго типа — параллельными.

Считывать данные из регистра можно одновременно из всех ячеек. Именно это его свойство помогает нам работать с кучей светодиодов.

7+Принцип работы сдвигового регистра

Регистр. Регистр сдвига

Регистр это устройство, выполненное на триггерах для выполнения ряда действий с двоичными числами. Для тех, кто не знает, что такое триггер, рекомендуем познакомиться с простейшим RS-триггером.

Наиболее простая функция регистров — это запоминание числа и его длительное хранение. Эти устройства так и называются – регистры хранения. Вот простейший пример.

На входы D0 – D2 подаётся число, которое необходимо сохранить. Как только на входе С появляется импульс синхронизации, число записывается в триггер, изменяя их состояние. На рисунке показан трёхразрядный регистр хранения. При подаче на входы числа 1112 оно же появится на прямых выходах триггеров (Q0Q2). На инверсных выходах (Q0 Q2) будет, естественно 0002. Сигналом R (Reset) или сброс, триггеры устанавливаются в нулевое состояние.

Обычно используются регистры, состоящие из 4, 8, или 16 триггеров. Изображение четырёхразрядного регистра на принципиальных схемах может быть таким.

На рисунке не показаны инверсные выхода триггеров и сигнал R. Регистры всегда обозначаются латинскими буквами RG. Если регистр сдвигающий, то под обозначением рисуется стрелка направленная влево, вправо или двойная.

Сдвигающие регистры или регистры сдвига.

Регистр сдвига это устройство, состоящее из нескольких последовательно соединённых триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Регистры широко используются в вычислительной технике для преобразования кодов. Параллельного в последовательный и наоборот.

Кроме того сдвигающие регистры являются основой (АЛУ) арифметико-логического устройства, так как при сдвиге записанного в регистр двоичного числа на один разряд влево производится умножение числа на два, а при сдвиге числа на один разряд вправо число делится на два. Поэтому наибольшее распространение получили реверсивные или двунаправленные регистры.

Рассмотрим четырёхразрядный регистр сдвига, преобразующий последовательный двоичный код в параллельный. Применение последовательного кода оправдано тем, что по одной линии можно передавать огромные массивы информации. Таким примером может служить универсальная последовательная шина — USB порт любого устройства. Число триггеров в данном регистре может быть любым. Достаточно соединить прямой выход Q3 с D входом следующего триггера и так далее до достижения необходимой разрядности.

Регистр работает следующим образом. Первый информационный бит поступает на вход D0. Одновременно с этим битом приходит тактовый синхроимпульс на вход С. Входы С всех триггеров входящих в регистр, объединены между собой. С приходом первого тактового импульса уровень, находящийся на входе D0 записывается в первый триггер и с выхода Q0 приходит на вход следующего триггера, но записи во второй триггер не происходит, так как синхроимпульс уже закончился.

При поступлении следующего тактового импульса уровень, присутствующий на входе второго триггера запоминается в нём и поступает на вход третьего триггера. Одновременно следующий информационный бит запоминается в первом триггере. После прихода четвёртого тактового импульса в четырёх триггерах регистра будут записаны логические уровни, которые последовательно поступали на вход D0.

Допустим это уровни 01102. Тогда это двоичное число можно отобразить, подключив к выходам триггеров светодиоды. Так рассмотренный регистр изображается на принципиальной схеме.

Видно, что на условном изображении присутствует стрелка — указатель того, что это сдвиговый регистр.

Рассмотрим, как работает четырёх разрядный универсальный регистр сдвига К155ИР1 (аналог — SN7495N). Вот его внутреннее устройство.

Регистр содержит четыре D-триггера, которые соединены между собой с помощью дополнительных логических элементов И – ИЛИ, которые позволяют реализовать различные функции. На схеме:

  • V2 – вход управления. С его помощью выбирается режим работы регистра.

  • Q1 – Q4 выходы триггеров с которых снимается параллельный код.

  • V1 – вход для подачи последовательного кода.

  • C1, C2 – тактовые синхроимпульсы.

  • D1 – D4 – входы для записи параллельного кода.

Алгоритм работы регистра следующий. Если на вход V2 подать низкий потенциал, тактовые импульсы на C1, а на вход V1 подавать информационные биты, то регистр осуществляет сдвиг вправо. После приёма четырёх разрядов на выходах триггеров Q1 – Q4 мы получаем параллельный код. Таким образом осуществляется преобразование последовательного кода в параллельный.

Для обратного преобразования параллельный код записывается по входам D1 – D4, с подачей на вход V2 высокого потенциала и тактовых импульсов на вход С2. Затем подавая на вход V2 низкий потенциал, а тактовые импульсы на вход С1 мы сдвигаем записанный код, а с выхода последнего триггера снимается последовательный код.

По своей структуре это один из самых простых регистров сдвига.

Регистры сдвига в цифровой технике могут послужить основой, на которой собираются узлы с интересными свойствами. Это, например, кольцевые счётчики, которые называются счётчики Джонсона. Такой счётчик имеет количество состояний вдвое большее, чем число составляющих его триггеров. Например, если кольцевой счётчик состоит из трёх триггеров, то он будет иметь шесть устойчивых состояний. На вход счётчика ничего не подаётся кроме синхроимпульсов. В первоначальном состоянии все триггеры «сброшены», то есть на прямых выходах триггеров логические нули, а вот на входе D первого триггера с инверсного выхода третьего триггера находится логическая единица. Начнём подавать тактовые импульсы и процесс пошёл.

На таблице истинности хорошо видно, как изменяется двоичный код при поступлении шести тактовых импульсов.

N Q2 Q1
1 1
2 1 1
3 1 1 1
4 1 1
5 1
6

Теперь вы знаете, что такое регистр и как он может использоваться на практике. Основа любого регистра — это триггер. Число триггеров в регистре определяет его разрядность. Те, кто увлекается микроконтроллерами знает, что важнейший элемент любого микроконтроллера, будь то PIC, AVR, STM или MSP, это регистр.

Главная &raquo Цифровая электроника &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

  • Основы цифровой электроники.

Используемые источники:

  • http://easyelectronics.ru/sdvigovyj-registr.html
  • https://robotclass.ru/tutorials/arduino-shift-register/
  • https://go-radio.ru/registr.html

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Максим Уваров
Наш эксперт
Написано статей
171
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации