Сдвиговый регистр. Применение сдвиговых регистров Подключение сдвигового регистра

Сдвиговый регистр - это набор последовательно соединённых триггеров (обычно их 8 штук). В отличии от стандартных регистров, сдвиговые поддерживают функцию сдвига вправо и влево. (т. е. переписывание данных с каждого предыдущего триггера на следующий по счёту).

Функционал и назначение у сдвиговых регистров довольно велик. Сегодня мы познакомим одного из них с Arduino (Отличный способ множить выходы у Arduino: занимаем 3, получаем 8).

Наверное самая популярная микросхема, представляющая собой такой регистр - это 74HC595.

Работает на интерфейсе SPI: ноги DS, ST_CP, SH_CP - это шины управления. Соответственно: шина данных(MOSI), защёлка(SS) и тактовая линия(SCK). Подключаем на любые 3 контакта Arduino (библиотека SPI в коде не будет задействована). У меня это 12, 10, 13 выходы Arduino (стандарт).

Ноги Q0, Q1, ..., Q7 - это выходы регистра (разряды). Для того, чтобы следить за состоянием каждого из них, повесим на каждый вывод по светодиоду (с последовательно соединённым резистором. Номинал от 150 до 330 Ом)

VCC и GND - это питание. Подключаем к +5v и GND.

Выход Q7` не трогаем (предназначен для последовательного соединения таких регистров)

MR - это сброс. Подключаем к +5v (сброс не активен).

Ну и OE притягиваем к земле (подключаем к контакту GND).

Получается вот, такая схема:

На BreadBoard можно разместить вот, так:

Теперь к коду:

Как говорилось ранее, библиотека SPI использоваться не будет. Есть удобная функция shiftOut() .

для начала именуем наши пины (тактовая линия - clock, данные - data, защёлка - latch):

#define clock 13 #define data 12 #define latch 10

потом в void setup() обозначаем их как выходы и сразу ставим защёлке высокий уровень, чтобы регистр не принимал сигналов:

Void setup(){ pinMode(clock, OUTPUT); pinMode(data, OUTPUT); pinMode(latch, OUTPUT); digitalWrite(latch, HIGH); }

теперь давайте попробуем что-нибудь отправить на регистр:

Для начала ставим LOW на защёлку (начинаем передачу данных. Теперь регистр принимает сигналы с Arduino).

DigitalWrite(latch, LOW);

Потом отправляем данные (т. е. отправляем байт в цифровом или двоичном виде. В двоичном проще, т. к. каждый из 8 битов отвечает за свой разряд в регистре. Проще сориентироваться глазами):

Для начала отправим байт 0b10000000; (должен будет загореться первый светодиод):

ShiftOut(data, clock, LSBFIRST,0b10000000);

И в конце выставляем HIGH на защёлку (заканчиваем передавать данные).

DigitalWrite(latch, HIGH);

В итоге весь наш код:

#define clock 13 #define data 12 #define latch 10 void setup() { pinMode(clock, OUTPUT); pinMode(data, OUTPUT); pinMode(latch, OUTPUT); digitalWrite(latch, HIGH); } void loop() { digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, 0b10000000); digitalWrite(latch, HIGH); }

Теперь вгружаем в ардуину. Результат должен быть таким (зажёгся первый светодиод):

(если у вас зажёгся не первый, а последний светодиод, то в функции shiftOut поменяйте LSBFIRST на MSBFIRST и всё станет на свои места).

Итак, получилось! Предлагаю создать функцию для того, чтобы каждый раз не писать эти 3 СТРОЧКИ:

Я назову её: sendbyte;

Void sendbyte(byte value){ digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, value); digitalWrite(latch, HIGH); }

Эта функция отправляет регистру состояние всех разрядов сразу. Это пригодится для (например). Но, чтобы использовать регистр как расширитель портов, нужно управлять каждым разрядом по-отдельности (аналогично функции digitalWrite()):

Мы можем отправлять регистру только полный байты (8 бит - 0b00000000). Если отправить не 8, а 5 бит (например: 0b00000 000) , то регистр будет ждать недостающие 3 бита. Значит, что когда мы хотим изменить состояние одного разряда регистра (включить его, или выключить) мы должны, по сути, послать ранее отправленный байт, с изменением на один бит.

(P. S.: Сейчас долгое и нудное объяснение (новичкам), кому не интересно, спуститесь чуть ниже:);

Итак, сначала создаём, так называемую (мною), базу данных, в которой будет храниться состояние каждого разряда (включен(HIGH) или выключен(LOW)). тип: boolean :

Boolean states;

Каждая переменная в данном массиве обозначает свой разряд (в нулевой (по счёту) будет храниться состояние 1 разряда, второй - 3-го, и т. д.)

Теперь напишем функцию (я назову её: sendpin). Она будет принимать 2 значения: номер разряда, и уровень, который нам надо этому разряду приписать: высокий(HIGH) или низкий(LOW).

Void sendpin(int pin, boolean state){ pin--; states=state; byte value = 0; byte add = 1; for(int i=0; i<8; i++){ if(states[i]==HIGH) value+=add; add*=2; } digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, value); digitalWrite(latch, HIGH); }

Из-за того, что счёт начинается с нуля, нам придётся называть первый пин нулевым. Чтобы это исправить (мы будем писать как есть(первый, значит первый), а Arduino будет сама отбавлять один), Я написал:

Затем отмечаем изменения в базе данных:

States=state;

Теперь надо сформировать из 8 битов байт и отправить его на регистр.

Для начала создаём переменные:

value - тот байт, который будем отправлять. (по умолчанию его нужно сделать нулём):

Byte value = 0;

add - это переменная, которая будет хранить в себе байт текущего разряда. для первого разряда это байт 1 (0b10000000);

Byte add = 1;

теперь нам нужно прокрутить в базе данных все 8 переменных и сформировать байт (делать это будем с помощью цикла for() :

For(int i=0; i<8; i++){ }

Итак, каждый раз мы проверяем очередной разряд в базе данных. Если он должен иметь высокий уровень, то мы прибавляем к value add и переходим на следующий разряд в цепочке (как бы сдвигаемся на разряд выше (левее). Т. е., в двоичном коде всё просто: было так: 0b01000000; сдвинули единичку влево и получилось так: 0b10000000. А вот в цифровом виде всё по-другому. Сдвиг влево аналогичен умножению на 2 (а вправо, кстати, - делению на 2)). Получается примерно так:

If(states[i]==HIGH) value+=add; add*=2;

Теперь остаётся только послать value на регистр:

DigitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, value); digitalWrite(latch, HIGH);

В принципе, если понять, то всё очень просто.

Итак, давайте попробуем включить 2, 4, 6, и 8 разряды отдельно (4 раза напишем в цикле нашу функцию):

Sendpin(2, HIGH); sendpin(4, HIGH); sendpin(6, HIGH); sendpin(8, HIGH);

И кстати, в setup-e нужно очистить регистр (послать 0).

Можно даже такую функцию создать:

Void cleanreg(){ for(int i=0; i<8; i++) states[i]=LOW; digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, 0); digitalWrite(latch, HIGH); }

В общем результат таков:

Список радиоэлементов

1. Умножение на 2 – это сдвиг двоичного числа влево на 1 разряд.

Деление на 2 – это сдвиг числа вправо на 1 разряд.

Каждый последующий сдвиг числа – это дальнейшее умножение или деление на степень двойки.

2 Преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот можно осуществить по схеме, приведенной на рис. 3.43.

Рис. 3.43. Схема преобразования кода параллельный\последовательный

S – data serial - последовательный вход данных

P/ S – вход управления режимом ввода (параллельный/последовательный)

Для осуществления преобразования регистр RG1 переводят в режим параллельного приема информации, а RG2 последовательного приёма, воздействуя на входы управления P/S соответствующим логическим уровнем сигнала. Параллельный код через входы D 1 - D 4 загружается в передающий регистр RG1, появляясь в параллельном виде на его выходах Q 1 – Q 4 . После этого оба регистра переводят в режим сдвига и на тактовый вход «с» подают серию из четырех импульсов. Передаваемый код вытесняется из передающего регистра в линию связи начиная со старших разрядов числа. Регистр–приёмник принимает и сдвигает каждый бит информации синхронно с передающим регистром. Таким образом, с окончанием серии из четырех тактовых импульсов, передаваемый код будет размещен в принимающем регистре и может быть прочитан из него в параллельном виде, т. к. появится на его выходах Q 1 – Q 4 . Это синхронный способ передачи кода.

При асинхронном способе синхронизирующий перепад, называемый стартовым битом, сопровождает цепочку из 5-8 бит (чаще всего байт). Это стандартный последовательный интерфейс .

Для выполнения функции как приемника так и передатчика при обмене в стандартном последовательном формате выпускаются специальные микросхемы КР580ВВ51 (ввод-вывод) или КР581ВА1.

Экономические расчеты стоимости кабеля связи и аппаратуры преобразования показывают, что при разрядности в 1-2 байта передача последовательным кодом уже при расстояниях в несколько метров становится выгоднее передачи параллельным кодом.

Сигналы сдвига подаются на RG непрерывно, а выход замкнут на вход DS. В результате однажды записанный в регистр код будет в этом кольце циркулировать. Поставив параллельно m одинаковых регистров можно записывать и считывать m-разрядные слова параллельным кодом.

Недостаток – большое время обращения

Достоинства – малые аппаратурные затраты и низкая стоимость.

Например 144ИР3 имеет ёмкость 64 бит.

4. Кольцевые распределители

Распределителями называют узлы, распределяющие поток импульсов последовательно, импульс за импульсом, по нескольким выходам по определенным циклограммам.

Применяют для управления шаговыми двигателями, обслуживания матриц ПЗС и др. многоразрядных объектов (рис. 3.44).

Рис. 3.44. Кольцевой распределитель

Схема предусматривает внесение единицы через элемент ИЛИ на вход последовательного приема информации DS. Последующие импульсы сдвига с частотой следования f вх перемещают эту единицу от младших разрядов к старшим, выделяя её на выходах Q 1 – Q 4 (рис. 3.45).

Рис. 3.45 Диаграмма кольцевого распределителя

Очевидно, что частота выходных импульсов на каждом из выходов окажется в четыре раза меньше входной, а в общем виде это соотношение зависит от числа разрядов сдвигового регистра – n. f вых = f вх / n

Достоинством такого распределителя является возможность преобразования последовательности импульсов в восьмеричный (десятичный) код без применения дешифратора.

Недостаток схемы – после сбоя работоспособность можно восстановить только путем внесения новой единицы.

От этого недостатка свободна схема с самовосстановлением после сбоя (рис. 3.46).

Рис. 3.46. Кольцевой распределитель с самовосстановлением после сбоя

Очевидно, что при смещении единицы в четвертый триггер регистра будет выполняться условие: Q̅ 1 ·Q̅ 2 ·Q̅ 3 = 1. Эта единица по цепи обратной связи поступит на вход DS, после чего цикл повторится.

5. Счетчик импульсов

Кольцевой распределитель можно рассматривать как счетчик-делитель с коэффициентом счета равным числу триггеров. Соединив последовательно два регистра по четыре разряда можно построить делитель на 16 (рис. 3.47).

Рис. 3.47 Счетчик-делитель на 16

Явным недостатком такой конструкции является малая ёмкость. Действительно, затратив те же 8 триггеров, можно собрать двоичный счетчик с коэффициентом деления 2 8 = 256.

6. Кольцевой распределитель с перекрестной связью

Для хранения и обработки информации в микро-ЭВМ широко используются сдвиговые регистры. Сдвиговый регистр состоит из ряда триггеров (по одному на каждый бит информации), соединенных так, что выход каждого триггера подключен ко входу следующего. Информация в регистре сдвигается на один разряд вправо или влево при поступлении каждого тактового импульса. Это устройство идеально подходит для обработки последовательной информации (подаваемой по биту в каждый момент времени), преобразования параллельной информации (все биты поступают одновременно) в последовательную и последовательной в параллельную.

Сдвиговые регистры реализуются на СИС – устройствах, выполненных с применением RS-, JK-, или D – триггеров, и различия между ними главным образом связаны с методом обработки входных и выходных данных. В данном разделе описываются основные типы этих регистров.

Рис. 2.29. Типичный 4 х разрядный регистр с последовательным входом.

Рис. 2.30. Временная диаграмма работы 4 х разрядного сдвигового регистра.

Сдвиговый регистр с последовательным входом.

Сдвиговый регистр с последовательным входом – это устройство, в котором данные последовательно поступают на вход, как показано на рис. 2.29 для 4 х разрядного сдвигового регистра. В данном случае используются D – триггеры. Работает регистр следующим образом. В исходном положении импульс сброса (логический 0) подается на вход «Установка в 0», устанавливая выходы Q 0 -Q 3 в 0. Дале первый бит данных подается на последовательный вход. При воздействии переднего фронта первого тактового импульса Q 0 принимает значение равное D 1 . Затем на последовательный вход подается D 2 . При воздействии переднего фронта второго тактового импульса Q 0 =D 2 и Q 1 =D 1 . Продолжается этот процесс, после четырех тактовых импульсов имеем Q 0 =D 4 , Q 1 =D 3 , Q 2 =D 3 , Q 3 =D 1 . Временная диаграмма для последовательно поступающих входных данных показана на рис. 2.30.

Выход данных при этом может быть как последовательным так и параллельным. В последнем случае сдвиговый регистр работает как последовательно-параллельный преобразователь. Очевидно, для сдвиговых регистров, имеющих большое число разрядов (более восьми), параллельные выходы нецелесообразны из-за большого количества выходов в корпусе ИС. Существуют сдвиговые регистры, имеющие более 1000 разрядов.

Сдвиговый регистр с параллельным входом

Сдвиговый регистр с параллельным, входом - это устройство, в котором входные данные поступают одновременно по параллельным информационным каналам (рис. 2.31).. Запись данных в регистр осуществляется следующим образом. Сначала производится сброс содержимого регистра подачей импульса (логического 0) на вход «Установка в 0». Далее D 1 -D 4 подаются на входы и импульс (логическая 1) .поступает на вход записи. Это приводит к записи информации во все регистры с использованием входов предустановки. После этого при появлении каждого тактового импульса информация сдвигается на один разряд вправо. Выход данных может быть как последовательным, так и параллельным. Многие сдвиговые регистры, выполненные в виде ИС, имеют параллельный вход и последовательный выход. Эти устройства известны как параллельно-последовательные преобразователи.

В описанных выше сдвиговых регистрах сдвиг производился в одном направлении при появлении каждого тактового импульса. Во многих случаях, однако, желательно иметь возможность сдвигать информацию и влево, и вправо. Регистры, обладающие этой способностью, называются реверсивными сдвиговыми регистрами. Управление сдвигом в таких регистрах осуществляется путем подключения выходов триггеров к соответствующим входам при сдвиге влево или вправо. Направление сдвига регулируется входом «Способ работы». Реверсивные сдвиговые регистры с последовательными и параллельными входами и выходами называют универсальными сдвиговыми регистрами.

Рис. 2.31. Типичный 4-разрядный сдвиговый регистр с параллельным выходом.

Пример регистра

В микросхеме ИР1 каждый разряд образован синхронным двухступенчатым триггером RS с логикой на входе (рис. 2.32). Регистр сдвига позволяет реализовать следующие режимы работы: запись информации параллельным кодом; сдвиг вправо; сдвиг влево. Управление режимом работы регистра осуществляется по входам VI, V2, С1, С2 (выводы 1, 6, 9, 8).

Рис. 2.32. Логическая структура микросхемы ИР1

Для записи в регистр информации параллельным кодом следует на вход управления режимом V2 подать напряжение высокого уровня, на вход С2 напряжение низкого уровня, а информационные сигналы на входы D1 - D8. Напряжение на входах С1, VI может быть любым. Для сдвига за писанной параллельным кодом информации вправо тактовые импульсы подаются на вход С2 (вывод 8). При этом на входе V2 (вывод 6) следует поддерживать напряжение высокого уровня. При операциях с данными, представленными в последовательном коде, входную информацию в виде последовательности импульсов подают на вход информации VI (вывод 1), тактовые импульсы на вход синхронизации С1 (вывод 9), а на входах V2, D1 - D8 поддерживают напряжение низкого уровня. Режимы работы ИС ИР1 при различных видах записи информации представлены в табл. 2.11.

При сдвиге влево на вход выбора режима V2 подается напряжение высокого уровня, которое блокирует прохождение тактовых импульсов, для сдвига вправо. Если при этом на входы параллельного кода разрядов D1 - D8 не подавать параллельный код числа, а выход последнего разряда соединить с входом параллельного кода предыдущего разряда, его выход с аналогичным входом предшествующего ему разряда и т. д. то получим регистр сдвига влево. Входом последовательного кода в этом случае служит вход параллельного ко­да последнего разряда регистра сдвига.

Микросхемы ИР1 могут быть использованы в качестве основного элемента в арифметических устройствах буферной памяти, элемента задержки на n тактов, преобразователя последовательных кодов в параллельные и наоборот, делителя частоты, закольцованного распределителя импульсов и т. д.

Для построения регистров используются последовательноесоединение этих элементов.

Последовательный регистр (регистр сдвига или сдвиговый регистр) обычно служит для преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот. Применение последовательного кода связано с необходимостью передачи большого количества двоичной информации по ограниченному количеству соединительных линий. При параллельной передаче разрядов требуется большое количество соединительных проводников. Если двоичные разряды последовательно бит за битом передавать по одному проводнику, то можно значительно сократить размеры соединительных линий на плате (и размеры корпусов микросхем).

Принципиальная схема последовательного (сдвигового) регистра, собранного на основе и позволяющего осуществить преобразование последовательного кода в параллельный, приведена на рисунке 1. Обратите внимание, что если для параллельных регистров подходили как триггеры работающие по потенциалу (триггеры-защелки), так и триггеры, работающие по фронту, то для реализации последовательного (сдвигового) регистра подходят только D триггеры, работающие по фронту!

Внутри сдвигового регистра триггеры соединены последовательно, то есть выход первого соединён с входом второго и т.д. рассмотренного последовательного регистра приведено на рисунке 2.

Входы синхронизации в последовательных (сдвиговых) регистрах, как и в параллельных регистрах, объединяются. Это обеспечивает одновременность смены состояния всех триггеров, входящих в состав последовательного (сдвигового) регистра.

Преобразование последовательного кода в параллельный в последовательном (сдвиговом) регистре производится следующим образом. Отдельные биты двоичной информации последовательно подаются на вход сдвигового регистра D0. Каждый бит сопровождается отдельным тактовым импульсом синхронизации, который поступает на вход синхронизации последовательного регистра C.

После поступления первого тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе D0, запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра и поступает на его выход, а так как он соединён с входом второго триггера, то и на его вход. Если бы последовательный (сдвиговый) регистр был собран на D триггерах, работающих по потенциалу, то этот бит тут же записался во второй D триггер! В нашем случае этого не происходит, так как к этому моменту фронт на входе синхронизации C уже закончился.

После поступления второго тактового импульса логический уровень, присутствующий на входе второго триггера последовательного (сдвигового) регистра, запоминается в нем и поступает на его выход, а так как он соединён с входом третьего триггера, то и на его вход. Одновременно следующий бит входного последовательного кода запоминается в первом триггере последовательного (сдвигового) регистра.

После поступления четвертого тактового импульса в триггерах последовательного (сдвигового) регистра будут записаны логические уровни бит, которые последовательно присутствовали на его входе D0. Теперь этими битами можно воспользоваться, например, для отображения на индикаторах.

Пусть на вход последовательного (сдвигового) регистра поступает сигнал, временная диаграмма которого изображена на рисунке 3, тогда состояние выходов этого регистра будет последовательно принимать значения, записанные в таблице 1.

На рисунке 3 вместе с логическими уровнями записываются значения бит, которые передаются по соединительной линии или присутствуют на выходах сдвигового регистра.

В качестве примера реализации последовательного (сдвигового) регистра можно назвать отечественную микросхему 1564ИР1 или иностранную 74НС164.