移位寄存器工作原理_主要类型_逻辑电路

众所周知，触发器是用来存储1或0形式的数据，如果需要存储几个数据位，则需要很多触发器。寄存器是数字电子设备中用于存储数据的设备。

触发器集只是一个寄存器，用于存储大量数据位。例如，如果PC用于存储16位数据，则需要一组16个触发器，这称之为触发器集，或寄存器。并且，寄存器的输入和输出可以是串行，也可以是并行，具体取决于要求。

如今，触发器在设计比较流行的移位寄存器中起着至关重要的作用。在本文中，小编简单介绍下移位寄存器的工作原理、主要类型以及逻辑电路。

基本概念

移位寄存器（Shift Registers）的定义是存储的数据可以在寄存器中移动，它是一种时序电路，主要用于存储数据，并在每个CLK（时钟）周期将其移动到输出。

主要类型

基本上，移位寄存器分为四种类型 ，分别是：

• 串行输入串行输出 (SISO) 移位寄存器
• 串入并出 (SIPO) 移位寄存器
• 并行输入串行输出 (PISO) 移位寄存器
• 并行输入并行输出 (PIPO) 移位寄存器

1、串行输入 - 串行输出移位寄存器 (SISO)

该移位寄存器允许串行输入并产生串行输出，因此称为SISO（串行输入串行输出）移位寄存器。因为只有一个输出，并且一次数据以串行方式离开寄存器一位。

当数据从右侧逐位输入时，移位寄存器将数据位向左移动。一个4位SISO移位寄存器由4个触发器和只有三个连接组成。

• 将位左移的寄存器称为“左移寄存器”。
• 将位右移的寄存器称为“右移寄存器”。

这是四种类型中最简单的一种，由于时钟信号连接到所有4个触发器，串行数据连接到最左边或最右边的触发器。第一个触发器的输出连接到下一个触发器的输入，依此类推。移位寄存器的最终输出在最外面的触发器收集，其逻辑电路图如下图所示：

在上图中，表示的是右移寄存器；从触发器排列的左侧馈送串行数据输入。

在这个移位寄存器中，当施加时钟信号并给出串行数据时；按照输入数据的顺序，一次只有一位在输出端可用。SISO移位寄存器的使用是作为临时数据存储设备，但SISO的主要用途是充当延迟元件。

2、串行输入 - 并行输出 (SIPO) 移位寄存器

该移位寄存器允许串行输入并产生并行输出，因此称为串行输入 - 并行输出 (SIPO) 移位寄存器。

在串入并出（SIPO）移位寄存器中，一个CLR信号连接到CLK信号以及触发器，以便复位它们。串行数据连接到任一端的触发器（取决于左移寄存器或右移寄存器）。第一个触发器的输出连接到下一个触发器的输入，依此类推。所有的触发器都与一个公共时钟相连。

与串行输入串行输出移位寄存器不同，串行输入并行输出移位寄存器的输出在每个触发器处收集。Q1、Q2、Q3、Q4分别是第一、二、三、四触发器的输出。

串行输入并行输出移位寄存器的主要应用是将串行数据转换为并行数据。因此，它们用于需要将数据线多路分解为多条并行线的通信线路。

3、并行输入串行输出 (PISO) 移位寄存器

该移位寄存器允许并行输入并生成串行输出，因此称为并行输入串行输出 (PISO) 移位寄存器。

并行输入串行输出移位寄存器的输入是并行提供的，即数据分别提供给每个触发器，输出在末端触发器的输出端串行收集。时钟输入直接连接到所有触发器，但输入数据通过每个触发器输入处的多路复用器单独连接到每个触发器。这里D1、D2、D3和D4是移位寄存器的单独并行输入。在这个寄存器中，输出是串行收集的。

前一个触发器的输出和并行数据输入连接到MUX的输入，MUX的输出连接到下一个触发器。并行输入串行输出 (PISO) 移位寄存器将并行数据转换为串行数据。因此，它们用于将多条数据线多路复用成单个串行数据线的通信线路。

4、并行输入并行输出 (PIPO) 移位寄存器

在这个寄存器中，输入是并行给出的，输出也是并行收集的。CLR信号和时钟信号连接到所有4个触发器。数据作为每个触发器的输入单独给出，并且以同样的方式，输出也从每个触发器单独收集。

下面给出的逻辑电路显示了一个并行输入并行输出 移位寄存器，该电路由连接的四个D触发器组成。在这种类型的寄存器中，各个触发器之间没有互连，因为不需要数据串行移位：

并行输入并行输出移位寄存器可以像临时存储设备一样使用，类似于SISO移位寄存器，它的性能类似于延迟元件。

5、双向移位寄存器

在这种类型的移位寄存器中，如果将二进制数向左移动一位，则等于该数字乘以2；如果将二进制数向右移动一位，则等于将数字除以二。这些操作可以通过一个寄存器来执行，以向任何方向移动数据。

因此，为了执行这些数学运算，需要一个可以在任一方向上移位位的移位寄存器，这可以通过双向移位寄存器来实现。

上面提到的整组移位寄存器都是单向移位寄存器，即它们仅将数据向右或仅向左移位。而双向移位寄存器可以定义为“数据可以从左到右移动的寄存器”。该寄存器具有用于右移或左移的模式输入、一个时钟信号和两条串行数据线，每条用于输入和输出。

该模式输入将控制左移和右移操作。如果模式输入为高 (1)，则数据将右移。同样，如果模式输入为低 (0)，则数据将左移。使用D触发器的双向移位寄存器电路如下图所示：

输入串行数据连接在电路的两端（连接到与门1和8）。基于模式输入为高或低，只有一个与门（1 或 8）处于活动状态。

当模式输入为高电平时（右/左' = 1），则串行数据路径为：

AND1 – OR 1 – FF 1 – Q1 – AND 2 – OR 2 – FF 2 – Q2 – AND 3 – OR 3 – FF 3 – Q3 – AND 4 – OR 4 – FF 4 – Q4（串行数据输出）。

当模式输入为低电平时（右/左' = 0），则串行数据路径为：

AND8 – OR 4 – FF 4 – Q4 – AND 7 – OR 3 – FF 3 – Q3 – AND 6 – OR 2 – FF 2 – Q2 – AND 5 – OR 1 – FF 1 – Q1（串行数据输出）。

6、通用移位寄存器

通用移位寄存器可以定义为“可用于向左、向右等两个方向移位数据并同时加载并行数据的寄存器”。

该寄存器可以执行三种类型的操作，分别如下：

• 并行加载
• 左移
• 右移

也就是说，通用移位寄存器可以并行存储数据，也可以并行传输数据。以同样的方式，数据可以通过左移和右移操作通过串行路径存储和传输。

简单地说，通用移位寄存器将以串行/并行方式加载数据，并根据我们的要求产生输出，即串行/并行方式。它被称为通用移位寄存器，因为它可以用于左移、右移、串行到串行、串行到并行、并行到串行和并行到并行操作。

观察下面通用移位寄存器的逻辑门，其模式输入直接连接到MUX输入，反向模式输入（使用非门）连接到上级触发器的输入。

输入D1、D2、D3和D4并联连接，输出Q1、Q2、Q3和Q4并联收集。它有一个串行输入引脚，可将数据馈入左移和右移寄存器。

4位通用移位寄存器的逻辑图如下所示：

4位双向通用移位寄存器的电路图如下所示：

操作过程如下：

• 模式输入连接到高电平（MODE=1）；并行加载数据。对于串行移位，模式输入连接到低电平 (MODE=0)。
• 当模式引脚连接到GROUND时，通用移位寄存器将作为双向移位寄存器操作。
• 要将数据右移，输入连接到第一个触发器的与门-1；通过串行输入引脚。
• 要将数据左移，输入连接到最后一个触发器的与门-8；通过输入D。
• 当S0=0且S1=0时，通用移位寄存器将处于锁定状态，即不进行任何操作。
• 当S0=1且S1=0时，将数据右移，即进行右移操作。
• 当S0=0且S1=1时，将数据右移，即执行左移操作。
• 当S0=0且S1=0时，寄存器会导致PARALLEL LOAD操作。

• 通用移位寄存器将在上面显示的所有模式下运行，因为它们在输入端具有4×1 MUX。

移位寄存器中的计数器

移位寄存器中的计数器分为环形计数器和约翰逊计数器两种。

1、环形计数器

这是一个移位寄存器计数器，其中第一个FF输出可以连接到第二个FF，依此类推。最后一个FF输出再次反馈到第一个触发器输入，即环形计数器。

第一个触发器连接到高输入，即其输入预设为逻辑1，第一个触发器的输出连接到第二个触发器的输入，依此类推。

最后一个触发器的输出作为输入反馈给第一个触发器，当将第一个时钟脉冲应用于排列时，第二阶段输入变为1，其余输入为0。这样，输入1围绕环旋转。

时钟脉冲	Q1	Q2	Q3	Q4
0	1	0	0	1
1	1	1	0	0
2	0	1	1	0
3	0	0	1	1

2、约翰逊计数器

约翰逊移位寄计数器的第一个FF输出可以连接到第二个FF，依此类推，最后一个触发器的反相输出可以再次反馈到第一个触发器的输入，其电路图如下所示：

这个电路可以用4个D触发器设计。具有n阶段的约翰逊计数器延迟了2n个不同状态的计算系列，因为这个电路可以用4个FF构建，并且数据模型将再次执行每个 8-CLK脉冲，其真值表如下所示：

时钟脉冲	Q1	Q2	Q3	Q4
0	0	0	0	1
1	0	0	0	0
2	1	0	0	0
3	1	1	0	0
4	1	1	1	0
5	1	1	1	1
6	0	1	1	1
7	0	0	1	1

这个计数器的主要好处是，它需要向环形计数器计算n个FF，并移动给定数据以产生一系列2n个状态。

主要应用

寄存器用于计算机等数字电子设备中，包括：

• 临时数据存储
• 数据传输
• 数据操作
• 作为计数器

移位寄存器在计算机中用作存储元件，所有数字系统都需要以高效的方式存储大量数据，而其中使用RAM和其他类型的寄存器等存储元素。许多数字系统操作，如除法、乘法，都是通过使用寄存器来执行的。数据通过串行移位寄存器和其他类型传输。

另外，计数器用作数字时钟、频率计数器、二进制计数器等。

• 串行输入-串行输出寄存器用于时间延迟。
• 串行输入-并行输出寄存器用于将数据从串行形式转换为并行形式。所以这些也被称为“串行到并行转换器”。
• 并行输入-串行输出寄存器用于将数据从并行形式转换为串行形式。所以这些也被称为“并串转换器”。

延迟线

引入延迟线是移位寄存器最重要的用途，串行输入串行输出移位寄存器用于对数字电路产生时间延迟。可以使用以下公式计算时间延迟：

Δt = N * 1 / fc

其中N代表级数/触发器，fC代表时钟频率。因此，输入脉冲在输出时延迟了Δt。延时量由移位寄存器中的触发器或时钟信号频率控制。

常用的移位寄存器IC

一般来说，移位寄存器可用于4000系列和7000系列IC。

4000系列IC

• IC 4006 18级移位寄存器。
• IC 4014 8级移位寄存器。
• IC 4015 双4级移位寄存器。
• IC 4021 8位静态移位寄存器。
• IC 40104 4位双向并行输入/并行输出PIPO移位寄存器。
• IC 40195 4位通用移位寄存器。

7000 系列 IC

• IC 7491 8位移位寄存器，串行输入，串行输出，门控输入。
• IC 7495 4位移位寄存器，并行输入，并行输出，串行输入。
• IC 7496 5位并行输入/并行输出移位寄存器，异步预设。
• IC 7499 4位双向通用移位寄存器。
• IC 74164 8位并行输出串行移位寄存器，具有异步功能。
• IC 74165 8位串行移位寄存器，并行负载，互补输出。
• IC 74166并行加载8位移位寄存器。
• IC 74194 4位双向通用移位寄存器。
• IC 74198 8位双向通用移位寄存器。
• IC 74199 8位双向通用移位寄存器，带J-Not-K串行输入。
• IC 74291 4位通用移位寄存器，二进制加/减计数器。
• IC 74395 4位通用移位寄存器，具有三态输出。
• IC 74498 8位双向移位寄存器，具有并行输入和三态输出。
• IC 74671 4位双向移位寄存器。
• IC 74673 16位串行输入串行输出移位寄存器，带输出存储寄存器。
• IC 74674 16位并行输入串行输出移位寄存器，具有三态输出。

在这些系列IC中，主要使用的是：

• 74HC595串入并出移位寄存器
• 74HC165并入串出移位寄存器
• 74HC 194 4位双向通用移位寄存器
• 74HC 198 8位双向通用移位寄存器