| 7.9. Schieberegister Parallel-Serien sowie Serien-Parallel-Wandler |
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Letztmalig dran rumgefummelt: 17.12.09 21:44:35 |
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Jede Hintereinanderschalturig von Flipflops, die synchron von einem gemeinsamen Taktsignal gesteuert werden, wobei der Ausgang jedes Flipflops mit dem Eingang
des nächsten Flipflops verbunden ist, wird als Schieberegister bezeichnet.
Im Gegensatz zum binären Zähler wird hier als eigentlicher Informationskanal nicht der "Clock"-Eingang der FlipFlop-Stufe genutzt, sondern zum Signalintrag wird der Logikanteil des JK-FF - meist allerdings der "K"-Eingang genutzt ;-) |
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Die Wirkungsweise des Schieberegisters beruht darauf, dass die Flipflops mit ein und
derselben Taktflanke Informationen aufnehmen (vom vorhergehenden Flipflop) und abgeben (an das nächste Flipflop): Die Schaltzeit der Flipflops erfüllen diesem Fall die Funktion eines Zwischenspeichers. Das bedeutet: Die Verzögerung des
Potentialwechsels am Flipflopausgang um die Schaltzeit tLH oder t,HL reicht aus, das bis
dahin herrschende Potential mit derselben Taktflanke in das nächste Flipflop zu übernehmen (solange tpLH oder tpHL > thold
ist). Anmerkungen
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Schiebe- und Fangregister sind Anordnungen von FlipFlop, welche gesteuert durch Taktimpulse eingangsseitig Signale (seriell oder parallel) weiterleiten. Ein Register ist eigentlich ein Verzeichnis oder eine Tabelle. Im Sinne der Informationsverarbeitung ist es eine kleine Speicheranordnung für eine nicht allzu große Anzahl von Bitstellen. Register dienen meist nur zur kurzzeitigen Speicherung von Informationen, können aber auch bestimmte Operationen, wie Stellenverschiebung, Zählung, Serien-Parallel- oder Parallel-Serienwandlung von Binärwörtern, realisieren. |
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Schieberegister sind kettenförmig aufgebaute Speicherschaltungen aus Flipflop-Stufen
(Speicherzellen), in denen je 1 Bit speicherbar ist. Die Information jeder Speicherzelle
wird durch einen Taktimpuls auf der gemeinsamen Taktleitung (Schiebeleitung) in die
jeweils benachbarte Speicherzelle verschoben. Man unterscheidet rechts- und
linksschiebende Schieberegister. Die Information kann seriell oder parallel ein- bzw.
ausgegeben werden. Dadurch lassen sich Schieberegister zur Serienparallel- und
Parallelserienwandlung, als Ringzähler und zur Erzeugung von Impulsfolgen (Taktgeneratoren)
verwenden. Weitere Anwendungen sind Speicher für Anzeigesysteme, Digitalrechner,
Peripherieschaltungen für Digitalrechner, Übertragungseinrichtungen, digitale Verzögerungsleitungen und die Zeitraffung bzw. -dehnung von seriellen Informationen. Durch Wahl unterschiedlicher Taktfrequenzen können schnell eingetaktete Informationen langsam ausgegeben oder langsam eingetaktete schnell ausgegeben werden. Wegen der hohen in IS realisierbaren Speicherdichte stellen integrierte Schieberegister ein billiges Speichermedium dar. Beim seriellen Eingeben (Ausgeben) der Information besteht nur zur ersten (letzten) Speicherzelle der Kette Zugriff. Deshalb ist die Zugriffszeit von Schieberegistern und Umlaufspeichern wesentlich größer als die von Parallelregistern oder Matrixspeichern. Ein Schieberegister, das zu einem Ring zusammengeschaltet ist, nennt man Ringzähler. Schieberegister sind in Bipolartechnik sowie in statischer und dynamischer MOS-Technik realisierbar. Bei großen Speicherkapazitäten sind MOS-Schaltungen hinsichtlich der Kosten und des Leistungsverbrauchs überlegen. Schieberegister lassen sich auch mit RAMs realisieren. |
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1. Wirkprinzip 2. Parallele oder serielle Dateneingabe 3. Rechts- Links-Schieberegister 4. Schieberegister als Dividierer oder Multiplizierer 5. Ringzähler - Johnson-Zähler 6. Ausgewählte Beispiele für Schieberegister 7. Verschieber 8. Verwandte Themen 9. Bauelementeliste |
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Schieberegister werden in der Praxis als Parallel-Serien bzw./und/oder als Serien-Parallel-Wandler eingesetzt (das hat viel mit serieller oder paralleler Informationsübertragung zu tun | ||||||
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prinzipielles Register mit JK-FF realisiert (das ist universeller!!!) |
| 1. Wirkprinzip des Schieberegisters |
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Grundidee jedes Schieberegisters ist der Transport bitweise organisierter Informationen. Gleichzeitig ergeben sich dabei fast wie zufällig sehr schöne und vor allem gut nutzbare Nebeneffekte. So bewirkt ein Verschieben um eine Bitstelle nach links und dem Eintragen einer logischen "0" auf der niedrigsten Bitstelle einer binären Multiplikation mit 2 - man ahnt's schon - das gleiche nach rechts und Einschieben einer "0" nun auf der höchsten Bitstelle entspricht genau der binären Division mit 2! |
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Logikplan eines umschaltbaren 4-Bit Serien-Parallel-Wandlers (Schieben nur rechts!) |
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Register sind eine Aneinanderfolge von D-FF |
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der jeweilige Q-Ausgang wird auf den nächsten D-Eingang geschalten |
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der jeweilige C-Eingang übernimmt die Setzfunktion, wenn parallele Dateneingabe programmiert ist |
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Die zahlreichen anderen Funktionen des Hauptfensters sollen uns erst später genauer interessieren. |
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werden die Ausgänge der einzelnen FF-Stufen separat herausgeführt, ist das Register in der Lage, beide Arbeitsstellungen einnehmen zu können (programmiert durch eine separate Umsteuerlogik) |
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oft bestehen separate Eingänge für die einzelnen Signale, welche eventuell durch eine eigene vorgeschaltenen Logik und/oder Multiplexer "aufbereitet" werden müssen |
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je größer die Anzahl der Register-Zellen (FF-Stufen, um so kleiner die Wahrscheinlichkeit, dass das Register parallel arbeiten kann (typische Zahlen für Ff-Stufen sind Vielfache von 4 bz. 8) |
| 2. Paralleles oder serielles Register? |
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Schieberegister ermöglichen das serielle Einschreiben von Daten und das serielle Auslesen gespeicherter Daten und werden in Rechenwerken sowohl zur seriellen Addition bzw. Multiplikation als auch zur Serien- Parallel- bzw. Parallel-Serien-Umsetzung bei der Datenübertragung verwendet. Mit Schieberegistern lassen sich aber auch Takte und Impulse verzögern und auch Taktfolgen erzeugen. Schieberegister bestehen aus einer Reihenschaltung von flankengesteuerten Flipflops oder aus Master-Slave-Flipflops. |
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Damit das Flipflop i einer Reihenschaltung
von Flipflops zum Zeitpunkt n+1 den gespeicherten Dateninhalt seines
vorgeschalteten Flipflops i-1 übernimmt, muss die folgende Übergangsfunktion
gewährleistet sein: Q1n+1 = Qi-1n,
die sich auch in anderer Form angeben lässt: Qin+1 =
(Qi-1n ⌐Qin) (Qi-1n)(Qi-lnQin).
Wählt man für die Reihenschaltung der Flipflops eines Schieberegisters
beispielsweise flankengesteuerte JK-Flipflops, so ergibt sich die
Beschaltung des i-ten Flipflops durch einen Vergleich der oben angegebenen
Übergangsfunktion mit der charakteristischen Schaltfunktion des JK-Flipflops:
Jin = Qi-ln und Kin =
⌐Qi-ln.Das Bild 1 unten zeigt ein Schieberegister, welches aus der Reihenschaltung flankengesteuerter JK-Flipflops aufgebaut ist. Das Flipflop F1 übernimmt zum Zeitpunkt n+1 die Information, die das Flipflop F0 zum Zeitpunkt n gespeichert hat, das Flipflop F2 übernimmt zum Zeitpunkt n+1 die Information, die das Flipflop F1 zum Zeitpunkt n gespeichert hat, usw. |
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Verwendet man für das Schieberegister flankengesteuerte D-Flipflops, so gilt für die Beschaltung der D-Flipflops: Din = Qi-ln. Das Bild 2 zeigt ein Schieberegister, welches aus der Reihenschaltung von D-Flipflops mit positiver Flankensteuerung aufgebaut ist. Das Bild 2 zeigt das Schaltzeichen eines 4-Bit-Schieberegisters mit positiv flankengesteuerten D-Flipflops mit asynchronen Rücksetzeingängen, wobei die Schieberichtung Q0→Q1→Q2→Q3 durch den Pfeil bei dem zusätzlichen Clock-Eingang gekennzeichnet wird. Das Schieberegister kann mit Hilfe des seriellen Eingangs SI (engl.: serial input) und des seriellen Ausgangs SO (engl.: serial _output) durch die Reihenschaltung weiterer Schaltkreise zu einem n - 4-Bit-Schieberegister erweitert werden. |
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Bild 2 - 4-Bit-Scliieberegister mit positiv flankengesteuerten D-Flipflops mit asynchronen Rücksetzeingängen |
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Das Bild 3 b zeigt das Zeitdiagramm der Signale des 4-Bit-Schieberegisters beim Schiebevorgang. Durch den 0-Zustand des Eingangsignals ⌐R werden alle Flipflops zurückgesetzt. Mit der ersten positiven Flanke des Taktes C wird der Zustand des Eingangs SI in das erste Flipflop übernommen, so dass der Ausgang Q0 den 1-Zustand aufweist. Da das Eingangssignal SI danach wieder den 0-Zustand annimmt, wird das erste Flipflop bei der zweiten positiven Flanke des Taktes zurückgesetzt, und der Ausgang Q0 weist wieder den 0-Zustand auf. Mit den nachfolgenden Takten wird dieser 1-Zustand jeweils eine Stelle weiter geschoben, so dass nach der zweiten positiven Taktflanke der Ausgang Q1, nach der dritten positiven Taktflanke der Ausgang Q2 und nach der vierten positiven Taktflanke der Ausgang Q3 den 1-Zustand aufweist. Nach der fünften positiven Taktflanke nimmt daher der Ausgang Q3 des Schieberegisters wieder den 0-Zustand an. |
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Bei der Datenübertragung zwischen
Datenverarbeitungsanlagen unterscheidet man die parallele und serielle
Übertragung. Wird für jedes Bit eines Datenwortes eine Übertragungsleitung
verwendet, so dass alle Bits eines Datenwortes zwar auf verschiedenen
Leitungen, aber zeitgleich übertragen werden, so spricht man von einer
parallelen Datenübertragung. Bei der seriellen Übertragung werden die
Datenbits eines Wortes nacheinander über eine Leitung übertragen. Die
serielle Übertragung wird vor allem bei längeren Übertragungsstrecken
verwendet. Bei der Übertragung über Telefon- oder Richtfunkverbindungen
steht nur ein Übertragungskanal zur Verfügung, so dass lediglich eine
serielle Übertragung der einzelnen Datenbits möglich ist. Nachteil der
seriellen Datenübertragung ist die geringere Übertragungsgeschwindigkeit. Da
die Daten in einer Datenverarbeitungsanlage in paralleler Form zur Verfügung
stehen, muss für eine serielle Datenübertragung eine
Parallel-Serien-Umsetzung der Datenwörter erfolgen. Hierzu lassen sich
Schieberegister verwenden, die sowohl das parallele Laden der Datenbits des
zu übertragenden Datenwortes in die Flipflops des Schieberegisters als auch
das serielle Schieben des eingespeicherten Datenwortes ermöglichen. Das Bild 7.4-13 zeigt ein 4-Bit-Schieberegister mit einer Shift/Load-Funktion, die mit dem Takt synchronisiert ist. Mit dem Steuereingang S/~L wird entweder die Funktion des Ladens der Datenbits in die Flipflops des Schieberegister (S1-,L = 0) oder die Funktion des Schiebens der eingespeicherten Datenbits (S/~L = 1) angewählt. Befindet sich der Steuereingang S/-,L im 0-Zustand, so wird der Zustand der Dateneingänge D0, D1, D2, D3 mit Hilfe der 1-aus-2-Multiplexer bei einer positiven Taktflanke des Taktes T parallel in die Flipflops des Schieberegisters übernommen. Beim 1-Zustand des Steuereingangs wird die Schiebefunktion mit der positiven Flanke des Taktes T aktiviert. Am Ausgang SO des Schieberegisters stellt sich mit der positiven Flanke des Taktes, mit der das parallele Datenwort in die Flipflops geladen wird, das Datenbit D3, mit der ersten positiven Flanke des Taktes T beim Schiebevorgang das Datenbit D2, nach der zweiten positiven Flanke des Taktes T beim Schiebevorgang das Datenbit Dl und nach der dritten positiven Flanke des Taktes T beim Schiebevorgang das Datenbit Do ein. Schaltet man zwei Bausteine des dargestellten Parallel-Serien-Umsetzers in Reihe, indem man den seriellen Datenausgang SO des ersten Bausteins mit dem seriellen Dateneingang SI des zweiten Bausteines verbindet, so erhält man einen 8-Bit-Parallel-Serien-Umsetzer. 7.4.4.3 Schieberegister als Serien-Parallel-Umsetzer Bei einer Datenverarbeitungsanlage muß beim Empfang serieller Daten eine entsprechende Umsetzung der seriell empfangenen Datenbits in ein paralleles WO Wl Wz Wg = SU Bild 7.4-13 4-Bit-Schieberegister mit paralleler Dateneingabe (Dp, Di, Dy D3) und paralleler Datenausgabe (Qp, Q1, Q2> Q3) |
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| 3. Rechts- Links-Schieberegister |
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Grundidee jedes Schieberegisters ist der Transport bitweise organisierter Informationen. Gleichzeitig ergeben sich dabei fast wie zufällig sehr schöne und vor allem gut nutzbare Nebeneffekte. So bewirkt ein Verschieben um eine Bitstelle nach links und dem Eintragen einer logischen "0" auf der niedrigsten Bitstelle einer binären Multiplikation mit 2 - man ahnt's schon - das gleiche nach rechts und Einschieben einer "0" nun auf der höchsten Bitstelle entspricht genau der binären Division mit 2! | ||||
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Bei einem Schieberegister
mit umschaltbarer Schieberichtung muss in Abhängigkeit eines Steuersignals S
dem i-ten Flipflop entweder das Ausgangssignal des vorgeschalteten Flipflops
i-1 oder das Ausgangssignal des nachgeschaltenem Flipflops i+1 zugeführt
werden. Wählt man beim 0-Zustand des Steuersignals S die Schieberichtung von
i zu i-1 und entsprechend beim 1-Zustand des Steuersignals S von i zu i+1,
so erhält man die folgende Übergangsfunktion für das Flipflop i: Qin+1
= (⌐S |
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| 4. Schieberegiter als Dividierer oder Multiplizierer |
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Hier nun folgt eine der interessantesten Anwendungen von Schieberegistern auf einer Stellenanzahl größer 4 - sie funktionieren als ganzzahlige (Modulo-Operationen) Multiplizierer bzw. Dividierer für Hexadezimale Zahlen - kleiner, aber feiner Nebeneffekt, denn diese Operationen benötigt eine CPU relativ oft - wird also nicht als Mikrobefehl - so macht man das nämlich üblicherweise - implementiert! | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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vor dem Schieben nach rechts
Bitmuster in Tetraden und Hexadezimaldarstellung - entspricht dezimal 8907 |
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nach dem Schieben nach rechts
Bitmuster in Tetraden und Hexadezimaldarstellung - eine Bitstelle nach rechts entspricht dezimal 4453 |
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vor dem Schieben nach links
Bitmuster in Tetraden und Hexadezimaldarstellung - entspricht dezimal 8907 |
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vor dem Schieben nach links
Bitmuster in Tetraden und Hexadezimaldarstellung - entspricht dezimal 17558 |
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| 5. Ringzähler - Johnson-Zähler |
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Der Johnson-Code - jedem indirekt bekannt durch die Strich-Codes für Registrierkassen) entsteht durch bitweise Verschiebung der bereits parallel eingetragenen Bitstellen.Der Ring wird im Gegensatz zu anderen Schieberegistern einfach nur wieder geschlossen. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Versetzt man den ersten Trigger eines Schieberegisters in den Zustand 1, alle anderen
Trigger in den Zustand 0, und schiebt man diesen Einszustand zyklisch durch das Register, so erhält man einen Ringzähler (Bild oben). Mit jedem Taktimpuls läuft der Einszustand um eine Stufe weiter. Aus der Stellung derjenigen Stufe, die gerade den Einszustand aufweist, kann man auf die Anzahl der bisher eingetroffenen Taktimpulse schließen. Die Arbeitsweise eines Ringzählers kann auch zur Nachbildung eines rotierenden Schalters ausgenutzt werden. Beispiel: Schließt man an jedem Ausgang einer zum Ringzähler geschalteten Triggerkette einen Auslöseschalter für einen bestimmten Teilschritt eines Prozesses an, so kann man diese Prozessschritte zeitverzögert in der vorgegebenen Reihenfolge ablaufen lassen. Parallel-Serien-Wandler. Gibt man die Daten parallel in das Schieberegister ein und erfolgt die Ausgabe seriell, so kann man jedes Bit eines Wortes nacheinander am Ausgang empfangen. Damit ist die Umsetzung einer Parallelübertragung in eine serielle Übertragung gegeben. Serien-Parallel-Wandler. Gibt man dagegen die Daten seriell ein, so kann man alle Bit eines Datenworts zunächst der Reihe nach einschieben und sie danach auf einmal parallel weiterreichen. |
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der Johnson-Code auch Libaw-Craig-Code |
| 6. Ausgewählte Beispiele für Schieberegister |
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Das Universalschieberegister schlechthin ist der 7495 - ersetzt durch seinen großen CMOS-Bruder 4034 | ||
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Betriebsarten des 7495 bildlich dargestellt - wo findet man das schon?! |
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Das 4-Bit-Universal-Schieberegister 7495 Der D195 ist ein 4-Bit-Links-rechts-Schieberegister für serielle oder parallele Datenein- und -ausgabe. Der Schaltkreis besteht aus vier RS-Master-Slave-Flip-Flop mit einer für den universellen Einsatz erforderlichen Ansteuerelektronik. Folgende drei Hauptanwendungen sind möglich: |
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Serielle Dateneingabe, Rechtsschieben Dateneingang: ES; Takteingang: T1; Datenausgang: QD. Am Steuereingang MC liegt «L»; wodurch die Eingänge A bis D und der Takteingang T2 verriegelt sind. Die Eingangsinformation wird während der negativen Taktflanken übertragen und erscheint nach vier Taktimpulsen am Ausgang QD. |
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Serielle Dateneingabe, Linksschieben Dateneingang: D; Takteingang: T2; Datenausgang: QA. In diesem Fall sind Ausgang QD mit Eingang C, QC mit B und QB mit A zu verbinden. Am Steuereingang MC liegt. Nach vier Taktimpulsen erscheint die Eingangsinformation an QA. |
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Parallele Dateneingabe |
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Allgemeiner Hinweis: Da der jeweils nichtbenutzte Takteingang durch das Signal am Steuereingang MC verriegelt ist, kann man beide Takteingänge verbinden, wenn z. B. beide Schieberichtungen benötigt werden! Bild unten fasst die Betriebsarten und ihre entsprechenden Beschaltungen augenfällig zusammen. Der D 195 kann für Schieberegister, Schieberegisterzähler, Frequenzteiler, Parallel-Serien- und Serien-Parallel-Wandler, Mehrphasentakt- und Pseudozufallsgeneratoren sowie allgemein zur Verzögerung und Speicherung von Daten verwendet werden. Er eignet sich im Parallel-Daten-Betrieb auch als Zwischenspeicher zwischen D 1921D 193 und D 147 bei der flimmerfreien Anzeige in Zählern und Digitalvoltmetern. Eine interessante Schaltung ist hier und hier enthalten. |
| 7. Verschieber ... |
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... sind eine Kombination aus Schiebregister und Multiplexer. Es wird nicht via Takt um genau eine Bitstelle verschoben, sondern das Ding ist um einen Verschiebefaktor programmierbar. Einziger bekannter Vertreter ist der 74350 |
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| 8. Verwandte Themen |
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Das es den Ausgang schon lange nicht mehr interessiert, was am Eingang eigentlich los ist, stellt ein altes Problem der Informatik dar. Schließlich soll der Prozessor gerade seine Bahn ziehen und sich um seine Rechenprozesse kümmern. Wer aber hat die bereits ermittelten Zwischenresultate oder gar Zielwerte im Auge? Richtig - irgend etwas muss sich auch Werte merken können - das ist dann der Bereich der Fangregister und ihrer engen Verwandten - dies gilt bis hin zur Rechner-Peripherie. | ||||||||||||
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| 9. Bauelementelisten Schiebe- und Fangregister |
| Klasse | Bauelemente-Typ | Funktion |
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74 - ; 74 LS; 47 HCT |
7491 | 8 Bit Serielles Register |
| 74 - ; 74 LS; 47 HCT | 7495 | 4-Bit-SCHIEBEREGISTER (rechts/links; par. Eing./ser. Ausg.) |
| 74 - ; 74 LS; 47 HCT | 74299 | 8-Bit-SCHIEBEREGISTER (par. Eing./ser. Ausg.) Eingangsmultiplexer |
| 74 - ; 74 LS; 47 HCT | 74350 | 4 Bit Verschieber |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4006 | 18-Bit-SCHIEBEREGISTER (ser. Eing./ser. Ausg.) |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4014 | 4-Bit-SCHIEBEREGISTER (ser. und par. Eing./par. Ausg.) |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4015 | Zwei 4-Bit-SCHIEBEREGISTER (ser. Eing./par. Ausg.) |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4021 | 8-Bit-SCHIEBEREGISTER (asynchroner par. Eing./synchron ser. Eing./ser. Ausg.) |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4031 | 64-Bit-SCHIEBEREGISTER (ser. Eing./ser. Ausg.) Drei 2-Bit-VOLLADDIERER ser. |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4034 | 8 Bit Rechts/Links Serien-Parallelregister |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4035 | 4-fach Negator/Treiber |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4062 | 200-Bit-SCHIEBEREGISTER (dynamisch) |
| 4000-er Serie (CMOS) | 4094 | 8-Bit-SCHIEBEREGISTER (ser. Eing./par. Ausg.) |
elektrische Bauelemente-Übersicht Schiebe- und Fangregister in verschiedenen Technologien
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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha | © Frank Rost im April 1999 |
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... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-) „Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“ Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist |
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Diese Seite wurde ohne Zusatz irgendwelcher Konversationsstoffe erstellt ;-) |
Programm zur
Veranschaulichung Arbeitsweise eines Schieberegisters
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