Registri a scorrimento

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Un registro è una struttura costituita da più Flip Flop con il clock in comune che permettono di memorizzare una piccola quantità di bit e di compiere alcune operazioni di shift (scorrimento) su di essi. Essi sono classificati in base a come vengono scritti o letti i bit da o verso il registro. Abbiamo infatti ingressi ed uscite:

Paralleli: i bit contenuti nel registro vengono scritti o letti tutti contemporaneamente in corrispondenza di uno dei fronti di clock
Seriali: i bit vengono letti o scritti uno alla volta, in corrispondenza di uno dei fronti di clock

Abbiamo cosi quattro tipologie base di registri:

PIPO: Parallel Input, Parallel Output
SIPO: Serial Input, Parallel Output
PISO; Parallel Input, Serial Output
SISO: Serial Input, Serial Output

Normalmente sono presenti oltre ai pin di ingresso ed uscita dati altri ingressi:

Clock: sincronizza i vari Flip Flip (i registri sono sempre sincroni)
Reset: azzera il contenuto di tutti i Flip Flop (in genere è un ingresso asoncrono)
Load: carica i bit nel registro (in genere associato agli ingressi paralleli). Normalmente è un ingresso soncrono
Enable: se attivo, permette il funzionamento del registro

Alcuni componenti permettono più di una di queste funzioni, fino ai registri universali che permettono in momenti diversi tutte le funzioni.

Attività 1

Analizzare il seguente registro SIPO realizzato con FF D:

Utilizzando il simulatore in modalità animation
Utilizzando il simulatore in modalità Timing diagram
Utilizzare carta e penna e disegnare un diagramma temporale

Registri SIPO

Un esempio di diagramma temporale relativo a questo circuito, da comprendere prima di proseguire con le altre attività:

Diagramma temporale esemplificativo di un registro SiPo4

Attività 2

Analizzare il registro SIPO8 presente in Deeds, in particolare utilizzando la modalità Timing diagram. In particolare:

Quale è la funzione dl CL? Quale è l'ingresso corrispondente nel circuito dell'attività 1? É un ingresso sincrono o asincrono?
Quale è la funzione dell'ingresso E?

Di seguito un esempio di diagramma temporale:

SiPo8: diagramma temporale

Attività 3

Analizzare il funzionamento del seguente circuito:

PiSO8

In particolare:

Descrivere la funzione di CL. É un ingresso sincrono o asincrono?
Descrivere la funzione di LD. É un ingresso sincrono o asincrono?
Descrivere la funzione di E
Generare ed analizzare il seguente diagramma temporale (o uno simile)

Diagramma temporale: PiSo8

[Avanzato] Attività 4

Analizzare alla pagina https://www.digitalelectronicsdeeds.com/demos/demopage_seq.html i seguenti circuiti (scaricabili)

Shift Register with feedback (16-bits)
Universal Shift Register (circularly connected, 8-bits)
Parallel Shift Register (8-bits data)

Attività 5

Analizzare i fogli tecnici dei seguenti componenti:

74HC164
74HC165
74HC595 oppure CD4094
74HC374 (esiste anche un integrato molto simile, realizzato con latch: 74HC373)

Applicazioni

Trasmissione seriale di dati

Spesso è necessario trasmettere tanti bit da un luogo ad un altro, posto ad una certa distanza; è evidentemente possibile usare un conduttore per ciascun bit (trasmissione parallela), ma spesso è conveniente usare un solo filo su cui i bit sono trasmessi uno di seguito all'altro (trasmissione seriale).

Di seguito un'implementazione di un sistema di trasmissione seriale sincrona. A sinistra il trasmettitore (TX) a destra il ricevitore (RX).

Il collegamento è realizzato con due fili (DATA e CLOCK) e permette di trasmettere otto bit, numero facilmente ampliabile senza modifiche alla struttura del circuito.

Trasmissione seriale

Le operazioni da fare:

Impostare in Tx gli otto bit che si vogliono trasmettere
Caricare in PiSo8 gli otto bit, attraverso "Load", attivo alto e sincrono
Attivare per otto volte il clock. In Rx verrà ricevuto il byte trasmesso, un bit alla volta

La simulazione può essere eseguita come animation, ma è consigliabile studiare il circuito con un diagramma temporale simile al seguente:

Diagramma temporale di una trasmissione seriale sincrona

[Avanzato] Generatore di numeri casuali

Generare sequenze di bit casuali è un aspetto essenziale di molti algoritmi. Un settore dove questo aspetto è critico è la crittografia.

Il seguente circuito fa uso di un registro a scorrimento e di una porta logica XNOR per generare una sequenza di bit pseudo-casuale (Pseudo Random Binary Sequence, PRBS), cioè che, pur apparendo casuale all'osservatore superficiale, si ripete regolarmente.

Generatore di sequanze prseudo-casuali

Le uscite del registro SIPO sono chiamate tap; la scelta dei quali taps utilizzare è importante e oggetto di approfondite teorie matematiche. Per saperne di più potrebbe essere utile la ricerca con parole chiave PRBS polinomio generatore.

Data di creazione di questa pagina: aprile 2021
Ultima modifica: 17 aprile 2023