4. Semester

Hard- und Softwaretechnik

SchieberegisterAndreas Zbinden∗

Gewerblich-Industrielle Berufsschule Bern, GIBB

Zusammenfassung

In diesem Dokument werden die Grundlagen von Schieberegistern und von rück-gekoppelten Schieberegistern erklärt. Der Inhalt richtet sich nach dem aktuellenLehrplan für ElektronikerIn EFZ an der GIBB und dient als Arbeitshilfsmittel imUnterricht.

∗Dipl.El.Ing.FH, Lehrperson ElektronikerIn EFZ, MultimediaelektronikerIn EFZ

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Inhalt

Inhalt1 Schieberegister 31.1 Schieberegister für serielle Ein- und Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Schieberegister für serielle Ein- und parallele Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Schieberegister für parallele Ein- und parallele Ausgabe . . . . . . . . . . . . . 51.4 Universal-Schieberegister 74194 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Rückgekoppelte Schieberegister 92.1 Ringregister (Ringzähler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2 Johnson-Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Lineares Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

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1 Schieberegister

1 SchieberegisterSchieberegister sind Ketten von Flip Flop’s , die es ermöglichen, eine am Eingang ange-legte Information mit jedem Takt um ein Flip Flop weiter zu schieben. Sie dienen häufigals Pufferspeicher zwischen Geräten mit unterschiedlicher Art und Geschwindigkeit derInformationsverarbeitung (Abb. 1).

Anwendung von Schieberegistern:

▷ Umwandlung paralleler Informationen in serielle Informationen und umgekehrt.– Ausgabe von Bytes auf eine serielle Schnittstelle (z.B. USB)– Serielles Senden der Bits von Netzwerk-Rahmen uber ein Ethernet- Kabel.

▷ Multiplikation einer positiven Binarzahl mit 2: links-Schieben, wobei von rechtseine 0 nachgeschoben wird

▷ Ganzzahl-Division einer positiven Binarzahl durch 2: rechts-Schieben, wobei vonlinks eine 0 nachgeschoben wird

▷ Ganzzahl-Division einer 2er-Komplement-Zahl durch 2: rechts-Schieben, wobei dasVorzeichen-Bit dupliziert wird (auch Arithmetic Shift genannt).

Je nach der Art der Informationsein- bzw. der Informationsausgabe unterteilt man dieRegister in Paralle- und Serienregister (Schieberegister). Von Registern spricht man nurdann, wenn sowohl die Ein- wie auch die Ausgabe parallel erfolgt.

Abb. 1: Anwendung Scheiberegister

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1 Schieberegister

SRG4

RC1/→

1D Q1Q2Q3Q4

Abb. 2: Symbol Schieberegister

Die Bezeichnung SRG4 im Kopfteil bedeutet, dass es sich bei diesem Modul um ein4-bit Schieberegister (engl.: shift register) handelt. Der Pfeil gibt die Schieberichtung an.

1.1 Schieberegister für serielle Ein- und Ausgabe

Abb. 3: Schieberegister für serielle Eingabe und serielle Ausgabe

Das in Abbildung 3 gezeigte Schieberegister arbeitet nach folgender Wahrheitstabelle(Tab. 1):

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1 Schieberegister

Tab. 1: WT serie-serie Schieberegister

Takt Nr. Zustände nach Takt Nr.E QA QB QC QD1 0 0 0 0

1 0 1 0 0 02 0 0 1 0 03 0 0 0 1 04 0 0 0 0 1

5 0 0 0 0 0

1.2 Schieberegister für serielle Ein- und parallele AusgabeSchieberegister haben stets die Möglichkeit der seriellen Dateneingabe und der seriellenDatenausgabe. Ohne diese Möglichkeit kann eine Schaltung nicht als Schieberegisterbezeichnet werden. Das Schieberegister in Abbildung 4 hat zusätzlich die Möglichkeitder taktunabhängigen parallelen Datenausgabe. Es ist mit SR-FF realisiert.

Abb. 4: Schieberegister für serielle Ein- und parallele Ausgabe

1.3 Schieberegister für parallele Ein- und parallele AusgabeFür viele Anwendungen ist es praktisch, neben der seriellen Dateneingabe auch die Mög-lichkeit der parallen Dateneingabe zu haben. In Abbildung 5 ist ein Schieberegister ge-zeigt, welches taktunabhängig parallel Daten empfangen kann und auch taktunabhängigDaten ausgeben kann. Parallele und serielle Eingabe sind zueinander verriegelt. Liegtam Eingang U eine 0, so ist der Takt frei gegeben und das SR kann seriell arbeiten.

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1 Schieberegister

Abb. 5: Schieberegister für parallele Ein- und Ausgabe

1.4 Universal-Schieberegister 74194Aufgabe 1.1. Studieren Sie das Datenblatt des in Abbildung 6 dargestellten Schiebe-registers.

Abb. 6: Symbol SN74194; Universelles Schieberegister

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1 Schieberegister

Abb. 7: 12-Bit Schieberegister mit kaskadiertem Baustein 74194

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1 Schieberegister

Aufgabe 1.2. Die Dualzahl 0101 soll mittels S2 in das Schieberegister nach Abbildung8 eingegeben werden. Wieviele Takte sind nötig, bis die Zahl vollständig am Ausgangausgegeben wurde. Bauen Sie die Schaltung auf und geben Sie die WT an.

Abb. 8: 4-Bit Schieberegister

Aufgabe 1.3. Ergänzen Sie die Schaltung in Abbildung 4 mit einer Verriegelungsschal-tung welche das Weitertakten und die Parallelausgabe verhindert.

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2 Rückgekoppelte Schieberegister

2 Rückgekoppelte SchieberegisterUnter einem rückgekoppelten Schieberegister versteht man ein Schieberegister bei demeine logische Verknüpfung der Ausgänge auf den seriellen Eingang zurückgeführt wird(Abb. 9).

Abb. 9: Grundstruktur rückgekoppelter Schieberegister

Wie ein 4-Bit Zähler, kann ein 4-Bit Schieberegister 16 verschiedene Zustände anneh-men. Da aber geschoben und nicht gezählt wird, sind nach jedem Schiebevorgang nurgerade zwei neue Zustände möglich; je nach dem ob eine 0 oder eine 1 eingelesen wurde.So kann z.B. aus dem Zustand 0110 entweder 0011 oder 1011 entstehen. In Abbildung 10sind alle möglichen übergänge für 4-Bit Schieberegister eingetragen; die ausgezogenenPfeile entsprechen den übergängen mit eingelesener 1 und die gestrichelten Pfeile dieübergänge mit eingelesener 0 dar.

Abb. 10: Zustandsdiagramm 4-Bit Schieberegister (ohne Rückkopplung)

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2 Rückgekoppelte Schieberegister

Beim Einsatz einer konkreten Rückführlogik ist das resultierende Zustandsdiagrammein Teilgraph dieses allgemeinen Zustandsdiagrammes.

2.1 Ringregister (Ringzähler)Ein Ringregister ist ein Schieberegister, welches den Ausgang mit dem Eingang verbun-den hat (Abb. 11). Die im Register gespeicherte Information rotiert (AssemblerbefehleROL=Rotate Left und ROR=Rotate Right).

Abb. 11: Ringregister (Ringzähler)

Aufgabe 2.1. Erstellen Sie das Zustandsdiagramm in Abbildung 12 eines 4-Bit Ringre-gisters gemäss Abbildung 11 und überprüfen Sie es mit der Schaltung nach Abbildung 13.

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Abb. 12: Zustandsdiagramm Ringzähler (Ringregister)

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2 Rückgekoppelte Schieberegister

Abb. 13: Ringschieberegister

Aufgabe 2.2. Erstellen Sie von der Schaltung nach Abbildung 14 das Zustandsdia-gramm und das Impulsdiagramm. Ersetzen Sie das NOR mit einem NAND und prüfenSie wiederum das Zustandsdiagramm.

Abb. 14: Korrigierter Ringzähler

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2 Rückgekoppelte Schieberegister

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Abb. 15: Zustandsdiagramm korrigierter Ringzähler

2.2 Johnson-ZählerBeim Johnson-Zähler wird der invertierte Ausgang des in Schieberichtung letzten Flip-Flops eines Schieberegisters auf den seriellen Eingang zurückgeführt.

Abb. 16: Johnson-Zähler

Aufgabe 2.3. Erstellen Sie das Zustandsdiagramm des Johnson-Zählers gemäss Abbil-dung 16.

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2 Rückgekoppelte Schieberegister

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Abb. 17: Zustandsdiagramm Johnson Ringzähler

Aus dem Zustandsdiagramm erkennen wir, dass der Johnson-Zähler zwei Zyklen derLänge 2N aufweist.

Johnson-Zähler kommen ohne externe Logik aus, sind also sehr schnell. Häufig ist zumBeispiel in Frequenzmessern mit einem Frequenzbereich von 1GHz ein Dekadenteiler inECL-Technik (Emitter Coupled Logic; eine sehr schnelle Logikfamilie) in Form eines 5-stufigen Johnson-Zählers der eigentlichen Zählschaltung vorgeschaltet. Diese kann dannin konventioneller Technik (z.B. in AS-TTL) realisiert werden, die Zählfrequenzen vonbis zu 100MHz erlaubt.

Zu berücksichtigen ist noch, dass Johnson-Zähler natürlich nicht im Binär- oder garBCD-Code zählen, dass also unter Umständen noch Code-Wandler benötigt werden, umdie Zähl-Resultate weiterzuverarbeiten.

Wie gezeigt, weist der Johnson-Zähler zwei verschiedene Zyklen auf, die aber beidedie gleiche Länge haben. Wenn wir auf einen bestimmten Zyklus angewiesen sind, somüssen wir wieder versuchen, einen selbstkorrigierenden Johnson-Zähler zu entwickeln.Eine mögliche Lösung ist in Abbildung 18 gezeigt.

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2 Rückgekoppelte Schieberegister

Abb. 18: Korrigierter Johnson-Zähler

Aufgabe 2.4. Erstellen Sie das Zustandsdiagramm des korrigierten Johnson-Zählersgemäss Abbildung 18.

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Abb. 19: Zustandsdiagramm des korrigierten Johnson Zählers

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2 Rückgekoppelte Schieberegister

2.3 Lineares SchieberegisterWenn man die Rückführungslogik in geeigneter Weise mittels EXOR-Verknüpfungenrealisiert, so ergeben sich Systeme mit sehr interessanten Eigenschaften.

Abb. 20: Lineares Schieberegister

Aufgabe 2.5. Erstellen Sie das Zustandsdiagramm des linearen Schieberegisters gemässAbbildung 20.

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Abb. 21: Zustandsdiagramm lineares Schieberegister

Man spricht übrigens von linearen Schieberegistem, weil die zur Rückführung verwen-dete EXOR-Funktion (Modulo-Z-Addition) im Sinne der Algebra eine lineare Funktionist. Solchermassen rückgekoppelte Schieberegister durchlaufen Zyklen der Länge 2N − 1,bei einem Schieberegister mit 20 Flip-Flops sind das immerhin 1048575 Taktimpulse. Solange dauert es, bis an einem beliebigen Ausgang des Schieberegisters sich das Musterdes Ausgangssignals wiederholt. Man spricht deshalb auch von Pseudozufalls-Registem(pseudo random sequencer).

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Literatur

Man verwendet solche Register unter anderem zum Test von Datenübertragungsein-richtungen. Ein System, das weniger Speicherplätze enthält, als es der Länge einer Signal-periode (in unserem Falle 2N −1) entspricht, kann ein pseudozufälliges Signal nicht mehrvon einem echt zufälligen unterscheiden. Bei diesen Signalen treten auch alle möglichenKombinationen auf, wie z.B. N mal hintereinander eine 1.

Der bei allen derartigen linearen Schieberegistem auftretende Fixpunkt beim Zustand0 lässt sich nur durch die nachstehende Schaltung vermeiden.

Abb. 22: Korrigiertes lineares Schieberegister

Literatur[1] Klaus Beuth. Digitaltechnik. Vogel Buchverlag, 2003.[2] M.V.Künzli. Vom Gatter zu VHDL. vdf Hochschulverlag AG, 2001.

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