数字电路逻辑设计 第六章4 寄存器与移位寄存器

1、左移移位寄存器
Q D Q D Q D Q D VI 串入
4
3
2
1
☆ 由四级D触发器组成四位左移移位寄存器。
CP 移存 脉冲
☆ 第一级D触发器接输入信号Vi ，其余触发器输入D接前级 输出Q,所有CP连在一起接输入移存脉冲，是同步工作方式。
☆ 特征方程：
Q n 1 1
D1
Vi
CP
Q D Q D Q D Q D VI 4321
0001
0010
0000
1111
0111
1110
1000
0100
0011
0110
1011
1101
1001
1100
1010
0101
在计数脉冲CP的作用下，Q4移到Q1,其余位左移一位。
缺点：死循环太多，有2n-n个状态没用。要修改设计， 方法不介绍，要求小规模电路会分析，中规模会应用、会 设计。
2、扭环形计数器
Qn1 2
D2
Q1 CP
CP
Q n 1 3
D3
Q2
CP
★ 移位寄存器移存规律：
Q n 1 4
D4
Q3
CP
Qn1 i
Di
Qi1
在移存脉冲的作用下，输入信息的当前数码存入第一级触发器，
第一级触发器的状态存入到第二级触发器，依此类推，高位触发器存入
低位触发器状态，实现了输入数码在移存脉冲的作用下向左逐位移存。
Q4n1＝Q3
Qn1 3
M Q4 M Q2
CP
Qn1 2
M Q3 M Q1
CP
Q3n1＝Q4 Q2n1＝Q3 Q1n1＝Q2
Q3n1＝Q2 Q2n1＝Q1 Q1n1＝B
Qn1 1
MQ2 MB
CP
A→4→3→2→1 4←3←2←1←B 电路执行右移 电路执行左移
4、移位寄存器的应用
4、移位寄存器的应用
D4
D3
D2
D1
（1）实现数码串—并转换 1010
0 0
0 0
0 0 0
0 0 0
0 0
a．串行转换为并行
&& 并行输出指令
&&
&&
&&
串行 D
Q1 D
Q2 D
Q3 D
Q4
输入 1 100 2 011 3 10 4 1
转换波形如图所示
CP
并行输出
并行读出脉冲必须 在经过4个移存脉
假定：寄存器初态为0，VI = 1101串行送入寄存器输入
从波形图看出：
1 CP
2
3
4
5
6
7
8
输入信号每经过 VI 1 1 0 1 一级触发器，移 Q1 动了一个移存周 Q2
期，但波形形状 Q3
保持不变。
Q4
2、右移移位寄存器
右移 VI
输入 CP
DQ
4
DQ
3
DQ
2
DQ
1
右移 输出
驱动方程： D4 Di、D3 Q4n、D2 Q3n、D1 Q2n
4、移位寄存器的应用 （2）实现脉冲节拍延迟
移位寄存器串行输入、串行输出时，输入信号经过n级移 位寄存后才到达输出端输出，
因此输出信号比输入信号延迟了n个移存脉冲的周期，延
迟的时间为：td nTCP
（3）、移存型计数器
利用移位寄存器组成的计数器叫做移存型计数器。
移存型计数器状态转换要符合移位寄存规律。
并行取样脉冲宽度大于
Q3
移位脉冲宽度。
Q4
12345678
1 DI1
1
0 DI2
0
1 DI3
0
1 DI4 1
0
11
001
从图中可以得到状态方程：
Q n1 1
MDI1
Q n1 2
Q1n
MDI 2
Q3n1 Q2n MDI 3
Q4n1 Q3n MDI 4
设第一组并行送入的数码为1101；第二组并行送入的数码为 1001，则转换波形图如图所示。
Qn21＝Q1 CP
1 0 /Q0
Qn31＝Q2 CP
11 1
6.4 寄存器与移位寄存器
一、 数码寄存器 数码寄存器——是存放二进制码的电路，由触发器构成。 如图所示为1位数码寄存器电路
DI
D
Q
存数指令
Q
在存数指令的上升沿，将输入的数码DI存入到D触发器中。
单拍工作方式：无论寄存器中原来的内容是什么，只要送数 控制时钟脉冲CP上升沿到来，加在数据输入端的数据就立即 被送入进寄存器中。
J
& ≥1
K
&
D
Q0
D0
&
R
D1
D
Q1
R
D2
D
Q2
R
D3 01
SH / LD
10 10 11
CP
1
CR
1
D
Q3
R
Q3
D3~D0:并行数据输入端 Q3~Q0:并行数据输出端
J、K :串行输入数据端
SH/LD: 移位/置位控制端
CR: 异步清0端 寄存器在CP↑执行并 当SH/LD 0时，入功能，将输入数据
4、移位寄存器的应用
D4
D3
D2
D1
0 0
0 0
0 0 0
0 0 0
0 0
（1）实现数码串—并转换
a．串行转换为并行
&& 并行输出指令
&&
&&
&&
10
串行 D
Q1 D
Q2 D
Q3 D
Q4
输入 1 100 2 011 3 10 4 1
CP
设串行输入的数码为1010 第一个CP的上升沿到来时，将数码1送入Q1; 第二个CP的上升沿到来时，将数码0送入Q1，同时Q1中的1送 给Q2; 第三个CP的上升沿到来时，将数码1送入Q1, 同时Q1中的0送 给Q2，Q2中的1送给Q3; 第四个CP的上升沿到来时，将数码0送入Q1，同时Q1中的1送 给Q2，Q2中的0送给Q3，Q3中的1送给Q4
实现数码串—并行转换 通常信息在线路上的传递是串行传送，而终
端的输入或输出往往是并行的，因而需对信号进行
串—并行转换或并—串转换。 并入并出－数据寄存 并入串出－多位数据共信道传输 串入并出－共信道传输数据接收 串入串出－数字延迟 可变长度移位寄存器
4、移位寄存器的应用
D4
D3
D2
D1
0 0
0 0
0 0 0
0 0 0
0 0
（1）实现数码串—并转换
a．串行转换为并行
&& 并行输出指令
&&
&&
&&
串行 D
Q1 D
Q2 D
Q3 D
Q4
输入 1
2
3
4
CP
如图所示为4位串行数据转换为4位并行数据的电路图。 该电路采用D触发器构成4位右移移位寄存器，串行输入数据从 触发器1送入，4位并行输出数据从4位D触发器的输出端送出。
（3）保持。在CR=1、CP上升沿以外时间，寄存器内容将 保持不变。
二、移位寄存器
1. 移位寄存器的逻辑功能： 既能寄存数码，又能在时钟脉冲的作用下使数 码向高位或向低位移动
2. 移位寄存器的逻辑功能分类
按移动方式分
单向移位寄存器 双向移位寄存器
左移位寄存器 右移位寄存器
目前常用的集成移位寄存器种类很多，如74164、74165、 74166均为八位单向移位寄存器，74195为四位单向移存器， 74194为四位双向移存器，74198为八位双向移存器。
Qn01＝D0 CP 同时送入寄存器。
Q1n1＝D1 CP Qn21＝D2 CP
Q0在CP↑接收J、/K串 入信号，其余位右移
Qn31＝D3 CP 一位。
当SH/LD 1时，
J /K Q0n+1
Qn01＝JQ0 KQ0 CP 0 1 Q0
Q1n1＝Q0 CP
00 0
如图所示为4位数码寄存器
Q1
Q2
Q3
Q4
D1 D
D2 D
D3 D
D4 D
CP
无论寄存器中原来的内容是什么，只要送数控制时钟脉冲CP 上升沿到来，加在并行数据输入端的数据D1～D4，就立即被 送入进寄存器中，即有：
Q4n1Q3n1Q1n
Q 1 n1 1
D4 D3D2 D1
双拍工作方式
Q1 Q1
Q2 Q2
状态方程： Q4n1 Vi、Q3n1 Q4n、Q2n1 Q3n、Q1n1 Q2n
输入 Vi CP
现态
Q4n Q3n Q2n Q1n
次态
Q4n1 Q3n1 Q2n1 Q1n1
说明
1↑ 1↑ 0↑ 1↑
0000 1000 1100 0110
1000 1100 0110 1011
输入 1101
1 CP
CP
冲后出现，并且和
1
0
1
移存脉冲出现的时
Q1
0 D4 间错开。
Q2
1 D3
Q3
0 D2
Q4
1 D1
b．并行转换为串行 CP
RD
R
1 Q1 D
R
2 Q2 D
R
3 Q3 D
R Q4
4 串出
D
0
0
0
1
1
&
&
&
&
&
&
00
0
00
0
00
0
0
&
&
&Βιβλιοθήκη &&
&
&
&
0
0
0
0
0
0
0
并行取样M
0
DI1
DI2
DI3
DI4
如图所示为4位并行串行数据转换为4位数据的电路图 。
该电路采用D触发器构成4位右移移位寄存器和由并行取样脉冲 M控制的输入电路 。
b．并行转换为串行CP
RD
R
1 Q1 D
R
2 Q2 D
R
3 Q3 D
R Q4
4 串出
D
0
0
0
1
1
&
&
&
&
&
&
00
0
00
0
00
0
0
&
&
&
&
&
&
&
&
0
0
0
0
0
0
0
并行取样M
0
DI1
DI2
DI3
DI4
从图中可以得到状态方程：
Q n1 1
1、环形计数器
☆ 首先确定是移存型计数器
QSD
QSD
QSD
QSD
Q n 1 i
Qi1
4
3
2
1
R
R
R
R
特点：将高位输入接低
位输出，而且头尾相连。 CP
☆ 初始状态已确定，最低位置1，其余位置0，用启动脉冲
确定初始状态为，Q4Q3Q2Q1=0001
特征方程：
计数顺序： 计数特点：
Q4n1＝ D4 CP Q3 CP Q4Q3Q2Q1 每个状态转换只有一位为1
2
3
4
5
6
7
VI 1
1
0
1
Q0 Q1 Q2
Q3
8
9
输入 Vi CP
现态
Q1n Q2n Q3n Q4n
次态
Q1n1 Q2n1 Q3n1 Q4n1
说明
1↑ 1↑ 0↑ 1↑
0000 1000 1100 0110
1000 1100 0110 1011
输入 1101
1 CP
2
3
4
5
6
7
VI 1
1
0
1
Q0 Q1 Q2
本例2X4＝8 缺点：用触发器较多，有2n-2n状 态没有使用。
CP Q4 Q3 Q2 Q /Q4
0 0 0 01 1
0
00011 10 0 1 1 1 20 1 1 1 1 31 1 1 1 0 41 1 1 0 0 51 1 0 0 0 61 0 0 0 0
三、集成移位寄存器及其应用
1、74195四位右移移位寄存器
Q3n1＝Q2 CP
0 0 0 1 环形计数器计数M=触发器数。
Q2n1＝Q1 CP Q1n1＝Q4 CP
0010 0100
符合移位寄存规律Q4移 到Q1,其余位左移一位。
1
0
0
0
本例触发器为4，所以叫四分频、 M4计数。输入四个脉冲Q4输出一 个脉冲。
画状态转换图 4级触发器共有16种状态，还有12种状态不能进入主循环。
Q3 Q3
Q4 Q4
FF1
FF2
FF3
RD
RD
RD
1D C1 CP
1D C1
1D C1
CR
D1
D2
D3
（1）清零。CR=0，异步清零。即有：
Q4nQ3nQ2nQ1n 0000
FF4 RD
1D C1
D4
（2）送数。CR=1时，CP上升沿送数。即：
Q4n1Q3n1Q2n
Q 1 n1 1
D4 D3D2 D1
4、移位寄存器的应用
D4
D3
D2
D1
（1）实现数码串—并转换 1010
0 0
0 0
0 0 0
0 0 0
0 0
a．串行转换为并行
&& 并行输出指令
&&
&&
&&
串行 D
Q1 D
Q2 D
Q3 D
Q4
输入 1 100 2 011 3 10 4 1
CP
通过四个CP脉冲作用后，1010四个数码逐位存入到各级 触发器中，在第五个CP的上升沿到来之前，并行输出指令作 用于与门，四个与门的输出就是四位并行数码1010。
MDI1
Q n1 2
Q1n
MDI 2
Q3n1 Q2n MDI 3
Q4n1 Q3n MDI 4
设第一组并行送入的数码为1101；第二组并行送入的数码为 1001，则转换波形图如图所示。
b．并行转换为串行
RD
注意：
CP
并行取样频率fSA 与 并行 取样
移位脉冲频率fCP满足 Q1 fcp nfSA Q2
3、双向移位寄存器
在移位寄存器的基础上加左、右移位控制信号使寄存器 同时具有左、右移功能。
CP
CP:移存脉冲
4
3
2
1
A：右移输入
DQ
1
DQ
1
DQ
1
DQ
1
B：左移输入
A
&&