Последовательные входные, параллельные выходные сдвиговые регистры: преобразование последовательных данных в параллельные для эффективного расширения I/O

Последовательный-входной, параллельный-выходной (SIPO) сдвиговый регистр разделяет ядро сдвига данных с его последовательным-входным, последовательным-выходным аналогом, но выставляет каждую внутреннюю ступень как отдельный выходной пин. Это делает его идеальным решением для преобразования одной последовательной линии данных в множественные параллельные выходы.

Как это работает

Когда четыре бита подаются последовательно в устройство, один тактовый импульс на бит сдвигает данные через последовательные стадии. После четвёртого импульса четыре бита появляются одновременно на выходах Q_A до Q_D:

Этот простой механизм часто визуализируется как последовательный-входной, последовательный-выходной регистр с точками доступа на каждой стадии.

SIPO vs SISO

Производители обычно предлагают SIPO устройства до 8-битной ширины, потому что более широкий параллельный выход потребовал бы непрактичного количества пинов. В противовес, последовательные-входные, последовательные-выходные сдвиговые регистры могут превышать 8 бит, до 64, и используются, когда нужна только одна последовательная линия.

Устройство очищается активным-низким входом CLR, который сбрасывает все внутренние триггеры перед загрузкой новых данных.

Распространённые SIPO IC от Texas Instruments

• SN74ALS164A – 8-битный SIPO сдвиговый регистр
• SN74AHC594 – 8-битный SIPO с выходным регистром
• SN74AHC595 – 8-битный SIPO с выходным регистром и трёхсостояниными выходами
• CD4094B – 8-битный защёлкивающий сдвиговый регистр (3–15 ВDC)

Внутренняя архитектура 74AHC594 имеет два отдельных такта: SRCLK для сдвигового регистра и RCLK для выходного регистра. Это разделение позволяет выходу оставаться стабильным пока новые данные сдвигаются, что критично при управлении реле, моторами или другими актуаторами.

После того как данные сдвинуты в верхний 8-битный регистр, нарастающий фронт на RCLK защёлкивает данные в выходной регистр, сохраняя выходы неизменными во время последующих сдвигов.

Аналогично, 74AHC595 заменяет очистку выходного регистра на выходной enable OE, предоставляя трёхсостояний буфер, который может быть отключён при включении системы.

Практические применения

В реальных системах SIPO сдвиговые регистры используются для управления удалёнными дисплеями, LED-индикаторами или другими параллельными устройствами ввода от микроконтроллера с ограниченными I/O пинами. Например, сигнализация может передавать последовательные данные на удалённую панель, где SIPO расширяет данные в восемь LED-выходов.

Используя только пять проводов — такт, последовательные данные, строб (или RCLK), питание и землю — количество физических соединений между главной платой и удалённой панелью драматически сокращается, повышая надежность и упрощая кабельное управление.

Для более крупных дисплеев или массивов актуаторов, множественные SIPO устройства могут быть каскадированы. Выход Q_H первого регистра подаёт на вход SER следующего, в то время как пины SRCLK и RCLK соединяются вместе.

LED-индикаторы часто мультиплексируются с использованием SIPO регистров, позволяя одному последовательному входу управлять множеством сегментов или цифр без необходимости выделенного пина на каждый LED.

Подводя итог, последовательные-входные, параллельные-выходные сдвиговые регистры предоставляют стоимоэффективный, масштабируемый способ расширения параллельных выходов из последовательного потока данных, делая их незаменимыми в проектировании встраиваемых систем.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Сдвиговые регистры