Registre de deplasare – teorie, SISO și SIPO

1. Noțiuni generale despre registre

Definiție

Registrele sunt circuite logice folosite pentru memorarea temporară și prelucrarea datelor binare. Ele pot fi privite ca memorii rapide de mici dimensiuni, realizate din bistabile, cel mai des din bistabile de tip D.

Un bistabil poate memora 1 bit. Prin urmare, un registru format din n bistabile poate memora n biți.

Operații de bază

înscrierea – introducerea datelor în registru;
citirea – extragerea datelor din registru;
ștergerea – aducerea tuturor celulelor în starea 0.

Moduri de lucru

serie – biții sunt introduși sau extrași pe rând, la fiecare impuls de tact;
paralel – biții sunt introduși sau extrași simultan.

Utilizări

memorare temporară a informației;
deplasarea informației binare;
conversie serie ↔ paralel;
generare de secvențe.

Ideea esențială: la fiecare impuls de tact, conținutul registrului se poate menține sau se poate deplasa cu o poziție, în funcție de tipul registrului și de conexiuni.

2. Tipuri de registre

După modul de înscriere și de citire, se folosesc patru tipuri de bază:

SISO

Serie – Serie
Intrarea este serie, ieșirea este serie.

SIPO

Serie – Paralel
Intrarea este serie, ieșirile se citesc în paralel.

PISO

Paralel – Serie
Înscriere simultană, citire bit cu bit.

PIPO

Paralel – Paralel
Înscriere simultană, citire simultană.

În acest material accentul cade pe primele două tipuri: SISO și SIPO, deoarece ele ilustrează foarte clar ideea de deplasare a informației binare.

3. Registrul serie-serie (SISO)

Serie-In / Serie-Out

Registrul SISO are o intrare serie și o ieșire serie. Informația intră bit cu bit și se deplasează prin registru de la o celulă la alta, la fiecare impuls de tact.

Structură

Un registru SISO de 4 biți este format, în mod obișnuit, din 4 bistabile D conectate în cascadă. Ieșirea Q a fiecărei celule este legată la intrarea D a celulei următoare. Toate celulele primesc același semnal de tact.

Registru de deplasare serie-serie în Falstad — **Fig. 1.** Exemplu de registru de deplasare serie-serie realizat și observat în Falstad. Se vede intrarea serie, tactul comun și ieșirea serie finală.

Principiul de funcționare

Presupunem că vrem să introducem secvența a, b, c, d. La fiecare impuls de tact:

bitul nou intră în prima celulă;
conținutul celorlalte celule se deplasează cu o poziție spre dreapta;
după ce registrul este plin, biții încep să apară la ieșirea serie.

Impuls de tact	QA	QB	QC	QD	Ieșire serie
0	0	0	0	0	0
1	d	0	0	0	0
2	c	d	0	0	0
3	b	c	d	0	0
4	a	b	c	d	0
5	0	a	b	c	d
6	0	0	a	b	c
7	0	0	0	a	b
8	0	0	0	0	a

Observație importantă: citirea serie la registrul SISO este distructivă. Asta înseamnă că, pe măsură ce informația iese din registru, conținutul se șterge treptat.

Ce trebuie să observe elevii

registrul nu scoate imediat la ieșire primul bit introdus;
bitul introdus are nevoie de mai multe impulsuri de tact ca să ajungă la ieșirea finală;
ritmul de deplasare este dat de frecvența semnalului de tact;
registrul SISO este folosit și ca registru de deplasare.

4. Registrul serie-paralel (SIPO)

Serie-In / Paralel-Out

Registrul SIPO are o intrare serie, dar are mai multe ieșiri, câte una pentru fiecare celulă. Informația se introduce tot bit cu bit, însă după încărcare poate fi citită simultan, în paralel.

Registru de deplasare serie-paralel în Falstad — **Fig. 2.** Exemplu de registru de deplasare serie-paralel în Falstad. Se observă ieșirile disponibile după fiecare bistabil.

Principiul de funcționare

La fel ca la SISO, cuvântul binar se introduce pe durata a n impulsuri de tact. După încărcare, starea fiecărei celule poate fi citită separat, în paralel.

Impuls de tact	QA	QB	QC	QD
0	0	0	0	0
1	d	0	0	0
2	c	d	0	0
3	b	c	d	0
4	a	b	c	d

Avantajul principal al SIPO: după încărcare, elevii pot vedea imediat conținutul fiecărei celule. De aceea SIPO este mai spectaculos și mai ușor de urmărit în simulator.

Observație importantă: citirea paralel la registrul SIPO este nedistructivă. Informația memorată nu se șterge în momentul citirii.

Ce trebuie să observe elevii

introducerea informației se face tot serie, ca la SISO;
după fiecare tact se schimbă starea ieșirilor intermediare;
după încărcare completă, toate ieșirile descriu simultan cuvântul binar memorat.

5. Comparație SISO – SIPO

Caracteristică	SISO	SIPO
Înscriere	serie	serie
Citire	serie	paralel
Număr ieșiri utile	1 ieșire finală	mai multe ieșiri, una pe fiecare celulă
Citirea șterge informația?	da, citirea este distructivă	nu, citirea este nedistructivă
Ce observă mai ușor elevii	momentul în care bitul ajunge la ieșirea finală	conținutul intern al registrului după fiecare tact

Pentru o lecție de predare, SISO este foarte bun ca prim pas, fiindcă evidențiază ideea de „deplasare”. Pentru o lecție de inspecție, SIPO este foarte vizual și pune mai bine în evidență conținutul registrului după fiecare tact.

Exemplu de registru integrat

Un exemplu important de registru integrat este 7495, un registru de deplasare de 4 biți, cu posibilitate de deplasare la dreapta, deplasare la stânga și înscriere paralelă. Terminalele sale principale sunt ieșirile QA, QB, QC, QD, intrările A, B, C, D, tactele CK1 și CK2, intrarea serie SI și intrarea de control MC.

6. Cum se lucrează în Falstad

Meniu File din Falstad — **Pasul 1.** Se deschide un circuit nou: *File → New Blank Circuit*.

Meniul Sequential Logic din Falstad — **Pasul 2.** Pentru registre gata făcute se poate folosi *Circuits → Sequential Logic → Shift Registers*.

Adăugarea bistabilului D în Falstad — **Pasul 3.** Dacă registrul se construiește de la zero, se adaugă bistabile D: *Draw → Digital Chips → Add D Flip-Flop*.

Adăugarea semnalului de tact în Falstad — **Pasul 4.** Se adaugă tactul comun: *Draw → Inputs and Sources → Add Clock*.

View in New Scope în Falstad — **Pasul 5.** Pentru observarea semnalelor, se dă click dreapta pe un fir și se alege *View in New Scope*.

Stack pentru oscilograme în Falstad — **Pasul 6.** În zona de semnale, opțiunea *Stack* ajută la afișarea clară a mai multor forme de undă una sub alta.

Recomandări pentru elevi

urmăresc întâi schema și identifică intrarea, tactul și ieșirile;
notează pe hârtie evoluția stărilor după fiecare impuls de tact;
apoi compară tabelul completat cu evoluția reală observată în Falstad;
dacă apare o diferență, verifică direcția conexiunilor dintre bistabile.

7. Teme pentru acasă

Tema pentru registrul SISO

Realizați în caiet un tabel pentru un registru de deplasare SISO cu 4 bistabile și analizați evoluția secvenței 1101 la fiecare impuls de tact. Formulați o concluzie despre modul în care informația se deplasează de la intrare spre ieșire.

Tema pentru registrul SIPO

Realizați în caiet un tabel pentru un registru de deplasare SIPO cu 4 bistabile și analizați evoluția secvenței 1101 la fiecare impuls de tact. Precizați conținutul ieșirilor paralele după fiecare tact și formulați o concluzie despre diferența dintre citirea serie și citirea paralelă.