No tutorial anterior, o conceito e construção de sandálias de dedo foi discutido. Os flip-flops são componentes essenciais de qualquer operação síncrona ou cronometrada. circuito sequencial. Sem flip-flops, um circuito sequencial com clock é reduzido a um circuito combinacional. Até mesmo os flip-flops são considerados circuitos sequenciais. Existem dois tipos de circuitos sequenciais que são construídos exclusivamente a partir de flip-flops – Registradores e Contadores.
Um registrador é um grupo de flip-flops que possuem um sinal de clock comum e são capazes de armazenar ou reter informações binárias. Cada flip-flop em um registrador é uma célula binária capaz de armazenar um bit de informação. Um registrador de n bits possui um grupo de n flip-flops e é capaz de armazenar qualquer informação binária contendo n bits. O registrador é usado principalmente para armazenar e transferir dados binários inseridos nele de uma fonte externa.
Os registradores são utilizados em uma ampla gama de sistemas digitais como multiplicadores, divisores, memórias, microprocessadores, etc. Um contador é um registrador que passa por uma sequência predeterminada de estados. Embora o registro não tenha uma sequência específica de estados esperados em certas aplicações especializadas.
Por exemplo, abaixo está um registro de 4 bits construído por flip-flops 4D. Todos os quatro flip-flops do registrador têm um sinal de clock comum e um sinal de reset comum (os flip-flops D aqui têm uma entrada de reset para definir a saída como 0 por padrão). Os dados paralelos da fonte externa são alimentados nos pinos de entrada de dados dos flip-flops D. Quando o pulso de clock (comum a todos os flip-flops) é acionado, ele é transferido nos pinos de saída dos flip-flops D. A entrada de reset (comum a todos os flip-flops) é ativa em nível baixo, que por padrão é mantida em 1. Quando 0 é aplicado à entrada de reset em nível baixo ativo, todos os flip-flops são redefinidos para uma saída de 0.
Fig. 1: Diagrama de porta lógica do registro de memória
O registro mostrado acima é um registro paralelo e é o tipo mais simples de registro. Esses registradores são comumente usados em microprocessadores e microcontroladores para armazenar dados binários. Esses tipos de registro transferem dados da origem ao destino em modo paralelo, preferido para computação mais rápida em projetos de microprocessadores e microcontroladores. Esses tipos de registros usados para armazenar informações binárias são chamados de registros de memória.
Registradores de deslocamento –
O outro tipo de registrador comumente usado em sistemas digitais são os registradores de deslocamento. Os registradores de deslocamento são usados para transferir dados binários dentro de um sistema digital. Ao deslocar os dados, os dados binários são armazenados num registo de destino (que pode ser um registo de deslocamento) dentro de um sistema digital. Um registrador de deslocamento pode deslocar informações binárias na direção esquerda (deslocamento para a esquerda), na direção direita (deslocamento para a direita), para a esquerda, mas para a direita (rotação) ou para a esquerda e para a direita (deslocamento bidirecional). Os dados em um registro podem ser inseridos em série ou em paralelo e também podem ser emitidos em série ou em paralelo. Com base no modo serial ou paralelo de entrada e saída de dados no registrador, os registradores de deslocamento podem ser classificados nos quatro tipos a seguir –
1) Série – em Saída serial (SISO) : – Neste tipo de registrador de deslocamento, os dados binários são inseridos, deslocados e emitidos serialmente na direção esquerda ou direita, um bit por vez, sob um sinal de clock comum.
2) Série – em Paralelo – saída (SIPO) : – Neste tipo de registrador de deslocamento, os dados binários são inseridos e deslocados serialmente na direção esquerda ou direita, um bit por vez, mas são emitidos paralelamente todos juntos sob um sinal de clock.
3) Paralelo – em Saída serial (PISO) : – Neste tipo de registrador de deslocamento, os dados binários são inseridos todos juntos no modo paralelo, mas são deslocados e emitidos serialmente na direção esquerda ou direita, um bit de cada vez, sob um sinal de clock.
4) Paralelo – em Paralelo – saída (PIPO) : – No tipo de registrador de deslocamento, os dados binários são inseridos, bem como deslocados e emitidos em modo paralelo, todos juntos sob um sinal de clock. Este tipo de registrador de deslocamento é igual a um registrador de memória construído em D Flip Flops.
Ao contrário dos registradores de memória que são construídos conectando os flip-flops em paralelo, os registradores de deslocamento são construídos conectando os flip-flops em cascata em estilo margarida. Os registradores de deslocamento são construídos exclusivamente a partir de flip-flops D. O tamanho do registrador de deslocamento é sempre igual ao tamanho das palavras binárias usadas em um sistema digital. Assim como um sistema digital de 4 bits terá palavras de 4 bits e, portanto, usará registradores de deslocamento de 4 bits. Da mesma forma, o sistema digital de 8 bits terá palavras de 8 bits e, portanto, usará registradores de deslocamento de 8 bits. Deve-se notar que todos os flip-flops de um registrador de deslocamento possuem sinal de clock comum. É um sinal de clock comum que torna os registradores de deslocamento circuitos síncronos (sequenciais).
Registro de deslocamento serial-in-serial-out (SISO) – Um registrador de deslocamento Serial-In Serial-out aceita dados serialmente, ou seja, um bit por vez em uma única linha de entrada. Ele produz as informações armazenadas em sua única saída também em formato serial. Os dados podem ser deslocados para a esquerda de MSB para LSB usando shift left registro ou deslocado para a direita de LSB para MSB usando o registro shift right. O registrador de deslocamento SISO é construído conectando flip-flops D em cascata como segue –
Fig. 2: Diagrama de porta lógica do registrador de deslocamento serial-in
Suponha que uma palavra binária 1111 de 4 bits precise ser deslocada no registrador de deslocamento SISO. Antes da chegada do sinal de clock, deixe Q3 Q2 Q1 Q0 = 0000. Sendo este o registrador de deslocamento direito, o LSB da palavra binária será inserido primeiro no barramento de dados de entrada (Din). Portanto Din = D3 = 1. Na primeira borda de descida do relógio, o Flip-Flop-3 é definido e a palavra armazenada no registro é Q3Q2 Q1 Q0 = 1000.
Fig. 3: Estados do registrador de deslocamento serial-in de 4 bits no primeiro pulso
Na chegada do segundo pulso de clock, o próximo bit é passado para Dem. Então Dem = 1 enquanto Q3 é 1. Assim que a próxima borda negativa do clock atingir, FF-3 será definido como Din sendo 1 e FF-2 será definido como 1. Portanto, a palavra armazenada muda para Q3 P2 P1 P0 = 1100.
Fig. 4: Estados de registro de deslocamento serial-in de 4 bits no segundo pulso
Na chegada do terceiro pulso de clock, o próximo bit a ser armazenado, ou seja, 1, é passado para Dem. Então Dem é 1 enquanto Q3 = 1 e Q2 = 1. Assim que a terceira transição negativa do clock atingir, FF-3 será definido como 1 por Dem sendo 1, FF-2 será definido como 1 e FF-1 será definido como 1. Assim, a palavra armazenada muda para Q3 P2 P1 P0 = 1110.
Fig. 5: Estados de registro de deslocamento serial-in de 4 bits no terceiro pulso
Na chegada do quarto e último pulso de clock, o MSB, ou seja, 1, é passado para Dem. Então Dem é 1 enquanto Q3 = 1, Q2 = 1 e Q1 = 1. Assim que a quarta transição negativa do clock atingir, FF-3 será definido como 1 por Dem sendo 1, FF-2 será definido como 1, FF-1 será definido como 1 e FF-0 será definido como 1. Assim, a palavra armazenada muda para Q3 P2 P1 P0 = 1111.
Fig. 6: Estados de registro de deslocamento serial-in de 4 bits no quarto pulso
A operação do registrador de deslocamento pode ser resumida pela seguinte tabela de funções –
Registrador de deslocamento serial-in-parallel-out (SIPO) – Um registrador Serial-In Parallel-Out Shift consiste em uma entrada serial e as saídas são obtidas de todos os flip-flops no modo paralelo. Neste registro, os dados são transferidos em série, mas deslocados em modo paralelo. Para transferir os dados em paralelo, é necessário ter todos os dados disponíveis nas saídas ao mesmo tempo. Depois que os dados são armazenados, cada bit aparece em sua respectiva linha de saída e todos os bits ficam disponíveis simultaneamente, em vez de bit a bit, como acontece na saída serial. Um registrador Serial-In Parallel-Out Shift pode ser construído usando D Flip Flops como segue –
Fig. 7: Diagrama de porta lógica do registrador de deslocamento de entrada serial e saída paralela
Registrador de deslocamento de saída serial paralela (PISO) – Para um registrador com entradas de dados paralelas, os bits são inseridos simultaneamente em seus respectivos flip-flops, em vez de bit a bit em uma linha.
Como em um registro Parallel-In Serial-Out de 4 bits, existem quatro dados paralelos – linhas de entrada designadas como A, B, C e D e SHIFT/LOAD é uma entrada de controle que permite os quatro bits de dados em A, Entradas B, C e D para entrar no registrador em paralelo ou deslocar os dados em série. Quando SHIFT/LOAD está em nível LOW, as portas AND G1 a G3 são habilitadas, permitindo os dados nas entradas paralelas, ou seja, A, B, C e D, para as entradas de dados dos respectivos flip-flops. A entrada A está diretamente conectada à entrada D do primeiro flip-flop. Quando um pulso de clock é aplicado, os flip-flops com D = 1 serão SET e os flip-flops com D = 0 serão RESET, armazenando assim todos os quatro bits simultaneamente.
Quando SHIFT/LOAD é HIGH, as portas AND G1 a G3 são desabilitadas e as portas AND restantes G4 a G6 são habilitadas, permitindo que os bits de dados mudem de um estágio para o próximo. As portas OR permitem a operação de deslocamento normal ou a operação de entrada de dados paralela, dependendo de quais portas AND são habilitadas pelo nível na entrada SHIFT/LOAD. Um registrador de deslocamento Parallel-In Serial-Out pode ser construído usando D Flip Flops como segue –
Fig. 8: Diagrama de porta lógica do registrador de deslocamento serial-out paralelo
Registrador de deslocamento paralelo-in-parallel-out (PIPO) – Neste tipo de registro, as entradas de dados podem ser deslocadas para dentro ou para fora do registro em paralelo. A entrada paralela dos dados é realizada como em um registrador de deslocamento Parallel-In Serial-Out. Além disso, neste registro, não há interconexão entre flip-flops sucessivos, uma vez que não é necessária nenhuma mudança serial. Portanto, no momento em que for realizada a entrada paralela dos dados de entrada, os respectivos bits aparecerão nas saídas paralelas. Um simples registrador de deslocamento Parallel-In Parallel-Out de 4 bits construído usando flip-flops D é o seguinte –
Fig. 9: Diagrama de porta lógica do registrador de deslocamento paralelo de entrada e saída
Aqui as entradas paralelas a serem inseridas devem ser aplicadas nas entradas A, B, C e D que estão diretamente conectadas às entradas de atraso dos respectivos flip-flops. Agora, ao aplicar o pulso de clock, essas entradas são inseridas no registrador e ficam imediatamente disponíveis nas saídas Q1, Q2, Q3 e Q4. Este tipo de registrador de deslocamento é semelhante a um registrador de memória construído usando D Flip Flops.
Registradores de deslocamento universais – Os registradores de deslocamento universais podem deslocar dados binários em qualquer direção e podem inseri-los e produzi-los tanto em série quanto em paralelo. Possui entradas de controle adicionais para especificar a direção do movimento de dados, modo de entrada e modo de saída.
No próximo tutorial, aprenda sobre o outro circuito sequencial construído exclusivamente por flip-flops – Contadores.
