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Pratica Laboratorial
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA Laboratório de Sistemas Digitais – 2014.2
REGISTRADORES DE DESLOCAMENTO
Alunos: Arthur Émily Gomes Fernandes Vieira
Francisco Magno Monteiro Sobrinho
Kaick Viana de Oliveira Castro
Prof: Isaac Barros
Mossoró, Janeiro de 2015
1. Objetivos
Familiarização com os circuitos digitais sequenciais. Esta prática trata da operação
de transferência serial de dados, com análise da configuração básica de um registrador
de deslocamento.
2. Introdução teórica
Um registrador de deslocamento é um grupo de FFs organizados de modo que os
números binários armazenados nos FFs sejam deslocados de um FF para o seguinte a
cada pulso de clock. Um registrador de deslocamento está presente na calculadora, por
exemplo, pois os dígitos mostrados no display são deslocados cada vez que se tecla um
novo dígito.
A Figura 1 mostra uma forma de organizar flip-flops JK para que operem como um
registrador de deslocamento de quatro bits. Observe que os FFs estão conectados de
maneira que o valor da saída de X3 é transferido para X2, o valor de X2 para X1 e o de X1
para X0. Isso significa que, quando ocorre uma borda de descida no pulso de
deslocamento, cada FF recebe o valor armazenado previamente no FF à esquerda. O FF
X3 recebe o valor determinado pelos níveis das entradas J e K quando ocorre uma borda
de descida no clock. Por enquanto, admitiremos que as entradas J e K de X3 sejam
acionadas pelo sinal IN DADOS, cuja forma de onda é mostrada na Figura 2. Admite-se
também que todos os FFs estejam no estado 0 antes que os pulsos de deslocamento
sejam aplicados.
Figura 1 – Registrador de deslocamento de quatro bits.
Figura 2 – Forma de onda no registrador de deslocamento de quatro bits.
As formas de onda na Figura 2 mostram como os dados de entrada são
deslocados da esquerda para a direita, de um FF para outro, enquanto os pulsos de
deslocamento são aplicados.
Alguns registradores de deslocamento possuem exigência quanto ao tempo de
hold. Nesse tipo de registrador é necessário que os FFs tenham um tempo de hold muito
pequeno, porque existem momentos em que as entradas J e K estão mudando de estado
no mesmo instante de transição do CLK. Por exemplo, a saída X3 comuta de 1 para 0
em resposta à borda de descida no instante T2 (Figura 2), fazendo com que as entradas J
e K de X2 mudem de estado enquanto a sua entrada de CLK está mudando. Na
realidade, em virtude do atraso de propagação de X3, as entradas J e K de X2 não
mudarão de estado durante um curto intervalo de tempo após a borda de descida do
CLK. Por essa razão, um registrador de deslocamento deve ser implementado usando
FFs disparados por borda que tenham um valor de tH menor que um atraso de
propagação do CLK para a saída. Esse último requisito é facilmente atendido pela
maioria dos modernos FFs disparados por borda.
A Figura 3 mostra dois registradores de deslocamento de três bits conectados de
modo que o conteúdo do registrador X seja transferido de forma serial para o registrador
Y. Neste exemplo, usa-se FFs do tipo D, visto que requerem menos conexões que os
FFs do tipo JK.
Figura 3 – Transferência serial de dados de um registrador X para um registrador Y.
Os FFs mostrados na Figura 3 podem ser facilmente conectados de maneira que
o deslocamento de informações seja feito da direita para a esquerda. Não existe
nenhuma vantagem de fazer o deslocamento em uma direção ou outra. A direção
escolhida pelo projetista do sistema lógico frequentemente será determinada pela
natureza da aplicação.
Na transferência paralela, todas as informações são transferidas simultaneamente
na ocorrência de um único pulso de transferência (Figura 4), não importando quantos
bits são transferidos. Na transferência serial (Figura 3), a transferência completa de N
bits de informação requer N pulsos de clock. Portanto, a transferência paralela é muito
mais rápida que a transferência serial usando registradores de deslocamento.
Figura 4 – Transferência paralela do conteúdo do registrador X para o registrador Y.
Na transferência paralela, a saída de cada FF no registrador X é conectada na
entrada correspondente do registrador Y. Na transferência serial, apenas o último FF do
registrador X é conectado no registrador Y.
Um shift register (registrador de deslocamento, em inglês) utiliza geralmente um
FF do tipo D que tem sua saída conectada à entrada do FF do tipo D seguinte. É
utilizado para armazenar informações binárias (memória), realizam a conversão de
dados tanto em série como paralelo e vice-versa e realizam operações aritméticas
básicas.
Os registradores podem ser classificados através de seus dados de entrada e
saída, podendo ser:
Figura 5 – Classificação dos registradores.
3. Desenvolvimento
3.1. Utilizando o módulo XDM03 no kit, implemente as conexões necessárias para
obter um shift register Serial In Parallel Out SIPO de oito bits.
Figura 6 – Módulo XDM03.
Figura 7 – Funções das conexões.
Para execução da primeira etapa da prática, exige-se a montagem de um
registrador de deslocamento com entrada serial e saída paralela. Para tanto, usa-se a
Tabela de funções presente na Figura 7. Primeiro conecta-se o CLOCK ao circuito
em uma frequência de 1 kHz. Em seguida, escolhe-se ligar SRSER (entrada serial
pela direita) em 1, na parte de baixo do módulo EXSTO. Conecta-se as saídas
paralelas, de QA1 até QD2, aos leds em sequência, obtendo os 8 bits desejado. E,
por último, conecta-se S0 e S1 (Seleção de função) que vão definir o tipo de
registrador, e liga-se S0 em 1 e S1 em nível 0, assim temos um SIPO, entrada serial
e saída paralela.
Figura 10 – Circuito registrador de deslocamento
O efeito observado foi que há um deslocamento para a esquerda (Figura 10) e
onde cessava-se a informação ela seguia deslocando a cada pulso de clock.
Também foi ligado o CLR (Clear) em nível 1, e, quando acionava-se em nível 0, ele
limpava o registrador e podendo assim, passar outra informação.
3.2. Repita o procedimento anterior para obter um shift register do tipo PIPO de oito
bits.
Neste item, foram implementadas as conexões necessárias para obter um shift
register Parallel In Parallel Out (PIPO). Foram realizados os mesmos procedimentos de
conexões no item anterior, mas como em paralelo, com todas as informações sendo
transferidas simultaneamente na ocorrência de um único pulso de transferência, sem se
importar com o número de bits. Todas as entradas de A1 até D2 foram conectadas na
parte de baixo do módulo EXSTO para variação dos 8 bits de forma manual. E S0 e S1
foram ligadas em nível 1 (+5V).
O efeito observado foi que a transferência é muito mais rápida. Passa a informação
desejada de um só vez, em um único pulso do CLOCK. Porém, o número de fios foi
muito maior.
4. Questões
4.1. Projete e simule no software PROTEUS um shift register SIPO de quatro bits
utilizando FFs tipo D. Apresente o diagrama em blocos e a tabela verdade.
Estado inicial
(A)
Transferência de 1, deslocamento para direita
(B)
(C)
(D)
(E)
Figura 9 – Simulação no PROTEUS de um Shift Register SIPO de quatro bits utilizando FFs D, (de “A” até “E”).
Quadro 1 – Tabela verdade para o Shift Resister.
Clock Entrada FF1 FF2 FF3 FF40 0 0 0 0 01 1 1 0 0 02 0 0 1 0 03 0 0 0 1 04 0 0 0 0 1
4.2. Cite um exemplo prático da aplicação das propriedades de um shift register.
Um shift register pode ser SISO, SIPO, PISO ou PIPO. As UALs dos processadores
têm registradores de deslocamento (esquerda, direita e em anel). Usado para conversão
série em paralelo e vice-versa. Utilizado em extensores de pulso, circuitos de atraso,
contadores, multiplicadores binários, memórias, registradores de deslocamento
circulante e registradores bi-direcionais, entre outros exemplos.
5. Conclusão
A transferência paralela requer mais conexões entre o registrador transmissor e o
registrador receptor que a transferência serial. Essa diferença se torna muito
problemática quando um grande número de bits de informação está sendo transferido.
Essa é uma consideração importante quando os registradores de transmissão e recepção
estão distantes um do outro, visto que isso determina quantas linhas (fios) são
necessárias para a transmissão da informação.
A escolha entre a transmissão paralela ou serial depende das especificações da
aplicação em particular. Muitas vezes, é usada uma combinação dos dois tipos de
transferência para se obter a vantagem da velocidade proporcionada pela transferência
paralela e a economia e simplicidade da transferência serial.
6. Referências Bibliográficas
[1] Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, Gregory L. Moss. Sistemas Digitais: princípios e
aplicações. 10ª Edição, São Paulo, Brasil, 2007.