30.4 Регистр сдвига

Регистр сдвига – это регистр с последовательным приёмом и последовательной выдачей информации. Данный регистр имеет один информационный вход и один выход. Все операции в данном регистре осуществляются по сигналу стробирования на входе С (то есть регистр сдвига синхронный). Регистр сдвига, как правило, имеет разрядность, кратную 8. Входом регистра сдвига является вход первого разряда, выходом – выход последнего разряда. Таким образом, состояние выхода регистра сдвига отображает состояние входа, бывшее за n (n – разрядность регистра) тактов сигнала стробирования С до текущего момента времени.

Основное назначение данного регистра – регистр задержки. Информация со входа появляется на выходе с временной задержкой на n периодов сигнала стробирования. Внутренняя структурная схема регистра сдвига приведена на рисунке 30.5, а, УГО на рисунке 30.5, б, временные диаграммы, иллюстрирующие работу регистра сдвига, – на рисунке 30.6.

а) б)

а – внутренняя структурная схема; б – УГО регистра сдвига

Рисунок 30.5 – Регистр сдвига

Рисунок 30.6 – Временные диаграммы работы регистра

Регистр сдвига строится на основе последовательно включенных D-триггеров (выход предыдущего разряда соединяется со входом D следующего разряда). Входы С всех регистров объединяются.

Одно из интересных применений сдвигового регистра – это генератор случайной последовательности сигналов или случайной последовательности кодов. Строго говоря, последовательности будут не полностью случайные, а квазислучайные, то есть будут периодически повторяться, но период этот довольно большой. Случайные последовательности сигналов и кодов широко применяются в тестирующей аппаратуре, в генераторах шума, в логических игровых устройствах.

Задача состоит в том, чтобы выходной сигнал или код менял свое состояние случайно (или почти случайно). Сигнал должен случайно переключаться из 0 в 1 и из 1 в 0, а код должен случайно принимать значения из диапазона от 0 до (2N–1), где N – число разрядов кода (например, от 0 до 255 при 8-разрядном коде). Псевдослучайные последовательности имеют то преимущество перед истинно случайными, что они – предсказуемые и периодические, но в этом же и их недостаток.

Структура генератора квазислучайной последовательности на сдвиговом регистре очень проста (рисунок 30.7).

Рисунок 30.7 – Структура генератора псевдослучайной

последовательности

Она представляет собой регистр сдвига с параллельными выходами, несколько (минимум два) выходных сигналов которого объединены с помощью элемента Исключающее ИЛИ, с выхода которого сигнал подается на вход регистра, замыкая схему в кольцо. Схема тактируется сигналом с частотой f_T.

Выбор номеров разрядов для подключения обратной связи представляет собой непростую задачу, но существуют справочные таблицы, в которых они приведены. В любом случае одна из точек подключения – выход старшего разряда. В таблице 30.2 приведены точки подключения обратной связи для регистров сдвига с разным количеством разрядов N (номера разрядов считаются от нуля).

Из таблицы видно, что выгоднее брать число разрядов, не кратное 8, например, 7, 15 или 31. В этом случае для обратной связи используются всего лишь два выхода, то есть достаточно одного двухвходового элемента Исключающее ИЛИ. Период выходной последовательности генератора составляет (2N–1) тактов, где N – количество разрядов регистра сдвига. За это время каждое из возможных значений выходного кода (кроме одного) встречается один раз. Количество единиц в выходном сигнале больше количества нулей на единицу.

Таблица 30.2 – Точки подключения обратной связи

Выходной код 000…0 представляет собой запрещенное состояние, так как он блокирует работу генератора, воспроизводя сам себя снова и снова. Но в то же время получиться такой нулевой код может только сам из себя, поэтому достаточно обеспечить, чтобы его не было при включении питания схемы.

Частоты в спектре выходного сигнала будут следовать с интервалом (f_T/2N–1), а огибающая спектра будет практически постоянной до частоты 0,25f_T, то есть шум до этой частоты можно считать белым (спад в 3 дБ происходит на частоте 0,45 f_T).

На рисунке 30.8 показана практическая схема генератора псевдослучайной последовательности на 31-разрядном сдвиговом регистре. Обратная связь осуществляется с выходов 30 и 17 регистра через двухвходовой элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инвертором.

Рисунок 30.8 – 31-разрядный генератор псевдослучайной

последовательности на регистрах сдвига

Из-за применения инвертора запрещенным состоянием генератора является код 1111...1 (а не код 000...0), который в данном случае исключается очень просто – начальным сбросом регистров в нуль при включении питания по сигналу Сброс. Генератор выдает квазислучайную последовательность 31-разрядных кодов со всех выходов регистра, а также квазислучайную последовательность нулей и единиц на любом из выходов регистра. Такой генератор использовала известная фирма Hewlett–Packard в своем генераторе шума.