Registros de Desplazamiento Paralelo-a-Serie (PISO): Diseño, Operación y Aplicaciones

Los registros de desplazamiento Paralelo-a-Serie (PISO) expanden la funcionalidad de dispositivos serie-entrada/serie-salida (SISO) permitiendo que todas las etapas carguen dato simultáneamente. Esta capacidad es esencial para convertir dato paralelo —cada bit en su propio cable— en flujo serie para comunicación eficiente.

Un registro PISO almacena una palabra de dato, luego la desplaza un bit por ciclo de reloj, con retardo total igual al número de etapas multiplicado por período de reloj. Como el dato puede cargarse en paralelo antes de comenzar el desplazamiento, el registro es ideal para adquisición de datos alta velocidad e interfaces de comunicación.

Abajo hay una vista detallada de un registro de desplazamiento PISO de tres etapas, cuyos componentes centrales son:

• Flip-flops tipo-D para almacenamiento de dato.
• Selectores AND-OR que eligen entre carga paralela y desplazamiento serie.

Dispositivos reales típicamente tienen 4, 8, o 16 etapas. El diagrama abajo ilustra ejemplo de tres etapas.

Cuando la señal SHIFT/LD' está baja, las compuertas NAND superiores habilitan la ruta de carga paralela. Dato en entradas D_A, D_B, y D_C pasa a las entradas correspondientes de flip-flop D. En el siguiente flanco subida de reloj, los tres bits se capturan simultáneamente —proceso conocido como carga síncrona.

Inversamente, cuando SHIFT/LD' está alta, las compuertas NAND inferiores activan la ruta de desplazamiento: la entrada serie SI alimenta la primera etapa, la salida de cada flip-flop alimenta la entrada de la siguiente, y la salida final aparece en SO. Flancos de reloj sucesivos desplazan la palabra a derecha, emitiendo un bit por ciclo.

Formas de onda ilustran la transición de carga paralela a desplazamiento serie:

En práctica, la señal SHIFT/LD' debe permanecer baja por ventana breve alrededor del flanco de reloj para satisfacer tiempos de setup y hold. Un pulso ligeramente más ancho se usa a menudo por simplicidad.

¿Por qué incluir pines SI y SO? Permiten cascada de múltiples registros de desplazamiento para crear desplazadores anchos o interfaz con periféricos serie como microprocesadores y sensores.

Dispositivos PISO Comunes de Texas Instruments

• SN74ALS166 – 8-bit, carga síncrona
• SN74ALS165 – 8-bit, carga asíncrona
• CD4014B – 8-bit, carga síncrona
• SN74LS647 – 16-bit, carga síncrona

Para especificaciones completas, consulte las hojas de datos enlazadas.

El SN74ALS166, por ejemplo, implementa PISO síncrono de 8 etapas. Sus pines etiquetados A–H para entradas de dato, SER para entrada serie, SO para salida serie, y SH/LD' para control de modo. El pin CLKINH permite inhibir el reloj cuando alto.

Entender el símbolo ANSI es valioso: el bloque superior alberga controles de modo (M1 para shift, M2 para load, C3/1 para reloj). El desplazador de 8 etapas se etiqueta SRG8, y la entrada serie SER se gobierna por señal de carga y reloj.

Carga Asíncrona vs Síncrona

Registros de carga asíncrona, como el SN74ALS165, usan pines preset (Set) y clear (Reset) del flip-flop para cargar dato independientemente del reloj. Cuando SH/LD' está bajo, el pin Set es impulsado por la entrada de dato mientras el pin Reset se mantiene alto. El dato aparece inmediatamente en el registro, haciendo carga asíncrona útil cuando pulso de reloj no está disponible o es innecesario.

En dispositivos síncronos, la línea SHIFT/LD' controla si dato se carga o desplaza, y el reloj sincroniza la acción. Este modo es preferido en diseños modernos por su previsibilidad de temporizado.

Aplicaciones Prácticas

Un uso común de registro PISO es leer banco de interruptores o teclados con microprocesador que tiene pines I/O limitados. Por ejemplo, teclado de nueve teclas puede escanearse por registro PISO, reduciendo cables requeridos de nueve a tres.

En entornos automotrices e industriales, esta reducción de conteo de cables mejora fiabilidad minimizando puntos potenciales de fallo. La interfaz serie del registro de desplazamiento también habilita comunicación con otros dispositivos serie como ADCs, sensores, o módulos de memoria.

Para implementar esto, conecte entradas paralelas del registro de desplazamiento a contactos de interruptores, tírelos a +5V con resistores, y controle LD/SH' desde el microprocesador. Tras cargar, genere pulsos de shift para leer cada bit desde línea SO.

Para flujos de datos más complejos, cascade registros de desplazamiento adicionales o interfaz con periféricos serie dedicados.

Ver también: Hoja de Trabajo Registros de Desplazamiento