Registradores

Uma das formas mais comuns de utilização dos flip-flop (FF) é no armazenamento e transferência de informações (bits). Cada FF possui a capacidade de armazenar um bit. Vários FFs podem ser configurados para formar um registrador no qual pode-se armazenar uma palavra binária. São necessários tantos FF quantos forem os bits da palavra. Os registradores armazenam bits e têm a capacidade de transferir esses bits para outros registradores seja de forma simultânea ou uma a uma.

Tipo porta paralela

Neste registrador todos os bits são armazenados simultaneamente. Ele é constituído de FF com as entradas de clock ligadas em comum. Quando ocorre a transição positiva do clock, os dados de D1 a D4 são armazenados nas saídas Q1 a Q4. A Figura 1 mostra um circuito registrador do tipo porta paralela.

Figura 1 - Registrador do tipo "Porta Paralela".

**Tabela 1 - Estados dos registradores**
Clock	D1	D2	D3	D4	Q1	Q2	Q3	Q4
0	1	0	1	0	?	?	?	?
$\uparrow$	1	0	1	0	1	0	1	0
0	X	X	X	X	1	0	1	0

Registradores deste tipo são também conhecidos por LATCHES ou FLIP-FLOP do tipo D. Existem disponíveis comercialmente registradores de diversos tamanhos como mostrado anteriormente.

Figura 1b - Registrador do tipo "Porta Paralela" (animação).

Percebam na animação que o modo de funcionamento é muito simples. Quando há uma borda de subida do clock o que está na entrada D, de cada flip-flop, passa para a saída Q do mesmo flip-flop.

Registrado de deslocamento

É um registrador no qual os FF são conectados de forma a permitir, além da inserção a operação de deslocamento dos bits da palavra binária. A importância das operações de deslocamento dos bits está no fato destas viabilizarem, entre outras, a realização de um grande número de operações lógicas e aritméticas em um sistema digital. Os bits de uma registrador podem ser transmitidos de duas maneiras:

Em série: os bits da palavra são transferidos em sequência (um após o outro) por um único fio. Este formato economiza circuitos.

Em paralelo: os bits da palavra são transferidos simultaneamente por um número de fios igual ao número de bits. Este formato economiza tempo. Assim, levando-se em consideração as formas possíveis para se transmitir uma palavra, pode-se inserir e retirar os bits em um registrador de maneira serial ou paralela. Desta forma, é possível a implementação de 4 tipos básicos de registradores:

Entrada e saída serial;
Entrada paralela e saída serial;
Entrada serial e saída paralela;
Entrada e saída paralela.

Entrada e saída serial

Suponha que voce deseja armazenar no registrador o dado de 4 bits "1010". Como o registrador desloca os dados da esquerda para a direita o primeiro bit a entrar é 0 da direita, chamado de LSB (Least Significant Bit). São necessários 4 transições negativas do clock para que o dado entre no registrador. O último bit a entrar é o 1 da esquerda, chamado de MSB (Most Significant Bit). A Figura 2 apresenta o diagrama de blocos para esse tipo de registrador.

Figura 2 - Diagrama de blocos do registrador entrada e saída serial.

Considerando-se o sentido de movimento dos dados pode-se ter:

Deslocamento para a direita;
Deslocamneto para a esquerda;
Bidirecional.

A Figura 3 mostra um registrador de deslocamento de 4 bits e na Figura 4 é apresentado o seu diagrama de tempo da entrada serial dos dados. A cada pulso de clock, o valor contido nas entradas J e K dos FF é transferido para a saída. Essa saída está conectada na entrada do próximo FF. Após 4 transições de descida de clock, o valor das 4 últimas entradas de DADOS, é transferido serialmente para os FF, estando armazenado no registrador nos FF Q, R, S e T.

Figura 3 - Registrador de deslocamento serial para direita.

Figura 4 - Diagrama de tempo para o registrador entrada série com deslocamento para a direita.

Para manter estes dados armazenados basta que o sinal de clock seja desativado (0). Caso se deseje retirar os dados do registrador utiliza-se 4 transições negativas do clock. A saída dos dados ocorre de forma serial no ultimo FF (T) conforme mostrado na Fig. 6-9. OBS: Para facilitar o acompanhamento da saída destes dados (1010) a entrada de dados foi mantida em zero.

(propor construir o registrador de deslocamento utilizando FF tipo D)

Entrada serial com saída paralela

A Figura 5 apresenta o diagrama de blocos deste tipo de registrador. Neste caso, os dados são deslocados em série para dentro (como já mostrado). Para se ter os dados em paralelo basta ter acesso a todas as saídas dos FF do registrador de deslocamento.

Figura 5 - Diagrama em blocos para o registrador entrada série com saída paralela.

Entrada paralela e saída serial

Para este tipo de registrador são incorporadas habilidades para entrada em paralelo e deslocamento dos dados. A análise será feita a partir do 74LS166 que possui entrada serial e paralela e saída serial. A Figura 6 mostra o diagrama de blocos deste registrador. Os diagramas lógicos e tabela funcional é mostrados na Figura 7 e 8. Para realizar a entrada paralela dos dados, altera-se a entrada LOAD (carregar) para 0, e na transição positiva do clock os FF têm suas saídas simultaneamente alteradas de acordo com as entradas A a H. Quando a entrada LOAD está em 1 (SHIFT), o registrador funciona como um registrador de deslocamento. A entrada CLEAR permite zerar todas as saídas dos FF imediatamente (sem o clock).

Figura 6 - Diagrama em blocos para o registrador entrada paralela e saída serial.

Figura 7 - Diagrama lógico do 74166.

Exemplo: 74ALS166 e 74HC166

Apenas a saída serial QH é disponível.
Dados seriais entram no pino SER.
Dados paralelos podem ser carregados de forma síncrona.
Funcionamento serial se SH/LD' = 1
Carga paralela de dados se SH/LD' = 0
Deslocamento síncrono e carga paralela desabilitados se CLK INH = 1 (clock-inhibit) – FFs mantêm estado anterior.

Figura 8 - Diagrama lógico do 74166 (cima) e representação gráfica do Registrador (embaixo).

O primeiro bit aparece em QH em t8, 8 pulsos de relógio após CLR' ter ido para o nível baixo.

Entrada paralela e saída paralela

A Figura 9 mostra o diagrama de blocos para o registrador do tipo entrada paralela e saída paralela.

Figura 9 - Diagrama de blocos.

Este tipo de registrador pode ser implementado conforme mostrado na Figura 10, porém não é considerado propriamente um registrador de deslocamento. Entretanto, em algumas aplicações é necessário que o registrador seja de deslocamento. Por isso, existem CIs comerciais que são registradores de deslocamento com entradas e saídas paralelas. O CIs 74LS195 é um registrador de deslocamento de 4 bit com entradas paralela e serial e saídas paralela e serial.

Figura 10 - Registrador tipo porta paralela.

Como o CI 74195 é possível realizar as seguintes operações:

Manutenção do estado interno do registrador;
CLEAR da saída paralela;
Entrada paralela e saída paralela;
Entrada série e saída série para a direita;
Entrada série e saída paralela (com desabilitação do clock após a quarta transição positiva do clock);
Entrada paralela e saída série a direita.

Aplicações com registradores

Porta paralela

A Figura 10 mostra o uso de uma porta paralela de dados para a a transferência dos dados da entrada D1 a D4 para as saídas Q1 a Q4. A função desse circuito é armazenar um estado de um circuito, até que um novo estado esteja disponível ou seja desejável. A transferência é controlada pelo clock. Na transição negativa do clock os dados são armazenados no registrador X. A transferência ocorre simultaneamente em todos os bits.

Porta serial

A Figura 11 apresenta a conexão entre dois registradores de deslocamento X e Y para a transferência serial de dados. O clock desses registradores é único, e faz com que a cada transição negativa do clock, o conteúdo do terceiro FF do registrador X é transferido para o primeiro FF do registrador Y, a mesmo tempo que internamente o conteúdo dos FF é deslocado. Após 3 transições negativas do clock, o conteúdo inicial do registrador X é todo transferido para o registrador Y, conforme mostra a Tabela XX.

Figura 11 - Transferência serial entre registradores.

**Tabela 2 - Estados dos registradores**
Clock	Registrador X			Registrador Y
Clock	X1	X2	X3	Y1	Y2	Y3
0	1	0	1	?	?	?
1	0	1	0	1	?	?
2	0	0	1	0	1	?
3	0	0	0	1	0	1

Contador em anel

Para o funcionamento deste tipo de contador, um dos FF deve ter inicialmente o valor 1 e os outros 0. Isso pode ser feito através das entradas assíncronas PRESET e CLEAR. Por ser um registrador de deslocamento, o 1 é transferido para o próximo FF a cada clock e da mesma forma os 0s. Os estados se repetem ciclicamente porque a saída do último FF está conectado a entrada do primeiro FF. A Figura 12 mostra um contador em anel e a Figura 13 apresenta a sequência da contagem considerando inicialmente a saída Q3=1 e as outras Q2=Q1=Q0=0.

Figura 12 - Contador em Anel.

Figura 13 - Diagrama de tempo do contador em anel.

Figura 12 - Contador em Anel (animação).

Percebam que no primeiro flip-flop tipo D há Reset e Set que são utilizados para introduzir no registrador em anel os 0s e 1s. Após colocado o 0 ou o 1 ele passa a circular no circuito porque a saída Q do último flip-flop é ligada na entrada D do primeiro flip-flip.

Contador Johnson

O contador Johnson é um contador em anel no qual a saída ${\bar {Q}}_{0}$ do último FF está conectado a entrada D do primeiro FF, conforme mostrado na Figura 14. Neste tipo de contador todos os FF deve ter inicialmente o valor 0, o que pode ser feito através da entrada assíncronas CLEAR.

Figura 14 - Contador Johnson.

Exercício

Desenhe o diagrama de tempo correspondente ao funcionamento do Contador Johnson.

Figura 14b - Contador Johnson (animação).

O funcionamento do Contador Johnson é muito simples. Diferente do contador em anel, não precisa inserir os 0s e 1s porque a saída Q\ do último flip-flop é conectada a entrada D do primeiro flip-flop. No início como todas as saídas Q são 0, todas as Q\ são 1. Então, primeiro circula todos os 1s e depois circula todos os 0s. Sempre entrando um a um.

Terceiro Estado de uma Saída (tristate)

As saídas que podem apenas assumir os estados 0 e 1 são chamadas de Totem-Pole. Diversos circuitos possuem saídas que podem assumir, além dos estados 0 e 1, o estado de alta impedância (tristate) o qual é equivalente a um circuito aberto. As saídas em tristate permitem assim que os computadores sejam organizados em barramentos, conectando diversas saídas de componentes sem provocar a danificação dos mesmos desde que somente um componente seja acionado de cada vez. As saídas dos componentes comportam-se de forma similar a uma chave de três estados. A Figura 15 mostra a simbologia (A) e a tabela verdade (B) para a chave de três estados.

Figura 15 - Simbologia (A) e tabela verdade (B) da chave tristate.

Notem que quando E=0 (enable) a saída Y fica em Z (alta impedância) independente do valor da entrada D.

Circuitos Integrados de Registradores

A seguir são mostrados os diagramas lógicos, pinagens e tabelas funcionais de alguns registradores.

74164 – Registrador de deslocamento de 8 bits com entrada serial e saída paralela.
74165 – Registrador de deslocamento de 8 bits com entrada serial/paralela e saída serial.
74166 – Registrador de deslocamento de 8 bits com entrada serial/paralela e saída serial, com CLEAR assíncrono.
74173 – Registrador porta FF de 4 bits com entrada paralela e saída paralela em tristate
74194 – Registrador de deslocamento bidirecional universal de 4 bits com entrada paralela e saída paralela
74195 – Registrador de deslocamento de 4 bits com entrada paralela e saída paralela
74273 – Registrador porta FF de oito bits de entrada paralela e saída paralela.
74373 – Registrador porta LATCH de oito bits de entrada paralela e saída paralela em tristate.
74374 – Registrador porta FF de oito bits de entrada paralela e saída paralela em tristate.
74543 – Transceptor com registradores de oito bits com saídas em tristate.

Lista de Exercícios

[1] O que é um registrador? Para que serve?

[2] Por que o clock nos registradores é comum a todos os FFs?

[3] Qual a diferença entre um registrador série de um registrador paralelo?

[4] É possível a implementação de 4 tipos de registradores misturando série e paralelo. Quais são?

[5] Explique o funcionamento de um registrador com entrada paralela e saída serial.

[6] Cite as principais características do CI 74166.

[7] Cite as principais características do CI 74195.

[8] Qual a diferença de um contador em anel para um contador Jonhson?

[9]O que é tristate?

Referências

[1] http://www.ufjf.br/fabricio_campos/files/2011/03/cap07_parte_2.pdf

[2] http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/07/Aula16_Registradores_de_Deslocamento.pdf

EDI018702 2021 1 AULA05

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