通用移位寄存器：支持并行输入/输出与双向移位控制

并行输入/并行输出移位寄存器能并行接收数据、移位后并行输出结果，如下图所示。

通用移位寄存器在此基础上增加了并行加载、串行移位、方向控制和保持模式等功能。

 

 

上图中，四位数据施加到并行输入 D_A D_B D_C D_D。模式控制信号决定是并行加载数据，还是每个时钟脉冲移位一位。

许多器件允许同一控制线选择移位方向。每个时钟沿移动数据一位；移位后的输出出现在 Q_A Q_B Q_C Q_D 上。“数据输入”和“数据输出”引脚便于多个寄存器级联。

图中仅展示右移级联，左移级联可通过增加一组面向左侧的“数据输入/输出”引脚实现。

右移并行输入/并行输出移位寄存器的内部结构如下图所示。三态缓冲器虽非必须，但在商用器件中很常见。

 

 

74LS395 是紧贴上述概念图的典型器件。以下是其数据手册摘要；完整数据手册见本章后文链接。

LD/SH’ 控制多路选择器，在并行加载（M1）和串行移位（M2）间切换。当 LD/SH’ = 1 时，上部四个与门使能并行输入 D_A D_B D_C D_D 进入四个触发器。时钟输入取反，数据在下降沿锁存。

寄存器加载后，置 LD/SH’ = 0 激活移位路径，每个下降沿时钟将内容右移一位。经过四个时钟后数据将移出寄存器，除非通过 Q_D’ 级联到另一器件的串行输入。

 

 

图中显示加载到 Q_A Q_B Q_C Q_D 的数据模式右移一位。输入位未知（标记 X）；将 SER 引脚接地可明确输入逻辑电平。

双时钟移位（两位移位）如下图所示。

 

 

这些原理图引用保持简洁，因为核心功能已在后续更详细的图中覆盖。

 

 

对于左移配置，需重新布线触发器，交换串行输入（SI）和串行输出（SO）引脚。数据路径变为：SI → Q_C → Q_B → Q_A → SO，即右移序列的逆序。

 

 

商用器件通常通过增加控制线（L/R）实现双向移位。下图演示一个假设寄存器，根据 L/R 信号左移或右移。

 

 

当 L/R = 1 时，多路选择器使能右移路径；L/R = 0 选择左移路径。串行数据输入（右移用 SR，左移用 SL）送入第一个触发器，串行输出（SR 级联或 SL 级联）提供移出寄存器的数据。

 

 

为结合并行加载与双向移位，引入第三条控制线（SH/LD’）。当 SH/LD’ = 0 时，加载多路选择器在下一个时钟将并行输入 D_A D_B D_C 送入触发器。置 SH/LD’ = 1 禁用加载路径，重新启用由 L/R 决定的移位控制。

商用实现如 74ALS299 增加与门以支持保持模式（S1 S0 = 00），每个时钟持续重载输出，保持存储数据不变。

下一节将展示 74ALS299 原理图。

 

并行输入/并行输出与通用器件

德州仪器提供多款串行输入/并行输出移位寄存器。完整数据手册请参考以下链接。

• SN74LS395A – 4 位并行输入/并行输出移位寄存器
• SN74ALS299 – 8 位并行输入/并行输出通用移位寄存器

 

 

上图为 SN74LS395A 内部原理图。下图给出 ANSI 符号。

 

 

4 位器件受限于 16 引脚 DIP 封装，需容纳四个数据引脚、控制引脚和电源引脚。

关键控制信号包括：

• CLR’ – 全级有效低复位。
• OC’ – 四路三态输出缓冲器的有效低使能。
• LD/SH’ – 在并行加载（M1）与串行移位（M2）间多路复用。
• C3/2 – 下降沿时钟，同时驱动并行数据（带前缀 3 的信号）和串行数据（带前缀 2 的信号）。

三态缓冲器由 EN4 信号控制（低电平使能所有四个缓冲器）。当 Q_D’ 级联到另一器件的 SER 引脚时，数据可跨多个寄存器移位。

 

 

上表摘自 74ALS299 数据手册，总结了 8 位通用移位寄存器的操作。模式输入 S1 和 S0 选择四种功能之一：

• 01 – 左移
• 10 – 右移
• 11 – 并行加载
• 00 – 保持（每个时钟持续重载输出）

保持模式下，数据总线三态化，允许外部器件驱动总线，同时寄存器保持内容。

当 S1 S0 = 00, 01, 或 10 且输出使能 OE2’, OE1’ 为低时，移位寄存器输出驱动总线。

 

 

右移序列（S1 S0 = 10）：SR → Q_A → Q_B → Q_C → Q_D → Q_E → Q_F → Q_G → Q_H (Q_H’)。

左移序列（S1 S0 = 01）：(Q_A’) → Q_A ← Q_B ← Q_C ← Q_D ← Q_E ← Q_F ← Q_G ← Q_H (Q_SL’)。

置 OE2’ 或 OE1’ 高电平可禁用三态缓冲器；内部寄存器内容不变但不可见于输出引脚。

 

 

带注释的 ANSI 符号阐明了数据手册中的命名约定。注意模式位 S0 S1 的顺序与上表相反，这是官方文档的一个特点。

 

实际应用

下例演示通用移位寄存器如何将远程键盘和 LED 显示整合为报警系统的单一器件。

 

 

图中键盘和显示位于同一外壳。键盘数据经单个时钟脉冲并行加载到移位寄存器，随后串行移位送至主报警箱。同时，主箱发来的 LED 数据串行加载到寄存器驱动 LED。

 

 

八个 LED 和限流电阻连接到 SN74ALS299 的八个 I/O 引脚。LED 仅在模式 3（S1=0, S0=0）且三态使能 OE1’ 和 OE2’ 接地时驱动，此时模式 0、1、2 输出永久使能。若移位过程中的闪烁不可接受，可将使能端连接到模式位，使 LED 仅在保持模式点亮。

并行加载时，置 S0 = 1（反相后为逻辑 0）激活三态缓冲器将开关触点拉低。开路触点由电阻-LED 网络上拉，无按键时产生明确的逻辑高电平。

时刻 t0，S0 和 S1 均为高，开关数据加载入寄存器。随后八个时钟脉冲（t0 至 t8）通过 Q_H’ 移出开关闭合数据，同时新 LED 数据从寄存器的 SR 移入。

第八次移位后（t8），S1 变低，寄存器进入保持模式（S1 S0 = 00）。存储数据保持稳定，即使后续有时钟脉冲。

时钟生成可由单片机处理（频率低于 100 kHz）；更高频率需专用逻辑产生所需时钟和模式信号。

 

相关工作表：

• 移位寄存器工作表