Digitaltechnik

Schieberegister

Hallo! In diesem Beitrag zeigen wir dir, wie du mehrteilige binäre Signale mit der Hilfe von Schieberegistern speichern kannst. Los geht´s!

Schieberegister Arten

Grundsätzlich sind Schieberegister Schaltungen, die zunächst ein Signal mit mehreren Bits taktgesteuert aufnehmen, dann vorübergehend speichern und es anschließend wieder ausgeben. Sie werden also zum Speichern von Signalen verwendet.

Es gibt grundsätzlich vier verschiedene Möglichkeiten ein Schieberegister aufzubauen.

Schieberegister aufbauen
Aufbau Schieberegister

Zum einen haben wir Schieberegister mit seriell geschaltetem Input und seriell geschaltetem Output: kurz SISO.

Zweitens haben wir Register mit seriell geschaltetem Input und parallel geschaltetem Output: kurz SIPO.

Drittens haben wir Register mit parallel geschaltetem Input und seriell geschaltetem Output: kurz PISO.

Und zuletzt gibt es noch Register mit parallel geschaltetem Input und parallel geschaltetem Output: kurz PIPO.

Schieberegister Schaltung

Meistens werden für den Aufbau parallel oder seriell geschaltete D-Flip-Flops verwendet, allerdings können auch JK-Flip-Flops oder SR-Flip-Flops zum Einsatz kommen. Wie du Dich vielleicht erinnern kannst, speichern Flipflops jeweils nur 1 Bit. Wenn nicht, kannst du dir gerne noch einmal unsere Digitaltechnik Flip Flop Playlist dazu ansehen.

Wir benötigen also mehrere Flipflops, da wir ja mehrere Bits speichern wollen. Es gilt: Ein n-Bit Register besteht aus einer Anzahl n an Flipflops und kann ein Wort mit n-Bits speichern.

SISO-(4-Bit) Schieberegister

Hier siehst du nun die einfachste Form eines 4-Bit Schiebregisters mit vier seriell geschalteten D-Flip-Flops. Wie du erkennen kannst, ist sowohl In- als auch Output seriell geschaltet, also haben wir ein SISO Schieberegister. Das zugehörige IEC Schaltsymbol sieht wie folgt aus:

SISO-Schieberegister
4-Bit Schieberegister

Wie kann man sich die Funktionsweise nun genau vorstellen? Sehen wir uns dazu mal das Impulsdiagramm an.

Nehmen wir an wir haben ein Taktsignal C und einen Impuls D. Bei der ersten positiven Taktflanke wird das Ausgangssignal  des ersten D-Flip-Flops auf 1 gesetzt. Anschließend wird der Zustand für C gespeichert. Dieses Output  dient dann als Input für das nächste Flipflop B. Bei der zweiten positiven Taktflanke wird  zurückgesetzt.  Der Bit wird an  weitergegeben, das heißt  wird 1. Wie du sehen kannst setzt sich dieses Prinzip für die nächsten D-Flipflops fort, das Bit wird also immer weitergeschoben. Das Ganze kannst du auch anhand der Wahrheitstabelle erkennen:

Wahrheitstablle
Impulsdiagramm Schieberegister

Sehr schön! Jetzt hast du das Grundprinzip eines SISO Schieberegisters schon einmal verstanden.

Was ist nun der Unterschied zu den anderen Schieberegisterarten?

SIPO-Schieberegister

Wir beginnen zunächst mit dem SIPO. Bei diesem werden die Daten seriell eingegeben und parallel ausgegeben. Die Daten werden hier Bit für Bit geladen. Somit sind die Outputs während des Ladevorgangs, also während das Bit weitergeschoben wird, nicht benutzbar. Als Schaltbild sieht das ganze so aus:

SIPO
SIPO-Schieberegister

PISO-(4-Bit) Schieberegister

Der PISO hat einen parallelen Eingang und einen seriellen Ausgang. Schauen wir uns die logische Schaltung für diesen 4-bit Register doch auch einmal an. In das erste Flipflop wird zunächst das erste Bit  als Eingangssignal eingegeben. Das Output  wird dann zusammen mit dem nächsten Eingangssignal  über einen Schaltkreis als Eingangssignal in das zweite Flipflop geleitet. Es gibt hier zwei Zustände: den Schalt- und den Lademodus.

Schalt- und Lademodus
PISO-Schieberegister

Ist der Schalt/Lademodus auf 0 wird das Signal durch das NICHT-Gatter links oben umgedreht und die UND-Gatter 2, 4 und 6 werden aktiviert. Die jeweiligen Eingangssignale ,  und  werden zu den D-Flipflops “geladen“. Deshalb wird das Input auch als parallel bezeichnet. Ist der Schalt/Lademodus auf 1, also mit dem NICHT-Gatter auf 0, werden die UND-Gatter deaktiviert und es wird nicht parallel geladen. Allerdings werden die UND-Gatter 1, 3 und 5 aktiv. Damit wird in dem „Schaltmodus“ das Bit bei jedem Taktsignal, das heißt immer, wenn der Schalt/ 1 ist, von links nach rechts durchgeschoben.

Paralleler Eingang Serieller Ausgang
Schalt- und Lademodus

PIPO-Schieberegister

Nun haben wir nur noch ein Register vor uns, das PIPO mit parallelem In- und Output. Hier werden die Eingangssignale den D-Flipflops einzeln zugeteilt. Immer, wenn eine negativer Taktimpuls C parallel an die D-Flipflops angehängt wird, werden die Bits auch wieder parallel auf die Outputs Q geladen.

PIPO
PIPO-Schieberegister

Perfekt! Jetzt kennst du die vier grundsätzlichen Arten von Schieberegistern und weißt, worin sie sich unterscheiden.


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