1. 串行输入/串行输出 (SISO) 移位寄存器#

• 结构: 由多个D触发器级联而成，前一个触发器的输出 (Q) 连接到后一个触发器的输入 (D)。所有触发器共享同一个时钟信号。

• 工作原理:

  • 数据输入: 数据从第一个触发器 (FF0) 的D输入端串行输入。
  • 数据移位: 每当一个时钟脉冲的有效边沿到来时，每个触发器都会将它左边相邻触发器的当前状态锁存进来。这样，整个数据就在寄存器中向右移动了一位。
  • 数据输出: 数据从最后一个触发器 (FF3) 的Q输出端串行输出。

• 示例分析:

  • 数据移入 (Table 8-1): 假设初始状态全为0，我们要移入4位数据 “1010”（注意：串行输入时，最低位先输入，即先输入0，再输入1，再输入0，最后输入1）。但从图表示例看，是先输入1，再输入0，再输入1，最后输入0。让我们以来看PPT中1010的例子（假设从左到右输入），初始全0，第一个时钟输入1，寄存器变为1000；第二个时钟输入0，寄存器变为0100；第三个时钟输入1，寄存器变为1010；第四个时钟输入0，寄存器变为0101。
  • 数据移出 (Table 8-2): 假设寄存器中已存有数据 “1010”。在接下来的时钟脉冲下，如果没有新的数据输入（即输入端保持为0），那么数据将逐位向右移出。4个时钟脉冲后，寄存器中的数据将全部被移出，状态变回 “0000”。

时序图示例: 下图展示了将数据 “11010” 移入一个5位寄存器的过程。数据输入端在每个时钟周期前准备好要输入的数据位。在第5个时钟脉冲之后，寄存器中的内容为 Q₄Q₃Q₂Q₁Q₀ = 11010。

2. 串行输入/并行输出 (SIPO) 移位寄存器#

• 结构: 与SISO类似，数据串行输入。但它的每一个触发器都有一个独立的输出端 (Q₀, Q₁, Q₂, Q₃)，可以同时读取所有位的数据。
• 应用: 核心应用是将串行数据转换为并行数据，这在串行通信（如USB、串口）中非常重要。

集成电路 (IC) 示例 - 74HC164: 这是一个8位的SIPO移位寄存器。它有两个串行输入端 A 和 B，这两个输入会先经过一个与门（AND gate），然后才进入第一个触发器。

• CLR’ (Clear): 低电平有效。当它为低电平时，无论时钟和输入如何，所有输出都会被强制清零。
• CLK (Clock): 上升沿触发。

3. 并行输入/串行输出 (PISO) 移位寄存器#

• 结构: 具有并行数据输入端 (D₀-D₃) 和一个串行输出端。通过一个控制信号 SHIFT/LOAD 来选择工作模式。
• 工作模式:
  • 加载模式 (LOAD): 当 SHIFT/LOAD 为低电平 (LOW) 时，控制逻辑门 G₁-G₄ 打开，G₅-G₇ 关闭。在下一个时钟脉冲的有效边沿，并行输入端 D₀-D₃ 上的数据会同时被加载到对应的触发器 FF₀-FF₃ 中。
  • 移位模式 (SHIFT): 当 SHIFT/LOAD 为高电平 (HIGH) 时，控制逻辑门 G₁-G₄ 关闭，G₅-G₇ 打开。这时，电路就变成了一个串行移位寄存器，数据在每个时钟脉冲下向右移动一位，并从 Q₃ 端串行输出。

时序图示例:

1. 时钟脉冲1: SHIFT/LOAD 为低电平，并行数据 1010 被加载。Q₃ 输出为 D₃ 的值，即 0。
2. 时钟脉冲2-4: SHIFT/LOAD 变为高电平，寄存器进入移位模式。数据逐位右移并从 Q₃ 输出。
3. 时钟脉冲5后: 原始数据已全部移出。

4. 并行输入/并行输出 (PIPO) 寄存器#

• 结构: 具有并行的输入和输出。它主要用于数据存储和缓冲，是结构最简单的寄存器之一。所有数据在同一个时钟脉冲下同时加载，并同时出现在输出端。

IC 示例 - SN54HC195 (4位并行访问移位寄存器): 这是一个功能更复杂的寄存器，它同时支持串行和并行加载。

• SH/LD (Shift/Load): 控制移位和加载。
• J, K: 串行输入端。
• CLR (Clear): 清零端。
• D₀-D₃: 并行数据输入。
• Q₀-Q₃: 并行数据输出。

5. 双向移位寄存器 (Bidirectional Shift Registers)#

• 功能: 可以根据控制信号来决定数据是向左移还是向右移。
• 结构: 通过一组逻辑门来控制每个触发器的D输入源。
• 控制信号 RIGHT/LEFT:
  • 高电平 (HIGH): 数据向右移。此时，每个触发器的D输入连接到其左侧触发器的Q输出。
  • 低电平 (LOW): 数据向左移。此时，每个触发器的D输入连接到其右侧触发器的Q输出。

IC 示例 - 4位双向通用移位寄存器 (74LS194): 这是一个非常强大的“通用”移位寄存器，通过模式控制输入 S₀ 和 S₁ 可以实现多种功能：

• S₁S₀ = 11: 并行加载
• S₁S₀ = 01: 右移
• S₁S₀ = 10: 左移
• S₁S₀ = 00: 保持（禁止）

1. 时间延迟 (Time Delay)#

利用SISO移位寄存器，可以精确地延迟一个数字信号。

• 原理: 一个信号进入寄存器后，需要经过 n 个时钟周期才能从输出端出来，其中 n 是寄存器的级数（触发器的数量）。
• 延迟时间: T_delay = n * T_clk = n / f_clk
  • n: 寄存器的级数
  • f_clk: 时钟频率

示例: 一个8级（n=8）的移位寄存器，时钟频率为500 kHz。

• 从Q₀输出的延迟为 1 * (1/500kHz) = 2 µs。
• 从Q₇输出的延迟为 8 * (1/500kHz) = 16 µs。

2. 串行/并行数据转换 (S/P Data Converter)#

这是移位寄存器最常见的应用之一，用于连接串行通信设备和并行总线系统。

• 原理: 使用一个SIPO寄存器接收串行数据。当接收完一个字节或一个字的数据后（例如8位），通过一个控制信号，将SIPO寄存器中的8位数据一次性加载到一个并行的输出寄存器中。
• 应用: 计算机的USB接口、串口（RS-232）等都依赖于串并转换。键盘、鼠标、扫描仪等设备通过USB（通用串行总线）将数据串行发送给计算机，计算机内部再将其转换为并行数据供CPU处理。

3. UART (通用异步收发器)#

UART是一种专门用于处理串行数据通信的接口设备。其内部核心就是移位寄存器。

• 发送部分: 使用一个PISO移位寄存器。微处理器将要发送的数据（并行）写入发送数据寄存器，然后UART将其加载到PISO寄存器中，并逐位（串行）发送出去。
• 接收部分: 使用一个SIPO移位寄存器。UART接收外部设备发来的串行数据，存入SIPO寄存器，当接收满一个字节后，再将其并行地提供给微处理器。

4. 键盘编码器 (Keyboard Encoder)#

• 扫描原理: 键盘内部是一个按键矩阵。编码器通过一个移位寄存器（通常配置成环形计数器）来轮流扫描矩阵的每一行。
• 工作过程:
  1. 初始化: 一个”0”被加载到环形计数器中（例如，11111110），其他位为”1”。
  2. 扫描: 在时钟驱动下，“0”在计数器中循环移动，从而依次选中（拉低）键盘矩阵的每一行。
  3. 按键检测: 如果有按键被按下，当该按键所在的行被扫描（变为低电平）时，与之相连的列线也会被拉低。
  4. 编码: 检测到低电平的列线地址（列码）和当前正在扫描的行地址（行码）组合在一起，就形成了该按键的唯一编码。

1. 约翰逊计数器 (Johnson Counter)#

• 结构: 将最后一个触发器的反向输出 (Q’) 连接回第一个触发器的输入 (D)。
• 特性:
  • 这是一个“扭环”计数器。
  • 对于一个 n 级的约翰逊计数器，它有 2n 个不同的状态。例如，一个4位的约翰逊计数器有 2 * 4 = 8 个状态。
  • 它的状态序列不是简单的二进制计数。从全0开始，它会先逐位填入1，直到全1，然后再逐位填入0，直到返回全0。

2. 环形计数器 (Ring Counter)#

• 结构: 将最后一个触发器的同向输出 (Q) 连接回第一个触发器的输入 (D)。
• 特性:
  • 通常需要一个预置脉冲（PRESET）来初始化，使其中一个触发器为1，其余为0。
  • 在时钟的驱动下，这个唯一的 “1” 会在寄存器中循环移动，就像一个光标。
  • 对于一个 n 级的环形计数器，它有 n 个不同的状态。
  • 它非常适合用于需要顺序激活多个设备或步骤的应用中（如键盘扫描）。