Armazenamento e deslocamento com registradores

Um registrador amplia a memória de um flip-flop D: ele reúne vários flip-flops para armazenar uma palavra binária. Cada flip-flop é um estágio e guarda exatamente um bit.

Assim, um registrador de 4 bits tem quatro estágios e pode armazenar uma palavra com quatro posições. As saídas desses estágios são observadas em paralelo, uma por bit.

Vamos adotar uma convenção única neste tutorial: a palavra armazenada é lida como Q3Q2Q1Q0.

• Q3 é a posição mais à esquerda e o bit mais significativo.
• Q0 é a posição mais à direita e o bit menos significativo.
• Cada entrada corresponde à saída do mesmo índice: D3 → Q3, D2 → Q2, D1 → Q1 e D0 → Q0.

Por exemplo, se as saídas forem Q3=1, Q2=0, Q1=1 e Q0=0, a palavra lida será 1010.

Um registrador de 4 bits recebe uma palavra inteira pelas entradas D3D2D1D0. Na convenção deste tutorial, todos os quatro flip-flops capturam suas entradas na borda de subida do mesmo clock.

Se, imediatamente antes da borda, as entradas forem D3D2D1D0 = 1011, após a estabilização das saídas o registrador apresentará Q3Q2Q1Q0 = 1011. A carga é paralela: os quatro bits são capturados no mesmo evento de clock, não um por vez.

Fora da borda ativa, mudanças em D3D2D1D0 não alteram imediatamente Q3Q2Q1Q0. O registrador continua exibindo a última palavra capturada.

Para todos os exemplos e exercícios deste tutorial, considere:

• a borda ativa é a de subida;
• controles assíncronos estão inativos;
• as saídas são observadas após o atraso clock–Q, quando já estabilizaram;
• cada entrada D respeita setup e hold em torno da borda.

A análise temporal estudada anteriormente vale para cada bit da palavra. Aqui, vamos supor que essas condições são atendidas.

Estado inicial armazenado: Q3Q2Q1Q0 = 0101.

Acompanhe as entradas e as bordas de subida. A coluna Q mostra o conteúdo observado após a estabilização das saídas.

Um registrador de 4 bits inicia com Q3Q2Q1Q0 = 0110.

1. As entradas passam a 1001; ocorre uma borda de subida.
2. Depois, as entradas mudam para 0101, mas não ocorre borda.
3. Por fim, as entradas passam a 1110 e ocorre outra borda de subida.

Após a estabilização das saídas da segunda borda, complete Q3Q2Q1Q0: ____.

Um registrador de 4 bits pode receber uma habilitação de carga comum, indicada aqui por EN. Nesta convenção, EN = 1 permite carregar uma nova palavra na próxima borda de subida; EN = 0 manda manter a palavra já armazenada.

A habilitação não altera o fato de que todos os quatro flip-flops usam o mesmo clock. Ela apenas decide qual valor chegará à entrada D de cada flip-flop antes da borda.

Cada bit usa um multiplexador de duas entradas antes do seu flip-flop D:

• Com EN = 1, o multiplexador seleciona o dado paralelo novo. Na borda de subida, todos os bits são capturados.
• Com EN = 0, ele seleciona a própria saída Q realimentada. Assim, para cada estágio, D recebe o mesmo valor que Q já possui. A próxima borda recaptura o mesmo valor.

Portanto, “manter” não significa parar o clock: significa selecionar o caminho de realimentação.

A habilitação e os dados precisam estar estáveis nas janelas de setup e hold do flip-flop. Se EN mudar perto demais da borda, não é garantido qual caminho do multiplexador será capturado.

Também não use uma porta combinacional para bloquear o clock nem gere pulsos de clock improvisados. Isso pode criar bordas indesejadas ou pulsos estreitos. Nesta estrutura, o clock comum permanece ativo; a seleção ocorre no caminho de dados.

Para preservar uma palavra quando EN = 0, qual caminho deve o multiplexador selecionar para a entrada D de cada flip-flop?

Um registrador inicia com Q3Q2Q1Q0 = 1100. Em duas bordas de subida consecutivas, as condições estáveis antes de cada borda são:

1. EN = 1 e entrada paralela = 0011
2. EN = 0 e entrada paralela = 1111

Qual será o conteúdo Q3Q2Q1Q0 após a segunda borda?

Um registrador que recebe bits em sequência

Um registrador de deslocamento é formado por flip-flops com clock comum, mas suas conexões de dados são encadeadas. Em vez de cada estágio receber um bit independente, a saída de um estágio alimenta a entrada D do estágio seguinte.

Neste tutorial, usaremos sempre esta convenção de quatro estágios:

• a entrada serial chega ao estágio Q0;
• o percurso interno é Q0 → Q1 → Q2 → Q3;
• a saída serial é observada em Q3.

Em uma borda ativa, cada estágio captura o valor que estava disponível em sua entrada D. Assim, um bit inserido serialmente começa em Q0 e avança um estágio por borda. O traçado detalhado desses estados será feito no próximo step.

Percurso não é ordem de escrita

O bit percorre os estágios no sentido Q0 → Q1 → Q2 → Q3. Porém, quando representamos o conteúdo completo do registrador, adotamos a escrita:

Q3Q2Q1Q0

Portanto, a posição mais à esquerda da palavra escrita é Q3, embora a entrada serial esteja em Q0.

Exemplo: se as saídas forem Q3 = 1, Q2 = 0, Q1 = 1 e Q0 = 0, a palavra armazenada será 1010. Isso não informa, por si só, qual foi o primeiro bit enviado; informa apenas o conteúdo atual de cada estágio.

Associe cada acesso à sua função no registrador de deslocamento mostrado.

Uma borda move cada bit uma posição

No registrador de deslocamento deste tutorial, o bit serial entra em Q0 e segue o percurso Q0 → Q1 → Q2 → Q3. Em uma borda de subida válida, todos os flip-flops capturam seus novos valores ao mesmo tempo.

Para obter o estado seguinte, use os valores existentes antes da borda:

• Q0 recebe o bit serial S;
• Q1 recebe o valor anterior de Q0;
• Q2 recebe o valor anterior de Q1;
• Q3 recebe o valor anterior de Q2.

Assim, um bit avança somente um estágio por borda. As saídas devem ser lidas após a estabilização causada pelo atraso clock–Q.

O primeiro bit enviado entra em Q0 e não aparece imediatamente em Q3. Após três bordas, a palavra paralela é 0101: os bits enviados mais cedo ocuparam posições mais altas na palavra.

Agora faça um traçado sem consultar estados prontos.

Estado inicial: Q3Q2Q1Q0 = 1010.

Antes de três bordas de subida consecutivas, aplique os bits seriais nesta ordem: 0, depois 1, depois 1. Complete cada estado após sua respectiva borda. Para cada resposta, use o estado obtido na borda anterior.

Um registrador de deslocamento não deve ser considerado iniciado em 0000 apenas porque foi ligado. Para prever seus bits, declare um estado inicial conhecido — por exemplo, estabelecido por reset ou carga paralela — ou aplique bits conhecidos em quantidade suficiente para substituir todo o conteúdo anterior.

Considere uma cadeia com N estágios, entrada serial no primeiro estágio e saída serial no último. Envie M bits consecutivos e conte a primeira captura como borda 1.

• A sequência terminou de entrar após M bordas: nessa borda, seu último bit é capturado no primeiro estágio.
• Para esse último bit alcançar a saída serial, ele ainda precisa avançar pelos outros N − 1 estágios.
• Portanto, ele pode ser observado na saída, após a estabilização, na borda total M + N − 1.

A observação após a borda não significa que outro circuito capturou esse valor naquela mesma borda.

Uma cadeia de 5 estágios começa em estado desconhecido. Serão enviados os quatro bits conhecidos 1, 0, 1, 1 e, na borda seguinte, um bit de preenchimento conhecido igual a 0. Determine quantas bordas são necessárias para garantir que todos os estágios tenham sido sobrescritos por dados conhecidos.

Agora considere a mesma cadeia de 5 estágios. A sequência 1, 0, 1, 1 ocupa as quatro primeiras bordas; portanto, o último 1 entra no primeiro estágio na borda 4. Depois dela, aplique quatro zeros como preenchimento para continuar deslocando esse último 1 até a saída serial.

Antes de calcular, confira cinco pontos:

1. Qual é o estado inicial, na ordem Q3Q2Q1Q0?
2. A borda ativa é a de subida?
3. Em carga paralela, a habilitação está em 1 para carregar ou em 0 para manter?
4. Em deslocamento, o bit entra em Q0 e percorre Q0 → Q1 → Q2 → Q3?
5. O estado é observado somente depois da estabilização das saídas?

Essa conferência evita dois erros frequentes: carregar uma entrada quando EN manda preservar e usar um valor recém-atualizado para mover um bit por mais de um estágio na mesma borda.

Caso A — carga paralela com habilitação

Um registrador de quatro bits começa em Q3Q2Q1Q0 = 0101. Os controles assíncronos estão inativos.

Antes da primeira borda de subida: D3D2D1D0 = 1100 e EN = 1.

Antes da segunda borda de subida: as entradas mudaram para 0011, mas EN = 0.

Preveja os dois estados. Lembre-se: EN = 0 seleciona a realimentação de Q para D em cada estágio.

Caso B — transferência serial

Um registrador de deslocamento de quatro estágios foi inicializado em 0000. A entrada serial chega em Q0, o percurso é Q0 → Q1 → Q2 → Q3 e a saída serial é Q3.

Aplique os bits seriais 1, 0, 1, 1, nessa ordem, um imediatamente antes das bordas 1 a 4. Para continuar deslocando depois disso, aplique 0 como preenchimento antes das bordas seguintes.

Em toda borda, cada estágio captura o valor que seu antecessor tinha antes daquela borda.