범용 시프트 레지스터: 양방향 시프트 제어가 가능한 병렬 입/출력

개요

병렬 입/출력 시프트 레지스터는 데이터를 병렬로 입력받아 시프팅한 후, 시프트된 결과를 병렬로 출력합니다. 범용 시프트 레지스터는 여기에 병렬 로드, 직렬 시프팅, 방향 및 홀드 모드 등의 추가 제어 옵션을 지원하여 기능을 확장합니다.

위 그림에서 4비트 데이터가 병렬 입력 D_A D_B D_C D_D에 인가됩니다. 모드 제어 신호에 따라 데이터가 병렬로 로드되거나 클럭 펄스당 한 위치씩 시프트됩니다.

많은 장치에서 동일한 제어 라인으로 시프트 방향을 선택합니다. 각 클럭 천이마다 데이터가 1비트 이동하며, 시프트된 출력은 Q_A Q_B Q_C Q_D에서 사용할 수 있습니다. '데이터 입력'과 '데이터 출력' 핀을 통해 여러 레지스터를 캐스케이드할 수 있습니다.

다이어그램은 우측 시프트 캐스케이드만 보여주지만, 좌측을 향한 두 번째 '데이터 입력/출력' 핀 쌍을 추가하면 좌측 시프트 캐스케이드도 가능합니다.

내부 구조

우측 시프팅 병렬 입/출력 시프트 레지스터의 내부 구조는 아래와 같습니다. 트라이스테이트 버퍼는 선택 사항이지만 상용 부품에서 흔히 볼 수 있습니다.

74LS395는 위 개념 다이어그램과 거의 일치하는 대표적인 예입니다. 요약된 데이터시트 정보는 다음과 같습니다(전체 데이터시트는 뒷장에서 링크).

LD/SH'은 병렬 로드와 직렬 시프트 사이를 선택하는 멀티플렉서를 제어합니다. LD/SH' = 1일 때, 상위 4개 AND 게이트가 병렬 입력 D_A D_B D_C D_D를 4개 플립플롭으로 진입시킵니다. 클럭 입력이 반전되어 있어, 데이터는 네거티브 에지에서 래치됩니다.

레지스터가 로드된 후 LD/SH' = 0으로 설정하면 시프트 경로가 활성화되어, 각 네거티브 에지 클럭마다 내용이 오른쪽으로 1비트 이동합니다. 4번 클럭 후 데이터는 레지스터를 빠져나가지만, Q_D'를 다른 장치의 직렬 입력으로 캐스케이드하면 계속 유지됩니다.

위 다이어그램은 Q_A Q_B Q_C Q_D에 로드된 데이터 패턴이 오른쪽으로 1비트 시프트되는 것을 보여줍니다. 입력 비트는 알 수 없음(X로 표시)으로, SER 핀을 접지하면 입력 로직 레벨이 명확해집니다.

두 번의 클럭 시프팅(2비트 시프트)은 다음 그림에 나와 있습니다.

이 회로도 참조는 필수 기능이 이후 더 상세한 그림에서 이미 다루어졌기 때문에 간결하게 유지됩니다.

좌측 시프트 구성

좌측 시프트 구성에서는 플립플롭을 재배선하여 직렬 입력(SI)과 직렬 출력(SO) 핀을 교환해야 합니다. 데이터 경로는 SI → Q_C → Q_B → Q_A → SO가 되어, 우측 시프트 시퀀스의 역순이 됩니다.

상용 장치는 일반적으로 제어 라인(L/R)을 추가하여 양방향 시프팅을 구현합니다. 다음 회로도는 L/R 신호에 따라 좌측 또는 우측으로 시프트할 수 있는 가상의 레지스터를 보여줍니다.

L/R = 1일 때 멀티플렉서는 우측 시프트 경로를 활성화하고, L/R = 0일 때 좌측 시프트 경로를 선택합니다. 직렬 데이터 입력(SR: 우측, SL: 좌측)이 첫 번째 플립플롭으로 공급되고, 직렬 출력(SR 캐스케이드 또는 SL 캐스케이드)이 레지스터를 빠져나가는 데이터를 제공합니다.

병렬 로드와 양방향 시프트 결합

병렬 로드와 양방향 시프팅을 결합하기 위해 세 번째 제어 라인(SH/LD')이 도입됩니다. SH/LD' = 0일 때, 로드 멀티플렉서는 병렬 입력 D_A D_B D_C를 다음 클럭에서 플립플롭으로 전달합니다. SH/LD' = 1로 설정하면 로드 경로가 비활성화되고 L/R에 의해 결정되는 시프트 제어가 다시 활성화됩니다.

74ALS299 같은 상용 구현체는 홀드 모드(S1 S0 = 00)를 지원하기 위해 추가 AND 게이트를 포함합니다. 이 모드에서는 각 클럭마다 출력이 지속적으로 재로드되어 저장된 데이터가 보존됩니다.

다음 섹션에서 74ALS299 회로도를 확인하세요.

병렬 입/출력 및 범용 장치

텍사스 인스트루먼트는 다양한 직렬 입력/병렬 출력 시프트 레지스터를 제공합니다. 전체 데이터시트는 아래 링크를 참조하세요.

• SN74LS395A – 4비트 병렬 입/출력 시프트 레지스터
• SN74ALS299 – 8비트 병렬 입/출력 범용 시프트 레지스터

위 그림은 SN74LS395A의 내부 회로도입니다. ANSI 심볼은 다음 그림에 나와 있습니다.

4비트 장치는 16핀 DIP 패키지의 제약으로 인해 4개의 데이터 핀, 제어 핀, 전원 핀을 모두 수용해야 하므로 제한적입니다.

주요 제어 신호

• CLR' – 모든 단계에 대한 액티브 로우 리셋
• OC' – 4개 트라이스테이트 출력 버퍼에 대한 액티브 로우 인에이블
• LD/SH' – 병렬 로드(M1)와 직렬 시프트(M2) 사이를 멀티플렉싱
• C3/2 – 네거티브 에지 클럭으로, 병렬 데이터(3 접두사 신호)와 직렬 데이터(2 접두사 신호) 모두를 클럭킹

트라이스테이트 버퍼는 EN4 신호로 제어되며(로우 시 모든 4개 버퍼 인에이블), Q_D'가 다른 장치의 SER 핀으로 캐스케이드되면 여러 레지스터를 통해 데이터를 시프트할 수 있습니다.

위 표는 74ALS299 데이터시트에서 가져온 것으로, 8비트 범용 시프트 레지스터의 동작을 요약합니다. 모드 입력 S1과 S0이 4가지 기능 중 하나를 선택합니다:

• 01 – 좌측 시프트
• 10 – 우측 시프트
• 11 – 병렬 로드
• 00 – 홀드 (각 클럭마다 출력을 지속적으로 재로드하여 저장된 데이터 보존)

홀드 모드에서 데이터 버스는 트라이스테이트되어 외부 장치가 버스를 구동할 수 있게 하면서 레지스터는 내용을 보존합니다.

S1 S0 = 00, 01, 또는 10이고 출력 인에이블 신호 OE2', OE1'이 로우일 때, 시프트 레지스터의 출력이 버스로 구동됩니다.

우측 시프트 시퀀스(S1 S0 = 10): SR → Q_A → Q_B → Q_C → Q_D → Q_E → Q_F → Q_G → Q_H (Q_H').

좌측 시프트 시퀀스(S1 S0 = 01): (Q_A') → Q_A ← Q_B ← Q_C ← Q_D ← Q_E ← Q_F ← Q_G ← Q_H (Q_SL').

트라이스테이트 버퍼는 OE2' 또는 OE1' 중 하나를 어서트하여 비활성화할 수 있으며, 내부 레지스터 내용은 변경되지 않지만 출력 핀에 나타나지 않습니다.

주석이 달린 ANSI 심볼은 데이터시트에서 사용되는 명명 규칙을 명확히 합니다. 모드 비트 S0 S1이 위 표와 역순으로 나열되어 있다는 점에 유의하세요. 이는 공식 문서의 특이사항입니다.

실용적인 응용 분야

다음 예제는 범용 시프트 레지스터가 원격 키패드와 LED 디스플레이를 알람 시스템용 단일 장치로 통합하는 방법을 보여줍니다.

다이어그램에서 키패드와 디스플레이는 같은 인클로저 내에 있습니다. 키보드 데이터는 단일 클럭 펄스에 병렬 로드된 후 메인 알람 박스로 직렬 시프트됩니다. 동시에 메인 박스에서 온 LED 데이터가 직렬로 레지스터에 로드되어 LED를 구동합니다.

8개의 LED와 전류 제한 저항이 SN74ALS299의 8개 I/O 핀에 연결됩니다. LED는 모드 3(S1=0, S0=0)에서만 구동 가능하며, 이때 트라이스테이트 인에이블 OE1'과 OE2'가 접지되어 모드 0, 1, 2에서 출력이 영구적으로 인에이블됩니다. 시프트 중 플리커가 바람직하지 않다면 인에이블을 모드 비트에 연결하여 홀드 모드에서만 LED가 켜지도록 할 수 있습니다.

병렬 로드 시 S0 = 1(인버전 후 로직 0)로 설정하면 트라이스테이트 버퍼가 스위치 접점을 접지로 당깁니다. 열린 접점은 저항-LED 네트워크에 의해 하이로 풀업되어 키가 눌리지 않았을 때 명확한 로직 하이를 생성합니다.

t0 시점에서 S0과 S1이 모두 하이이면 스위치 데이터가 레지스터에 로드됩니다. 이후 8번의 클럭 펄스(t0~t8)로 스위치 클로저 데이터가 Q_H'를 통해 시프트 아웃되는 동안, 새로운 LED 데이터가 레지스터의 SR로 시프트 인됩니다.

8번째 시프트(t8) 후 S1이 로우가 되어 레지스터가 홀드 모드(S1 S0 = 00)에 진입합니다. 저장된 데이터는 추가 클럭이 인가되어도 안정적으로 유지됩니다.

클럭 생성은 속도가 100kHz 미만이면 마이크로컨트롤러로 처리 가능하며, 더 높은 주파수에서는 전용 로직으로 필요한 클럭과 모드 신호를 생성할 수 있습니다.

관련 워크시트

• 시프트 레지스터 워크시트