Shift Register Nedir?

Bu içeriğimizde, Shift Register nedir? Sorusuna cevap arıyoruz. Sıralı (ardışıl) mantık devrelerinin en kritik elemanlarından biri olan kaydırmalı kaydediciler (shift registers); girişlerinden aldıkları dijital verileri depolar ve her saat döngüsünde (clock cycle) bu verileri bir sonraki aşamaya kaydırarak çıkışa doğru taşırlar.

Bir shift register, temel olarak saklanacak her bir veri biti için bir adet olmak üzere birbirine seri bağlanmış tek bitlik “D-Tipi Flip-Flop” hücrelerinden oluşur. Bu bağlantıda, bir flip-flop hücresinin çıkışı () bir sonraki hücrenin veri girişine () bağlanarak bir zincir oluşturulur. Veri bitleri, shift register içerisine sol ya da sağ yönden seri olarak (adım adım) aktarılabileceği gibi; paralel bağlantı mimarilerinde tüm bitler aynı anda (eşzamanlı) olarak da yüklenebilir.

Tek bir kaydırmalı kaydediciyi oluşturmak için gereken flip-flop hücresi sayısı, devrenin saklayabileceği toplam bit genişliğini belirler. Sektörde en yaygın kullanılan modeller genellikle sekiz adet flip-flop hücresinden oluşan 8-bit (bir bayt) genişliğindeki kaydedici entegreleridir.

Kaydırmalı kaydediciler (register), dijital sistemlerde verilerin geçici olarak depolanması, ötelenmesi ve dönüştürülmesi amacıyla kullanılır. Hesap makinelerinde ve bilgisayar mimarilerinde verileri seri formattan paralel formata (veya tam tersine) dönüştürmek amacıyla sıklıkla tercih edilirler. Kaydediciyi oluşturan tüm flip-flop hücreleri ortak bir saat sinyali () ile tetiklendiğinden, bu sistemler senkron olarak çalışır.

• Seri Giriş – Paralel Çıkış (SIPO – Serial-In Parallel-Out): Veriler kaydediciye seri olarak (her saat darbesinde tek bir bit) yüklenir. Kaydedilen tüm bitler çıkışlardan aynı anda paralel olarak okunabilir.
• Seri Giriş – Seri Çıkış (SISO – Serial-In Serial-Out): Veriler saat darbesi kontrolünde sağa ya da sola doğru seri olarak girer ve aynı şekilde tek bir çıkış hattından seri olarak dışarı kaydırılır.
• Paralel Giriş – Seri Çıkış (PISO – Parallel-In Serial-Out): Paralel haldeki veriler tek bir saat darbesiyle kaydediciye aynı anda yüklenir ve saat darbeleri eşliğinde tek bir çıkış hattından seri olarak dışarı aktarılır.
• Paralel Giriş – Paralel Çıkış (PIPO – Parallel-In Parallel-Out): Paralel veriler kaydedici girişlerine aynı anda uygulanır ve ortak saat darbesiyle eşzamanlı olarak çıkış hatlarına aktarılır.

Bir kaydırmalı kaydedici üzerinden soldan sağa doğru gerçekleşen veri hareketinin zamana bağlı değişimi grafiksel olarak şu şekilde gösterilebilir:

Verilerin kaydedici içerisindeki hareket yönü tasarıma göre soldan sağa, sağdan sola veya çift yönlü (bidirectional) olacak şekilde ayarlanabilir. Yukarıdaki görselde tüm verilerin sağa doğru kaydırıldığı varsayılmıştır.

Seri Girişten Paralel Çıkışa (SIPO)

4 Bitli Seri Girişten Paralel Çıkışa Shift Register

Tüm flip-flop hücrelerinin ( ile arası) başlangıçta sıfırlandığını (Clear sinyaliyle) ve tüm – çıkışlarının lojik “0” seviyesinde olduğunu, yani çıkışta henüz paralel veri bulunmadığını varsayalım.

İlk flip-flop’un () veri girişine lojik “1” uygulandığında; gelen ilk saat darbesiyle ‘nın çıkışı (dolayısıyla ) lojik “1” (yüksek) seviyesine ayarlanırken, diğer tüm çıkışlar lojik “0” (düşük) konumunu korumaya devam eder.

Bu çalışma şekliyle, seri olarak giren veri işareti paralel çıkış formatına dönüştürülmüş olur. Doğruluk tablosu ve aşağıdaki dalga formları, lojik “1” seviyesinin saat darbeleriyle soldan sağa doğru kaydedici aşamalarında nasıl yayıldığını göstermektedir:

Shift Register Nedir? Temel Veri Hareketi

Dördüncü saat darbesinin ardından, giren 4-bitlik verinin (0-0-0-1) kaydedici hafızasında saklandığını ve yeni bir saat sinyali gelene kadar bu konumda kilitli kalacağını gözlemleyebiliriz. Pratikte kaydediciye aktarılan seri veriler lojik “1” ve lojik “0” seviyelerinin farklı kombinasyonlarından oluşabilir. Piyasada en sık karşılaşılan SIPO entegrelerine örnek olarak 8-bitlik 74LS164 veya 74LS594 gösterilebilir.

Seri Girişten Seri Çıkışa (SISO)

Bu kaydırmalı kaydedici mimarisi yapısal olarak SIPO modeline oldukça benzer. Ancak bu tasarımda veriler ara flip-flop çıkışlarından ( – ) paralel olarak okunmaz; bunun yerine verilerin kaydedici boyunca kaydırılarak en sondaki flip-flop çıkışından tek bir hat üzerinden dışarı aktarılması sağlanır. Tek bir çıkış hattı bulunduğundan, kaydedici içerisindeki veri bitleri her saat darbesinde sırayla (seri olarak) dışarı atılır.

4 Bitli Seri Girişten Seri Çıkışa Shift Register

Giriş ve çıkış verilerinin lojik olarak birebir aynı olması durumunda bir SISO kaydedicinin ne amaçla kullanılacağını düşünebilirsiniz. Bu tip kaydediciler, dijital sistemlerde geçici birer veri depolama birimi veya veri hatları için hassas birer **zaman geciktirici (time delay)** olarak görev yaparlar. Elde edilen gecikme süresi, kaydedicinin sahip olduğu aşama sayısına (4, 8, 16 vb.) ve uygulanan saat darbelerinin periyoduna bağlı olarak kolayca kontrol edilebilir. CD4031 veya 74HC595 gibi popüler 8-bitlik entegreler bu alanda sıklıkla tercih edilmektedir.

Paralel Girişten Seri Çıkışa (PISO)

PISO kaydırmalı kaydediciler, çalışma prensibi olarak SIPO modelinin tam tersi bir işlev sergiler. Veriler, paralel giriş hatları vasıtasıyla tüm flip-flop hücrelerine aynı anda (eşzamanlı) yüklenir. Ardından, standart sağa kaydırma modunda çalıştırılarak, kaydedilen veriler tek bir çıkış hattı üzerinden her saat darbesinde sırayla dışarı okunur.

4 Bitli Paralel Girişten Seri Çıkışa Shift Register

Bu tür kaydediciler, 8-bitlik bir veri veri kelimesi (data word) gibi paralel haldeki geniş verileri tek bir seri veri hattına dönüştürdüğü için mikrodenetleyicilerde pin tasarrufu sağlamak amacıyla yaygın şekilde kullanılır. Birçok sensör hattını tek bir iletişim hattı üzerinden iletilebilen seri veri akışına çoğullamak (multiplexing) için idealdir. Piyasada yaygın olarak bulunan PISO entegrelerine örnek olarak 8-bitlik 74HC166 paralel giriş/seri çıkış kaydedicisi gösterilebilir.

Paralel Girişten Paralel Çıkışa (PIPO)

4 Bitli Paralel Girişten Paralel Çıkışa Shift Register

PIPO kaydediciler, dört temel konfigürasyon içerisindeki en basit olanıdır. Temel olarak paralel veri girişleri (), paralel veri çıkışları () ve ortak saat tetikleme sinyalinden () oluşur. Herhangi bir dahili kaydırma hattı barındırmayabilir; gelen verileri saat darbesiyle doğrudan çıkışa kilitler.

Shift Register Özeti

• Basit bir kaydırmalı kaydedici, her bir veri biti için bir adet D-tipi flip-flop hücresi kullanılarak tasarlanabilir.
• Her bir flip-flop hücresinin çıkışı (), sağındaki flip-flop hücresinin veri girişine () bağlanır.
• Kaydırmalı kaydediciler, belleklerindeki verileri her saat darbesinde bir sonraki aşamaya öteler veya kaydırır.
• Her saat darbesi, kaydedici içeriğini bir bitlik konum kadar sola veya sağa kaydırır.
• Veri bitleri seri giriş (SI) mimarisiyle adım adım yüklenebileceği gibi, paralel giriş (PI) mimarisiyle tek seferde eşzamanlı olarak da yüklenebilir.

Kaydırmalı kaydediciler dijital tasarımın ve çevre birim haberleşmesinin en temel yapı taşlarından biridir. Bu konudaki teorik bilginizi pratik uygulamalarla pekiştirmek için Arduino ile shift register kullanımı rehberimizi inceleyebilir ve kendi deneme devrelerinizi kurarak tecrübe kazanabilirsiniz.