CAPÍTULO 3 CIRCUITOS SEQUENCIAIS I: REGISTRADORES

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1 37 CAPÍTULO 3 CIRCUITOS SEQUENCIAIS I: REGISTRADORES Sumário 3.1. Introdução Transferência Serial de Dados: Registradores de Deslocamento (Reg. ESSS) Transferência Dados Registrador Transferência Registrador Registrador Outros Registradores de Deslocamento Transferência Paralela de Dados (Reg. EPSP) Transferência Dados Registrador Transferência Registrador Registrador Transferência Serial x Paralela Configurações Híbridas (Reg. ESSP e EPSS) Registrador ESSP Registrador EPSS Exercícios de Fixação... 48

2 38 CAPÍTULO 3 CIRCUITOS SEQUENCIAIS I: REGISTRADORES A partir de agora, estudaremos algumas aplicações de flip-flops, ou elementos de memória, em circuitos sequenciais. O primeiro estudo a ser realizado é a de Circuitos Registradores, que nada mais são que circuitos capazes de armazenar dados binários. Após esse capítulo você deverá ser capaz de: (1) Entender o funcionamento de circuitos registradores e suas topologias; (2) Projetar um registrador a partir das especificações necessárias; e (3) Entender basicamente a estrutura de sistemas de transmissão que utilizam registradores.

3 Introdução O uso mais comum de flip-flops é no armazenamento de dados binários, números BCD, etc. Esses dados são geralmente armazenados em grupos de flip-flops denominados registradores. Basicamente, um registrador consiste em um grupo de FF tipo D que atua no armazenamento de dados binários, pois um FF tem a capacidade de armazenar somente um bit, e de realizar a transferência dele. A figura 3.1 ilustra o uso de um FF tipo D no armazenamento de um dado de um bit: Figura 3.1 Flip-flop tipo D utilizado no armazenamento de um bit. Podemos observar que o valor lógico que está atualmente presente em A é transferido para o FF B na transição negativa do pulso transfer. Portanto, após esta transição, a saída B terá o mesmo valor de A. Estudaremos apenas aplicações envolvendo FF tipo D, porém outros FF podem ser utilizados, desde que sejam analisadas suas características.

4 Transferência Serial de Dados: Registradores de Deslocamento (Reg. ESSS) O grupo de FF é organizado de modo que os números binários a serem armazenados sejam deslocados de um FF para o FF seguinte, a cada pulso de clock Transferência Dados Registrador Consiste em inserir dados na entrada do registrador, respeitando o número de bits, e efetuar o número de pulsos de clock necessários para que todo o dado seja inserido no registrador. A figura 3.2 mostra um registrador ESSS de 4 bits, um FF para cada bit a ser armazenado. Figura 3.2 Registrador ESSS de 4 bits. Observe que os FF estão conectados de tal modo que o valor da saída X 3 é transferido para X 2, o de X 2 é transferido para X 1 e o de X 1 para X 0. Isto significa que, quando ocorre uma transição negativa do pulso de deslocamento, cada FF assume o valor armazenado anteriormente pelo FF que está à sua esquerda. Exemplo: Possuindo o dado 110 2, escreva a tabela verdade da transferência de dados para o registrador da figura abaixo, considerando que inicialmente ele foi limpo.

5 41 Q1 Q3 CLK D1 D2 D3 Q2 (LSB) (MSB) X Dado armazenado no registrador Transferência Registrador Registrador A figura 3.3 mostra dois registradores de deslocamento de três bits conectados de tal modo que o conteúdo do registrador X seja transferido serialmente (deslocado) para o registrador Y. Portanto, quando os pulsos de deslocamento são aplicados, a transferência de informação ocorre da seguinte forma: X 2 X 1 X 0 Y 2 Y 1 Y 0. Figura 3.3 Registradores de ESSS conectados em série. Supondo que inicialmente temos o dado armazenado no registrador X e que o registrador Y foi limpo, temos a tabela verdade da figura 3.4.

6 42 Figura 3.4 Tabela verdade do registrador da figura 3.3 A partir dessa tabela podemos concluir que: - Na transição negativa de cada pulso, cada FF assume o valor que foi armazenado no FF à sua esquerda, antes da ocorrência do pulso. - Após 3 pulsos, todo o conteúdo presente no registrador X está presente no registrador Y, portanto, a transferência completa de 3 bits necessita de 3 pulsos de deslocamento. Exemplo: Considerando os mesmos registradores X e Y anteriores, determine o que ocorreria após o sexto pulso de deslocamento aplicado a eles. Construa uma tabela verdade dessa transferência Outros Registradores de Deslocamento Existem algumas aplicações para os registradores de deslocamento, são elas o Registrador de Deslocamento Circulante (RDC) e o Registrador Bi-Direcional (RBD).

7 Transferência Paralela de Dados (Reg. EPSP) O grupo de FF é organizado de maneira que o dado binário a ser armazenado seja transferido simultaneamente para todos os FF, com a aplicação de apenas 1 pulso de transferência ou clock Transferência Dados Registrador Consiste em inserir o dado a ser armazenado diretamente na entrada do registrador, efetuando-se 1 pulso de transferência, como mostra a figura 3.5: Figura 3.5 Registrador EPSP de 3 bits. Podemos observar que após 1 pulso de transferência, temos todo o conteúdo foi armazenado no registrador, pois todo o dado foi transferido simultaneamente Transferência Registrador Registrador A figura 3.6 mostra dois registradores, X e Y, interligados para executar uma transferência paralela de dados, ou seja, após a aplicação de 1 pulso de transferência, todo o conteúdo de X é armazenado também em Y.

8 44 Figura 3.6 Registradores EPSP conectados em série. É importante destacar que a transferência paralela de dados entre registradores não altera o conteúdo da fonte, enquanto na transferência serial altera gradativamente o valor do registrador que atua como fonte de dados.

9 Transferência Serial x Paralela A escolha de um tipo particular de transferência, serial ou paralela, depende da aplicação e das especificações fornecidas. Abaixo temos uma tabela comparativa, que mostra as duas principais diferenças entre a transferência paralela e serial de dados: PARALELA SERIAL 1) Todas as informações são transferidas simultaneamente na ocorrência de um único pulso de transferência, não importando o número de bits que estejam sendo transferidos MAIOR VELOCIDADE. 1) A transferência completa de N bits, necessita de N pulsos de clock MENOR VELOCIDADE. 2) Requer um maior número de conexões entre TX e RX MAIOR CUSTO. 2) Necessita de apenas uma conexão entre TX e RX MENOR CUSTO. Geralmente, uma combinação dos dois tipos é utilizada para tirar proveito da velocidade da transferência paralela e da economia e simplicidade da transmissão serial, e essa combinação depende da aplicação e das especificações fornecidas para o sistema, daí surgem outros dois tipos de registradores: Entrada Serial e Saída Paralela (ESSP) e Entrada Paralela e Saída Serial (EPSS), que derivam das estruturas básicas ESSS e EPSP estudadas anteriormente.

10 Configurações Híbridas (Reg. ESSP e EPSS) Registrador ESSP O próprio Registrador de Deslocamento (ESSS) pode ser utilizado para converter uma informação série em paralela, ou seja, funcionar como um conversor Série Paralelo, bastando retirar a informação armazenada no registrador de modo simultâneo. A configuração básica nessa situação, para uma informação de 3 bits é vista no circuito apresentado na figura 3.7: Figura 3.7 Registrador ESSP Registrador EPSS Para entrarmos com uma informação paralela e obtê-la de modo serial, necessitamos de FF que contenham as entradas Preset e Clear, pois é através destas que fazemos com que o registrador armazene a informação paralela. O registrador com estas entradas é visto na figura 3.8: Figura 3.8 Registrador EPSS.

11 47 Primeiramente, vamos estudar o funcionamento da entrada ENABLE. Quando a entrada ENABLE estiver em 0, as entradas PRE dos FF assumirão, respectivamente, níveis 1, fazendo com que o registrador atue normalmente. Quando a entrada ENABLE assumir valor igual a 1, as entradas PRE dos FF assumirão os valores complementares das entradas paralelas conectadas à elas, logo, os FF assumirão os valores que estiverem, respectivamente nessas entradas. Para um melhor entendimento. Vamos analisar uma célula do registrador, apresentada na figura 3.9: Para que esse conversor funcione, é necessário inicialmente um pulso de nível 0 na entrada CLEAR dos FF. Com ENABLE = 0, a entrada PRE assumirá nível 1 e o FF irá funcionar como um registrador de deslocamento comum (ESSS). Com ENABLE = 1 e D in = 0, PRE assumirá nível 1, logo, a saída Q manterá seu estado anterior (que era 0). Figura 3.9 Célula do registrador EPSS. Com ENABLE = 0 e D in = 1, PRE assumirá nível 0, logo a saída Q assumirá valor 1. Após essa análise, concluímos que, se zerarmos o registrador e logo após introduzirmos a informação paralela, as saídas Q dos FF assumirão os valores inseridos respectivamente nessas entradas. Depois de inserida paralelamente essa informação, basta colocarmos ENABLE = 0 novamente e prosseguir como um registrador de deslocamento comum. Com esse conjunto obtivemos um registrador com Entrada Paralela e Saída Serial (EPSS).

12 Exercícios de Fixação 1) Implemente um registrador ESSS de 4 bits com reset automático. 2) Implemente um registrador EPSP de 4 bits com reset automático ao ser ligado e reset controlado por uma variável externa. 3) Implemente um registrador EPSS de 3 bits e explique o processo de armazenamento de dados paralelos nesse tipo de registrador. 4) Implemente um registrador ESSS de 1 byte, sendo o dígito mais significativo armazenado no último flip-flop. Construa a tabela verdade de transferência para a palavra A7 h. 5) Cite a diferença entre transmissão serial e paralela de dados. 6) Implemente um registrador de 6 bits, ESSS, que possui o dado X na entrada do primeiro flip-flop e indique o valor armazenado (em função de X) após 4 pulsos de clock, sabendo que ele foi previamente limpo e que o primeiro flip-flop armazena o dígito menos significativo. 7) Implemente um registrador bi-direcional de 4 bits. 8) Implemente o sistema de armazenamento e transmissão abaixo:

13 49 9) Analisando o circuito a seguir, a partir do momento em que ele é ligado, construa uma tabela verdade contendo 6 pulsos de clock e explique o que ocorre matematicamente com as saídas a cada pulso de clock. 10) Em certo sistema de armazenamento e transmissão de dados, necessita-se combinar os tipos de transmissão e armazenamento segundo o diagrama de blocos abaixo. Implemente esse sistema.