Introducción
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| "0" y "1", nuestros personajes. |
Un "registro de desplazamiento" es una configuración circuítal
muy utilizada, generalmente para convertir un flujo de datos en forma
serial a uno del tipo paralelo, motivo por el cual a menudo los chips
encargados de esta tarea son llamados "conversores serie-paralelo".
Funcionamiento
Por supuesto, es posible construir un registro de este tipo a partir
de componentes discretos, aunque en la practica resulta no solo
inapropiado por cuestiones de tamaño y velocidad, si no también
económicas, ya que un chip como los que mencionaremos en este texto rara
vez superan el valor de 1 u$s.
La mejor manera de entender conceptos nuevos es apoyándose en
analogías con temas que nos son familiares. En este caso no vamos a
hacer una excepción, por lo que utilizaremos como ejemplo el
funcionamiento de una cola, como la de un banco o supermercado.
Supongamos que dos tipos de personas pueden formar parte de una
cola. Estos dos tipos de personas son las que se ven en la figura
siguiente, y es imposible confundir una con otra. Es decir, siempre
estaremos seguros que en una posición determinada de la fila esta una u
otra persona. Las llamaremos "0" (el "gordito) y "1" (al mas flaco).
Aclaro que la elección de los personajes solo tiene que ver con el
parecido (?) con el 0 y el 1.
"0" y "1", nuestros personajes.
La cola que usaremos como ejemplo tiene 8 lugares, que hemos numerado del 0 al 7, pero nada impide trabaja con colas más largas, por lo que todo lo que se vea aquí, puede ser generalizado para colas de la longitud que se desee.
La cola utilizada como ejemplo tiene 8 posiciones.
Otra particularidad de nuestra hipotética cola es que nunca puede estar vacía. Todas sus posiciones tienen que estar ocupadas, ya sea por "gorditos" o "flacos". En el estado inicial, la cola se encuentra completamente llena de "gorditos", como se a continuación:
El estado inicial de la cola es este: completa de "gorditos".
Nuestra cola funciona como cualquier cola de la vida real: cuando alguien nuevo llega a la fila, se coloca en el lugar de mas atrás, que en este caso corresponde a la "posición 0". Como la cola tiene una longitud máxima (en nuestro ejemplo) de 8 posiciones, para hacer lugar al recién llegado, es necesario que todos los que estaban en la fila "avancen" una posición. El que estaba en la posición 0 pasa la 1, el que estaba en la 1 pasa a la 2, y así hasta llegar al que estaba en la posición 7, que "sale" por el extremo opuesto.
Llega un nuevo integrante a la cola....
...y ocupa el ultimo lugar, desplazando a todos los demás una posición. El primero "sale" de la fila.
Este es el estado final de nuestra fila, con el nuevo integrante en el último lugar.
Si continuaran ingresando personas en la fila, el proceso se repetiría con cada nuevo integrante que llegue. Como el que entra primero es el primero en salir, a este tipo de colas se las llama "FIFO", por First Input, First Output (Primero que entra, primero que sale).
Con todas estas cuestiones en mente podemos seguir avanzando en la
comprensión del funcionamiento de los registros de desplazamiento.
Supongamos que queremos que en la cola haya dos flacos en los primeros
lugares, luego un gordo, otra vez dos flacos, luego otro gordo por
ultimo dos flacos más (como siempre, 8 personas en total). Sabiendo que
cada personaje que ingresa en la cola "empuja" a todos una posición a la
derecha, si queremos que el que termine ocupando el extremo derecho de
la cola sea un flaco, ese será el que primero debe entrar. Siguiendo el
razonamiento anterior, los personajes deberían entrar en la fila en el
orden siguiente:
Los nuevos integrantes de la fila, esperando para ocupar su lugar.
Este es el estado final de nuestra fila, con los integrantes originales desplazados hacia la derecha.
Poniendo fin a nuestra analogía, tendríamos que los integrantes de esta hipotética cola son los "0"s y "1"s (o estados altos y bajos) de nuestros circuitos, es decir, nuestros datos. La cola en si es el registro de desplazamiento. Cuando decíamos que el estado inicial de la cola eran 8 gordos, estábamos queriendo decir que al alimentar nuestro circuito, todas las salidas estarán en "0" o estado bajo.
El reloj
Hay una salvedad, y es la existencia del "reloj". Efectivamente, en
un circuito real, los datos pasan al registro de desplazamiento con cada
pulso de reloj. Podemos pensar en este reloj como si se tratase de un
"maestro de ceremonias", que da una palmada cada vez que alguien debe
ingresar en la cola.
Muchos circuitos de registros de desplazamiento "reales" también
incluyen un sistema de RESET, que permite poner simultáneamente todas
las salidas en "0" o estado bajo, sin necesidad de ingresar 8 ceros
seguidos. Esto permite limpiar rápidamente el registro de
desplazamiento.
Cuando decimos "rápidamente" nos referimos a que como la
velocidad de los pulsos del reloj (CLOCK) no puede ser infinita
(típicamente el máximo ronda los 10 o 20 MHz) y cada dato demora el
tiempo de un pulso de reloj en desplazarse por el registro, introducir 8
"0"s llevaría 800 ns (100 ns * 8 bits), contra los 100 ns que demora en
aplicarse el RESET. No obstante, para obtener los tiempos exactos
implicados se debe consultar la hoja de datos del integrado que estemos
utilizando, ya que los limites varían incluso con la tensión de
alimentación y la temperatura.
El 74HC164N
Existen varios circuitos integrados que implementan un registro de desplazamiento en su interior, por ejemplo, el 74HC164N
El CD4094
Aunque similar al 74HC164N,
este integrado disponde de algunas caracteristicas que lo hacen más
interesantes en muchos casos. Consulta el tutorial correspondiente:Usando el CD4094 para manejar displays 7 segmentos.