寄存器和移位寄存器
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寄存器的原理
寄存器的原理寄存器是用来存放二进制数码的逻辑部件，在计算机和数字电路中应用广泛。
寄存器存放数码的方式有并行和串行两种。
并行方式是数码各位从各对应位输入端同时输入到寄存器中；串行方式是数码从一个输入端逐位输入到寄存器中。
寄存器取出数码的方式也有并行和串行两种。
并行方式是指被取出的数码在各对应位输出端上同时出现；串行方式是指被取出的数码在一个输出端上逐位出现。
寄存器分数码寄存器和移位寄存器两种。
一、数码寄存器这种寄存器只有寄存数码和清除原有数码的功能。
寄存器由触发器组成。
由于一个触发器可以存储1位二进制数，因而要存储几位二进制数就需要几个触发器。
图1所示是由F0～F3等四个D触发器组成的4位数码寄存器。
四个触发器的CP端连接在一起成为它的控制端，要存储的数码加到触发器的D输入端。
假定要存储的二进制数是1101，它们被分别加到触发器的D输入端，即D0=1，D1=0，D2=1，D3=1。
当CP脉冲（亦称寄存指令）到来后。
由于D 触发器的特性方程是在CP=1时Q n+1=D,所以在CP脉冲上升沿之后，四个触发器的状态从高位到低位被分别置成1101，即Q0=1，Q1=0，Q2=Q3=1，输入的二进制数码被存储到这个寄存器里了。
显然，D0～D3是寄存器并行的数据输入端，Q0～Q3是寄存器并行的输出端，数码寄存器是一种并行输入、并行输出寄存器。
图1 D触发器组成的4位数码寄存器逻辑图二、移位寄存器移位寄存器指具有移位功能的寄存器，即每当来一个CP脉冲（亦称移位脉冲），触发器的状态便向右或向左移一位，也就是指寄存器的数码可以在移位脉冲的控制下依次进行移位。
移位寄存器在计算机中应用广泛。
1、单向移位寄存器图2所示为用D触发器组成的4位左称寄存器，需要移位的信号加在最低位触发器F0的输入端，然后按次序把低位触发器的Q端接到相连高位触发器的D输入端上。
4个触发器的直接置0端R0并联连接，作为清零端。
移位过程：首先，寄存器应清零。
寄存器和移位寄存器简介
寄存器和移位寄存器简介
（ 1 ）寄存器
能够把二进制数码存贮起来的的部件叫数码寄存器，简称寄存器。
图 7 是用 4 个D 触发器组成的寄存器，它能存贮 4 位二进制数。
4 个 CP 端连在一起作为控制端，只有 CP=1 时它才接收和存贮数码。
4 个 R D 端连在一起成为整个寄存器的清零端。
如果要存贮二进制码 1001 ，只要把它们分别加到触发器 D 端，当 CP 来到后 4 个触发器从高到低分别被置成 1 、 0 、 0 、 1 ，并一直保持到下一次输入数据之前。
要想取出这串数码可以从触发器的 Q 端取出。
（ 2 ）移位寄存器
有移位功能的寄存器叫移位寄存器，它可以是左移的、右移的，也可是双向移位的。
图 8 是一个能把数码逐位左移的寄存器。
它和一般寄存器不同的是：数码是逐位串行输入并加在最低位的 D 端，然后把低位的 Q 端连到高一位的 D 端。
这时 CP 称为移位脉冲。
先从 R D 端送低电平清零，使寄存器成 0000 状态。
假定要输入的数码是 1001 ，输入的次序是先高后低逐位输入。
第 1 个 CP 后， 1 被打入第 1 个触发器，寄存器成0001 ；第 2 个 CP 后， Qo 的 1 被移入 Q 1 ，新的 0 打入 D 1 ，成为 0010 ；第 3 个 CP 后，成为 0100 ；第 4 个 CP 后，成为 1001 。
可见经过 4 个 CP ，寄存器就寄存了 4 位二进制码 1001 。
目前已有品种繁多的集成化寄存器供选用。
数电-时序逻辑电路之寄存器
n1 m
n m
不变
Q Q S1S0=10
n1 m
n 左移移位
m1
Q Q S1S0=01
n1 m
n m 1
右移移位
S1S0=11
Qmn1
DI
并行置数
m
DIm
S0 S1
Dm–1
FFm–1
1D C1
0 3210
1 MUX
MUXm
FFm
Dm 1D
C1
Dm+1
FFm+1
1D C1
CP Qm–1
Qm
Qm+1
Q1
Q2
Q3
在 CP脉冲的作用 1 0 0
0
下 ，DSI端 依次
送入数码1101
11 1
0
02 1
1
13 0
1
41
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
右移串行输入为1101时的波形图 移位脉冲CP 1 2 3 4 5 6 7 8
输入信号 DSI
11 0 1
Q0 0 1 1 0 1
Q1 0 0 1 1 0 Q2 0 0 0 1 1
0
S0
t
0 t
CLK1
0
CLK2
t
0 t
t1 t2 t3 t4
t4时刻后输出Y与两组并行输入的二进制 数M、N在数值上的关系是什么?
作业6.5.1 画出Q3~Q0的波形
CLK 0 1 1 1
1 ＆
So CP D0 D1 D2 D3 DSL
0
S1
74HC194
CR 1
DSR
寄存器和移位寄存器
状态转换表如下
：
工作方式：串行输入、并行输出
串行输入、串行输出
电路功能： 电路功能：串并转换
双向移位寄存器
电路原理 电路功能 通道扩展 灵活应用
双向移位寄存器74194电路图 电路图： 电路图 说明：
①电路组成
②DIL: 左移 输入 DIR:右移输入 ③S1S0:功能选择 ④Cr:清零（复位） ⑤CP:时钟， ⑥D0D1D2D3:并行输入 ； Q0Q1Q2Q3:并行输出； ⑦Q0:左移位输出； Q3:右移位输出。
工作原理：RS触发器相当于D触发器，时钟信号到来，触发器的状态Q取决于D(S)。
输入数据在时钟信号CP的作用下，逐位输入。并且每来一个时钟信号， Q0Q1Q2Q3的状态就向前传递一次（右移）。 经过4个时钟信号作 用后，4位数据被全部移入到寄存器中， 从Q3Q2Q1Q0可得到4位并行输出的数据。 再经过4个时钟作用，存储在Q3Q2Q1Q0 中的数据又逐位从输出端全部 移出。 从Q3可得到4位串行输出的数据。
输入被锁存，寄存器的输出就是输入数据
工作方式：并行输入、并行输出 常用的寄存器：74LS273 ( 8D触发器组成，有清零端)、
74LS397(四位)、 74LS378(六位)、 74LS377(八位)等。
移位寄存器
电路组成：移位寄存器可由RS触发器、D触发器或JK触发器组成。
RS触发器组成的移位寄存器如下图所示：
工 程 系： 程 涛
寄存器和移位寄存器
寄存器： 寄存器： 寄存器用于存储一组二进制数。
移位寄存器： 移位寄存器： 移位寄存器除了具有寄存器的功能外，还有移位功能。
双向移位寄存器： 双向移位寄存器： 存储的代码在时钟信号的作用下既可左移又可右
《移位寄存器》课件
技术挑战与展望
高精度与高稳定性
随着应用需求的不断升级，对移位寄存器的精度和稳定性要求也越来越高。未来的研究将 致力于提高移位寄存器的性能指标，以满足各种高端应用的需求。
低功耗与高能效
在便携式和移动设备中，功耗和能效是至关重要的性能指标。未来的移位寄存器设计将更 加注重节能和能效提升，以延长设备的续航时间和降低运行成本。
硬件描述语言实现
使用Verilog或VHDL等硬件描述语言编写移位寄存器的逻辑 电路，通过仿真和综合工具生成可编程逻辑门阵列（FPGA） 或专用集成电路（ASIC）的配置文件。
集成电路实现
将移位寄存器的逻辑电路直接集成在一片集成电路（IC）中 ，通过外部接口与其它电路或系统连接。
基于软件的实现方式
ASIC实现
将移位寄存器的逻辑电路定制集成到专用集成电路（ASIC）中，通过硬件实现移位寄 存器的功能。ASIC具有高性能和低功耗的特点，但开发周期较长且成本较高。
05 移位寄存器的性能指标与 优化
性能指标
吞吐量
衡量移位寄存器处理数据的能 力，通常以每秒传输的位数（ bps）或每秒传输的帧数（fps
。
02
小型化
随着便携式电子设备的普及，移位寄存器的小型化需求也越来越迫切。
小型化移位寄存器的设计需要综合考虑性能、功耗和集成度等多个因素
。
03
智能化
智能化是当前电子设备的重要发展方向，移位寄存器也不例外。通过集
成智能算法和传感器，移位寄存器可以实现自适应控制和预测性维护等
功能，提高设备的整体性能和可靠性。
集成化与模块化
集成化和模块化是提高移位寄存器可靠性和可维护性的重要手段。未来的移位寄存器将更 加注重模块化和可扩展性设计，以方便设备的组装和维护。同时，集成化设计也有助于减 小设备体积和重量，满足便携式应用的需求。
电路基础与集成电子技术 数码寄存器和移位寄存器
若需要从移位寄存器中取出数码，可从每位触发 器的输出端引出，这种输出方式称并行输出。另一种 输出方式是由最后一级触发器F4输出端引出。若寄存 器中已存有数码1011，每来一个移位脉冲输出一个数 码（即将寄存器中的数码右移一位），则再来四个移 位脉冲后，四位数码全部逐个输出，这种方式称之为 串行输出。
数码寄存器在获得“接收”命令（也称“写入脉冲”） 时，把数码接收过来，在得到“读出”命令后，将数码输出。
读出脉冲 &
Q4 D4 CP X4
输出
&
Q3 D3
&
Q2 D2
X3
X2
输入
&
Q1 D1
X1
第14章 触发器和时序逻辑电路
2010.03
D触发器的输出Qn+1=Dn=Xn；若输入数码Xn =1，Qn+1= D n=1；若输入数码Xn = 0，Qn+1=Dn=0。可见，不管各位触 发器的原状态如何。当接收脉冲CP到来后，输入数据X1~X4 就一齐送入D触发器，这种输入方式称为并行输入。 并行输出。
3 0 1 0 1 1 D触发器的输出Qn+1=Dn=Xn；
在计算机中，进行二制数的乘法和除法都是由移位操作结合加法操作来完成。
第四个串入的数据"1"
4．右移 当[S1S0]=01(1)时，在时钟的参与下执行右移操作，将移位寄存器中 的数据依次向高位移动一位，同时接收右移数据串行输入
4 1 0 端DSR的数据进入QA，QD的数据将移出寄存器。
由于寄存器具有清除数码、接收数码、存放数码和传 送数码的功能，因此，它必须具有记忆功能，所以寄存器 都由触发器和门电路组成的。
寄存器分为数码寄存器（也简称为存储器）和移位寄 存器两种。两者都具有暂时存放数码的记忆功能，不同之 处是后者具有移位功能而前者却没有。
数字电路与逻辑设计2寄存器移位寄存器
息旳代码。
并行读出脉冲必须在经过5个移存脉冲后出 现，而且和移存脉冲出现旳时间错开。
D5
D4
D3
D2
D1
＆
＆
＆
＆
＆
并行读出指令
串行输 入 1D
11001
CI
1D Q1
CI
1D Q2
CI
1D Q3
CI
1D
Q4
Q5
CI
移存脉冲CP
分析：假设串行输入旳数码为10011（左边先入）
串—并行转换状态表
序号 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
工作过程： ①在开启脉冲和时钟ＣＰ作用下，执行并
行置入功能。片ⅡＱ３＝ＤＩ６。 ②开启脉冲消失，在ＣＰ作用下，因为标志位０
旳存在，使门Ｇ１输出为１，使得ＳＨ／ＬＤ ＝１，执行右移移位寄存功能。 ③后来在移存脉冲作用，并行输入数据由片Ⅱ旳 Ｑ３逐位串行输出，同步又不断地将片Ⅰ旳串 行输入端Ｊ，Ｋ＝１旳数据移位寄存到寄存器。
末级输出反相后，接到串行输入端。
Q3Q2Q1Q0
1
0000
0001
0011
0111
∧
Q0Q 1Q2Q 3
CP D SR
74194
S0
1
S1
0
RD D 0 D 1 D2 D 3 D SL
1000
1100
1110
1111
0010
0101
1011
0110
清零
1001 0100
1010
1101
移位寄存器构成旳移位计数器
异步清零 同步置数
高位向低位移动(左移) 低位向高位移动(右移)
保持
3 、用集成移位寄存器实现任意模值 旳计数分频
并行读出脉冲必须在经过5个移存脉冲后出 现，而且和移存脉冲出现旳时间错开。
D5
D4
D3
D2
D1
＆
＆
＆
＆
＆
并行读出指令
串行输 入 1D
11001
CI
1D Q1
CI
1D Q2
CI
1D Q3
CI
1D
Q4
Q5
CI
移存脉冲CP
分析：假设串行输入旳数码为10011（左边先入）
串—并行转换状态表
序号 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
工作过程： ①在开启脉冲和时钟ＣＰ作用下，执行并
行置入功能。片ⅡＱ３＝ＤＩ６。 ②开启脉冲消失，在ＣＰ作用下，因为标志位０
旳存在，使门Ｇ１输出为１，使得ＳＨ／ＬＤ ＝１，执行右移移位寄存功能。 ③后来在移存脉冲作用，并行输入数据由片Ⅱ旳 Ｑ３逐位串行输出，同步又不断地将片Ⅰ旳串 行输入端Ｊ，Ｋ＝１旳数据移位寄存到寄存器。
末级输出反相后，接到串行输入端。
Q3Q2Q1Q0
1
0000
0001
0011
0111
∧
Q0Q 1Q2Q 3
CP D SR
74194
S0
1
S1
0
RD D 0 D 1 D2 D 3 D SL
1000
1100
1110
1111
0010
0101
1011
0110
清零
1001 0100
1010
1101
移位寄存器构成旳移位计数器
异步清零 同步置数
高位向低位移动(左移) 低位向高位移动(右移)
保持
3 、用集成移位寄存器实现任意模值 旳计数分频
锁存器寄存器和移位寄存器-推荐精选PPT
3.2 锁存器、寄存器和移位寄存器
3.2.1 锁锁存器存器：传送和1Q存储多2位Q 数据3的Q 逻辑构4Q件
锁输存出器控制构成：钟控 D 触发器
74LS373 锁存器
锁存使能：D电位Q 控D制 Q
DQ
输出使能形G 式：三态门控制输出
DQ
使用场合：1数D 据滞2后D 于控3D制信号4D时
功能表
输出控制 G D
0
11
输出
1
0
10
0
0
0×
Qn
1
× × 高阻
3.2.2 寄存器
1Q
2Q
3Q
4Q
74LS374 寄存器
输出控制
DQ DQ DQ DQ
时钟
CP
1D
2D
3D
4D
功能表
输出控制 CP D
0
↑1
0
↑0
0
0×
1
××
输出 1 0 Qn
高阻
Q1
Q2
Q3
Q4
右移
X
D
D
D
D
1
2
3
4
寄存器 锁存器，另有一个D触发器和一个与非门，请设计实现8位
保1 0 0 0 持 1 ×× 0
0 × × × QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0 QA0 QH0
0
0 × × QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0 QA0 QH0
右1 0 1 0
0
↑×1
1 QAn QBn QCn QDn QFn QFn QGn 1 QGn
输出形式：三态门控制输出
功能表
S 2 锁存器、寄存器和移位寄存器 左移 锁存器构成：钟控 D 触发器
3.2.1 锁锁存器存器：传送和1Q存储多2位Q 数据3的Q 逻辑构4Q件
锁输存出器控制构成：钟控 D 触发器
74LS373 锁存器
锁存使能：D电位Q 控D制 Q
DQ
输出使能形G 式：三态门控制输出
DQ
使用场合：1数D 据滞2后D 于控3D制信号4D时
功能表
输出控制 G D
0
11
输出
1
0
10
0
0
0×
Qn
1
× × 高阻
3.2.2 寄存器
1Q
2Q
3Q
4Q
74LS374 寄存器
输出控制
DQ DQ DQ DQ
时钟
CP
1D
2D
3D
4D
功能表
输出控制 CP D
0
↑1
0
↑0
0
0×
1
××
输出 1 0 Qn
高阻
Q1
Q2
Q3
Q4
右移
X
D
D
D
D
1
2
3
4
寄存器 锁存器，另有一个D触发器和一个与非门，请设计实现8位
保1 0 0 0 持 1 ×× 0
0 × × × QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0 QA0 QH0
0
0 × × QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0 QA0 QH0
右1 0 1 0
0
↑×1
1 QAn QBn QCn QDn QFn QFn QGn 1 QGn
输出形式：三态门控制输出
功能表
S 2 锁存器、寄存器和移位寄存器 左移 锁存器构成：钟控 D 触发器
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寄存器主要用以存放数码。移位寄存器不但可 存放数码，还能对数码进行移位操作。移位寄 存器有单向移位寄存器和双向移位寄存器。集 成移位寄存器使用方便、功能全、输入和输出 方式灵活，功能表是其正确使用的依据。移位 寄存器常用于实现数据的串并行转换，构成环 形计数器、扭环计数器和顺序脉冲发生器等。
顺序脉冲指在每个循环周期内，在时间上按一
双向移位 寄 存 器
在控制信号作用下，可实现右移 也可实现左移。
1. 单向移位寄存器的结构与工作原理
右移输入 DI D0 1D C1
CP 移位脉冲
FF0
Q0
FF1 D1 1D C1
Q1
FF2 D2 1D C1
Q2
FF3 D3 1D 右移输出 C1
Q3
右移位寄存器 由 D 触发器构成。 D0=DI，D1=Q0，D2=Q1，D3= Q2。 在 CP 上升沿作用下，串行输入数据 DI
0
Q0 Q1 Q2 Q3 CT74LS194
CR D0 D1D2 D3
CR 异步置 0 端 低电平有效
DSL 左移串行数码输入端
并行数码输入端
时序逻辑电路
三、顺序脉冲发生器
产生在每个循环周期内，在时 间上按先后顺序排列的脉冲信号。
计数器型顺序脉冲发生器
计数器型顺序脉冲发生器一般用按自然态序计数的二 进制计数器和译码器构成。
移位型顺序脉冲发生器
移位型顺序脉冲发生器一般用移位寄存器和译码电路 构成。
EXIT
用集成计数器74LS163和集成3线-8线译码 器74LS138构成的8输出顺序脉冲发生器。
1 CP LD CR CT T CTP D0 D1 D2 D3 计数器 Q0 Q1 Q2 Q3 CO 译码器 74LS163 74LS138 ST A ST B ST C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
定先后顺序排列的脉冲信号。常用之控制某些
设备按照事先规定的顺序进行运算或操作。
在 CR = 1 且CP上升沿未到达时，各触发器 下面请看置数演示 的状态不变，即寄存的数码保持不变。
寄存器的结构特点
Q0 Q0 Q1 Q1
Q2
Q2
Q3
Q3
FF0 1D C1 R
FF1 1D C1 R
FF2 1D C1 R
FF3 1D C1 R
D0 CP
CR D1
D2
Байду номын сангаасD3
各触发器均为 D 功能且并行使用。
逐步被移入 FF0 中；同时，数据逐步被右移。
移位寄存器除了能寄存数码外，还能实现数据的串、并行转换。
2. 集成双向移位寄存器 CT74LS194
并行数据输出端，从高 位到低位依次为 Q3 ~ Q0。 移位脉冲 输入端 CP DSR 右移串行数码 输入端 工作方式控制端 M1 M0 = 00 时，保持功能。 M1 M0 = 01 时，右移功能。 M1 M0 = 10 时，左移功能。 M1 M1 M0 = 11 时，并行置数 功能。 M0
6.4
寄存器和移位寄存器
主要要求：
理解寄存器和移位寄存器的作用和工作原理。 了解集成移位寄存器的应用。
一、寄存器
Q0 D 0 Q0
Q0 ~ Q 3 是同时输出的，这种输出 Register ，用于存放二进制数码。 方式称并行输出。 Q D1
Q1
Q D2
Q2
Q D3
Q3
4 位 寄 存 器
FF0 1D C1 R D0
1 个触发器能存放 1 位二进制数码，因此 N 个触发器可构成 N 位寄存器。
二、移位寄存器
Shift register 用于存放数码和使数码根据需要向左或向右移位。
单向移位 寄 存 器 左移 寄存器 右移 寄存器 每输入一个移位脉冲，移位寄存器 中的数码依次向左移动 1 位。 每输入一个移位脉冲，移位寄存器 中的数码依次向右移动 1 位。
1
FF1 1D C1 R D1
FF2 1D C1 R D2 D2
FF3 1D C1 R
D3 D3
D0 CP
CR D1
D0 ~ D3 称为并行数据输入端，当时钟 CP 上升沿 CR 为异步清零端，当 CR 0 时，各触发器均 到达时， D0 ~ D3 被并行置入到 4= 个触发器中，使 Q3 。寄存器工作时， CR 应为高电平。 Q2 被置 Q1 Q00 = D D D D 。 由D3触发器构成，因此能锁存输入数据。 2 1 0
中规模集成计数器功能完善、使用方便灵活。 功能表是其正确使用的依据。利用中规模集成 计数器可很方便地构成 N 进制(任意进制)计 数器。其主要方法为： (1) 用同步置零端或置数端获得 N 进制计 数器。这时应根据 SN-1 对应的二进制代码写 反馈函数。 (2) 用异步置零端或置数端获得 N 进制计 数器。这时应根据 SN 对应的二进制代码写反 馈函数。 (3) 当需要扩大计数器容量时，可将 多片集成计数器进行级联。
描述时序电路逻辑功能的方法有逻辑图、
状态方程、驱动方程、输出方程、状态转 换真值表、状态转换图和时序图等。 时序逻辑电路分析的关键是求出状态方程
和状态转换真值表，然后由此分析时序逻
辑电路的功能。
计数器是快速记录输入脉冲个数的部件。 按计数进制分有：二进制计数器、十进制 计数器和任意进制计数器；按计数增减分 有：加法计数器、减法计数器和加/减计数 器；按触发器翻转是否同步分有：同步计 数器和异步计数器。计数器除了用于计数 外，还常用于分频、定时等。
时序逻辑电路
EXIT
本章小结
时序逻辑电路由触发器和组合逻辑电路组成， 其中触发器必不可少。时序逻辑电路的输出
不仅与输入有关，而且还与电路原来的状态
有关。时序逻辑电路的工作状态由触发器存
储和表示。
时序逻辑电路按时钟控制方式不同分为同步时 序逻辑电路和异步时序逻辑电路。前者所有触 发器的时钟输入端 CP 连在一起，在同一个时 钟脉冲 CP 作用下，凡具备翻转条件的触发器 在同一时刻翻转。后者时钟脉冲 CP 只触发部 分触发器，其余触发器由电路内部信号触发， 因此，其触发器的翻转不在同一输入时钟脉冲 作用下同步进行。