Thanh ghi dịch là một tập hợp các flip-flop được sử dụng để lưu trữ nhiều bit dữ liệu bằng cách kết nối chúng nối tiếp. Dữ liệu được lưu trữ trong các thanh ghi này có thể được dịch chuyển bằng tín hiệu xung nhịp (CLK). Bài viết này sẽ tập trung vào loại thanh ghi dịch PISO (Parallel In Serial Out), tức là thanh ghi dịch nhận dữ liệu vào song song và xuất dữ liệu ra nối tiếp, cùng với sơ đồ thời gian của nó (Parallel In Serial Out Shift Register Timing Diagram).
Thanh ghi PISO hoạt động ngược lại với thanh ghi SIPO (Serial In Parallel Out). Trong thanh ghi PISO, dữ liệu vào được đưa vào song song và được đọc ra nối tiếp từng bit một tại mỗi chu kỳ xung nhịp.
Sơ đồ mạch của thanh ghi PISO thường bao gồm một số flip-flop loại D được kết nối với nhau. Tín hiệu CLK được kết nối trực tiếp với tất cả các flip-flop, trong khi dữ liệu vào được kết nối riêng lẻ với mỗi flip-flop. Đầu ra của flip-flop trước được kết nối với đầu vào của flip-flop tiếp theo.
Quá trình hoạt động của thanh ghi PISO như sau: Dữ liệu vào được áp dụng đồng thời vào các chân đầu vào của thanh ghi dịch. Sau đó, dữ liệu được đọc ra từ thanh ghi dịch nối tiếp từng bit một tại mỗi chu kỳ CLK. Ví dụ, với thanh ghi 4 bit, một xung CLK đủ để tải 4 bit dữ liệu, nhưng cần bốn xung để xuất ra tất cả bốn bit.
Trong mạch thanh ghi PISO, các cổng logic được sử dụng để điều khiển quá trình nhập dữ liệu song song và xuất dữ liệu nối tiếp. Một tín hiệu điều khiển (Shift/Load) được sử dụng để kiểm soát quá trình này.
Ví dụ, nếu dữ liệu vào là 1101, khi tín hiệu điều khiển là ‘0’, dữ liệu sẽ được tải vào các flip-flop. Khi tín hiệu điều khiển là ‘1’ và xung CLK được áp dụng, dữ liệu sẽ được dịch chuyển sang phải.
Bảng chân lý của thanh ghi PISO sẽ thể hiện trạng thái của từng flip-flop sau mỗi xung CLK.
Sơ đồ thời gian của thanh ghi dịch PISO
Sơ đồ thời gian (timing diagram) của thanh ghi PISO cho thấy sự thay đổi trạng thái của đầu ra (QD) theo thời gian và xung nhịp. Mỗi xung CLK dương sẽ dịch chuyển dữ liệu sang phải một bit. Ví dụ, nếu dữ liệu ban đầu là 1101, sau xung CLK thứ nhất, đầu ra QD sẽ là 1, sau xung CLK thứ hai, đầu ra QD sẽ là 0, và cứ thế. Sơ đồ thời gian rất quan trọng trong việc phân tích và thiết kế các hệ thống sử dụng thanh ghi dịch PISO. Nó giúp hình dung rõ ràng quá trình dịch chuyển dữ liệu và đảm bảo hoạt động chính xác của mạch.
Ứng dụng của thanh ghi PISO bao gồm: chuyển đổi dữ liệu từ dạng song song sang nối tiếp, tạo độ trễ thời gian cho mạch kỹ thuật số, đọc nhiều trạng thái đóng/mở của công tắc, và đọc dữ liệu vào chip nhớ. Một số IC thanh ghi PISO phổ biến là 74HC165, 74HC164, 74674 và 74HC595.
