Serial-In, Parallel-Out Shift Registers: Effiziente I/O-Erweiterung durch serielle-parallele Konvertierung

Ein Serial-In, Parallel-Out (SIPO) Schieberegister nutzt den gleichen Datenschiebe-Kern wie sein Serial-In, Serial-Out Gegenstück, stellt jedoch jede interne Stufe als separaten Ausgangspin bereit. Dies macht es zur idealen Lösung, um eine einzelne serielle Datenleitung in mehrere parallele Ausgänge umzuwandeln.

Funktionsweise

Wenn vier Bits seriell in das Gerät eingespeist werden, verschiebt jeder Taktimpuls die Daten um eine Stufe weiter. Nach dem vierten Impuls erscheinen die vier Bits gleichzeitig an den Ausgängen Q_A bis Q_D:

Dieser Mechanismus lässt sich als Serial-In, Serial-Out Register mit Abgriffspunkten an jeder Stufe visualisieren.

SIPO vs. Serial-In, Serial-Out

Hersteller bieten SIPO-Bausteine typischerweise bis 8 Bit Breite an, da eine breitere parallele Ausgabe eine unpraktisch hohe Pin-Anzahl erfordern würde. Im Gegensatz dazu können Serial-In, Serial-Out Schieberegister 8 Bit überschreiten, bis zu 64 Bit, und werden eingesetzt, wenn nur eine einzelne serielle Leitung benötigt wird.

Das Gerät wird über den aktiv-low CLR Eingang gelöscht, der alle internen Flip-Flops zurücksetzt, bevor neue Daten geladen werden.

Gängige SIPO-ICs von Texas Instruments

• SN74ALS164A – 8-Bit SIPO Schieberegister
• SN74AHC594 – 8-Bit SIPO mit Ausgangsregister
• SN74AHC595 – 8-Bit SIPO mit Ausgangsregister und Tri-State-Ausgängen
• CD4094B – 8-Bit Latching-Schieberegister (3–15 VDC)

Der 74AHC594 besitzt zwei separate Takteingänge: SRCLK für das Schieberegister und RCLK für das Ausgangsregister. Diese Trennung erlaubt es, den Ausgang stabil zu halten, während neue Daten hereingeschoben werden – entscheidend beim Ansteuern von Relais, Motoren oder anderen Aktoren.

Nachdem die Daten in das obere 8-Bit-Register geschoben wurden, übernimmt eine steigende Flanke an RCLK die Daten in das Ausgangsregister, wodurch die Ausgänge während nachfolgender Schiebevorgänge unverändert bleiben.

Der 74AHC595 ersetzt den Clear-Eingang des Ausgangsregisters durch einen Output-Enable OE, der einen Tri-State-Puffer bereitstellt, der beim Systemstart getrennt werden kann.

Praktische Anwendungen

In realen Systemen werden SIPO-Schieberegister eingesetzt, um entfernte Anzeigen, LED-Indikatoren oder andere parallel eingehende Geräte von einem Mikrocontroller mit begrenzten I/O-Pins anzusteuern. Beispielsweise kann ein Alarmsystem serielle Daten an ein entferntes Panel senden, wo der SIPO die Daten in acht LED-Ausgänge expandiert.

Durch die Nutzung von nur fünf Leitungen – Takt, serielle Daten, Strobe (oder RCLK), Versorgung und Masse – wird die Anzahl der physischen Verbindungen zwischen Hauptplatine und Remote-Panel drastisch reduziert, was die Zuverlässigkeit erhöht und das Kabelmanagement vereinfacht.

Für größere Anzeigen oder Aktoren-Arrays können mehrere SIPO-Bausteine kaskadiert werden. Der Q_H Ausgang des ersten Registers speist den SER Eingang des nächsten, während SRCLK und RCLK gemeinsam geschaltet werden.

LED-Indikatoren werden häufig mittels SIPO-Registern multiplexiert, sodass ein einzelner serieller Eingang viele Segmente oder Ziffern steuern kann, ohne dass ein dedizierter Pin pro LED nötig ist.

Zusammenfassend bieten Serial-In, Parallel-Out Schieberegister eine kosteneffiziente, skalierbare Möglichkeit, parallele Ausgänge aus einem seriellen Datenstrom zu erweitern, was sie in eingebetteten Systemen unverzichtbar macht.

Zugehörige Arbeitsblätter

• Shift Registers Worksheet