DE1285009B - Schieberegister fuer zwei Schieberichtungen - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schie- bilden können, die jeweils durch mindestens ein geberegister, die mit statischen Elementen arbeiten. sperrtes Gatter getrennt sind, und daß an die Ein-Solche Schieberegister sind aus der Technik elektro- gänge der Gatter ein solches Taktraster angelegt wird,

nischer Anlagen hinreichend bekannt. Sie arbeiten das in Verschieberichtung fortschreitend die Trenn-

im Gegensatz zu dynamischen Schieberegistern, bei 5 stellen zwischen den Kippstufen versetzt, so daß ein

denen die Verzögerung auf Laufzeiteffekten beruht, in Verschieberichtung gesehen vorher gesperrtes

mit statischen Speicherelementen, wie z. B. Kippstufen Gatter geöffnet und ein gegen die Verschieberichtung

oder Ringkernen mit rechteckiger Hystereseschleife. gesehen vorher freigegebenes Gatter gesperrt wird.

Bei der Verwendung solcher statischen Schieberegister Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus,

ist die Zwischenspeicherung einer Information erfor- io daß bistabile Kippstufen aus einzelnen Gattern zu-

derlich. Die Notwendigkeit einer Zwischenspeicherung sammengesetzt werden können. So zeigt die Fig. 2

einer Information in einem solchen Schieberegister eine bistabile Kippstufe, die aus zwei Nor-Gattern 1

ergibt sich dadurch, daß es bei einer einfachen und 2 besteht. Der Ausgang des ersten Nor-Gatters 6

Speicherzelle unmöglich ist, gleichzeitig eine Infor- ist dabei mit dem Eingang 9 des zweiten Nor-Gatters

mation ein- und auszugeben. In jedem Fall würde in 15 verbunden, während der Ausgang 7 des zweiten Nor-

ein und derselben Speicherzelle eine Überlagerung Gatters 2 an den Eingang 8 des ersten Nor-Gatters

von Informationen stattfinden, was zu einer Zerstö- angeschlossen ist. Die Eingabe einer Information in

rung des Informationsinhaltes führt. die Kippstufe erfolgt durch Anlegen einer logischen

Eine bekannte Anordnung mit statischen Speicher- »1« an den Eingang 3 oder an den Eingang 4. Da elementen und Zwischenspeicherung der Informatio- 20 Nor-Gatter invertierend wirken, erhält man durch nen ist in Fig. 1 gezeigt. Es handelt sich hierbei um Anlegen einer logischen »1« beispielsweise an den ein Schieberegister für zwei Schieberichtungen, Eingang 4 am Ausgang 7 eine logische »0«, während welches im wesentlichen aus bistabilen Kippstufen am Ausgang 6 des Nor-Gatters 1 eine logische »1« und Koinzidenzgattern besteht. Die ungeradzahligen ansteht. Dieser Zustand bleibt auch dann erhalten, Kippstufen Kl, K3, K5 usw. sollen Registerzellen 25 wenn die logische »1« an den Eingang 4 nur kurzdarstellen, während die geradzahligen Kippstufen Kl, zeitig angelegt wurde, da jeweils der Ausgang des K 4 usw. die Hilfszellen des Registers sind. Die ein- einen Nor-Gatters mit einem Eingang des anderen zelnen Kippstufen sind über Koinzidenzgatter Gl, Nor-Gatters verbunden ist. Der Zustand dieser bista- Gi, G5 und Gl zur Verschiebung in Vorwärtsrich- bilen Kippstufe kann daher nur vertauscht werden, tung und über Gatter Gl, G4, G6 usw. zur Ver- 30 wenn am anderen Eingang eine logische »1« angelegt Schiebung in Rückwärtsrichtung verbunden. Für den wird. Eine andere Möglichkeit zur Bildung einer Vorgang des Vorwärtsschiebens werden die in den bistabilen Kippstufe aus Gattern ist in F i g. 3 gezeigt. Kippstufen Kl, K3 usw. enthaltenen Informationen Diese Kippstufe besteht aus zwei Nand-Gattern, die durch ein Signal auf der Leitung Sl, das die Koinzi- in gleicher Weise wie die Kippstufe nach Fig. 2 denzgatter Gl und G5 öffnet, in die Hilfszellen Kl 35 überkreuz verkoppelt sind. Diese Anordnung unter- bzw. K 4 eingespeichert. Anschließend an diesen scheidet sich in ihrer Wirkungsweise von der in ersten Schritt wird der Inhalt der Kippstufen Kl und Fig. 2 gezeigten nur insofern, als daß zum Setzen K2> durch ein Signal auf der Leitung RSl gelöscht. der Kippstufe eine logische »0« benötigt wird, weil Beim nächsten Schritt werden die Koinzidenzgatter sich beim Nand-Gatter die logische »0« gegenüber Gl und G5 gesperrt. Danach erfolgt eine Freigabe 40 einer logischen »1« durchsetzt. Wichtig ist bei den der Koinzidenzgatter G3 und G7 mit Hilfe eines auf Gattern nach Fig. 2 und 3, daß mindestens eines der der Leitung 52 auftretenden Signals. Dabei wird die beiden logischen Gatter eine verstärkende Wirkung Information aus den Hilfszellen Kl und K4 in die hat. Da die Invertierung aber im allgemeinen ein Registerzellen K3 bzw. K5 übertragen. Beim vierten aktives Verstärkerelement erfordert, ist diese Bedin-Schritt wird die in den Hilfszellen Kl und K4 ent- 45 gung in der Regel erfüllt.

haltene Information durch ein auf der Leitung RSl Zwei Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung auftretendes Signal gelöscht, wodurch die Hilfszellen werden nun an Hand der F i g. 4 und 5 näher ererneut zur Aufnahme einer Information bereit sind. läutert.

Soll die Information nun in die umgekehrte Richtung Die F i g. 4 zeigt ein Schieberegister unter Verwen-

verschoben werden, so werden an Stelle der über die 50 dung von Nor-Gattern. Das Schieberegister besteht

Leitung R angesteuerten Gatter Gl, G3, G5 usw. im wesentlichen aus den Nor-Gattern Gl, Gl, G3

die Gatter Gl, G4, G6 usw. durch ein Signal auf der usw. Diese Nor-Gatter sind untereinander jeweils

Leitung L angesteuert. Der Vorgang der Übertragung nach Art einer bistabilen Kippstufe zusammen-

und Löschung der in den Register- und Hilfszellen geschaltet, wobei jeweils die Gatter Gl und Gl, die

enthaltenen Informationen erfolgt auf entsprechende 55 Gatter G2 und G3, die Gatter G3 und G4 usw. eine

Weise wie beim Transport in Vorwärtsrichtung. bistabile Kippstufe bilden können. Es können aber

Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht auch beispielsweise jeweils die drei Gatter Gl, G 2

darin, daß sie sehr aufwendig ist. Pro Bit einer zu und G 3 zu einer Kippstufe zusammengefaßt sein, wie

verschiebenden Information werden zwei bistabile auch beispielsweise die Gatter G 3, G 4 und G 5 ihrer-

Kippstufen und vier Koinzidenzgatter benötigt. Die 60 seits untereinander eine einzige bistabile Kippstufe

der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe war es bilden können. Die Nor-Gatter Gl, G1, G 3 und G 4

daher, ein Schieberegister zu entwickeln, das mit einer sind mit einem ihrer Eingänge jeweils mit einer der

geringeren Anzahl von Bauelementen auskommt. vier Taktleitungen Pl, Pl, P 3 und P 4 verbunden,

Dies wird unter Verwendung von bistabilen, aus ebenso die Gatter G5 bis G8, G9 bis G12 usw. verstärkenden Gattern aufgebauten Kippstufen da- 65 Nimmt man nun an, daß die Kippstufe aus G 4, GS, durch erreicht, daß sämtliche Gatter so miteinander G 6 so eingestellt ist, daß am Gatter G 5 beispielsverknüpft sind, daß jeweils Gruppen aus mindestens weise eine logische »1« anliegt, so muß der Inhalt der zwei benachbarten Gattern bistabile Kippstufen Gatter G 4 und G 6 zwangläufig Null sein, da die

logische »1« am Ausgang des Gatters G 5 die Gatter G 4 und G 6 sperrt.

Wenn man vorher eine Übereinkunft darüber trifft, daß eine logische »1« am Ausgang des Gatters G 5 und eine logische »0« am Ausgang des Gatters G 6 eine binäre Eins bedeuten soll und eine logische »0« am Ausgang des Gatters G 5 und eine logische »1« am Ausgang des Gatters G 6 eine binäre Null, so bedeutet dies, daß in der aus den Gattern G 5 und G 6 gebildeten Kippstufe eine binäre Eins gespeichert ist. Der Verschiebevorgang geht nun so vor sich, daß zur Taktzeit iO am Ausgang des Gatters G 4 eine »1«, am Eingang des Gatters G 5 eine »0«, am Eingang des Gatters G6 eine »0« und am Eingang G 7 eine logische »1« anliegt. Beim nächsten, zur Taktzeit ti ausgesendeten Taktschritt bleiben die Eingangsgrößen der Gatter G 4, G 5 und G 6 erhalten, während die Eingangsgröße am Gatter G 7 von »1« nach » 0« wechselt. Damit ist dieses Gatter freigegeben und somit der ursprünglich aus den beiden Gattern G 5 und G 6 bestehende bistabile Kreis auf drei Nor-Gatter erweitert worden. Der dritte Taktschritt zur Zeit ti sperrt nun das Gatter G5 durch Anlegen einer logischen »1« an dessen Eingang. Damit bilden die Gatter G 6 und G 7 eine bistabile Kippstufe, während die beiden angrenzenden Gatter, also Gatter G 5 und G 8 durch Anlegen einer logischen »1« an deren Eingang gesperrt sind. Der nächste Taktschritt zur Taktzeit i3 erweitert die bistabile Kippschaltung um das Gatter G 8 in Verschieberichtung, so daß die bistabile Kippschaltung nunmehr aus den Gattern G6, G7 und G 8 besteht, während das Gatter GS nach wie vor gesperrt ist. Zur Taktzeit i4 wird auch das Gatter G 6 gesperrt, so daß die bistabile Kippstufe nur noch aus den beiden Nor-Gattern G 7 und G 8 besteht. Das auf der rechten Seite der F i g. 4 dargestellte Diagramm versinnbildlicht, wie der Transport der Informationen aus der durch die Gatter G 5 und G 6 gebildeten Kippstufe in die aus den Gattern G 7 und G 8 gebildete Kippstufe weiter verschoben worden ist. Der weitere Verschiebevorgang verläuft entsprechend eben beschriebenem Vorgang. Gleichzeitig mit der Verschiebung der in den Gattern G 5 und G 6 gespeicherten Information können auch weitere Informationen verschoben werden, so beispielsweise die in den Gattern Gl und G 2 gespeicherte binäre Null, die durch den Zustand »Gatter Gl gesperrt« und »Gatter G2 geöffnet« dargestellt ist. Damit der Informationsinhalt erhalten bleibt, muß die Anzahl der Gatter zwischen den die Information speichernden Nor-Gattern gradzahlig sein, da sonst eine Invertierung des Informationsinhaltes stattfinden würde. Letzteres ist allerdings für den Verschiebemechanismus selbst belanglos. Für die Umkehrung der Schieberichtung ist nur die Fortschreiterichtung des Taktrasters umzukehren, wobei darauf zu achten ist, daß die Erweiterung der bistabilen Zelle in Schieberichtung erfolgen muß. Gemäß einer anderen Ausführungsform können daher pro zu speicherndes Bit auch sechs Nor-Gatter verwendet werden. Das hat den Vorteil, daß das Taktraster nicht mehr aus zwei Unterschritten mit der Bit-Folge 1001 und 1000 besteht, sondern nur noch aus der Bit-Folge 100001, da im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 4, bei der die Freigabe eines weiteren Gatters und die Sperrung eines vorhergehenden Gatters nicht gleichzeitig erfolgen können, nunmehr Freigabe und Sperrung, gleichzeitig erfolgen darf. Auch hier wird die Änderung der Verschieberichtung lediglich durch die Änderung der Fortschreiterichtung des Taktrasters erzielt. Es ist möglich, die Ausführungsform nach Fig. 4 so abzuwandeln, daß statt der Nor-Gatter Nand-<jatter verwendet werden. An dem Mechanismus des Informationstransports ändert sich dabei nichts, es ist vielmehr nur zu beachten, daß zum Umschalten einer bistabilen Kippstufe dieser Art mit Nand-Gattern eine logische »0« eingegeben werden

ίο muß.

Ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Das dort aufgeführte Schieberegister besteht aus ODER-Gattern und UND-Gattern. Dabei ist jeweils ein ODER-Gatter Gl, G 3, G 5 usw. mit einem UND-Gatter G 2, GA, G 6 usw. so verknüpft, daß ein Ausgang eines Gatters mit dem Eingang des vorhergehenden und des nächsten Gatters verbunden ist.

Ein UND- und ein ODER-Gatter nach Fig. 6 kann nämlich in der oben beschriebenen Weise durch Überkreuzkopplung der Ein- und Ausgänge als bistabile Kippstufe benutzt werden. Dabei weichen jedoch die anzulegenden Informationen von denen der bisher erläuterten Ausführungsformen ab, da im Ruhezustand der Eingang 3 des UND-Gatters eine logische »1« und der Eingang 4 des ODER-Gatters eine logische »0« erhält. Das Kippen dieser Kippstufe in die eine Richtung wird durch Anlegen einer logischen »0« am Eingang 3 und das Kippen in die andere Richtung durch Anlegen einer logischen »1« am Eingang 4 erreicht.

Geht man zur Erläuterung des Schiebemechanismus bei dieser Anordnung davon aus, daß die zu verschiebende Information beispielsweise in den Gattern G 5 und G 6 gespeichert und eine binäre Null sein soll, so wird beim zweiten Schritt zur Taktzeit ti das ODER-Gatter G 7 durch eine »0«, die an seinen Eingang angelegt wird, freigegeben, so daß die vorher aus den beiden Gattern G 5 und G 6 bestehende bistabile Kippstufe nunmehr aus den zwei ODER-Gattern G5 und Gl, sowie dem UND-Gatter G6 besteht. Das UND-Gatter G 4 ist dagegen nach wie vor zum Zeitpunkt ti durch eine logische »0« am Eingang gesperrt.

Zur Taktzeit f2 wird das ODER-Gatter G 5 gesperrt, so daß die bistabile Kippstufe jetzt nur noch aus dem UND-Gatter G 6 und dem ODER-Gatter G 7 besteht. Zur Taktzeit t3 wird die Kippstufe wiederum um ein Gatter, und zwar um das UND-Gatter G 8 erweitert, das auch zur Taktzeit tA frei bleibt, während das UND-Gatter G 6 zur Taktzeit i4 gesperrt ist. Nach vier Taktzeiten steht also die zu verschiebende Information in der aus dem ODER-Gatter G 7 und dem UND-Gatter G 8 gebildeten Kippstufe.

Gleichzeitig mit dem Verschiebevorgang der binären Null (das Auftreten einer logischen »0« an beiden Ausgängen der Kippstufen soll eine binäre Null darstellen), kann beispielsweise eine Information wie die in der aus dem ODER-Gatter Gl und dem UND-Gatter G 2 gebildeten Kippstufe gespeicherte Information auf dieselbe Art und Weise in der gleichen Richtung transportiert werden. Diese Information ist definitionsgemäß eine Eins, da sowohl am Ausgang des ODER-Gatters Gl als auch am Ausgang des UND-Gatters G 2 eine logische »1« ansteht. Das Taktraster, das bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung verwendet wird, ist etwas komplizierter als bei den Schieberegistern, die aus gleich-

artigen Elementen aufgebaut sind. Besteht z. B. das Taktraster, das zur Zeit iO an die vier ersten Gatter Gl bis G 4 angelegt wird, aus der Bit-Folge 0110 und der zweite, zur Taktzeit ti angelegte Schritt aus der Bit-Folge 0100, so ergibt sich das zu den Zeiten ti und t3 anliegende Taktraster aus der Inversion der einzelnen Bit der ersten beiden zur Zeit i0 und ti ausgesandten Schritte des Taktrasters. Das Taktraster zur Zeit ti lautet also 1001 und 1011.

Auch hier gilt, daß die Schieberichtung durch die Fortschreiterichtung des Taktrasters bestimmt ist. Andere Ausfuhrungsformen gemäß der Erfindung sind ohne weiteres denkbar, indem nach dem Prinzip der Erfindung so verfahren wird, daß die jeweilige die Information speichernde Registerzelle zunächst um ein Gatter erweitert wird, so daß die Registerzellen zunächst jeweils drei zusammengehörige und freigegebene Gatter enthalten. In einem weiteren oder beim gleichen Schritt wird darauf je ein Gatter, das entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung liegt, gesperrt, so daß zur Speicherung der Information zwei Gatter zur Verfügung stehen, die gegenüber dem ursprünglichen Zustand um einen Gatterabstand in Verschieberichtung versetzt sind. Die Unterteilung des Schieberegisters in einzelne Registerzellen erfolgt dabei durch as mindestens ein gesperrtes Gatter, während die zur Speicherung der Information benötigten Kippstufen durch mindestens zwei nebeneinanderliegende, miteinander verkoppelte freigegebene Gatter gebildet werden.

Besondere Vorteile bietet die Erfindung dort, wo es die zur Anwendung kommende Technik gestattet, billige logische Gatter mit gleichzeitig verstärkender Wirkung herzustellen. Dies ist beispielsweise in der sogenannten integrierten Schaltungstechnik der Fall, wo eine normale aus Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und Dioden bestehende Kippstufe sehr umständlich und teuer herzustellen ware. Die in den Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung zur Verwendung kommenden Nor-Gatter sind vorzugsweise aus Transistoren aufgebaut, die mit Hilfe der integrierten Schaltungstechnik besonders vorteilhaft und billig erstellt werden können.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schieberegister für zwei Richtungen unter Verwendung von bistabilen, aus verstärkenden Gattern aufgebauten Kippstufen, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Gatter so miteinander verknüpft sind, daß jeweils Gruppen aus mindestens zwei benachbarten Gattern bistabile Kippstufen bilden können, die jeweils durch mindestens ein gesperrtes Gatter getrennt sind, und daß an die Eingänge der Gatter ein Taktraster angelegt wird, das in Verschieberichtung fortschreitend die Trennstelle zwischen den Kippstufen versetzt, so daß ein in Verschieberichtung gesehen vorher gesperrtes Gatter geöffnet und ein gegen die Verschieberichtung gesehen vorher freigebenes Gatter gesperrt wird.

2. Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippstufen aus Nor-Gattern aufgebaut sind, daß für jede zu speichernde Information vier Nor-Gatter vorhanden sind, an deren Eingänge nacheinander ein Taktraster mit der Bit-Folge 1001 und 1000 anliegt und daß nach diesen beiden Taktschritten des Taktrasters um ein Nor-Gatter in Verschieberichtung versetzt an weiteren vier Nor-Gattern anliegt.

3. Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippstufen aus Nor-Gattern aufgebaut sind und daß für jede zu speichernde Information eine beliebige Anzahl k (&>4) von Nor-Gattern vorgesehen ist, an deren Eingänge ein Taktraster mit der Bit-Folge 100 ... 001 anliegt, das nach jedem Taktschritt um ein Nor-Gatter in Verschieberichtung versetzt an k Nor-Gattern anliegt.

4. Schieberegister nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Nand-Gattern.

5. Schieberichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch abwechselnde Verknüpfung von UND- und ODER-Gattern, wobei mindestens jedes zweite Gatter verstärkende Wirkungen besitzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen