Módulo de Circuito Sequencial

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Eletrônica Digital
Módulo de Circuito 
Sequencial
Prof. João Onofre Pereira Pinto
n Nesta seção, desenvolveremos alguns circuitos 
sequenciais básicos, os quais podem ser usados 
como blocos de subsistemas para sistemas lógicos 
sequenciais maiores.
n Primeiro introduziremos o “shift register”. Este 
dispositivo é então usado para construir diversos 
circuitos aritméticos e circuitos contadores.
Milton
Text Box
ANA Beatriz
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Aplicações
1. Shift Registers
2. Aplicações de Shift Register
1. Circuitos Aritiméticos
1. Somador Serial
2. Acumulador Serial
2. Circuitos Contadores
1. Contador em Anel (Ring)
2. Contador em Anel Torcido (Twisted Ring)
3. Geradores de Sinais
Shift Registers
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n Definição
n Um shift register é um módulo lógico sequencial, 
construido de flip-flops, que manipula as posições 
de bits de dados binários através do defasamento 
de bits binários para a esquerda ou para a direita.
Shift Register Genérico de n Bits
n Um shift register de n bits normalmente é 
construido através da conexão de flip-flops, um 
flip-flop para cada bit dos dados.
n Os flip-flops são conectados de tal maneira que os 
bits dos dados podem ser defasados ou deslocados 
(shifted), para a direita ou equerda, para o flip-flop 
adjacente com um comando apropriado.
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Símbolo do Circuito
Shift Register de n bits
Saída ParalelaEntrada Paralela
Saída SerialEntrada Serial
Clear Shift Preset
Controle
1 1
nn
Entrada / Saída
n Entrada Paralela –
n Uma porta de entrada consistindo de n linhas de 
dados, uma linha por célula de dados.
n Usando esta porta, n-bits podem ser transferidos 
para dentro simultaneamente.
n Saída Paralela –
n Uma porta de saída consistindo de n linhas de 
dados, uma linha por célula de dados.
n Usando esta porta, n-bits podem ser transferidos 
para fora simultaneamente.
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Entradas de Controle
n Clear –
n Um comando de controle que leva todas as células 
de dados para o valor lógico 0.
n Preset –
n Um comando de controle que carrega em cada 
célula de dado o valor binário 1 presente na linha 
de entrada paralela para aquela célula.
n Shift –
n Um comando de controle resultando no 
deslocamento (shifting) dos bits de dados de uma 
célula para a direita (ou para a esquerda).
n Entrada Serial –
n Uma porta de entrada consistindo de uma linha de 
dados que alimenta a primeira célula de dados.
n Uma palavra de n-bits pode ser transferida para 
dentro por um comando de deslocamento de n.
n Saida Serial –
n Uma porta de saída consistindo de uma linha de 
dados que é conectado a última célula de dados.
n Uma paralavra de n bits pode ser transferida para 
fora através de comando de deslocamento de 2n.
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Estrutura Básica
n A estrutura de um shift register básico consiste de 
n células indexadas da esquerda para a direita, n-1, 
n-2, …, 1, 0.
n Cada célula consiste de um flip-flop SR.
n Os flip-flops são conectados em cascata de modo 
que cada valor armazenado na célula i é 
transferido para a célula i-1 quando ocorrer um 
sinal de deslocamento (shift).
saída 
serialS Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
shift
Entrada serial
S R
0 1
1 0
Q Q’
0 1
1 0
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n Lembre-se que a equação característica para o flip-
flop SR é Q* = S + R’Q.
n Para a célula n-1, S = x e R = x’. 
n Então, Q* = x + x Q = x. 
n Isto significa que o flip-flop n-1 comporta-se 
como um flip-flop D com D = x.
n Para a célula i, 
n n-2 ≥ i ≥ 0, S = yi+1 e R = yi+1’
n Então, Q* = yi+1 + yi+1 è yi = yi+1. 
n Isto significa que o flip-flop i comporta-se como 
um flip-flop D com D = yi+1.
n Portanto, em cada clock, o valor armazenado na 
célula de entrada é transferido para a célula i-1. 
Como há n células, são necessários exatamente n
ciclos de clock para mover um dígito da porta 
serial de entrada para a porta serial de saída.
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Característica Clear
n O flip-flop SR para cada célula é configurado com 
uma entrada clear (CL). Quando ativa alta, esta 
entrada assincronamente leva o estado do flip-flop 
para zero.
n A entrada clear do shift register é conectada a cada 
uma das entradas clear das n células. Então, um 
comando clear leva o valor de todas as células do 
shift register para zero.
Característica Clear
S Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
shift
Entrada serial
clear
CL CL CL
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Entrada Serial – Saída Serial
n No modo de operação entrada serial – saída serial,
os bits dos dados de entrada são apresentados 
sequencialmente na porta de entrada serial.
n Em cada ciclo de clock, cada valor da célula é 
deslocado uma célula para a direita e o próximo 
bit dos dados de entrada é transferido para a célula 
n-1.
n Após n ciclos de clock, uma palavra de n bits é 
transferida para o the shift register. Após mais n 
ciclos de clock, a palavra de n bits é transferida 
para fora via porta de saída serial.
n Seja x = ( 0 0 … 0 0 1). Suponha que um comando 
clear tenha sido dado, e então x é apresentado na 
porta de entrada serial.
Clock 0 1 2 3 ……… n-1 n
Yn-1 0 1 0 0 ……… 0 0
Y0 0 0 0 0 ……… 0 1
Y1 0 0 0 0 ……… 1 0
Yn-3 0 0 0 1 ……… 0 0
Yn-2 0 0 1 0 ……… 0 0
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Característica – Saída Paralela
n A saída (estado) de cada célula está usualmente 
disponível na porta de saída paralela. Isto permite o 
shift register funcionar como um conversor série-to-
paralelo de dados.
n Neste modo,
n Uma comando clear inicialmente leva todas as 
células a zero.
n Na sequência, n comandos de deslocamento (shift) 
são usados para ler uma palavra de n bits 
serialmente.
n Esta palavra de n bits pode então ser lida na forma 
paralela na saída paralela.
S Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
shift
Entrada Serial
clear
CL CL CL
Yn-1 Yn-2 Y0Saída Paralela
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Característica – Entrada Paralela
n O flip-flop SR para cada célula é configurado com 
um valor de entrada pre-definido (preset - PS).
Quando ativado alto, esta entrada assíncronamente 
leva (sets) o estado do flip-flop para um.
n Um shift register normalmente tem uma porta de 
entrada paralela.
n Esta porta consiste de n linhas de entrada, uma 
linha para cada célula do shift register.
n Estas linhas recebem os nomes xn-1, xn-2, …, x1, x0, 
onde o subscrito da linha corresponde ao nome 
associado à célula.
n O shift register também tem uma entrada “preset”.
n A entrada preset para cada célula i é levada a saída 
de uma porta AND. As entradas para esta porta 
AND são o preset do shift register e a linha xi da 
entrada paralela.
n Esta configuração de circuito permite uma palavra 
digital de n-bits ser transferida para o shift register 
na forma paralela.
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S Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
S Q
Q
C
R
shift
Entrada Serial
clear
CL CL CL
Yn-1 Yn-2 Y0
Saída Paralela
PS PS PS
Preset da Entrada 
Paralela xn-1 xn-2 x0
n A entrada clear é usada para “limpar” todas as 
células do shift register (faze-las igual a zero).
Note que este passo é essencial para a operação 
apropriada do dispositivo.
n Na sequência, uma palavra de n bits ´s 
apresentada na porta de entrada paralela.
n Então o comando preset é dado.
n Em cada célula onde xi = 1, um comando preset da 
célula, leva aquela célula para um.
n Em cada célula onde xi = 0, nenhum comando 
preset para a célula é dado e o conteúdo da célula 
permanece inalterado.
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Modos de Operação
1. Entrada Serial (Serial In) – Saída Serial (Serial
Out)
n Atraso no sinal de n ciclos de clock.
2. Entrada Serial (Serial In) – Saída Paralela 
(Parallel Out)
n Conversor de dados de serial para paralelo.
3. Entrada Paralela (Parallel In) – Saída Serial 
(Serial Out)
n Conversor de dados paralelo para serial.
4. Entrada Paralela (Parallel In) – Saída Paralela 
(Parallel Out)
n Armazenagem temporária de palavras de n bits.
Somador Serial
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n Definição
n Um somador serial de n bits é um circuito 
sequencial projetado para somar dois números 
de n bits. O circuito usa um somador completo 
(full-adder) e os digitos dos números sãosomados serialmente.
n Quando comparado com o somador carregador 
de ruídos (“ripple carry”), o somador serial usa 
menos hardware mas requer mais tempo para 
efetuar uma adição.
Diagrama do Circuito
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Sequência de Operação - A
n CLEAR – leva todas as células do shift register nos 
resgistradores X, Y, e Z para zero; leva o estado do 
flip-flop D para zero.
n Aplica entradas – Números X e Y são aplicados para 
a porta de entrada paralela dos registradores X e Y, 
respectivamente. O bit mais significativo (MSB) está 
a esquerda, e o bit menos significante (LSB) está a 
direita.
Sequência de Operação - B
n PRESET – carrega todos os bits com valor 1 em x e 
y para os registradores X e Y, respectivamente.
n Atividades do Somador Completo
n xi = x0 = LSB de X
n yi = y0 = LSB de Y
n ci-1 = c-1 = 0 = Estado Inicial do Flip-Flop
n si = s0 = bit de soma de x0 + y0 + c-1
n ci = c0 = bit “vai um” (carry) de x0 + y0 + c-1
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Sequência de Operação - C
n SHIFT – 1
n X = ( 0 xn-1 xn-2 … x2 x1 )
n Y = ( 0 yn-1 yn-2 … y2 y1 )
n Z = ( s0 0 0 … 0 0 )
n Q = c0
n Atividades de Somador Completo
n xi = x1, yi = y1, ci-1 = c0
n si = s1 = bit soma de x1 + y1 + c0
n ci = c1 = bit carry de x1 + y1 + c0
Sequência de Operação - D
n SHIFT – 2
n X = ( 0 0 xn-1 … x3 x2 )
n Y = ( 0 0 yn-1 … y3 y2 )
n Z = ( s1 s0 0 … 0 0 )
n Q = c1 
n Atividades de Somador Completo
n xi = x2, yi = y2, ci-1 = c1
n si = s2 = bit soma de x2 + y2 + c1
n ci = c2 = bit carry de x2 + y2 + c1
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Sequência de Operação - E
n SHIFT – 3
n X = ( 0 0 0 … x4 x3 )
n Y = ( 0 0 0 … y4 y3 )
n Z = ( s2 s1 s0 … 0 0 )
n Q = c2
n Atividades de Somador Completo
n xi = x3, yi = y3, ci-1 = c2
n si = s3 = bit soma de x3 + y3+ c2
n ci = c3 = bit carry de x3 + y3 + c2
Sequência de Operação - F
11. SHIFT – n
n X = ( 0 0 0 … 0 0 )
n Y = ( 0 0 0 … 0 0 )
n Z = ( sn-3 sn-2 sn-1 … s1 s0)
n Q = cn-1 
12. Conclusão
n Registrador Z contém a soma X + Y se cn-1
= 0;
n cn-1 = 1 indica um overflow (error).