Capítulo 10: Registro de desplazamiento

Ejemplos de este capítulo en github

Introducción

Los registros de desplazamiento almacenan un valor y nos pemiten desplazarlo. Son extremadamente útiles. Se utilizan para convertir la información de paralelo a serie (y vice-versa) para usar en las comunicaciones síncronas. Las comunicaciones a través de SPI, I2C, etc, se implementan con estos registros. También nos permiten realizar las operaciones de multiplicar por 2 y dividir entre 2 para número enteros.

En este capítulo los utilizaremos para generar una secuencia de 4 estados en los leds de la placa iCEstick, moviendo las luces en sentido horario

Descripción del registro

El registro de desplazamiento que usaremos es como el siguiente:

La salida del registro es de N bits (en nuestro ejemplo usaremos un registro de 4 bits). Tiene una entrada en paralelo de N bits, que nos permite cargar en el registro con un valor nuevo. La señal load_shift nos permite determinar el modo de funcionamiento: cuando está a 0 se realiza la carga de un valor nuevo al llegar un flanco de subida de reloj. Cuando está a 1 se realiza un desplazamiento hacia la izquierda en el flanco de subida del reloj.

En este desplazamiento el bit más significativo se pierde, y el nuevo se lee de la entrada serin (serial input). Si tenemos almacenado el valor inicial 1001, la señal load_shift está a 1, serin está a 0 y llega un flanco de subida de reloj, obtendremos el valor: 0010. En el siguiente flanco (si serin sigue a 0) obtendremos 0100, luego 1000 y luego 0000.

shift4: Rotación de bits

Como ejemplo usaremos un registro de desplazamiento de 4 bits para rotar una secuencia de bits y mostrarlos por los 4 leds de la placa iCEStick. La secuencia obtenida por los leds dependerá del valor inicial cargado en el registro.

El diagrama de bloques del componente shift4 es:

El componente principal es un registro de desplazamiento de 4 bits. Por su entrada de reloj se conecta el reloj de la placa iCEstick a través de un prescaler, para disminuir su frecuencia y poder ver la rotación de los bits en los leds.

El bit más significativo del registro (data[3]) se conecta directamente a la entrada serin, de forma que se consiga la rotación de bits (el más significativo pasa a ser el de menor peso)

Por la entrada paralelo introducimos el valor inicial, que por defecto será el 0001. Al rotar aparecerá la secuencia 0010, 0100, 1000 y 0001.

La carga inicial la realizamos usando un inicializador, como el mostrado en el capítulo 9. Está conectado a la entrada load_shift, de manera que inicialmente está a 0 y al llegar el primer flanco de reloj pasa a '1', cargándose el valor inicial y pasando a modo desplazamiento. En el resto de flancos se realizará el desplazamiento (y no la carga). Este es un ejemplo de cómo funciona el inicializador.

Descripción del hardware

Registro de desplazamiento

El registro de desplazamiento se describe con muy pocas líneas. Es un proceso que depende del flanco de subida del reloj.

always @(posedge(clk_pres)) begin
  if (load_shift == 0)  //-- Load mode
    data <= INI;
  else
    data <= {data[2:0], serin};
end

En el modo carga se saca el valor inicial (INI) por la salida. En el de desplazamiento se sacan los tres bits menos significativos y se añade serin como menos significativo. Esto se hace con el operador de concatenación {}: A los tres cables definidos por data[2:0] se le añade un cuarto cable: serin

Componente shift4

El componente final shift4 tiene 2 parámetros: el número de bits del prescaler (NP), que determina la velocidad de rotación de los bits y el valor inicial (INI) a cargar, que determina la secuencia. Por defecto, este valor inicial es 0001.

El código para describir el componente shift4 completo es:

//-- shift4.v
module shift4(input wire clk, output reg [3:0] data);

//-- Parametros del secuenciador
parameter NP = 21;  //-- Bits del prescaler
parameter INI = 1;  //-- Valor inicial a cargar en el registro

//-- Reloj de salida del prescaler
wire clk_pres;

//-- Shift / load. Señal que indica si el registro
//-- se carga o desplaza
//-- shift = 0: carga
//-- shift = 1: desplaza
reg load_shift = 0;

//-- Entrada serie del registro
wire serin;

//-- Instanciar el prescaler de N bits
prescaler #(.N(NP))
  pres1 (
    .clk_in(clk),
    .clk_out(clk_pres)
  );

//-- Inicializador
always @(posedge(clk_pres)) begin
    load_shift <= 1;
end

//-- Registro de desplazamiento
always @(posedge(clk_pres)) begin
  if (load_shift == 0)  //-- Load mode
    data <= INI;
  else
    data <= {data[2:0], serin};
end

//-- Salida de mayor peso se re-introduce por la entrada serie
assign serin = data[3];

endmodule

Síntesis en la FPGA

Simulación

Ejercicios propuestos

• Ej1
• Ej2

Conclusiones

TODO