パラレル-シリアル変換シフトレジスタ（PISO）：設計、動作、応用

パラレル-シリアル（PISO）シフトレジスタは、シリアル入力/シリアル出力（SISO）デバイスの機能を拡張し、すべての段がデータを同時にロードできるようにします。この機能は、各ビットが独立した配線上にあるパラレルデータを、効率的な通信のためのシリアルストリームに変換する上で不可欠です。

PISOレジスタはデータのワードを格納し、それを1クロックサイクルごとに1ビットずつシフトアウトします。総遅延時間は、段数にクロック周期を乗じた値に等しくなります。データをシフト開始前にパラレルでロードできるため、このレジスタは高速データ取得と通信インターフェースに最適です。

以下に、3段PISOシフトレジスタの詳細を見ていきます。その核心部品は以下の通りです：

• データ保存用のD型フリップフロップ
• パラレルロードとシリアルシフトを選択するAND-ORセレクタ

実用的なデバイスは通常、4、8、または16段を備えます。下図は3段の例を示しています。

SHIFT/LD’信号がロウのとき、上部のNANDゲートがパラレルロード経路をイネーブルにします。入力D_A、D_B、D_Cのデータが、対応するDフリップフロップの入力に渡されます。次の立ち上がりクロックエッジで、3ビットすべてが同時に取り込まれます。このプロセスは同期ロードと呼ばれます。

逆に、SHIFT/LD’がハイのとき、下部のNANDゲートがシフト経路を活性化します：シリアル入力SIが第1段に入り、各フリップフロップの出力が次の段の入力に接続され、最終出力がSOに現れます。連続するクロックエッジでワードが右にシフトし、1サイクルごとに1ビットが出力されます。

波形図は、パラレルロードからシリアルシフトへの遷移を示しています：

実際には、SHIFT/LD’信号はクロックエッジ周辺の短いウィンドウでロウのままにして、セットアップタイムとホールドタイムを満たす必要があります。簡略化のため、わずかに広いパルスがよく用いられます。

なぜSIとSOの両ピンがあるのか？ これらは、複数のシフトレジスタをカスケード接続してワイドシフタを作成したり、マイクロプロセッサやセンサなどのシリアル周辺機器とインターフェースしたりするためです。

テキサス・インスツルメンツ製の一般的なPISOデバイス

• SN74ALS166 – 8ビット、同期ロード
• SN74ALS165 – 8ビット、非同期ロード
• CD4014B – 8ビット、同期ロード
• SN74LS647 – 16ビット、同期ロード

詳細なデバイス仕様については、リンク先のデータシートを参照してください。

例えばSN74ALS166は、8段同期PISOを実装しています。ピンはデータ入力用にA–H、シリアル入力用にSER、シリアル出力用にSO、モード制御用にSH/LD’が割り当てられています。CLKINHピンをハイにするとクロックを阻止できます。

ANSIシンボルを理解することは有用です：上部ブロックにモード制御（シフト用M1、ロード用M2、クロック用C3/1）が配置されています。8段シフタはSRG8とラベル付けされ、シリアル入力SERはロード信号とクロックによって制御されます。

非同期ロードと同期ロード

SN74ALS165のような非同期ロードレジスタは、フリップフロップのプリセット（Set）とクリア（Reset）ピンを用いて、クロックに依存せずにデータをロードします。SH/LD’がロウになると、Setピンがデータ入力によって駆動され、Resetピンがハイに保持されます。データは即座にレジスタに現れるため、クロックパルスが利用できない、または不要な場合に非同期ロードが有用です。

同期デバイスでは、SHIFT/LD’ラインがデータのロードかシフトかを制御し、クロックがアクションを同期させます。このモードはタイミングの予測可能性が高いため、現代の設計で好まれます。

実用的な応用

PISOレジスタの一般的な用途の一つは、I/Oピンが限られたマイクロプロセッサで、スイッチやキーパッドのバンクを読み取ることです。例えば、9キーキーパッドをPISOレジスタでスキャンすれば、必要な配線を9本から3本に削減できます。

自動車や産業分野では、この配線削減が故障の潜在的ポイントを最小化し、信頼性を向上させます。シフトレジスタのシリアルインターフェースは、ADC、センサ、メモリモジュールなどの他のシリアルデバイスとの通信も可能にします。

実装するには、シフトレジスタのパラレル入力をスイッチ接点に接続し、抵抗で+5Vにプルアップし、LD/SH’をマイクロプロセッサから制御します。ロード後、シフトパルスを生成してSOラインから各ビットを読み取ります。

より複雑なデータストリームの場合、追加のシフトレジスタをカスケード接続するか、専用のシリアル周辺機器とインターフェースします。

関連項目：シフトレジスタ ワークシート