シリアル入力・パラレル出力シフトレジスタ：効率的なI/O拡張のためのシリアルデータからパラレルへの変換

シリアル入力・パラレル出力（SIPO）シフトレジスタは、シリアル入力・シリアル出力のものと同じデータシフトコアを共有していますが、内部の各段を個別の出力ピンとして公開しています。これにより、単一のシリアルデータラインを複数のパラレル出力に変換する理想的なソリューションとなります。

動作原理

4ビットのデータがデバイスにシリアルで入力されると、1ビットあたり1クロックパルスでデータが順次段を通過します。4回目のパルス後、4ビットが出力Q_AからQ_Dに同時に現れます：

このシンプルなメカニズムは、各段にタップポイントを持つシリアル入力・シリアル出力レジスタとして視覚化されることがよくあります。

SIPOとシリアル入力・シリアル出力の比較

メーカーは通常、8ビット幅までのSIPOデバイスを提供します。より広いパラレル出力には非現実的な数のピンが必要になるためです。対照的に、シリアル入力・シリアル出力シフトレジスタは64ビットまで拡張可能で、単一のシリアルラインのみが必要な場合に使用されます。

デバイスはアクティブローのCLR入力によってクリアされ、新しいデータがロードされる前にすべての内部フリップフロップがリセットされます。

テキサス・インスツルメンツ製の代表的なSIPO IC

• SN74ALS164A – 8ビットSIPOシフトレジスタ
• SN74AHC594 – 出力レジスタ付き8ビットSIPO
• SN74AHC595 – 出力レジスタとトライステート出力付き8ビットSIPO
• CD4094B – 8ビットラッチングシフトレジスタ（3〜15 VDC）

74AHC594の内部アーキテクチャには、シフトレジスタ用のSRCLKと出力レジスタ用のRCLKという2つの独立したクロックが搭載されています。この分離により、新しいデータがシフトインされている間も出力を安定させることができ、リレー、モーター、その他のアクチュエータを駆動する際に重要です。

データが上部の8ビットレジスタにシフトインされた後、RCLKの立ち上がりエッジでデータが出力レジスタにラッチされ、その後のシフト中も出力が変化しません。

同様に、74AHC595は出力レジスタのクリアを出力イネーブルOEに置き換え、システム起動時に切り離せるトライステートバッファを提供します。

実用的なアプリケーション

実際のシステムでは、SIPOシフトレジスタは、I/Oピンが限られたマイクロコントローラからリモートディスプレイ、LEDインジケータ、その他のパラレル入力デバイスを駆動するために使用されます。例えば、アラームシステムではシリアルデータをリモートパネルに送信し、SIPOがデータを8つのLED出力に展開します。

クロック、シリアルデータ、ストローブ（またはRCLK）、電源、グランドの5本のワイヤーのみを使用することで、メインボードとリモートパネル間の物理接続数を大幅に削減し、信頼性を向上させ、ケーブル管理を簡素化できます。

より大規模なディスプレイやアクチュエータアレイの場合、複数のSIPOデバイスをカスケード接続できます。最初のレジスタのQ_H出力を次のレジスタのSER入力に接続し、SRCLKとRCLKピンを共通にします。

LEDインジケータはSIPOレジスタを使用してマルチプレクス駆動されることが多く、専用ピンをLEDごとに用意せずに、単一のシリアル入力で多くのセグメントや桁を制御できます。

まとめると、シリアル入力・パラレル出力シフトレジスタは、シリアルデータストリームからパラレル出力を拡張するコスト効率に優れたスケーラブルな方法を提供し、組み込みシステム設計において不可欠なコンポーネントとなっています。

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