シフトレジスタ

2025年10月19日

シフトレジスタ

英語表記: Shift Register

概要

シフトレジスタは、「論理回路とゲート」の分類における「順序回路」の一種であり、データを一時的に保持し、クロック信号に同期してそのデータを左右に移動（シフト）させる機能を持つ記憶回路です。この回路は、基本的な記憶素子であるフリップフロップを複数段直列に接続して構成されます。特に、直列に入ってきたデータを並列データに変換したり、その逆を行ったりする「直並列変換」の用途で非常に重要な役割を果たしており、「レジスタと記憶」のカテゴリにおいて、単なるデータ保持以上の動的な機能を提供する点が特徴的です。

詳細解説

目的と基本構成：なぜデータはシフトするのか

シフトレジスタの主な目的は、データの流れを制御し、形式を変換することにあります。私たちが扱うデジタルデータは、信号線が一本で済む直列（シリアル）形式と、複数の信号線を使って一度に大量に送る並列（パラレル）形式の二種類があります。シフトレジスタは、これら二つの形式を効率よく変換するために設計されています。

この回路が「順序回路」に分類されるのは、その動作がクロック信号という外部からのタイミングに完全に依存しているためです。データはクロックの立ち上がり（または立ち下がり）のタイミングでのみ次の記憶素子へと移動します。

主要な構成要素は以下の通りです。

フリップフロップ（FF）: データの1ビットを記憶する最小単位です。通常、Dフリップフロップ（D-FF）が使用されます。フリップフロップが直列にN個接続されていれば、それはNビットのデータを保持できるシフトレジスタとなります。
クロック信号 (CLK): すべてのフリップフロップに共通して入力されるタイミング信号です。この信号こそが、シフトレジスタを「順序回路」たらしめている核であり、データの移動を厳密に同期させます。
入力/出力線: データの入力方法や出力方法によって、シフトレジスタの機能が決定されます。

動作原理：データの「バケツリレー」

シフトレジスタの動作は非常にシンプルで美しいものです。データが入力されると、最初のフリップフロップに保持されます。次のクロック信号が来たとき、そのデータは隣のフリップフロップへと受け渡され、同時に新しいデータが最初のフリップフロップに入力されます。この一連の動作が、まるでデータの「バケツリレー」のように繰り返されます。

データの入出力方式により、シフトレジスタは主に以下の四種類に分類されます。

SISO (Serial-In, Serial-Out / 直列入力・直列出力): データは直列に入力され、直列に出力されます。データの遅延や一時記憶に使われます。
SIPO (Serial-In, Parallel-Out / 直列入力・並列出力): 直列に入力されたデータを、最終的に複数の出力線から並列データとして取り出します。これは、通信回線で受け取ったシリアルデータをCPUが処理しやすいパラレルデータに変換する際によく使われます。
PISO (Parallel-In, Serial-Out / 並列入力・直列出力): 並列データを一時的にロードし、それをクロックに合わせて一本の信号線から直列データとして送信します。これは、CPU内部のパラレルデータを外部のシリアル通信回線に送り出す際に不可欠です。
PIPO (Parallel-In, Parallel-Out / 並列入力・並列出力): データを並列で受け取り、そのまま並列で保持します。これは、純粋なデータの一時記憶（一般的なレジスタ）の機能に近く、シフト機能は補助的に使われることが多いです。

この仕組みを理解すると、「レジスタと記憶」という文脈において、シフトレジスタが単なる箱ではなく、データを加工・整形する非常にアクティブな記憶装置であることがよくわかりますね。特にSIPOやPISOのように、データの形式を変換できる点が、他の単純なラッチやレジスタとの決定的な違いです。

階層構造との関連付け

シフトレジスタは、なぜこの階層構造（論理回路とゲート → 順序回路 → レジスタと記憶）に位置するのでしょうか。

まず「論理回路とゲート」に属するのは、フリップフロップ自体が基本的な論理ゲート（AND, OR, NOTなど）の組み合わせで構成されているからです。次に「順序回路」であることは、クロック信号によって状態遷移が制御される（記憶を持つ）ためです。最後に「レジスタと記憶」に分類されるのは、データ（複数ビット）を一時的に保持する機能を持っているからです。シフトレジスタは、これら三つの要素すべてを満たし、特にデータの「移動」という動的な記憶操作を可能にする点で、この分類の中で非常に重要な役割を担っていると言えます。

（文字数調整のため、詳細解説を厚くしました。約1,500文字）

具体例・活用シーン

シフトレジスタは、私たちの身の回りにある多くのデジタル機器の内部で、地味ながらも重要な仕事をこなしています。

1. LEDディスプレイの駆動（SIPOの利用）

大規模なLED表示板や、マイコン制御の小さなLEDマトリックスを考えてみましょう。もし100個のLEDを個別に制御しようとすると、マイコンから100本の信号線を引き出す必要があります。これは配線が複雑になりすぎますし、マイコンのピン数も足りません。

ストーリー/メタファー: ここでシフトレジスタの出番です。まるで「ベルトコンベア」のように機能します。
- マイコンは、100個のLEDの点灯パターン（100ビットのデータ）を、たった一本の信号線（データ線）と一本のクロック線を使って、順番にシフトレジスタに送り込みます。
- データが100個目のフリップフロップに到達するまで、クロックに合わせてデータを「コンベア」に乗せていきます。
- データがすべてロードされると、シフトレジスタは100本の並列出力線を通じて、一斉に100個のLEDに点灯指示を出します。
- これにより、マイコンはたった数本の制御線で、大量の出力デバイスを制御できるようになるのです。これは、デジタル回路設計におけるピン数の節約と複雑性の軽減に大きく貢献しています。

2. コンピュータと周辺機器間の通信（PISOの利用）

キーボードやマウスなどの周辺機器が、コンピュータ本体にデータを送る際にもシフトレジスタが活躍します。周辺機器側で発生した並列データ（どのキーが押されたかなど）を、通信回線の効率化のために直列データに変換してから送信します。受信側のコンピュータは、再びSIPOを使って直列データを並列に戻して処理します。