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5 寄存器

文本统计：约 1460 个字

5.1

整体架构

5.1.1 寄存器转移操作

定义：存储在寄存器中的数据的移动与处理。

包括三个部分：寄存器组（包括load, count, shift, add等），基本操作（也叫做微操作microoperation)，操作控制。

寄存器传输语言：RTL

一些标记：

  • 字母与数字代表寄存器，比如\(R2, PC, IR\)
  • 括号代表寄存器位的范围，比如\(R1(1), PC(7:0)\)
  • 箭头代表数据传输，比如\(R1 \leftarrow R2\)
  • 逗号分隔并行操作，比如\(R1 \leftarrow R2,R2 \rightarrow R1\)
  • 中括号指定内存地址，比如\(R0 \leftarrow M[AR]\)
  • 条件转移：\(if(K1=1)then(R2\leftarrow R1)\)表示为\(K1:R2\leftarrow R1\)

微操作可分为：

  • 传输：将寄存器上的数据进行转移
  • 算数：对寄存器上的数据进行算数运算
  • 逻辑：对寄存器上的数据进行位运算
  • 转移：转移数据进入寄存器

Note

条件处的运算均为位运算，后半部分可能出现算数运算， 对于\((K1+K2):R1 \leftarrow R1 \vee R3\)式子来说，前面的+是指的是位运算中的+，而不是算数运算中的+

5.1.2 寄存器传输结构

  • 基于多路选择器的传输

​ 对于每一个寄存器均连接一个多路选择器

  • 基于总线的传输

​ 只用一个多路选择器，节省了门数入代价

  • 三态门总线传输

​ 利用三态门代替了多路选择器

相关图例

5.2

时序电路设计的方法：一是仅仅利用flip-flops与逻辑门进行设计，二是利用RTL来设计，利用不同类型的寄存器以及函数模块进行设计。后者适用于复杂电路的设计。

5.2.1 转移寄存器(Shift Registers)

可以简单的利用D flip-flops 成排连接

也可以增加平行输入端，并相应的增加一个2-1MUX

甚至可以继续增加一个Hold端，将MUX改为三输入

多操作的综合Shift Registers

Note

同理，Shift Register也可以被做成移动更多位的

5.2.2 计数器(Counters)

分为两种，同步计数器与异步计数器（行波计数器）

  1. 异步计数器

如果有更多位，只需要在后面继续把反输出输入下一个D flip-flop的C口即可。

注意

  1. 从最低有效位开始波的频率逐位减半。
  2. 每一次传播都有一个延迟时间。
  3. 从\((1,1,1)\rightarrow (0,0,0)\)会有中间态产生


  1. 同步计数器

使用一个递增器即可

Count Enable(CE)：控制递增还是保持原状。

Carry Out(CO)：用于连接下一个计数器，比如说更高位的计数，CO就可以连接到下一个4位的计数器的EN端了

当然，也可使用平行门电路，与全加器类似的优化方法。

补充1：Counter with Parallel Load

补充2：Synchronous BCD

方法1：列出状态表，注意到编码存在非法状态（10-16），我们可以在这些自由项中任意选择状态，让输入方程更加简单。但是我们不能让非法状态落入死循环，以上是被动地设置。我们也可以主动地设置检测非法状态的方程，并让非法状态尽可能快的回到正常状态。

总结来说主动处理非法状态的方法：首先确定非法状态不循环，然后可以设置非法状态的检测方程，接着可以选择让他尽可能快地回到正常状态，也可以直接回到固定地某一个状态。

方法2：还有一种方法就是正常的计数器，增加一个load信号，由于load信号优先级比count高，当检测到\(Q_0Q_3=1\)就将0000load到计数器中即可。当然这个方法也可能出现扰动进入非法状态，但是只要来一次时钟信号仍然会回到0000

补充3：Counting Modulo N

（1）异步清零法：可以像补充2中方法2中那样使用一个特征函数接一个与门然后接到clear口上，但是在实际情况下，若进入与门的三个信号出现了小小的偏差，导致出现了特征函数的情况并导致清零。这就造成了该电路计数的不稳定性。

异步清零法

（2）同步清零法

同步清零法

（3） 拓展：超过4位的N，需要计数器的拼接

例如8-38的重复计数器：

5.2.3 寄存器单元设计

两种设计方法：一是基于MUX的设计方法，二是传统时序电路的设计方法

基于MUX的设计方法的基本模板：

下面利用一个例子来比较两种方法的优劣。

Register transfers: \(CY:A\leftarrow B\bigoplus A\) $CX:A\leftarrow B\vee A $ \(Hold state:(0,0)\)

Control inputs:\((CY,CX)\)

方法一：

​ 门输入代价为19

方法2：

先画出状态图(Moore Model)，然后画出状态表，然后利用K-Maps写出方程。这时的门数入代价就是14。

比较上述两种方法，方法一简单但是门数入代价较高，方法二复杂但门数入代价较小。但在面对较多状态时，方法二无法有效解决问题。

5.2.4 串行数据传输

串行数据传输与并行数据传输相对应。

串行数据传输不受数据大小长度影响，而并行数据传输受其影响

5.3 数字系统设计

数字系统设计三要素：寄存器、微操作、控制

5.3.1 设计DashWatch

要求：

画控制单元的状态图：

针对Datapath的控制信号(Control Signals)：

数据通路(Datapath)：

控制单元(Control Unit):

控制单元的输出：

\(LSR=S1+S6,RSTM+S2,ENTM=S3,UPDATE=S6,DS=S7\)

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