Лекции / Схемотехника ЭВМ. Лекция 04. Регистры
Регистр — операционный узел ЭВМ, представляющий собой регулярную совокупность элементов памяти и комбинационных схем, предназначенный для выполнения микроопераций приёма, хранения, преобразования и выдачи цифрового кода, а также простейших поразрядных операций, операций над цифровым кодом и выработки осведомительного сигнала о состоянии регистра. Регистры являются наиболее распространенным типом последовательностных узлов в современных цифровых системах [5-18]. В качестве элементов памяти в регистрах используются либо статические элементы, например триггеры различного типа, либо динамические элементы, например МДП-, ПЗСструктуры и т.п.
Комбинационные схемы строятся на основе какого-либо логического базиса. Если регистры выполняются в виде интегральной схемы, то элементы памяти и комбинационные схемы выполняются по единой технологии (ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ, И 2 Л и др.).
Приём — занесение новых данных в регистр (иногда называется вводом, записью). Данные — это числа, команды, управляющие коды и т.п. Разновидностью приёма является операция установка начального состояния , выполняемая с помощью одного управляющего сигнала.
Хранение — режим работы регистра, при котором данные не изменяются. В отличие от оперативных, постоянных и долговременных запоминающих устройств, в регистрах осуществляется кратковременное хранение (запоминание) данных, например на период выполнения одного или нескольких тактов (циклов) работы всего устройства.
Преобразование цифрового кода — одна из микроопераций (опера-
• сдвиг данных на один или несколько разрядов;
• преобразование параллельного кодавпоследовательный иобратно;
• организация задержки во времени;
• выполнение поразрядных операций НЕ, И, ИЛИ, сумма по модулю 2, эквивалентность и др.;
• преобразование кодов (например, прямого кода числа со знаком в дополнительный код и т.д.);
• умножение и деление двоичного полинома на двоичный полином;
• генерация различных кодов и т.д. и т.п.
Схемы конкретных регистров могут выполнять лишь некоторые из указанных операций. В общем случае под преобразованием понимаются не только перечисленные операции, но и управление процессом с помощью последовательности сигналов в результате выполнения соответствующих операций над кодами.
Выдача цифрового кода — вывод данных из регистра для передачи в другие узлы цифрового устройства (иногда называется операцией считывания или просто считыванием).
Разрядность n регистра, как правило, совпадает (или определяется) с разрядностью обрабатываемого цифрового кода.
Состояние регистра — конкретное значение цифрового кода, зафиксированного в n элементах памяти регистра.
Осведомительным называется сигнал, вырабатывающий соотношения типа «меньше», «равно», «больше» над состоянием регистра; сигнал проверки знака числа, на нуль и др.
Регистры классифицируются по различным признакам [15]:
По способам приёма и выдачи данных регистры подразделяются на параллельные (статические или регистры памяти), последовательные, параллельно-последовательные, последовательно-параллельные, комбинированные (универсальные, многофункциональные).
В параллельных регистрах приём и выдача кодов производится по всем разрядам одновременно; их основная функция — хранение слова. В них же могут осуществляться и поразрядные операции над словами.
В последовательных регистрах слова принимаются и выдаются последовательно разряд за разрядом, их называют сдвигающими (сдвиговыми), поскольку тактирующие сигналы перемещают слово в разрядной сетке.
По направлению передач или сдвига данных регистры подразделя-
ют на однонаправленные, когда сдвиг данных осуществляется только влево или только вправо (сдвиг данных от старших разрядов к младшим называется правым сдвигом, или сдвигом вправо; сдвиг данных от младших разрядов к старшим называется левым сдвигом, или сдвигом влево) и реверсивные, когда сдвиг данных может осуществляться в любую сторону (в зависимости от управляющего сигнала).
В параллельно-последовательных регистрах приём данных осуществляется в параллельном коде, а выдача данных — в последовательном коде. В последовательно-параллельных регистрах приём данных осуществляется в последовательном коде, а выдача — в параллельном коде. В комбинированных регистрах приём и выдача данных осуществляется с различными сочетаниями перечисленных выше способов.
По количеству цепей передачи одного разряда данных регистры подразделяют на однофазные и парафазные.
Под передачей данных понимается приём, выдача и сдвиг кода.
В однофазных регистрах передача осуществляется только по одной цепи в каждом разряде (или в прямом, или в обратном коде). В парафазных регистрах передача осуществляется по двум цепям в каждом разряде (и в прямом, и в обратном коде).
При сравнительной оценке однофазных и парафазных регистров необходимо отметить, что однофазные являются более эффективными при выполнении на ИС, так как они содержат в два раза меньше входов и выходов данных, чем парафазные регистры. Это позволяет сократить число выводов ИС, что особенно важно при проектировании на БИС.
По используемой системе синхронизации регистры подразделяют на однотактные и многотактные.
Однотактные регистры управляются одной последовательностью синхронизирующих сигналов, а многотактные — несколькими. Однотактные регистры строятся на триггерах, имеющих в своей структуре две элементарные запоминающие ячейки, синхронизируемых перепадом (фронтом, спадом), или на так называемых триггерах с внутренней задержкой срабатывания. Типичный пример таких триггеров — универсальные D- и JK- триггеры, MS- структуры с квазиоднофазной синхронизацией. Многотактные регистры строятся на триггерах, имеющих в своей структуре одну элементарную запоминающую ячейку, синхронизируемых потенциальным сигналом, на динамических МДПинверторах, на структурах, способных хранить данные в различных физических средах (ПЗС-структуры, магнитные домены и т.п.).
По типу запоминающих элементов , используемых в регистрах для храненияданных, регистрыподразделяютна статическиеидинамические.
Статические регистры строятся на триггерах, выполненных на логических элементах, и сохраняют данные до тех пор, пока действует источник питающего напряжения. Статические регистры имеют ограничение по максимальной частоте синхросигналов.
Динамические регистры строятся на динамических МДПструктурах, в которых данные сохраняются в виде заряда на конденсаторах затвор-исток МДП-транзисторов, в твердом теле (ПЗС-структуры) и т.п. Динамические регистры имеют ограничение и по максимальной и по минимальной частоте синхросигналов. В данном учебном пособии рассматриваются только статические регистры.
По числу источников, от которых поступают данные , регистры подразделяют на регистры с одним направлением данных и регистры с многими направлениями данных.
По влиянию входных данных на выход регистры подразделяют на прозрачные и непрозрачные.
Прозрачными называются регистры, обладающие свойством при активном уровне синхросигнала адекватно, в соответствии с типом используемых триггеров, отслеживать на выходе все переключения входных данных. Прозрачными являются регистры хранения на триггерах, имеющих в своей структуре одну элементарную запоминающую ячейку, синхронизируемых уровнем сигнала (например, на триггерах-защёлках). Прозрачные регистры не должны применяться в режиме сдвига, поскольку пока действует активный синхросигнал «сдвиг», передача данных из разряда в разряд будет проходить безостановочно и триггеры могут переключаться многократно, тогда как требуется сдвиг на один разряд.
Непрозрачными называются регистры, обладающие свойством при любом уровне синхросигнала не передавать на выход переключения входных данных. Свойство непрозрачности — очень важное свойство, именно оно позволяет использовать режим сдвига при однофазной синхронизации.
По схемотехнике выходных цепей регистры подразделяют на реги-
стры со стандартным (на два состояния) выходом (ТТЛ, КМДП, ЭСЛ и т.п.); регистры, выходные цепи которых выполнены по схеме с открытым коллектором, эмиттером или стоком (ОК, ОЭ, ОС); регистры, выходные цепи которых выполнены с тремя состояниями выхода.
Схемотехника выполнения выходных цепей регистров существенно влияет на структуру схем, обеспечивающих обмен данными между регистровыми узлами цифровых устройств.
Приведём ряд примеров различного функционального назначения регистров: регистр хранения, регистр сдвига, регистр-аккумулятор, регистр общего назначения, регистр данных, регистр адреса, регистр состояния, регистры-порты ввода и вывода, регистр-шлюз, регистргенератор кодовых последовательностей, регистры-счётчики, регистры последовательного приближения, регистровая память типа «очередь», регистровая память типа «стек» и т.д. и т.п.
Важнейшими параметрами регистров являются разрядность, статические параметры и характеристики, динамические (временные и частотные) параметры.
Наращивание разрядности регистров достигается добавлением необходимого числа соответствующих триггеров, тактовые входы которых присоединяют к сигналам синхронизации, а информационные входы и выходы триггеров используют по назначению.
Статические параметры и характеристики регистра — это уровни «0» и «1», пороговое входное напряжение U пор.вх , входные и выходные
токи ( I 0 вх , I 1 вх , I 0 вых , I 1 вых ), коэффициент разветвления по выходу K раз и т.д., т.е. обычные статические параметры и характеристики ИС.
Динамические параметры определяются для конкретного типа регистра, например минимальная длительность тактового сигнала, время опережения фронта информационного входа относительно фронта тактового сигнала и др.
2.2. Параллельные регистры
2.2.1. Организация цепей приёма
Организация и структура цепей приёма данных в параллельных регистрах определяются следующими факторами:
• формойпредставлениявходных данных(однофазная, парафазная);
• типом триггера, применяемого в регистре;
• системой синхронизации и управления;
• специальными требованиями, такими как маскирование части вводимого слова, наличие общих цепей сброса и установки, выполнение поразрядных логических операций над вводимым словом и словом, хранящимся в регистре.
Рассмотрим несколько примеров формирования цепей приёма данных в параллельных регистрах.
Пример 2.1. Пусть входные данные x i представлены в однофазной форме, в качестве триггера в регистре используется асинхронный RS -триггер в базисе И-НЕ. Определить структуру регистра. Характеристическая таблица асинхронного RS -триггера в базисе И-НЕ представлена в табл.1.5.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Разрядность регистров с плавающей точкой совпадает с разрядностью формата данных длиной в двойное слово. Регистры с плавающей точкой предназначены только для временного хранения данных и результатов арифметических операций с плавающей точкой. [2]
Разрядность регистров процессора , арифметическо-логического блока и основных информационных шин выбрана равной одному байту ( 9 двоичных разрядов) при двухбайтовой физической разрядности оперативной памяти. При таком структурном решении достигается заданный уровень быстродействия процессора при минимальных затратах оборудования. [3]
Разрядность регистров МП соответствует разрядности шины данных, но поскольку разрядность шины адреса равняется 16 разрядам, то РОН можно попарно объединять и их содержимое передавать в регистр адреса. [5]
Разрядность регистра сдвига , подобного показанному, может быть увеличена подключением дополнительных триггеров. [6]
Наращивание разрядности регистров памяти достигается добавлением нужного числа триггеров, тактовые входы которых присоединяют к шине синхронизации. [7]
Количество и разрядность регистров АЛУ в разных моделях ЭВМ Единой системы различны. В ЕС-1020 в основном регистры 8 — и 16-разрядные, в ЕС-1030 — 32-разрядные, в ЕС-1050 — 64-разрядные. Это является одной из причин, обусловливающих различие в способах приема, размещения и оперирования данными в моделях в процессе выполнения операций. [8]
Для возможности сдвигов разрядность регистра RG2 множимого числа увеличена на два. [9]
Таким образом, если разрядность регистров равна т, то вычисление выражения уп завершается после m — кратного сдвига содержимого регистров. [11]
Если общая длина результата превосходит разрядность регистра , то выходящие справа за разрядную сетку десятичные разряды отбрасываются. В большей части машин ори этом предусматривается округление результата. [12]
Здесь можно отметить, что разрядность регистров памяти бывает на один-два разряда больше, чем разрядность индикатора. Чтобы узнать, есть ли скрытые разряды в МК, можно воспользоваться следующим приемом. Если полученный результат будет содержать такие цифры, которые при первоначальном вводе числа тт не были представлены на индикаторе, то МК содержит скрытые разряды в операционном регистре, и их количество равно количеству вновь появившихся цифр. [13]
В соответствии с форматами данных выбирается разрядность регистра . Каждый разряд регистра используется для ввода, вывода и хранения одного разряда двоичного числа. [14]
Итак, разрядность процессора, число и разрядность регистров определяют число его возможных состояний, мерой которых может служить энтропия. Чем больше энтропия, тем большее количество информации может пропустить центральный процессор. [15]
Разрядность регистра определение
Разрядность регистров — это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин «разрядность микропроцессора», то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.
Разрядность регистра-определяет колличество разрядов обрабатываемых процессром данных,а также характеристики программного обеспечения и команд выполняемых чипом.
Характеристика регистров процессора
Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов, служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро, поэтому, в общем случае, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров. Именно разрядность регистров и АЛУ называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью.
По отношению к назначению внутренних регистров существует два основных подхода. Первого придерживается, например, компания Intel, которая каждому регистру отводит строго определенную функцию. С одной стороны, это упрощает организацию процессора и уменьшает время выполнения команды, но с другой — снижает гибкость, а иногда и замедляет работу программы. Например, некоторые арифметические операции и обмен с устройствами ввода/вывода проводятся только через один регистр — аккумулятор, в результате чего при выполнении некоторых процедур может потребоваться несколько дополнительных пересылок между регистрами. Второй подход состоит в том, чтобы все (или почти все) регистры сделать равноправными, как , например, в 16-разрядных процессорах Т-11 фирмы DEC. При этом достигается высокая гибкость, но необходимо усложнение структуры процессора. Существуют и промежуточные решения, в частности, в процессоре MC68000 фирмы Motorola половина регистров использовалась для данных, и они были взаимозаменяемы, а другая половина — для адресов, и они также взаимозаменяемы.
В первую группу входят регистры общего назначения. В процессорах 386 и выше имеются восемь 32-битовых регистров общего назначения EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, и ESP. Процессоры 386 и выше могут обращаться к 16-битовым половинам 32-битовых регистров. При необходимости возможна работа с половинами регистров, поскольку они разделены на старшую и младшую половину, называемые AH и AL, BH и BL и т.д. Такое разделение регистров имеется во всех процессорах. Значительная часть внутренних операций компьютеров производится с использованием регистров общего назначения.
Следующая группа из шести регистров помогает процессору обращаться к памяти. Они называются сегментными регистрами и каждый из них помогает обращаться к области (или сегменту) памяти. В прежних процессорах размер сегментов составлял 64 Кбайт, а в новых процессорах длина сегмента переменная и варьируется от одного байта до 4 Гбайт.
Регистр CS сегмента кода (программы) показывает, в каком месте памяти находится программа. Регистр DS сегмента данных локализует используемые программой данные. Регистр ES дополнительного сегмента дополняет сегмент данных. Регистр SS сегмента стека определяет стек компьютера. В процессорах 386 и выше имеются еще два сегментных регистра: FS и GS, предназначенных для адресации памяти.
Если сегментные регистры обеспечивают доступ к большим блокам памяти, то последняя группа используется совместно с сегментным регистром для локализации в памяти конкретных байтов. Регистр указателя команды IP определяет ту точку, где выполняется программа. Регистры указателя стека SP и указателя базы BP помогают следить за информацией в стеке (стек — это область памяти, где хранится информация о текущих действиях компьютера). Регистры индекса источника SI и индекса получателя DI помогают программам пересылать большие блоки данных из одного места в другое.