【计算机系统要素】使用D触发器实现寄存器、内存和计数器

最新推荐文章于 2025-03-23 16:56:33 发布

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分类专栏：读书笔记文章标签：触发器内存结构

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/li1358159/article/details/108139730

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本文介绍了如何使用D触发器实现计算机中的寄存器、内存和计数器。详细讲解了1比特位和多比特位寄存器的读写操作，以及不同内存大小（8字、64字、512字、4K字、16K字）的工作原理。同时，探讨了计数器在指令地址计数中的作用，包括加1操作、重置和重载功能。

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本文是笔者拜读《计算机系统要素》第3章（时序逻辑）的实践项目。
本文的HDL程序所调用的组合逻辑模块来自前几篇博客。

D触发器

在这里插入图片描述

DFF的输出被赋予了上个时钟周期的输入，所有的DFF门都连接同一个主时钟，所有时序芯片都在主时钟频率的协调下共同工作。

和Nand门一样，DFF门在计算机体系中处于非常底层的位置，计算机中的所有时序芯片（寄存器、内存、计数器）都基于大量的DFF门。

DFF的物理实现是个复杂的任务，它使用反馈电路（仅基于Nand门）连接几个基本的逻辑门。

寄存器

1比特位寄存器

在这里插入图片描述
如果希望寄存器开始存储一个新值，可以把这个值置于in输入口，然后将load位设为1；如果希望寄存器一直存储它的内部值直到新的指令到来，就将load设置为0。

CHIP Bit {
   
    IN in, load; // t
    OUT out; // t+1

    PARTS:
    // Put your code here:
    Mux(a = o1, b = in, sel = load, out = o2);
    DFF(in = o2, out = out);
    DFF(in = o2, out = o1);
}

内部接线o1的默认初值是false，即低电平。
输入是t时刻的，输出是t+1时刻的，该输出又是t+2时刻输出的一部分。

多比特位寄存器

在这里插入图片描述

读：要读取寄存器的内容，只需获取它的输出。
写：要将新数据d写入寄存器，只需将d置于in输入管脚，并将load输入管脚的值设为1，这样，在下一个时钟周期，寄存器被赋予新的数据值，输出变成了d。

CHIP Register {
   
    IN in[16], load;
    OUT out[16];

    PARTS:
    // Put your code here:
    Bit(in = in[0], load = load, out = out[0]);
    Bit(in = in[1], load = load, out = out[1]);
    Bit(in = in[2], load = load, out = out[2]);
    Bit(in = in[3], load = load, out = out[3]);
    Bit(in = in[4], load = load, out = out[4]);
    Bit(in = in[5], load = load, out = out[5]);
    Bit(in = in[6], load = load, out = out[6]);
    Bit(in = in[7], load = load, out = out[7]);
    Bit(in = in[8], load = load, out = out[8]);
    Bit(in = in[9], load = load, out = out[9]);
    Bit(in = in[10], load = load, out = out[10]);
    Bit(in = in[11], load = load, out = out[11]);
    Bit(in = in[12], load = load, out = out[12]);
    Bit(in = in[13], load = load, out = out[13]);
    Bit(in = in[14], load = load, out = out[14]);
    Bit(in = in[15], load = load, out = out[15]);