Estructura del registro y principio de funcionamiento
Un componente muy importante que se utiliza para almacenar información en la CPU son los registros de propósito general. Por ejemplo, el registro general cero es un registro de 32 bits de la arquitectura mips. Estos 32 bits son iguales en términos de implementación del circuito.
Veamos uno de ellos, que se puede implementar mediante una estructura como la de la parte inferior izquierda. Esta estructura es el flip-flop D que presentaremos.
Un disparador es una unidad básica con capacidad de almacenar información. Hay muchos tipos de flip-flops y el flip-flop D es uno de ellos.
De hecho, el flip-flop no es tan misterioso. También está compuesto por puertas lógicas como AND o no.
En lo que respecta a las flip-flops D, hay muchas maneras de implementarlas en el futuro. Aquí no entraremos en detalles de su implementación interna, sino que nos centraremos en su funcionalidad externa. Este flip-flop D tiene principalmente estas tres interfaces, una entrada de datos, una salida de datos y una entrada de reloj.
Su función es la siguiente: en el flanco ascendente del reloj, es decir, cuando el reloj cambia de nivel bajo a nivel alto, es decir, de 0 a 1, es un tiempo muy corto. En este momento, el flip-flop D muestreará el valor del puerto de entrada D y, después de un corto período de tiempo, transferirá este valor al puerto de salida Q. En otros momentos, es decir, cuando la señal del reloj no aumenta , no importa cómo cambie el puerto de entrada D, el valor de su puerto de salida Q permanece sin cambios.
Por supuesto, esto sigue siendo muy abstracto, lo explicaremos con más detalle mediante una descripción visual.
Al igual que las cámaras que utilizamos habitualmente, la lente se compara con el terminal de entrada D del flip-flop D y el obturador para tomar fotografías se compara con el terminal del reloj. Esta cámara tiene un módulo de transmisión inalámbrica que puede transmitir las fotos tomadas al monitor. Esta pantalla es como la salida Q del flip-flop D, por lo que podemos comparar el flip-flop D con esta cámara y esta pantalla. Cuando se presiona el obturador de la cámara, la cámara tomará una foto y, después de un segundo, la foto se mostrará en el monitor. Para un flip-flop D, esto se llama tiempo de reloj a Q, que comienza desde el flanco ascendente del reloj hasta que los datos aparecen en la salida. Esta es una característica del flip-flop D. Otra característica importante de todo el chip en el que reside el flip-flop D es la frecuencia del reloj. Aquí, dado que acordamos presionar el obturador cada diez segundos, la frecuencia de reloj de este sistema es de 0,1 Hz.
Finalmente, a este conjunto de flip-flops D formado por una cámara y un monitor, es decir, otro monitor, le añadimos una entrada para que podamos capturar la imagen en el monitor izquierdo y mostrarla en el monitor superior derecho.
Bien, ahora suponiendo que hayan llegado los diez segundos, pulsamos una vez el obturador. Cuando se presiona el obturador, la cámara toma una foto en el monitor izquierdo y la envía al monitor derecho un segundo después. Este proceso se refleja en el flip-flop D utilizando la señal de entrada en el flanco ascendente del reloj, y la señal de muestreo se envía desde el puerto de salida del reloj a Q después del flanco ascendente del reloj. Después de eso, la entrada es la imagen en el monitor izquierdo. Es decir, no importa cómo cambie la entrada, la salida no cambiará hasta que llegue el siguiente flanco ascendente del reloj.
Ahora suponiendo que sean diez segundos, tenemos que pulsar el obturador una vez. Cabe señalar que, al igual que la fotografía en la vida real, la imagen vista a través de la lente no debe cambiar en el corto período de tiempo antes y después de presionar el obturador, de lo contrario la imagen tomada puede resultar borrosa. Para los flip-flops D, la señal en la entrada no puede cambiar en un corto período de tiempo antes y después del flanco ascendente del reloj; de lo contrario, puede ocurrir un muestreo incorrecto. Bueno, esta también es una característica importante del flip-flop D. Requiere que la señal de entrada tenga un tiempo de estabilización corto antes del flanco ascendente del reloj, llamado tiempo de configuración, y un tiempo de estabilización corto después del flanco ascendente del reloj. reloj, llamado tiempo de espera.
Bien, supongamos que cuando se presiona el obturador esta vez, la imagen en la pantalla izquierda es estable.
Ahora pulsamos el obturador, y al cabo de un segundo, la señal muestreada será enviada al terminal de salida. Este es el principio de funcionamiento simple del flip-flop D.
Echemos un vistazo a la conexión de dos flip-flops D. La cámara A de la izquierda es el primer disparador y su salida está conectada a la entrada de la cámara B de la derecha. Seguimos usando la misma convención, presionamos el obturador cada diez segundos, de modo que cuando pasen diez segundos, los obturadores de ambas cámaras se presionarán al mismo tiempo.
Después de un segundo, sus imágenes de salida cambiaron. Sin embargo, debemos tener en cuenta que la hoja verde capturada por la cámara A tarda un reloj en llegar a Q para llegar a su salida. Antes de esto, la Cámara B capturó la salida anterior de la Cámara A, que son las hojas rojas que ahora se muestran en la pantalla más a la derecha. Por lo tanto, cabe señalar que aunque dos cámaras conectadas presionen el obturador al mismo tiempo, eso no significa que la imagen más a la izquierda (hojas verdes) se transmitirá hasta la pantalla más a la derecha, sino que la cámara izquierda (hojas rojas) almacenadas previamente Las imágenes se transferirán a la derecha en secuencia. Luego, en un sistema complejo, hay muchos flip-flops D conectados de diferentes maneras, de modo que se puede almacenar información diferente en diferentes flip-flops y transmitirla bajo el control del reloj. De manera similar, cuando el flanco ascendente del reloj no llega, no importa qué cambios ocurran en la entrada, no afectará la salida del flip-flop posterior.
A través de este ejemplo, deberíamos tener una comprensión más profunda del comportamiento de los flip-flops D. Cuando volvamos a analizar estas explicaciones, no deberíamos encontrarlas tan extrañas.
Utilicé un diagrama de secuencia para expresar el proceso que acabo de mencionar.
La primera línea es la señal del reloj, que cambia regularmente, y el intervalo entre dos flancos ascendentes se llama ciclo de reloj.
La señal de entrada d puede cambiar en cualquier momento. Por ejemplo, en este momento (flecha roja) cambia de 0 a 1, pero debido a que el flanco ascendente del reloj no ha llegado, la salida Q no cambia. Hasta que llegue el flanco ascendente del reloj (la primera línea de puntos roja en la figura), el flip-flop D muestreará la señal en la entrada y la mostrará en la salida después de un breve tiempo de reloj a Q. En este momento, el terminal de entrada D(in) es 1, por lo que el terminal de salida D(out) también pasa a ser 1. Luego el tiempo continúa. Durante este ciclo de reloj, la entrada D(in) cambia nuevamente (flecha azul), de 1 a 0, pero la salida Q(out) permanece sin cambios hasta que llega el siguiente flanco ascendente del reloj, se muestrea la nueva instrucción de entrada y luego se la salida va a 0 a través de Clock-to-Q, que es el comportamiento operativo básico de un flip-flop D.
Entonces, si combinamos muchos flip-flops D, como estos 32 flip-flops D, podemos formar un registro de 32 bits. Por supuesto, esto es sólo una implementación muy simple del principio. Con un registro de 32 bits de este tipo, podemos crear un registro de uso general en la CPU. Usando el mismo método, podemos crear otros registros de propósito general como PC e IR, y luego conectar estos registros a circuitos compuestos por. puertas lógicas, constituye nuestra compleja CPU.
Enlace original: 4.3 Principios básicos de registro: no recoger el mar (cnblogs.com)