计算机组成原理——寄存器

文章目录

1. 寄存器

2. 带寄存器的加法器

3. 时钟信号与计算速度

1. 寄存器

上一篇D触发器可以在时钟上沿存储1位数据。如果想存储多个位（bit）的数据，就需要用多个D触发器并联实现，这种电路称之为寄存器。

寄存器是计算机中央处理器（CPU）内部的一种高速存储单元，用于临时存储数据和指令。寄存器是计算机中速度最快的存储器，直接与CPU的运算单元（如ALU）相连。

寄存器的主要功能是临时存储处理过程中需要的数据、指令地址和计算结果。寄存器的读写速度非常快，是计算机执行效率的重要保障。

• 数据寄存器（Data Register）：

  • 功能：用于存储数据和中间计算结果。
  • 示例：通用寄存器（如x86架构中的EAX、EBX等）。

• 地址寄存器（Address Register）：

  • 功能：用于存储内存地址，以便访问内存中的数据。
  • 示例：基址寄存器（Base Register）、变址寄存器（Index Register）。

• 指令寄存器（Instruction Register, IR）：

  • 功能：用于存储当前正在执行的指令。
  • 示例：CPU从内存中读取指令，并将其存储在指令寄存器中进行译码和执行。

• 程序计数器（Program Counter, PC）：

  • 功能：用于存储下一条将要执行的指令地址。
  • 示例：指向内存中的指令地址，每执行一条指令后自动加1，指向下一条指令。

• 状态寄存器（Status Register）：

  • 功能：用于存储CPU当前的状态和条件码（如零标志、进位标志等）。
  • 示例：在算术运算后，状态寄存器中的标志位可以反映运算结果的性质（如结果是否为零）。

• 堆栈指针寄存器（Stack Pointer, SP）：

  • 功能：用于指示栈顶位置，管理函数调用和返回。
  • 示例：在函数调用过程中，堆栈指针寄存器用于保存返回地址和局部变量。

  以4位寄存器为例，下面是电路图：

  

  • 时钟信号clock：控制所有D触发器的输入数据在时钟上沿时被锁存。
  • 数据输入D：4位数据输入信号（D0, D1, D2, D3）。
  • 输出信号Q：4位数据输出信号（Q0, Q1, Q2, Q3）。
  • 使能信号en：控制寄存器的使能状态，决定是否允许数据写入。

    使能信号en = 1：

    1. 时钟上沿到来时：

    • 所有D触发器同时读取其对应的输入数据位，并将这些数据位存储到其内部。
    • 每个D触发器的输入数据位（D0, D1, D2, D3）在时钟上沿被锁存，并输出到对应的Q端（Q0, Q1, Q2, Q3）。

      2. 时钟下沿或无时钟信号时：

      • D触发器保持其输出状态不变，即输出信号Q保持锁存的数据位。

        使能信号en = 0：

        • 当使能信号为低电平时，时钟信号对D触发器不起作用。
        • 无论时钟信号如何变化，D触发器保持其输出状态不变，输出Q保持之前的值。

          2. 带寄存器的加法器

          带寄存器的加法器，使用了寄存器来实现加法功能。通过寄存器存储上一次计算的结果，可以避免每次使用多个加法器进行累加。

          

          电路图展示了一个带寄存器的加法器结构，包括以下主要部分：

          • 加法器（Add）：执行两个输入信号的加法运算。
          • 寄存器（Reg）：存储加法器的输出结果。
          • 使能信号（en）：控制寄存器是否更新其存储的值。
          • 时钟信号（C）：控制寄存器在时钟上沿时更新存储的值。

            工作原理

            输入信号：

            • B：输入数据信号，值为600（0x258）。
            • A：寄存器输出的存储值，初始值为900（0x384）。

              

              加法运算：

              • 加法器执行输入信号B与寄存器输出A的加法运算。
              • 结果：600 + 900 = 1450（0x5DC）。

                

                寄存器存储：

                • 使能信号en和时钟信号C控制寄存器的更新。
                • 当使能信号en为高电平且时钟信号C上沿到来时，寄存器将存储加法器的输出结果（1500）。

                  通过使用寄存器存储上一次计算结果，可以减少对多个加法器的需求，提高电路的效率和灵活性。同时，寄存器可以在时钟信号控制下有序地存储和更新数据，确保数据处理的准确性和可靠性。

                  3. 时钟信号与计算速度

                  这里时钟信号的速度就和计算机运算的速度类似，时钟信号在数字电路中起着至关重要的作用，它提供了一个同步脉冲，使得电路中的各个部分能够在同一时间点执行操作。在带有寄存器的计算电路中，时钟信号控制着数据的存储和计算过程，决定了电路的运行速度。

                  计算速度与时钟频率

                  • 时钟频率（Clock Frequency）：时钟信号每秒钟振荡的次数，以赫兹（Hz）为单位。时钟频率越高，每秒钟执行的计算周期就越多。
                  • 计算速度：计算器或计算机执行指令的速度，直接受时钟频率的影响。时钟频率越高，计算速度越快。

                    分析

                    电脑CPU运行速度：现代计算机的CPU运行速度通常以吉赫兹（GHz）为单位。比如一个运行速度为3.57GHz的CPU，相当于每秒钟进行35.7亿次时钟周期（35.7亿赫兹）。

                    • 3.57GHz = 3.57 × 10^9 Hz = 35.7亿次每秒。

                      自动组件时钟频率

                      在自动组件（如加法器、寄存器等）中，时钟频率同样决定了其工作速度：

                      • 高时钟频率：意味着每秒钟可以执行更多的操作周期，因此计算速度更快。
                      • 低时钟频率：则每秒钟执行的操作周期较少，计算速度较慢。