寄存器

复习

• 让电路记住一个比特：用交叉耦合的反馈做出能保存一个比特的锁存器
• 给电路一个共同节拍：用时钟统一各部件交接数据的时机
• 触发器：触发器在时钟边沿保存一个比特，避免锁存器跟随输入

TL;DR

• 多只触发器共用一个时钟，就组成一个寄存器
• 8 位寄存器可以保存一个 8 位数
• 写使能决定本次时钟边沿要写入还是继续保持

正文

　　一只触发器只能记 0 或 1。可我们想记住 ALU 算出的 00101101，一只怎么够？

　　答案很朴素：既然一位不够，那就排成一队。

八只一起拍照

　　把 8 只 D 触发器并排，让它们共用同一根时钟线。时钟上升沿到来时，每只触发器各自收下自己那一位：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
 ↓  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓
[触发器 × 8]  ← 同一个时钟
 ↓  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0

　　这组排好队的触发器，就叫作寄存器（register）。8 只保存 8 位，32 只保存 32 位。

　　这里的关键词是“共用”：所有位必须在同一个时钟边沿一起更新。 要是各自为政，一个数就可能一半是刚写进来的新值、一半还是上一拍的旧值，变成一个谁也不认识的杂种数字。

不是每一拍都要改

　　如果每次时钟上升沿都无条件写入，寄存器里的值会被入口不断覆盖，根本存不住东西。所以还得再给它加一根写使能线 LOAD：

• LOAD = 1：本次边沿收下新的 D
• LOAD = 0：本次边沿继续保存旧的 Q

　　实现方法仍然是那位老朋友——多路选择器。它在“新输入 D”和“旧输出 Q”之间二选一，把胜者送进触发器。这和前面加法器用多路选择器切换功能，是同一个套路。在计算机里，没有什么问题是一层选择加一层解决不了的。

离 ALU 最近的记事本

　　寄存器很快，因为它直接由触发器拼成，只在边沿动作；代价是每一位都要花掉不少电路。因此，寄存器适合暂存眼前马上就要用的数据，而不是保存成千上万份文件——那是后面存储器要操心的规模问题。

　　但对眼下的问题，它已经足够了。只要把一个寄存器接到 ALU 的输出，再把寄存器的输出绕回 ALU 的输入，运算结果就能在下一拍继续参与运算。

　　下一章，我们终于让 2 + 3 + 4 不靠人重新抄写中间结果，自己一步步算完。

思考题 1

　　寄存器里原来是 0101。下一次上升沿到来时输入为 1010，但 LOAD = 0。边沿之后寄存器保存什么？

思考题 2

　　为什么寄存器必须让所有位“共用一个时钟”？如果每一位各用各的时钟，会出什么问题？

小结

知识点

• 多只触发器并排组成多位寄存器
• 所有位必须在同一时钟边沿更新
• 写使能控制写入或保持

参考资料

1. Wikipedia(zh)：寄存器：寄存器与触发器的关系
2. Wikipedia(zh)：触发器：寄存器中的基本存储单元

思考题答案（仅供参考）

思考题 1

　　仍然是 0101。LOAD = 0 时，多路选择器把旧输出送回输入，因此本次边沿只是把原值再次保存，入口的新值 1010 被挡在门外。

思考题 2

　　因为一个多位数据必须作为一个整体被读写。若各位时钟不同步，有的位已经更新、有的位还停留在旧值，中间就会出现一个毫无意义的混合结果，后续电路读到的就是错的。统一时钟正是为了让所有位在同一瞬间一起换值。

协议

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设计师 | 南国微雪