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    寄存器:用以存放二进制代码的电路,下图为由维特阻塞D触发器组成的4位数码寄存器:

    image

    逻辑功能分析:

    1.异步端CR置0时,输出置0;

    2.同步并行置数:D0~D3为4个输入代码,当CP上升沿到达时,D0~D3被同时并行置入。

    3.在置数端为1,CP端为0时,保持不变。

    2.移位寄存器:具有存放数码和使数码逐位右移或左移的电路称为移位寄存器。

    image

    移位寄存器按照不同的分类方法可以分为不同的类型。 如果按照移位寄存器的移位方向来进行分类, 可以分为左移移位寄存器、移位寄存器和双向移位寄存器等;如果按照工作方式来分类,可以分为串入/串出移位寄存器、串入/并出移位寄存器和并入/串出移位寄存器等。

    以下为异步清零的4位并入串出移位寄存器(输入为并行数据,输出为串行数据)

    module reg_bc(clk,clr,din,dout);
    input clk,clr; // 输入时钟端,清零端(高电平有效)
    input[3:0] din; // 数据输入端
    output dout; // 数据输出端
    reg[1:0] cnt; 
    reg[3:0] q;
    reg dout;
    always@(posedge clk)  // 时钟上升沿触发
    begin
    cnt<=cnt+1;  //cnt  自加 1
    if(clr)  // 判断清零信号是否有效
    begin
    q<=4'b0000; //q 置 置 0
    end
    else
    begin
    if(cnt>0) // 判断 cnt  是否大于 0
    begin
    q[3:1]<=q[2:0];  //q  中的值向左移 1  位
    end
    else if(cnt==2'b00) // 判断 cnt  是否为 0
    begin
    q<=din; //把 把 din  的值赋予 q
    end
    dout<=q[3];  //把 把 q  的最高位输出
    end
    end

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    转载于:https://www.cnblogs.com/Fun-with-FPGA/p/4711687.html

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  • 寄存器的基本原理

    千次阅读 2020-01-22 09:56:41
    CPU中有很多的寄存器,有临时保存数据...比如说零号通用寄存器,在mips的体系结构中,它就是一个32位的寄存器,从电路实现上来说这32个比特都是同样的。 我们来看其中一个,它就可以用左下这样一个结构来实现。这个...

    CPU中有很多的寄存器,有临时保存数据的通用寄存器,也有专门保存指令编码或者指令地址的寄存器。它们都有存储信息的能力。 那在这一节,我们就来分析这些寄存器是如何实现的。

    屏幕快照 2018-07-01 15.36.53

    在CPU当中用来存放信息的非常重要的部件就是通用寄存器。比如说零号通用寄存器,在mips的体系结构中,它就是一个32位的寄存器,从电路实现上来说这32个比特都是同样的。

    我们来看其中一个,它就可以用左下这样一个结构来实现。这个结构就是我们将要介绍的D触发器。

    屏幕快照 2018-07-01 15.37.02

    触发器是具有存储信息能力的基本单元,它有很多种类型,D触发器是其中一种。

    其实触发器也没有那么神秘,它也是由与或非这样的逻辑门构成的。

    仅就D触发器而言,以后有很多的实现方式,在这里我们就不深入到它的内部实现细节,而重点关注它对外提供的功能。这个D触发器主要有这三个接口,一个数据输入,一个数据输出和一个时钟输入。

    它的功能表现是这样的,在时钟clock的上升沿,也就是clock从低电平变为高电平,也可以说是从0变到1的时候,这是一个很短的时间,在这时D触发器会采样输入端口D的值,经过一段很短的时间会将这个值传送到输出端口Q。在其它的时候也就是不在时钟信号的上升沿的时候,无论输入端口D如何变化,其输出端口Q的值都是保持不变的。

    当然这样说起来还是很抽象,我们通过一个形象化的描述来做进一步的说明。

    屏幕快照 2018-07-01 15.37.12

    就好比我们平常使用的照相机,我们把镜头比作D触发器的输入端D,拍照的快门比作时钟端clock。这台相机内部带有无线传输的模块,可以将其拍摄的照片传送到一个显示器上,这个显示器就好比D触发器的输出端Q,那这样我们就把D触发器比作这个照相机和这个显示器。当按下照相机的快门后,照相机会拍一张照片,过一秒钟后显示器上显示出这张照片,对于D触发器来说,这就叫做 clock-to-Q 的时间,也就是从时钟的上升沿到来开始直到数据出现在输出端为止,这个时间是属于D触发器自身的特性。那对于这个D触发器所在的整个芯片还有一个重要的特性就是时钟频率,在这里就好比我们约定每十秒钟会来按一次快门,那这个系统的时钟频率就是零点一赫兹。

    最后我们再给这一套由相机和显示器构成的D触发器加上一个输入也就是另一台显示器,这样就会拍摄左边这台显示器上的画面, 并将它显示在右边这台显示器上。

    屏幕快照 2018-07-01 16.12.21

    那好,现在我们就假设十秒钟到了,我们会按动一次快门,按动快门后照相机会拍摄下左边这台显示器上的画面,并在一秒钟后将拍摄的照片传送到右边这台显示器上,这个过程就体现了在时钟的上升沿D触发器采用输入端的信号,并在时钟上升沿之后 clock-to-Q 的时间,将采样的信号从输出端口送出来,那之后输入端也就是左边这台显示器上的画面可能会发生变化,但是只要不按动快门,右边显示器上的内容是不会发生变化的。也就是在下一个时钟上升沿来临之前无论输入怎么变化,输出都不会发生变化。

    屏幕快照 2018-07-01 15.37.22

    现在假设十秒钟又到了,我们要按动一次快门。需要注意的是就和现实中的照相一样,在按动快门的前后很短的时间内通过镜头看到的画面不应该发生变动,否则就可能造成拍出的照片是模糊的。对于D触发器来说,在时钟上升沿前后很短的时间内,输入端的信号也不能发生变化,否则就可能造成无法正确的采样。那么这也是D触发器的一个重要的特性,要求输入信号在时钟上升沿之前有一段很短的稳定时间,很短的稳定时间称为Setup时间,在时钟上升沿之后也需要有一段很短的稳定时间,称为hold时间。

    好我们假设在这一次按动快门时左边显示器上的画面是稳定的,

    屏幕快照 2018-07-01 16.16.36

    现在我们来按动快门,再过一秒钟,这次采样的信号就被送到了输出端。这就是一个D触发器简单的工作原理。

    屏幕快照 2018-07-01 16.22.01

    我们再来看一看两个D触发器相连的情况,左边这个A相机就是第一个触发器,它的输出连到了右边这个B相机的输入,我们还是用同样的约定,每隔十秒钟来按动一次快门,那当十秒钟到了的时候,这两台相机的快门会被同时按动。

    屏幕快照 2018-07-01 15.37.32

    一秒钟后,它们的输出画面都发生了改变。但我们要注意的是A相机拍摄下来的这个绿叶是经过了clock-to-Q时间才传送到了它的输出。而在此之前B相机已经拍摄到了A相机此前的输出,也就是现在显示在最右边的显示器上的这个红色的叶子。所以我们要注意的是这两个相连的相机虽然是同时按动了快门,但并不意味着最左边的画面(绿色叶子)会一直传递到最右边的显示器上,而是将左边的相机之前存储的画面(红色叶子)依次向右传递。那么在一个复杂的系统中是有很多的D触发器用各种不同的方式相连,这样就可以在不同的触发器中存放不同的信息,并且可以在时钟的控制下进行传递,而同样在时钟上升沿没有到来的时候,无论输入发生什么样的变化都不会影响到后面触发器的输出。

    屏幕快照 2018-07-01 17.00.00

    通过这个例子,我们应该对D触发器的行为有了更加深入的了解。我们再来看这些解释的时候应该不会觉得那么的陌生。

    我把刚才说的这个过程用一个时序图的方式表达出来。

    第一行是时钟信号,它是有规律的进行变化,两个上升沿之间的间隔时间就称为时钟周期。

    输入信号D则可能在任何时候发生变化。比如在这个时候(红色箭头)它由0变到了1,但是因为时钟上升沿没有到来,所以输出端Q并没有发生变化。直到时钟上升沿到来的时候(图中第一条红色虚线),D触发器会采样输入端的信号,并经过很短的clock-to-Q的时间在输出端体现出来,因为这时候输入端D(in)是1,所以输出端D(out)也变成了1。然后时间再继续,在这个时钟周期内,输入D(in)又发生了变化(蓝色箭头),由1变成了0,但是同样输出端Q(out)没有发生变化,直到下一个时钟上升沿到来,采样到了新的输入端的指令,再经过Clock-to-Q输出端也变成了0,这就是一个D触发器的基本工作行为。

    屏幕快照 2018-07-01 15.37.51

    那我们如果把很多个D触发器组合起来,比如就是这32个D触发器,那就可以构成一个32位的寄存器,当然这只是一个很简单的原理性实现。用这样一个32位的寄存器就可以做成CPU当中的一个通用寄存器,用同样的方法可以作出其它的通用寄存器以及PC,IR 这样的寄存器,再将这些寄存器与由逻辑门构成的电路相连, 就构成了我们这个复杂的CPU了。

    现在我们对寄存器的工作原理有了一个基本的了解,我们也对寄存电路是如何运行的有一点点非常浅显的认识。如果你还想了解更多就需要去学习其它的专门课程了。

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  • 文章目录CPU概述寄存器字在寄存器中的存储几条汇编指令物理地址16位结构的CPU8086CPU给出物理地址的...控制器控制各种器件进行工作 内部总线连接各种器件,在他们之间进行数据的传送 内部总线和外部总线(地址总线、数

    CPU概述

    ​ 一个典型的CPU由运算器、控制器、寄存器等器件组成,这些器件靠内部总线相连。简单的说在CPU中:

    • 运算器进行信息处理
    • 寄存器进行信息存储
    • 控制器控制各种器件进行工作
    • 内部总线连接各种器件,在他们之间进行数据的传送

    内部总线和外部总线(地址总线、数据总线、控制总线)的区别:

    • 内部总线实现CPU内部各个器件之间的联系
    • 外部总线实现CPU和主板上其它器件的联系

    寄存器

    ​ 对于一个汇编程序员来说,CPU中的主要部件是寄存器。寄存器是CPU中程序员可以用指令读写的部件。程序员通过改变各种寄存器中的内容来实现对CPU的控制。

    8086CPU有14个寄存器,分别是:AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW

    8086CPU所有的寄存器都是16位的(16bit),可以存放两个字节(2Byte)

    AX、BX、CX、DX通常用来存放一般性数据被称为通用寄存器

    在这里插入图片描述

    8086上一代CPU中的寄存器都是8位的,为了保证兼容性,这四个寄存器(通用寄存器)都可以分为两个独立的8位寄存器使用

    • AX可以分为AH(高位)和AL(低位)
    • BX可以分为BH和BL
    • CX可以分为CH和CL
    • DX可以分为DH和DL

    在这里插入图片描述

    字在寄存器中的存储

    ​ 一个字可以存在一个16位的1寄存器中,这个字的高位字节和低位字节自然就存在这个寄存器的高8位寄存器和低8位寄存器。

    • 字节:记为byte,一个字节由8个bit组成,可以存在8位寄存器中
    • 字:记为word,一个字由两个字节组成,这两个字节分别称为这个字的高位字节和低位字节 1 word = 2 byte

    为了方便区分,16进制的数后面加H,2进制的数后面加B,10进制的什么也不加

    几条汇编指令

    汇编指令不区分大小写

    汇编指令控制CPU完成的操作用高级语言的语法描述
    mov ax,18将18送入AXAX = 18
    mov ah,78将78送入AHAH = 78
    add ax,8将寄存器AX中的数值加8AX = AX + 8
    mov ax,bx将寄存器BX中的数据送入寄存器AXAB = BX
    add ax,bx将AX,BX中的内容相加,结果存在AX中AX = AX + BX

    物理地址

    CPU访问内存单元时要给出内存单元的地址。所有的内存单元构成的存储空间时一个一维的线性空间。我们将这个唯一的地址称为物理地址

    16位结构的CPU

    概括的讲,16位结构描述了一个CPU具有以下几个方面特征:

    1. 运算一次最多可以处理16位的数据
    2. 寄存器最大宽度为16位
    3. 寄存器和运算器之间的通路是16位的

    8086CPU给出物理地址的方法

    8086外部有20位地址总线,可传送20位地址,寻址能力为1MB(2的20次方Byte)。8086内部为16位结构,它只能传送16位的地址,表现出的寻址能力却只有64KB(2的16次方)。

    8086CPU采用一种在内部用两个16位地址合成的方法1来形成一个20位的物理地址

    在这里插入图片描述

    当8086CPU要读写内存时:

    1. CPU中的相关部件提供两个16位的地址,一个称为段地址,另一个称为偏移地址
    2. 段地址和偏移地址通过内部总线送入一个称为地址加法器的部件
    3. 地址加法器将两个16位地址合成一个20位的物理地址
    4. 地址加法器通过内部总线将20位物理地址送入输入输出控制电路
    5. 输入输出控制电路将20位物理地址送上地址总线
    6. 20位物理地址被地址总线传送到存储器

    地址加法器采用物理地址=段地址*16+偏移地址的方法用段地址和偏移地址合成物理地址。

    端地址*16有一个更常用的说法是左移4位,计算机中所有信息都是以二进制的形式存储的,段地址当然也不例外。机器只能处理二进制信息。左移四位中的位,指的是二进制位。
    在这里插入图片描述

    通过上面移位次数和各种形式数据的关系,我们可以发现:

    1. 一个数据的二进制形式左移1位,相当于该数据乘以2
    2. 一个数据的二进制形式左移N位,相当于该数据乘以2的N次方
    3. 地址加法器如何完成段地址*16的运算?就是将以二进制形式存放的段地址左移4位

    进一步思考我们可以看出:一个数据的十六进制形式左移1位,相当于乘以16;一个数据的十进制形式左移1位,相当于乘以10;一个X进制的数据左移1位,相当于乘以X

    ”段地址*16+偏移地址=物理地址”的本质含义

    段地址*16+偏移地址=物理地址的本质含义:CPU在访问内存时,用一个基础地址(段地址*16)和一个相对于基础地址的偏移地址相加,给出内存单元的物理地址。

    段的概念

    内存并没有分段,段的划分来自于CPU,由于8086CPU用“(段地址*16)+偏移地址=物理地址”的方式给出内存单元的物理地址,使得我们可以用分段的方式来管理内存。在编程时可以根据需要,将若干地址连续的内存单元看错一个段,用段地址*16定位段的起始地址(基础地址和),用偏移地址定位段中的内存单元。

    检测点2.2:(16位CPU) (《汇编语言》第三版25页检测点的详细解题步骤)

    1. 给定段地址为0001H,仅通过变化偏移地址寻址,CPU的寻址范围为(0010H)到(1000FH)

      解题:1、偏移地址为0时,物理地址=0001H*16=0010H

      ​ 2、16位的系统偏移地址最大为FFFFH,最小范围是0010H,所以最大范围则是FFFFH+0010H=1000FH

    2. 有一数据存放在内存20000H单元中,现给定段地址为SA,若想用偏移地址寻到此单元,则SA应满足的条件是:最小为(1001H),最大为2000H。

      解题:1、由"物理地址=(段地址*16+偏移地址)"可知,当偏移地址为0时,段地址为最大值,所以:段地址最大值=20000H/16=2000H

      ​ 2、由物理地址公式可知,偏移地址为最大值时,段地址为最小值,16位的偏移地址最大值为FFFFH,所以 20000H = 段地址*16 + FFFFH,得出段地址为(20000H-FFFFH)/16=2000H-FFFFH/16=1001H

    段寄存器

    段地址在8086CPU的段寄存器中存放

    8086CPU中有4个段寄存器:CS、DS、SS、ES。当8086要访问内存时由这个4个段寄存器提供内存单元的段地址。

    CS和IP

    CS和IP是8086CPU中最关键的寄存器,它们指示了CPU当前要读取指令的地址

    CS为代码段寄存器IP为指令指针寄存器

    CS和IP读取流程在《汇编语言》第三版26页

    修改CS、IP的指令

    在CPU中,程序员能够用指令读写的部件只有寄存器,程序员可以通过改变寄存器中的内容实现对CPU的控制CPU从何处执行指令是由CS、IP中的内容决定的,程序员可以通过改变CS、IP中的内容来控制CPU执行目标指令

    mov指令可以改变8086CPU大部分寄存器的值,被称为传送指令

    修改AX中的值:

    • mov ax,123

    mov指令不能用于设置CS、IP的值,8086CPU没有提供这样的功能

    mov指令不能用于设置CS、IP的值,8086CPU没有提供这样的功能。

    8086CPU为CS、IP提供了另外的指令来改变它们的值:转移指令(能够改变CS、IP内容的指令统称为转移指令)

    同时修改CS、IP

    若想同时修改CS、IP的值可以用指令"jmp 段地址:偏移地址"完成

    • jmp 2AE3:3 (物理地址:(CS)2AE3H*16+(IP)0003H=2AE33H)
    • jmp 3:0b16 (物理地址:(CS)0003H*16+(IP)0B16H=0B46H)

    仅修改IP的内容

    ​ jmp 某一合法寄存器 。用寄存器中的值修改IP.

    • mov ax,200

    • jmp ax (用ax的值修改IP)

    代码段

    对于8086PC机,在编程时,可以根据需要,将一组内存单元定义为一个段。可以将长度为N(N<=64KB)的一组代码,存在一组地址了连续、起始地址为16的倍数(段地址都是16的倍数)的内存单元中,这段内存时用来存放代码的,从而定义了一个代码段。

    如何使得代码段中的指令被执行

    CPU只认被CS:IP指向的内存单元的内容为指令。所以要让CPU执行放在代码段中的指令,必须要将CS:IP指向所定义的代码段中的第一条指令的首地址

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    1.寄存器的内部结构:

    在这里插入图片描述

    2.D触发器:

    1.触发器基本特征:

    在这里插入图片描述

    2.工作原理:

    将左边的显示器与输入端口D连接起来;
    不论左边显示器上的内容怎么变,只要时钟端没有按下快门右边显示器的画面是不会变的;(只要时钟端没有改变不论输入端怎么变化输出端都会变化);
    Setup Time(建立时间)是时钟上升沿之前的数据能够保持稳定不变的时间;
    Hold Time(保持时间)是时钟上升沿之后的数据能够保持稳定不变的时间;
    在这里插入图片描述

    3.两台相连的D触发器:

    信息是依次传递的;
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    4.示例图:

    clock信息是有规律变化的,in是无规律变化的;
    当clock变为1时(启动上升沿),间隔很短时间内out信息才开始变化,当in信息变为0时并不影响out信息的变化,只有clock信息再次变为1时,间隔很短时间内out信息变为0;
    在这里插入图片描述

    3.寄存器的构成:

    在这里插入图片描述

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