从零开始自制CPU之学习篇06寄存器

Posted 2021-01-03 flashsun

　　上一篇文章学习了总线的相关知识，途中ABC当时假设为一个个的8位寄存器。这一篇要学习怎么构建这个寄存器。

　　　　

 

　　这分为两个三个部分，数据输入，寄存器，数据输出。首先不管输出，来看数据输入和寄存器这两个部分。【03触发器与锁存器】中讲了D型触发器，那么我们的寄存器（D寄存器）就由D锁存器（74LS74）构成，结构如下：

　　　　

　　图中画了2位的寄存器，每一个部分就是一个1位的寄存器，如果一共8位的话就需要8个这样的1位寄存器。load端为0，那么数据端不论是多少，输出端Q都不会改变。如果load端为1，当时钟上沿时，Q就会保存D传入的数据。图中上面的寄存器拿load为0举例，下面的是load为1。实际搭建的图如下：

　　　　

　　中间四个数字电路分别为 74LS04（反相器），74LS08（与门），74LS32（或门），74LS74（D型锁存器）。黄线为load，蓝线为数据data，白线为时钟clk，可以连接到之前用555定时器做的pc上。实验到时候可以把黄线接在+或者-，表示load到0和1。这是你会看到灯泡（寄存器的数据），会随着clk，相应的根据load的值，存储或无视蓝线data的值。

　　这样一个1位寄存器的输入和寄存就做完了，还差输出端。蓝线只需要接入到总线上，就能收到来自总线的数据了，但把数据输出到总线，需要做些处理，需要连接一个三态双向总线收发器。这个在【05总线】这一篇中由讲过为什么。

 

　　整合：至此我们了解了一个1位的寄存器从输入到输出的制作，8位的话则需要8个这样的组合。这里我们可以直接用两个 4bit D-type registers with 3-state outputs（74LS173）即可。顾名思义，即3态输出端的4位D型寄存器集成电路。这里要说明一下，虽然我们要亲手做cpu，但改方便时要方便。我们当然不能方便到直接用一个8086放在面包板上就算做了个cpu，可当然也不能全用基本门电路，甚至用二三极管和电容做cpu，我们要找一个折中到办法，在了解到原理，但重复度比较高的零件，就尽量用即成的。下图位74LS173针脚图：

　　　　

• CP 时钟输入端（上升沿有效）
• CR 清除端
• 1～4D 数据输入端
• 1～4Q 输出端
• N，M 三态允许允许端（低电平有效）——是否输出到总线
• G1，G2 数据选通端（低电平有效）——是否存入

这里引入官方说明：

　　

 

　　这样两个74LS173就组成了一个8位寄存器，包含输入和输出端的控制。由于实践中设计的cpu需要直观看到寄存器里的内容，所以不管输出到总线的控制信号如何，我们都希望能够通过LED灯来观察寄存器里的内容。所以我们使74LS173的输出端控制始终为可输出，连接到LED灯上，再在后面接一个74LS245（三态控制）来控制信号是否输出到总线。设计图如下：

　　　　

　　其中M，N始终接地，即低电平有效，输出端一直有效，通过LED灯后再进行三态输出处理。

 

　　实操图第一步：

　　　　

　　实操图第二步：寄存器输出端连接到三态上，三态的输出端连接到总线。总线又通过蓝线连接到寄存器到输入端，还有三根黄线，最右边是load（数据是否存入），中间是clear（永远0），左边是三态的允许（是否输出到总线）。白线是clk。

　　　　

 

　　将设备连接到pc和总线上：

　　　　

 

　　连接多个寄存器：

　　　　

 

　　总结：至此多个寄存器已经可以和总线交互，并且连接到了pc上，随着时钟到改变，通过load和三态决定是否载入和输出数据。

　　参考视频：eater.net