2.1.5.1 Aufbau und Arbeitsweise eines Registers
Register sind gemäß ihrer Definition kleine Speichereinheiten, die sich direkt auf der CPU befinden. Den internen Aufbau und die Arbeitsweise eines 8-Bit-Registers erläutert das folgende Video.
Ein Register besteht aus einzelnen Speicherzellen. Jede Speicherzelle kann dabei den Wert von genau einem Bit aufnehmen. Ein Register der Breite acht besitzt demnach acht Speicherzellen.
Aufbau einer Speicherzelle
Jede Speicherzelle verfügt über eine separate Input- sowie Output-Leitung. Die Select- und Write-Leitung steht einmal für alle Speicherzellen zur Verfügung.
Der interne Aufbau einer einzelnen Speicherzelle sieht wie folgt aus:
Die Speicherzelle besteht aus einem sogenannten RS-Flip-Flop, drei UND-Gattern, einem NICHT-Gatter sowie der notwendigen Verdrahtung.
Arbeitsweise einer Speicherzelle
Das folgende Video erklärt die Arbeitsweise der Speicherzelle:
Wahrheitstafeln
Hier folgen die im Video gezeigten Wahrheitstafeln der UND-Gatter:
Neben dem hier gezeigten UND-Gatter gibt es noch eine Reihe weiterer Gatter. Diese werden treffenderweise im Kapitel Gatter beschrieben.
Auch das Verhalten des RS-Flip-Flop lässt sich mit einer Wahrheitstafel beschreiben:
Aufgabe 1
Im RS-Flip-Flop ist der Wert Null gespeichert. Die Eingangsleitungen besitzen folgende Werte:
- Input = 1
- Select = 1
- Write = 0
Welcher Wert wird unter diesen Voraussetzungen für den Ausgang (Output) der Speicherzelle ermittelt?
Aufgabe 2
Im RS-Flip-Flop ist der Wert Eins gespeichert. Die Eingangsleitungen besitzen folgende Werte:
- Input = 1
- Select = 1
- Write = 0
Welcher Wert wird unter diesen Voraussetzungen für den Ausgang (Output) der Speicherzelle ermittelt?
(Die Werte für Input, Select und Write sind identisch mit denen aus Aufgabe 1, jedoch unterscheidet sich der im Flip-Flop gespeicherte Wert!)
Aufgabe 3
Welchen Wert gibt das RS-Flip-Flop am Ausgang Q aus, wenn beide Eingänge gleich Null sind (S=0, R=0)?
Aufgabe 4
Norman Hendrich von der Universität Hamburg hat mit Hades ein Simulationsframework bereitgestellt, welches u.a. den internen Aufbau und die Arbeitsweise eines RS-Flip-Flops per Applet im Browser veranschaulicht. Probiere es aus unter:
http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/16-flipflops/10-srff/srff.html
Du erkennst hier: Auch ein RS-Flip-Flop ist nichts anderes als eine digitale Schaltung bestehend aus einfachen Gattern.
Diese Seite war zuletzt nicht mehr direkt erreichbar. Allerdings existiert noch eine statische Kopie beim Internet Archive (ohne Applets, aber mit Wahrheitstafeln): https://web.archive.org/web/20110830134111/http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/16-flipflops/10-srff/srff.html
Aufgabe 5
In den im Applet auf der Hades-Seite aus der vorangegangenen Aufgabe angegebenen Wahrheitstafeln gibt es jeweils den Hinweis "forbidden".
- Was ist mit "forbidden" gemeint?
- Welche Voraussetzung muss an den Eingangsleitungen erfüllt sein, damit der mit "forbidden" gekennzeichnete Zustand eintritt?
- Wie realistisch schätzt du das Eintreten dieser Voraussetzung ein?
Weiterführende Literatur
Die hier verlinkte Online-Ausgabe eines Lehrtextes der Otto-Friedrich-Universität Bamberg liefert in Kapitel 5.2 und 5.3 detailliertere Informationen zum Aufbau eines Registers und seiner Speicherzellen. In weiteren Kapiteln finden sich darüber hinaus ergänzende Erläuterungen zum Themengebiet. Die Lektüre dieser Quelle sei unter Beachtung der geltenden Lizenz ausdrücklich empfohlen.
Autoren: Martin Eisenhardt, Andreas Henrich, Stefanie Sieber
Rechner- und Betriebssysteme, Kommunikationssysteme, Verteilte Systeme
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