Aufbau und Arbeitsweise eines Registers

{{#index:Register|Aufbau, Register|Arbeitsweise, Register|Register, Aufbau|Register, Arbeitsweise}}Register sind gemäß ihrer Definition kleine {{#index:Speichereinheit, Register}}Speichereinheiten, die sich direkt auf der CPU befinden. Den internen Aufbau und die Arbeitsweise eines {{#index:8-Bit-Register|Register, 8-Bit}}8-Bit-Registers erläutert das folgende Video.

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 Med. : Aufbau und Arbeitsweise eines Registers (04:40)

http://youtu.be/CUxnaaZozVM

CC-BY

Ein Register besteht aus einzelnen {{#index:Speicherzelle}}Speicherzellen. Jede Speicherzelle kann dabei den Wert von genau einem Bit aufnehmen. Ein Register der Breite acht besitzt demnach acht Speicherzellen.

Jede Speicherzelle verfügt über eine separate {{#index:Input-Leitung, Speicherzelle|Speicherzelle, Input-Leitung}}Input- sowie {{#index:Output-Leitung, Speicherzelle|Speicherzelle, Output-Leitung}}Output-Leitung. Die {{#index:Select-Leitung, Speicherzelle|Speicherzelle, Select-Leitung}}Select- und {{#index:Write-Leitung, Speicherzelle|Speicherzelle, Write-Leitung}}Write-Leitung steht einmal für alle Speicherzellen zur Verfügung.

 Abb. : Register mit 8 Speicherzellen

CC-BY

Der interne Aufbau einer einzelnen Speicherzelle sieht wie folgt aus:

 Abb. : Aufbau einer einzelnen Speicherzelle

CC-BY

Die Speicherzelle besteht aus einem sogenannten {{#index:RS-Flip-Flop|Flip-Flop, RS-Flip-Flop}}RS-Flip-Flop, drei {{#index:UND-Gatter|Gatter, UND|AND-Gate|Gate, AND}}UND-Gattern, einem {{#index:NICHT-Gatter|Gatter, NICHT|NOT-Gate|Gate, NOT}}NICHT-Gatter sowie der notwendigen {{#index:Verdrahtung, Gatter|Gatter, Verdrahtung}}Verdrahtung.

Das folgende Video erklärt die {{#index:Arbeitsweise, Speicherzelle|Speicherzelle, Arbeitsweise}}Arbeitsweise der Speicherzelle:

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 Med. : Arbeitsweise einer Speicherzelle (04:49)

http://youtu.be/W1fCLMbYrnw

CC-BY

Hier folgen die im Video gezeigten {{#index:Wahrheitstafel}}Wahrheitstafeln der UND-Gatter:

 Abb. : Wahrheitstafeln von UND-Gattern mit zwei bzw. drei Eingängen

CC-BY

Neben dem hier gezeigten UND-Gatter gibt es noch eine Reihe weiterer Gatter. Diese werden treffenderweise im Kapitel Gatter beschrieben.

Aufgabe

 Aufg. : Aufgabe 1: Flip-Flop I

Im RS-Flip-Flop ist der Wert Null gespeichert. Die {{#index:Eingangsleitung|Eingangsleitung, RS-FlipFlop|RS-Flip-Flop, Eingangsleitung|Flip-Flop, Eingangsleitung}}Eingangsleitungen besitzen folgende Werte:

• Input = 1
• Select = 1
• Write = 0

Welcher Wert wird unter diesen Voraussetzungen für den {{#index:Ausgangsleitung|Ausgangsleitung, RS-FlipFlop|RS-Flip-Flop, Ausgangsleitung|Flip-Flop, Ausgangsleitung}}Ausgang (Output) der Speicherzelle ermittelt?

Aufgabe

 Aufg. : Aufgabe 2: Flip-Flop II

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

 Aufg. : Aufgabe 3: Flip-Flop III

Welchen Wert gibt das RS-Flip-Flop am Ausgang Q aus, wenn beide Eingänge gleich Null sind (S=0, R=0)?

Aufgabe

 Aufg. : Aufgabe 4: Simulationsframework Hades

Norman Hendrich von der Universität Hamburg hat mit Hades{{#index:Hades|Hades Framework|Hades Simulationsframework}} ein {{#index:Simulationsframework Hades|Framework Hades}}Simulationsframework bereitgestellt, welches u.a. den internen Aufbau und die {{#index:Arbeitsweise, RS-Flip-Flop|Flip-Flop, Arbeitsweise|RS-Flip-Flop, Arbeitsweise}}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.

Aufgabe

 Aufg. : Aufgabe 5: Forbidden (RS-Flip-Flop)

In den im Applet auf der Hades-Seite aus der vorangegangenen Aufgabe angegebenen Wahrheitstafeln gibt es jeweils den Hinweis "forbidden".

• Was ist mit "forbidden"{{#index:forbidden, RS-Flip-Flop|RS-Flip-Flop, 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?

Hinweis

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
http://www.uni-bamberg.de/fileadmin/uni/fakultaeten/wiai_lehrstuehle/medieninformatik/Dateien/Publikationen/2007/eisenhardt-rbkvs-1.0.pdf

Dieses Werk steht unter der Creative Commons BY-NC-ND-Lizenz
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/de/

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