寄存器
寄存器的基础知识
寄存器的基础知识什么是寄存器？寄存器（Register）是计算机中一种用来存储和操作数据的硬件元件。
它由一组存储单元组成，每个存储单元可以存储一个固定大小的数据。
寄存器在计算机中扮演着重要的角色，可以存储算术运算的操作数、控制信号、地址信息等。
寄存器的分类根据功能和使用方式，寄存器可以分为以下几种类型：通用寄存器通用寄存器（General Purpose Register）是最常见的寄存器类型，其用途十分广泛。
它们用来存储临时数据、变量、函数参数等。
通用寄存器通常具有较小的存储容量，例如x86架构中的EAX、EBX、ECX和EDX寄存器，每个寄存器都有32位大小。
累加寄存器累加寄存器（Accumulator Register）主要用于执行算术和逻辑运算。
它是一种特殊的通用寄存器，在运算过程中存储中间结果和最终结果。
累加寄存器在某些指令集架构中有特殊优化，因此在一些特定的计算任务中性能更好。
状态寄存器状态寄存器（Flag Register）用于存储处理器的运行状态和标志位。
例如，它可以存储条件运算的结果，比如是否相等、是否溢出等。
状态寄存器通常由多个二进制位组成，每个位上的值表示某一种状态。
通过读取和设置状态寄存器的位，程序可以获得有关处理器的各种信息。
指令指针寄存器指令指针寄存器（Instruction Pointer Register）存储下一条将要执行的指令的内存地址。
在程序执行过程中，处理器会不断读取指令指针寄存器中的值，并自动递增以指向下一条指令。
指令指针寄存器的值可以由程序员修改，以实现跳转、函数调用等操作。
寄存器的操作寄存器在计算机中起到存储和操作数据的作用，它可以执行多种操作，包括读取、写入、清零等。
寄存器与其他存储器件（如内存）相比，读取和写入速度更快，但容量较小。
寄存器的操作可以通过特定的指令来完成，这些指令通常是处理器指令集中的一部分。
下面是一些常见的寄存器操作：1.读取寄存器：通过读取指令将寄存器的值加载到处理器的内部寄存器中，以供后续指令使用。
寄存器的工作原理
寄存器的工作原理引言概述：寄存器是计算机中用于存储数据的一种重要组件，它在计算机系统中起着至关重要的作用。
寄存器的工作原理涉及到数据存储、数据传输和数据处理等方面，下面将详细介绍寄存器的工作原理。
一、寄存器的基本概念1.1 寄存器的定义寄存器是一种用于存储和传输数据的小型存储器件，通常位于CPU内部。
它的容量较小，但速度非常快，用于暂时存储一些需要频繁访问的数据。
1.2 寄存器的种类寄存器可以分为通用寄存器、特殊寄存器和控制寄存器等不同类型。
通用寄存器用于存储暂时数据，特殊寄存器用于存储特定功能的数据，控制寄存器用于控制CPU的操作。
1.3 寄存器的作用寄存器在计算机系统中起着至关重要的作用，它可以提高数据访问速度，减少对内存的访问次数，加快数据处理速度，提高计算机系统的性能。
二、寄存器的存储原理2.1 寄存器的存储单元寄存器的存储单元通常是由触发器或者锁存器构成，它们可以存储一个位或者多个位的数据，并且能够在需要时读取或者写入数据。
2.2 寄存器的存储方式寄存器的存储方式通常采用二进制方式，即将数据以二进制形式存储在寄存器中。
不同类型的寄存器可以存储不同长度的二进制数据。
2.3 寄存器的读写操作寄存器的读写操作是通过CPU控制信号实现的，当CPU需要读取或者写入寄存器中的数据时，会发送相应的控制信号给寄存器，完成数据的读取或者写入操作。
三、寄存器的数据传输原理3.1 寄存器之间的数据传输寄存器之间的数据传输通常通过数据总线实现，当一个寄存器需要将数据传输给另一个寄存器时，会通过数据总线将数据传输到目标寄存器中。
3.2 寄存器和内存之间的数据传输寄存器和内存之间的数据传输通常通过数据总线和地址总线实现，当CPU需要从内存中读取数据时，会将数据传输到寄存器中进行处理。
3.3 寄存器和I/O设备之间的数据传输寄存器和I/O设备之间的数据传输通常通过I/O总线实现，当CPU需要与外部设备进行数据交换时，会通过寄存器将数据传输到相应的I/O设备中。
寄存器概述
5
小结
寄存器的作用：
暂存数码和信息、数码移位 寄存器的组成： 触发器、门电路 寄存器的分类： 数码寄存器：单拍、双拍 移位寄存器：单向移位、双向移位 寄存器的特点：
优点是存储时间短、速度快 缺点是断电时存储数码丢失
6
3
三、寄存器的特点
优点是存储时间短、速度快，可用来做高速缓
冲存储器。
缺点是断电时存储数码丢失，因此寄存器通常
适用于暂存数据和信息，不能作为永久的存储
器使用。
4
四、寄存器应用
1.应用于运算器中，主要功能 是运算中存储数码、运算结果。 2.应用于CPU中，寄存器是 中央处理器（CPU）内部重 要的数据存储资源，是有限 存贮容量的高速存贮部件， 用来暂存指令、数据和地址。
寄存器概述
北京铁路电气化学校 李凤玲
1
一、寄存器定义
寄存器是一种重要的数字逻辑部件，主要用来
暂存数码和信息。
寄存器是由触发器和门电路组成。 一个触发器可以存储一位二进制代码，存储N
位二进制代码，则需要用N个触发器，构成N位 寄存器。
2
二、寄存器分类
寄存器按其功能可分为数码寄存器和移位寄存器。 1. 数码寄存器具有接收数码、保存数码和清除原有数码的 功能。
按接收方式的不同分为双拍接收式数码寄存器和单拍接
收式数码寄存器。 数据输入、输出方式为并入、并出形式。 2. 移位寄存器是能够存放数码，并在脉冲作用下数码能够 依次左右移动的寄存器。 按移位方式可以分为单向移位寄存器和双向移位。
寄存器
1.1 寄存器在实际的数字系统中，通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器．由于触发器内有记忆功能，因此利用触发器可以方便地构成寄存器。
由于一个触发器能够存储一位二进制码，所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。
1.2 锁存器由若干个钟控D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路。
数据有效迟后于时钟信号有效。
这意味着时钟信号先到，数据信号后到。
在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。
1.3 缓冲器缓冲器相当于一个寄存器，暂时保存数据.缓冲是用来在两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。
除了在关键的地方采用少量硬件缓冲器之外，大都采用软件缓冲。
软件缓冲区是指在I/O操作期间用来临时存放输入/输出数据的一块存储区域。
在操作系统中，引入缓冲的主要原因如：缓和CPU与l/0设备间速度不匹配的矛盾。
一般情况下，程序的运行过程是时而进行计算，时而进行输入或输出。
以输出为例，如果没有缓冲，则程序在输出时，必然由于打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待;然而在计算阶段，打印机又无事可做。
如果设置一个缓冲区，程序可以将待输出的数据先输出到缓冲区中，然后继续执行;而打印机则可以从缓冲区取出数据慢慢打印。
1.4 寄存器和锁存器的区别（1）寄存器是同步时钟控制，而锁存器是电位信号控制。
（2）寄存器的输出端平时不随输入端的变化而变化，只有在时钟有效时才将输入端的数据送输出端（打入寄存器），而锁存器的输出端平时总随输入端变化而变化，只有当锁存器信号到达时，才将输出端的状态锁存起来，使其不再随输入端的变化而变化可见，寄存器和锁存器具有不同的应用场合，取决于控制方式以及控制信号和数据之间的时间关系：若数据有效一定滞后于控制信号有效，则只能使用锁；数据提前于控制信号而到达并且要求同步操作，则可用寄存器来存放数据。
一、锁存器1. 锁存器的工作原理锁存器不同于触发器，它不在锁存数据时，输出端的信号随输入信号变化，就像信号通过一个缓冲器一样；一旦锁存信号起锁存作用，则数据被锁住，输入信号不起作用。
寄 存 器
上述串行输入数码右移寄存器的工作过程如下表所示。 四位右移寄存器状态转换表
四位右移寄存器的时序图如下图所示。从图中可以清楚地看到四位右移寄 存器输入和输出的时序关系。
四位右移寄存器的时序图
下图所示为左移寄存器逻辑图，也是由四个D触发器构成的。它与四位右移 寄存器工作原理相同，只是该寄存器的数码1011从高位到低位 DSL 依次送入，在 CP 脉冲作用下左移，逐个输入寄存器。
计算机电路基础
寄存器的功能是存储二进制数码信息。例如，在计算机中，需要用它存储 参加运算的数据。寄存器由触发器组成，一个触发器能存放一位二进制数码， 有N个触发器就可存放N位数码。除了触发器外，还必须配有具备控制作用的 门电路，以使寄存器能按照寄存指令存储输入的二进制数码或信息。
这种寄存器只具有接收、存放和输出数码的功能。在接收指令（在计算 机中称为写指令）的控制下，将数据送入寄存器存放，需要时可在输出指令 （读指令）的控制下，将数据由寄存器读出。这类寄存器按接收数码方式的 不同分为双拍工作方式和单拍工作方式。
第三个 CP 上升沿到来时：Q0Q1Q2Q3 1010 ， D0D1D2D3 1101。 第四个 CP 上升沿到来时：Q0Q1Q2Q3 1101 。
上述串行输入数码左移寄存器的工作过程如下表所示。 四位左移寄存器状态转换表
四位左移寄存器的时序图如下图所示。 四位左移寄存器的时序图
在单向移位寄存器的基础上，增加由门电路组成的控制电路，就可以构成既 能左移又能右移的双向移位寄存器。
四位左移寄存器逻辑电路
第一个 CP 上升沿到来前：Q0Q1Q2Q3 0000 ，D0D1D2D3 1000 。 第一个 CP 上升沿到来时：Q0Q1Q2Q3 1000 ，D0D1D2D3 0100 。 第二个 CP 上升沿到来时：Q0Q1Q2Q3 0100 ，D0D1D2D3 1010 。
寄存器的工作原理
寄存器的工作原理寄存器是计算机中一种用于暂时存储数据的硬件组件。
它们通常由一组触发器构成，每个触发器可以存储一个位。
寄存器在计算机中起到了重要的作用，它们用于存储指令、数据和地址等信息，以及在算术和逻辑运算中起到临时存储和传输数据的作用。
一、寄存器的分类根据功能和用途，寄存器可以分为以下几种类型：1. 通用寄存器：用于存储临时数据。
2. 累加器：用于存储运算结果。
3. 数据寄存器：用于存储数据。
4. 地址寄存器：用于存储内存地址。
5. 指令寄存器：用于存储当前执行的指令。
6. 标志寄存器：用于存储运算结果的状态标志。
二、寄存器的工作原理寄存器的工作原理可以分为写入和读取两个过程。
1. 写入过程：当计算机需要向寄存器中写入数据时，首先需要将数据传输到寄存器的输入端。
通常情况下，数据会通过数据总线传输到寄存器中。
然后，控制信号会触发寄存器的写入操作，将数据存储在触发器中。
2. 读取过程：当计算机需要从寄存器中读取数据时，控制信号会触发寄存器的读取操作。
读取操作会将寄存器中的数据传输到数据总线上，然后计算机可以通过数据总线将数据传输到其他组件中进行处理。
三、寄存器的应用寄存器在计算机中有广泛的应用，下面列举几个常见的应用场景：1. 存储器寻址：在计算机中，存储器的每个单元都有一个唯一的地址。
地址寄存器用于存储这些地址信息，以便计算机能够定位并访问存储器中的特定数据。
2. 指令执行：指令寄存器用于存储当前执行的指令。
当计算机执行指令时，指令寄存器会将指令传输到控制单元中进行解码和执行。
3. 算术运算：累加器是一种特殊的寄存器，用于存储运算结果。
在算术运算中，计算机会将操作数传输到累加器中进行运算，并将结果存储回累加器中。
4. 控制信号存储：控制信号寄存器用于存储控制信号，这些信号用于控制计算机的各种操作，如读写操作、中断处理等。
5. 数据传输：数据寄存器用于存储数据，并在计算机的各个组件之间传输数据。
数据寄存器常用于存储临时数据，以便进行运算或传输到其他组件中。
寄存器
4位MSI 寄存器74175 CR为各触发器的直接置 0端，用作寄存器的“清零”。 可用来构成缓冲或暂存寄 存器､移位寄存器和图形发生 器等。
5. 4. 2 移位寄存器
1. 移位的概念
除了具有暂存数码的功能之外，还具有移位功能 的逻辑部件称为移位寄存器。 所谓移位功能：就是存在寄存器中的数码（即 各触发器的状态）可以在移位正脉冲（CP）的作用 下，依次向右或向左转移到相邻的触0 = A0 B0 S0 = A0⊕B0⊕C0-1 C1 = (A1⊕B1) C0 + A1B1 S1 = A1⊕B1⊕C0 如果继续下去，当第n个CP脉冲作用后，加数与 被加数全部向左移走，而原来存放被加数的累加寄 存器中就存入了运算结果和（Sn-1……S1S0）。
16
D
（CP的上升沿有效）
Q4
n 1
n n 状态方程：Q1n1 Q2 Q2 1 Q3 Q3 1 Q4
Q1
17
1
D F4 CP Ｑ
1
D Ｑ F3
1
D Ｑ F2
1
D Ｑ F1
四位环形计数器
n n n 状态方程：Q1n1 Q2 Q2 1 Q3 Q3 1 Q4 Q4 1 Q1
Q3
n1
n1
D3 Q 2
D2 Q1
Q2
CP上升沿有效
Q1
n 1
D1 DSL
8
0 0 Ｑ4 0 1 0 Ｑ D 串行输出 F4 0 0 0 0 1
并行输出 0 0 Ｑ Ｑ３ ２ 1 0 Ｑ D 1 Ｑ D F3 F2 RD RD
0 1 0 Ｑ１ 1 1 Ｑ D F1
串行输入 D SR 1 0 11 CP 移位脉冲 CR 清“0 ”
寄存器的工作原理
寄存器的工作原理寄存器是计算机中用来存储和处理数据的一种重要组件。
它是一种高速的、临时的存储单元，用于暂时保存计算机运算过程中的数据和指令。
寄存器在计算机的运算过程中发挥着至关重要的作用，对于计算机的性能和功能起着决定性的影响。
一、寄存器的定义和分类寄存器是计算机中一种用来暂时存储数据的高速存储器件。
根据其功能和用途的不同，寄存器可以分为通用寄存器、专用寄存器和状态寄存器等几种类型。
1. 通用寄存器：通用寄存器是计算机中最常用的一种寄存器，用于存储临时数据和运算结果。
通用寄存器的数量和位数根据计算机的体系结构和指令集的设计而有所不同。
2. 专用寄存器：专用寄存器是用于特定目的的寄存器，例如程序计数器（PC）用于存储下一条指令的地址，指令寄存器（IR）用于存储当前正在执行的指令等。
3. 状态寄存器：状态寄存器用于存储计算机的状态信息，例如标志位寄存器（Flag Register）用于存储运算结果的状态信息，包括零标志位、进位标志位等。
二、寄存器的工作原理寄存器的工作原理可以分为存储和读取两个过程。
1. 存储过程：当计算机需要将数据存储到寄存器中时，首先需要将数据从主存储器（RAM）中读取出来，然后通过数据总线将数据传输到寄存器中。
在传输过程中，控制信号会使得寄存器的写使能端（WE）为高电平，使得寄存器接收并存储数据。
2. 读取过程：当计算机需要从寄存器中读取数据时，需要通过地址总线将寄存器的地址发送给控制器，控制器根据地址选择对应的寄存器，并通过数据总线将数据传输给计算机的其他部件。
在传输过程中，控制信号会使得寄存器的读使能端（RE）为高电平，使得寄存器输出数据。
三、寄存器的应用寄存器在计算机中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 数据存储：寄存器用于存储临时数据和运算结果，可以提供高速的数据存取速度，加快计算机的运行效率。
2. 指令存储：寄存器用于存储计算机指令，包括指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）等。
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图5-10 8位序列脉冲信号产生电路
图5-11 8位序列脉冲信号发生器输出波形
23
3. 顺序脉冲发生器 (1) 顺序正脉冲
2014-4-25
24（Βιβλιοθήκη ）顺序负脉冲2014-4-25
25
作业题
5-1 5-2 5-3
2014-4-25
26
2014-4-25
图5-1 单拍工作方式的数码寄存器
数码输 入端 7
（2）工作原理
当CP↑时，触发器更新状态， Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0，即接收输入数码并保存。 单拍工作方式：不需清除原有数据，只要CP↑一 到达，新的数据就会存入。 常用4D型触发器74LS175、6D型触发器74LS174、 8D型触发器74LS374或MSI器件等实现。
若锁存信号 C＝ 1 图5-9 2位数据显示锁存器 0 时，计数器的输出数据可通过 时，数据被锁存，译码显示电 2014-4-25 22 锁存器到达译码显示电路； 路稳定显示锁存的数据。
2．序列脉冲信号发生器 序列脉冲信号是在同步脉冲的作用下，按一定周 M1M 0=01，为右移方式， 期循环产生的一组二进制信号。 Q3经非门接DSR， 如111011101110…，每隔4位重复一次1110，称为 同时Q3作为OUT。 4位序列脉冲信号。 序列脉冲信号广泛用于数字设备测试、通信和遥 首先令CR＝0，输出 控中的识别信号或基准信号等。 端全为零，则DSR为1； CP↑ ， DSR 数 据 右 移 ， Q3 的 输 出 依 次 为 0000111100001111…。 电路产生的8位序列脉冲信号为00001111。
2014-4-25
12
1．单向移位寄存器 单向移位寄存器，是指仅具有左移功能或右移功 能的移位寄存器。 （1）右移位寄存器 ① 电路组成 串行输入
仿真
图5-4 4位右移位寄存器
2014-4-25
同步时序 逻辑电路 13
② 工作过程（仿真运行图5－4电路。 ）
将数码 1101 右移串行输入给寄存器（串行输入是 ③ 状态表 指逐位依次输入）。 表5-2 4位右移位寄存器状态表 在接收数码前，从输入端输入一个负脉冲把各触 发器置为0状态（称为清零）。 输 出
2014-4-25 6
5.1.1 数码寄存器
1．由 D触发器构成的数码寄存器 数码寄存器具有接收、存放、输出和清除数码的 （1）电路组成 功能。
在接收指令（在计算机中称为写指令）控制下， 将数据送入寄存器存放；需要时可在输出指令（读出 输出端 指令）控制下，将数据由寄存器输出。 CP：接收脉
冲（控制信 仿真 号输入端)
2014-4-25
8
2．由D型锁存器构成的数码寄存器 （1）锁存器的工作原理 送数脉冲CP为锁存 控制信号输入端， 即使能信号（电平 信号）。
图5-2 锁存器 工作过程： ②当 CP=1 时， D 数据输入不影响电路的状态，电 ①当CP=0时，Q =D，电路接收输入数据； 路锁定原来的数据。 即当使能信号到来（不锁存数据）时，输出端的 即当使能信号结束后（锁存），数据被锁住，输出 信号随输入信号变化； 状态保持不变。
第 5章
时序逻辑电路
寄存器
结束 放映
5.1
5.1.1 数码寄存器 5.1.2 移位寄存器
5.1.3 寄存器的应用实例
2014-4-25 1
复习
触发器按触发方式分类？各自特点？ 触发器按逻辑功能分类？各自功能表？
2014-4-25
2
第 5章
时序逻辑电路
定义：时序逻辑电路在任何时刻的输出不仅取决 于该时刻的输入，而且还取决于电路的原来状态。 电路构成： 存储电路（主要是触发器，必不可少） 组合逻辑电路（可选）。 时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示 的。
2014-4-25
串行输出
15
（2）左移位寄存器
串行 输入
仿真
图5-6 4位左移位寄存器
异步 清零
2014-4-25
16
② 工作过程（仿真运行图5－6电路。 ）
将数码 1011 左移串行输入给寄存器。在接收数码 前清零。 ③ 状态表 表5-3 4位左移位寄存器状态表
CP顺序 0
1 2 3 4 5 6 7
18
2．集成双向移位寄存器
在单向移位寄存器的基础上，增加由门电路组 成的控制电路实现 。 74LS194为四位双向移位寄存器。与74LS194的 逻辑功能和外引脚排列都兼容的芯片有CC40194、 CC4022和74198等。
2014-4-25
图5-8 双向移位寄存器74LS194 （a）外引脚图 （b）逻辑符号
5.1
寄存器
1. 寄存器通常分为两大类：
数码寄存器：存储二进制数码、运算结果或指令等 信息的电路。 移位寄存器：不但可存放数码，而且在移位脉冲作 用下，寄存器中的数码可根据需要向左或向右移位。
2. 组成：触发器和门电路。
一个触发器能存放一位二进制数码； N个触发器可以存放N位二进制数码。
2014-4-25 5
2014-4-25
输 入DSR 1
0 1 1 0 0 0 0 0
输 出 Q0 Q1 Q2 Q3
0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
17
8
④ 时序图。
2014-4-25
并行输出 图5-7 4位左移位寄存器时序图 串行输出
时序逻辑电路的结构框图
按各触发器接受时钟信号的不同分类： 同步时序电路：各触发器状态的变化都在同一时 钟信号作用下同时发生。 异步时序电路：各触发器状态的变化不是同步发 生的，可能有一部分电路有公共的时钟信号，也可能 完全没有公共的时钟信号。 本章内容提要： 时序逻辑电路基本概念、时序逻辑电路的一般分 析方法； 异步计数器、同步计数器、寄存器与移位寄存器 的基本工作原理； 重点介绍几种中规模集成器件及其应用、介绍基 于功能块分析中规模时序逻辑电路的方法。 2014-4-25 4
3. 寄存器应用举例：
(1) 运算中存贮数码、运算结果。 (2) 计算机的CPU由运算器、控制器、译码器、寄 存器组成，其中就有数据寄存器、指令寄存器、一般 寄存器。 4. 寄存器与存储器有何区别?
寄存器内存放的数码经常变更，要求存取速度快， 一般无法存放大量数据。（类似于宾馆的贵重物品寄 存、超级市场的存包处。） 存储器存放大量的数据，因此最重要的要求是存 储容量。（类似于仓库）
19
表5-4 74LS194功能表
结论：清零功能最优先（异步方式）。 计数、移位、并行输入都需CP的↑到来（同步方式）
2014-4-25 20
工作方式控制端 M1M0区分四种功能。
M1 M0
0 0 0 1 1 0 1 1
功能
保持 右移 左移 并行置数
21
2014-4-25
5.1.3
寄存器的应用实例
CP顺序 0 1 2 3 4 5 6 7
2014-4-25
输 入DSR 1 1 0 1 0 0 0 0 0
Q0 Q1 Q2 Q3
0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0
8
14
④ 时序图
并行输出 图5-5 4位右移位寄存器时序图
1．数据显示锁存器 数据显示锁存器； 序列脉冲信号发生器； 在许多设备中常需要显示计数器的计数值，计 数码的串／并与并／串转换； 数值通常以8421BCD码计数，并以七段数码显示器 构成计数器…… 显示。 问题：如果计数器的计数速度高，人眼则无法 辨认显示的字符。 措施：在计数器和译码器之间加入锁存器，就 可控制数据显示的时间。
2014-4-25 9
（2）集成数码锁存器74LS373
2014-4-25
图5-3 8D型锁存器74LS373 (a) 外引脚图 (b) 逻辑符号
10
表5-1 8D型锁存器74LS373功能表
2014-4-25
11
5.1.2 移位寄存器
移位寄存器除了具有存储数码的功能外，还具 有移位功能。 移位功能：寄存器中所存数据，可以在移位脉冲 作用下逐位左移或右移。 在数字电路系统中，由于运算（如二进制的乘 除法）的需要，常常要求实现移位功能。