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.

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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.

Register01.jpg


Der interne Aufbau einer einzelnen Speicherzelle sieht wie folgt aus:

Speicherzelle02.jpg

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:

Video.png
Video


Wahrheitstafeln

Hier folgen die im Video gezeigten Wahrheitstafeln der UND-Gatter:

Wahrheitstafel UND.jpg

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


Aufgabe 1

Aufgabe
Flip-Flop I

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

Aufgabe
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 3

Aufgabe
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 4

Aufgabe
Simulationsframework Hades

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.

Hinweis

(Sollte das Java-Applet nicht ausführbar sein, bitte die Einstellungen für Sicherheit in Java anpassen!)


Aufgabe 5

Aufgabe
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" 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

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