【從零開始自制CPU之學習篇06】寄存器
上一篇文章學習了總線的相關知識，途中ABC當時假設為一個個的8位寄存器。這一篇要學習怎麽構建這個寄存器。
這分為兩個三個部分，數據輸入，寄存器，數據輸出。首先不管輸出，來看數據輸入和寄存器這兩個部分。【03觸發器與鎖存器】中講了D型觸發器，那麽我們的寄存器（D寄存器）就由D鎖存器（74LS74）構成，結構如下：
圖中畫了2位的寄存器，每一個部分就是一個1位的寄存器，如果一共8位的話就需要8個這樣的1位寄存器。load端為0，那麽數據端不論是多少，輸出端Q都不會改變。如果load端為1，當時鐘上沿時，Q就會保存D傳入的數據。圖中上面的寄存器拿load為0舉例，下面的是load為1。實際搭建的圖如下：
中間四個數字電路分別為 74LS04（反相器），74LS08（與門），74LS32（或門），74LS74（D型鎖存器）。黃線為load，藍線為數據data，白線為時鐘clk，可以連接到之前用555定時器做的pc上。實驗到時候可以把黃線接在+或者-，表示load到0和1。這是你會看到燈泡（寄存器的數據），會隨著clk，相應的根據load的值，存儲或無視藍線data的值。
這樣一個1位寄存器的輸入和寄存就做完了，還差輸出端。藍線只需要接入到總線上，就能收到來自總線的數據了，但把數據輸出到總線，需要做些處理，需要連接一個三態雙向總線收發器。這個在【05總線】這一篇中由講過為什麽。
整合：至此我們了解了一個1位的寄存器從輸入到輸出的制作，8位的話則需要8個這樣的組合。這裏我們可以直接用兩個 4bit D-type registers with 3-state outputs（74LS173）即可。顧名思義，即3態輸出端的4位D型寄存器集成電路。這裏要說明一下，雖然我們要親手做cpu，但改方便時要方便。我們當然不能方便到直接用一個8086放在面包板上就算做了個cpu，可當然也不能全用基本門電路，甚至用二三極管和電容做cpu，我們要找一個折中到辦法，在了解到原理，但重復度比較高的零件，就盡量用即成的。下圖位74LS173針腳圖：
- CP 時鐘輸入端（上升沿有效）
- CR 清除端
- 1～4D 數據輸入端
- 1～4Q 輸出端
- N，M 三態允許允許端（低電平有效）——是否輸出到總線
- G1，G2 數據選通端（低電平有效）——是否存入
這裏引入官方說明：
這樣兩個74LS173就組成了一個8位寄存器，包含輸入和輸出端的控制。由於實踐中設計的cpu需要直觀看到寄存器裏的內容，所以不管輸出到總線的控制信號如何，我們都希望能夠通過LED燈來觀察寄存器裏的內容。所以我們使74LS173的輸出端控制始終為可輸出，連接到LED燈上，再在後面接一個74LS245（三態控制）來控制信號是否輸出到總線。設計圖如下：
其中M，N始終接地，即低電平有效，輸出端一直有效，通過LED燈後再進行三態輸出處理。
實操圖第一步：
實操圖第二步：寄存器輸出端連接到三態上，三態的輸出端連接到總線。總線又通過藍線連接到寄存器到輸入端，還有三根黃線，最右邊是load（數據是否存入），中間是clear（永遠0），左邊是三態的允許（是否輸出到總線）。白線是clk。
將設備連接到pc和總線上：
連接多個寄存器：
總結：至此多個寄存器已經可以和總線交互，並且連接到了pc上，隨著時鐘到改變，通過load和三態決定是否載入和輸出數據。
參考視頻：eater.net
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