Register: Aufbau, Funktion und Registerarten

Ein Bit kann den Wert 0 oder 1 haben. Ein D-Flipflop ist ein elektronischer Speicher für ein Bit. Mehrere D-Flipflops können zusammen ein Register bilden: Jedes hält ein Bit, gemeinsam halten sie ein Bitmuster. Ein Hardware-Register ist dabei ein Register aus elektronischen Bauteilen.

Die Registerbreite gibt die Anzahl der gespeicherten Bits an. Ein Register mit drei Bits hält gleichzeitig drei Bits, also genau ein Muster wie 101. Es hält nicht mehrere Muster gleichzeitig. Solange keine wirksame Änderung ausgelöst wird, bleibt das gespeicherte Muster erhalten.

Bei jedem zusätzlichen Bit verdoppelt sich die Anzahl möglicher Bitmuster, denn das neue Bit kann 0 oder 1 sein. Für eine Breite von n Bits gibt es daher 2^n verschiedene Muster. Dabei bezeichnet n die Anzahl der Bits. Was ein Muster bedeutet, hängt von seiner Verwendung ab: Es kann zum Beispiel für eine Zahl oder für mehrere einzelne Zustände stehen.

Für diesen Abschnitt und alle darauf bezogenen Aufgaben legen wir ein Modell nach Logisim fest. Logisim ist ein Programm zum Simulieren digitaler Schaltungen. Alle betrachteten Eingänge haben eindeutige Werte 0 oder 1. Der Dateneingang D liefert das neue Bitmuster; der Ausgang Q zeigt den gespeicherten Inhalt. Die einzelnen D-Flipflops übernehmen jeweils das zugehörige Eingangsbit. Der Rücksetzeingang heißt Reset.

Der Takt ist ein Steuersignal, das zwischen 0 und 1 wechselt. Unser Modell übernimmt Daten bei einer steigenden Flanke, also beim Wechsel des Takts von 0 auf 1. Die Übernahmefreigabe heißt Clock-Enable. Bei Reset 0 gilt: Ist Clock-Enable 1, wird an der steigenden Flanke das gesamte Muster von D übernommen. Ist Clock-Enable 0, bleibt der bisherige Inhalt erhalten. Ein dauerhaft hoher Takt ist keine neue steigende Flanke. Änderungen an D allein ändern den gespeicherten Inhalt deshalb nicht.

Reset wirkt in unserem Modell asynchron: unabhängig vom Takt. Sobald Reset 1 ist, werden alle gespeicherten Bits 0. Das gilt auch bei Clock-Enable 0. Solange Reset 1 bleibt, halten die anderen Eingänge den Inhalt nicht davon ab, 0 zu bleiben. Nach dem Wechsel von Reset auf 0 bleibt der Inhalt zunächst 0; eine neue Datenübernahme braucht wieder die passende Flanke und Clock-Enable 1.

Diese Einstellungen gelten nicht für jeden Baustein. Logisim bietet auch andere Takteinstellungen, darunter eine fortlaufende Übernahme während eines bestimmten Taktpegels. Der Taktpegel ist der Signalwert 0 oder 1 des Takts. Beim realen Vier-Bit-Baustein SN74LS173A von Texas Instruments müssen beide Datenfreigaben 0 sein, damit Daten an der steigenden Flanke übernommen werden. Seine zusätzliche Ausgangsfreigabe steuert dagegen die Verbindung nach außen. Ein abgeschalteter, hochohmiger Ausgang treibt die angeschlossene Leitung nicht; dadurch wird der gespeicherte Inhalt nicht gelöscht.

Ein Prozessor führt die Arbeitsanweisungen eines Programms aus. Eine solche Arbeitsanweisung heißt Befehl. Register können dabei unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Ein Datenregister hält Werte für die Verarbeitung, etwa Eingabewerte oder ein Rechenergebnis. Ein Adressregister hält eine Speicheradresse oder hilft, sie zu berechnen. Eine Speicheradresse ist die Kennzeichnung eines Speicherplatzes, nicht dessen gespeicherter Inhalt.

Ein Befehlsregister hält den aktuellen Befehl selbst. Davon unterscheidest du den Befehlszähler: Er hält je nach Prozessor die Adresse des aktuellen oder des nächsten auszuführenden Befehls. Befehl und Adresse des Befehls sind also verschiedene Informationen.

Ein Statusregister hält Angaben zum Zustand des Prozessors oder zu einem Rechenergebnis. Ein einzelnes solches Zustandsbit wird auch Flag genannt. Ein Nullmerkmal kann zum Beispiel anzeigen, dass ein Ergebnis 0 war. Welche Zustandsmerkmale vorhanden sind und wie sie verändert werden, hängt vom Prozessor ab.

Diese Namen beschreiben Aufgaben. Ein allgemeines Register kann je nach Prozessor sowohl Daten als auch Adressen aufnehmen. Die Aufgabenbezeichnungen bedeuten deshalb nicht, dass für jede Aufgabe ein getrenntes Bauteil vorhanden sein muss.

CPU ist die englische Abkürzung für Central Processing Unit, auf Deutsch zentrale Verarbeitungseinheit. Gemeint ist hier der Hauptprozessor. CPU-Register stehen seiner Verarbeitung direkt zur Verfügung. Er kann besonders schnell auf sie zugreifen. Dazu gehören je nach Aufbau beispielsweise Register für Rechenwerte oder den aktuellen Befehl.

E/A bedeutet Eingabe und Ausgabe. E/A-Register dienen dem Austausch mit Geräten oder deren Steuerung. Sie können etwa einen eingelesenen Gerätewert oder eine Einstellung für ein Gerät halten. Solche Register können in angeschlossenen Bauteilen liegen oder im Hauptprozessor integriert sein. Der Einbauort allein reicht deshalb nicht, um ihre Aufgabe zu bestimmen. Gerätezugriff und Verarbeitung können innerhalb desselben Bausteins stattfinden.

Eine Registermaschine ist dagegen ein theoretisches Rechenmodell, mit dem man Berechnungen untersucht. Es gibt verschiedene Definitionen. Im hier beschriebenen Modell gibt es unendlich viele durchnummerierte Register. Jedes speichert eine beliebig große natürliche Zahl; wir betrachten dabei die Zahlen 0, 1, 2 und so weiter. Es ist keine feste Bitgrenze für ein einzelnes Register vorgesehen.

Das ist eine Annahme des Modells und kein Bauplan für einen Rechner. Ein Hardware-Register mit fester Breite hat nur endlich viele Bitmuster. Die unbeschränkten Register des beschriebenen theoretischen Modells darfst du damit nicht gleichsetzen.