레지스터와 카운터
레지스터(Register)
레지스터는 여러 비트를 저장하는 기억 소자입니다. 일반적으로 D 플립플롭으로 구성되어 있으며, 하나의 플립플롭은 1비트를 구성합니다. 즉, 8개의 플립플롭은 8비트, 16개의 플립플롭은 16비트 레지스터가 됩니다.
레지스터는 주로 CPU 내부에서 연산결과를 중간저장하거나 데이터를 선택할 때 사용합니다.
로드(Load) 신호
로드 신호는 레지스터를 동작시키는 신호입니다. 레지스터에 저장된 데이터를 입력값으로 변경시키는 역할을 합니다.
ClrN 신호는 비동기 카운터로 우선은 무시하시면 됩니다.
로드(Load)는 클럭(Clk)과 AND 게이트로 연결하여 로드가 1일때 클럭 신호에 따라 레지스터 값을 변경할 수 있습니다. 그러나 클럭 신호가 다른 신호와 묶이는 경우 타이밍 문제가 발생할 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 다음과 같이 레지스터의 CE(Clock Enable)에 로드를 연결하여 사용합니다.
로드가 0인 경우 클럭 신호와 상관없이 레지스터에 저장된 데이터는 이전 상태를 유지하게 되며, 로드가 1인 경우 클럭 신호에 따라 레지스터의 데이터가 입력값으로 변경됩니다.
쉬프트 레지스터(Shift Register)
쉬프트 레지스터는 플립플롭에 출력과 입력을 연결하는 방법에 따라 데이터를 왼쪽 또는 오른쪽으로 자리이동하는 레지스터 입니다.
쉬프트 레지스터의 종류는 직렬 쉬프트 레지스터와 병렬 쉬프트 레지스터가 있습니다.
직렬 쉬프트 레지스터는 직렬 입력(Serial in, SI)과 직렬 출력(Serial out, SO)을 가지는 레지스터로, 데이터가 한 번에 한 비트씩 쉬프트 됩니다.
Shift 신호는 CE와 연결되며, 신호가 1인 경우 쉬프트 레지스터가 동작하며, 신호가 0인 경우 데이터가 쉬프트 되지 않고 상태를 유지합니다.
예를 들어 초기 레지스터 값이 0101이고 직렬 입력(SI)이 1101인 경우 타이밍도는 다음과 같습니다.
한 번의 클럭 주기마다 데이터가 쉬프트 됨을 확인 할 수 있습니다. 또한 Q0는 직렬 출력(SO)이 되는데, 4번의 클럭 주기동안 SO는 초기 레지스터 값인 0101이 출력됨을 확인할 수 있습니다.
병렬 쉬프트 레지스터는 병렬 입력(Parallel in, PI)과 병렬 출력(Parallel out, PO)을 가지는 레지스터 이며, 다음과 같이 플립플롭과 멀티플렉서(MUX)를 통해 만들 수 있습니다.
직렬 쉬프트 레지스터와 달리 한 클럭에 모든 데이터가 동시에 로드되고 동시에 출력됩니다. 이때 쉬프트 신호와 로드 신호가 멀티플렉서의 제어신호가 됩니다.
쉬프트 신호가 1인 경우 로드 신호에 상관없이 데이터가 쉬프트되며, 쉬프트 신호가 0, 로드 신호가 1이면 레지스터에 데이터가 저장됩니다. 두 신호가 모두 0인 경우에는 레지스터 상태가 유지됩니다.
위에 그림과 같이 Q0는 직렬 출력(SO)이 되므로 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하기 위해 해당 레지스터를 사용할 수도 있습니다.
카운터(Counter)
카운터는 고정된 순환 회로를 통해 클럭 펄스의 갯수를 처리하기 위한 논리회로입니다.
대표적으로 2진수 값이 1씩 증가하는 2진 카운터가 있으며, n비트의 레지스터를 통해 2n-1 까지 카운트할 수 있습니다. 예를 들어 3비트의 레지스터를 통해서는 0 ~ 7까지 카운트 할 수 있으며 다음과 같이 순환합니다.
카운터에는 동기식 카운터와 비동기식 카운터가 있습니다.
비동기식 카운터
리플 카운터라고도 불리는 비동기식 카운터는 이전 플립플롭의 출력이 다음 플립플롭의 클럭으로 사용되는 카운터 입니다.
보통 J-K 플립플롭 또는 T 플립플롭으로 설계되며, 숫자가 증가하는 상향 카운터(Up Counter)와 숫자가 감소하는 하향 카운터(Down Counter)가 있습니다.
해당 카운터는 카운트가 1씩 증가하는 상향 카운터이며, 다음과 같은 타이밍도로 나타낼 수 있습니다.
Enable이 1인 경우 진리표는 다음과 같습니다.
| Clock 주기 | Q2 | Q1 | Q2 | 10진수 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 3 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 4 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 5 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 6 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 7 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 8 | 1 | 1 | 1 | 7 |
하향 카운터의 경우 Q’ 출력을 클럭으로 사용하며, 카운트가 1씩 감소합니다.
멀티플렉서를 통해 상하향 카운터를 만들 수도 있습니다.
비동기식 카운터는 동기식 카운터에 비해 회로는 간단하지만 전달지연이 커진다는 단점이 있습니다.
동기식 카운터
동기식 카운터는 비동기식 카운터의 전달지연을 보완하기 위해 플립플롭에 공통의 클럭신호를 사용하는 카운터입니다.
모든 플립플롭은 동일한 클럭신호를 받으며, 이전 플립플롭의 출력이 1인 경우에만 다음 플립플롭이 토글됩니다.
링 카운터
링 카운터는 마지막 플립플롭의 출력이 첫 번째 플립플롭의 입력으로 피드백되는 링 형태로 구성된 카운터를 말합니다.
링카운터는 모든 플립플롭이 0이라면 000만 출력되기 때문에 최소한 1비트는 1로 프리셋할 필요가 있습니다.