레지스터·카운터
·PC

플립플롭 여러 개 = 레지스터

플립플롭 하나는 비트 한 개를 기억한다. 여러 개를 나란히 묶으면 여러 비트를 통째로 저장하는 부품이 된다. 이것이 바로 레지스터다.

16개를 한 줄로 세우고 클럭선 하나를 공유시키면 16비트 레지스터가 된다.
클럭 edge가 한 번 오면 16개 플립플롭이 동시에 자기 입력 비트를 받아 적는다.
그래서 R 전체가 한 박자에 한꺼번에 갱신된다.

여기에 enable 선을 하나 더 붙이는 것이 핵심이다.
enable=1이면 edge에서 새 값을 load하고, enable=0이면 edge가 와도 값을 그대로 유지(hold)한다.
이 enable 덕에 ‘지금 적을지 말지’를 골라가며 데이터를 붙잡아 둘 수 있다.

enable·reset, 적을지 말지를 고른다

레지스터가 쓸모 있으려면 ‘언제 적고, 언제 비울지’를 제어할 수 있어야 한다. 그 두 선이 enable과 reset이다.

enable은 load 게이트다.
edge마다 무조건 받아 적으면 데이터를 한 박자도 못 붙잡는다.
enable=0인 동안엔 입력이 바뀌어도 R이 옛 값을 그대로 들고 있다. 이것이 ‘기억’의 실체다.

reset은 값을 강제로 0…0으로 비운다.
전원을 켠 직후 레지스터엔 쓰레기 값이 들어 있다. reset으로 알려진 시작점(0)을 만들어야 그다음 계산이 믿을 만해진다.

enable 있는 레지스터 8개가 곧 CPU의 R0~R7이다.

카운터, 클럭마다 +1

카운터는 새 부품이 아니다. 레지스터 출력에 +1 가산기를 붙여 그 결과를 다시 자기 입력으로 되먹인 것뿐이다.

edge가 오면 레지스터가 ‘지금 값+1’을 받아 적는다.
그러면 0, 1, 2, 3 이렇게 클럭을 셀 때마다 하나씩 올라간다.
비트 폭이 정해져 있어 끝에 가면 다시 처음으로 돈다. 4비트면 15 다음에 0으로 wrap한다.

카운터는 몇 번째 클럭인지, 몇 번 반복했는지를 숫자로 들고 있다.

클럭을 한 edge씩 올려본다

클럭을 한 edge 올릴 때마다 세 부품이 동시에 갱신된다. R이 load되고(enable=1일 때), CNT가 +1 되고, PC가 다음 명령 주소로 옮겨간다.

enable을 끄면 같은 edge에도 R만 옛 값을 유지한다. load와 hold의 차이가 여기서 드러난다.

PC, 다음에 실행할 명령의 주소

PC(Program Counter)는 특별한 레지스터다. 값으로 ‘다음에 실행할 명령어가 있는 메모리 주소’를 들고 있다.

CPU는 매 박자 PC가 가리키는 주소에서 명령을 꺼낸다(fetch). 꺼내자마자 PC를 +1 해 다음 명령을 준비한다.
그래서 명령이 메모리에 적힌 순서대로 실행된다.

그냥 +1만 하면 위에서 아래로만 흐른다. JMP나 분기는 PC에 다른 주소를 강제로 적어 순서를 바꾼다.
되돌아 적으면 반복(루프)이 되고, 건너뛰면 조건 분기가 된다.