レジスタ

パストランジスタ（pass transistor）を利用した回路には， D-FF以外にもいくつか面白いものがある。 その一つは，何らかの記憶機能を持つメモリー（memory）関係の回路である。 メモリーも過去を記憶するので，当然シークエンス回路の仲間であるから， 当然のことながら，同じような要素を持つのである。

先の章で示すように，コンピュータは， プロセッサとメモリーと周辺回路で構成される。 しかし，プロセッサ内部にも若干のメモリーが存在する。 このため，プロセッサ外のメモリーを外部メモリー（external memory）， プロセッサ内のメモリーを内部メモリー（internal memory）と呼ぶ。 外部メモリーは大容量のものが多く， 応答速度よりは集積度を重視して設計される。 これに対し，内部メモリーは集積度よりは応答速度を重視する。

内部メモリーはレジスタ（register）^5.2とも呼ばれ， 任意のときにデータを入れ，任意のときにそれを取り出すことができる。 基本的にはD-FFの出力を入力に直接接続しループを構成することで， 永久記憶を実現することができるが， 図 5.8の上図に示すように， 書き込みをしたいときには$\phi _1$のタイミングでループを開けて， 書き込み信号の方を導入する。 出力はループを構成したままでも読み出すことができる。

Figure 5.8: レジスタ回路（上図はD-FF型，下図は簡易型。$Wt$は書き込み， $Rd$は読み出し信号）

図 5.8の下図には上図の簡易型を示すが， ループが全体としてNOTを構成しないため， ラットレーシングが発生しないことが保証されているので， パナマ運河方式はとっていない。 しかし，最初のインバータの前の電位が長時間経過すると， 正確な1や0の値から動いていってしまう危険がある。 このため，$\phi _2$のタイミングで毎周期ごとにループを構成し， きちんとした電位に戻すリフレッシュ（refresh）という作業を行っている。

問題3

図 5.8の上図の場合，書き込みと読み出しのデータが異なっていても， これら二つの動作を同時に実行できることを確かめよ。

普通のレジスタでは，1個のデータしか記憶できないが， 複数のデータを記憶する方法として，複数のレジスタを直列に配置し， 新しいデータを入れると古いデータはより奥へ押し込まれていく形式の シフトレジスタ（shift register）というものがある。 データは押し込まれていくだけなので， データの内容は一番奥，つまり最後の出口でしか見られない。 このため，最初に入れたデータが最初に現れてくるので， こうした機能はFIFO（first-in-first-out）と呼ばれる。

Figure 5.9: シフトレジスタ回路（$Sh$はシフト信号）

シフトレジスタの回路を図 5.9に示す。 この場合には，各レジスタ間のデータがすべて異なりうることから， ちゃんと運河方式を採用したD-FFの連続したようなものでなければならない。 ただし，D-FFではクロックのくるたびに，データは右へ移動していくが， この回路では一番左に書き込みを行ったときにだけ，データ移動が起こる。 新しいデータが入ってこない場合には，それぞれループを構成して， リフレッシュを繰り返すことになる。

Figure 5.10: スタックレジスタ回路

同じように複数のデータを記憶するが，データを入れる側でしか データを取り出さない形式のレジスタがあり，スタックレジスタ（stack register）と呼ぶ。 この場合にはデータは左右に動かせる必要がある。 最後に入れたデータが最初に出てくることから，この機能はLIFO（last-in-first-out）と呼ばれる。 回路を図 5.10に示す。 新しいデータを入れることをプッシュ（push）， 最後に入れたデータを取り出すことをポップ（pop）と言う。 この回路ではD-FF的な基本回路の間を繋ぐゲートが2種類あり， プッシュの際は右シフト信号$Push$がONし， ポップの際は左シフト信号$Pop$がONする。 シフトレジスタの場合には，一番右のデータはいつでも読めるが， スタックレジスタの場合には，ポップしたデータを再び読むことはできない。