微机原理 第2章综述

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1、第2章 微型计算机的基本组成电路,2.1 算术逻辑单元 2.2 触发器 2.3 寄存器 2.4 三态输出电路 2.5 总线结构 2.6 存储器 习题,任何一个复杂的电路系统都可以划分为若干电路，这些电路大都由一些典型的电路组成。微型计算机就是由若干典型电路通过精心设计而组成的，各个典型电路在整体电路系统中又称为基本电路部件。 本章就是对微型计算机中最常见的基本电路部件的名称及电路原理作一简单介绍。这些基本电路中最主要的是算术逻辑单元(arithmatic logical unit，ALU)、 触发器(trigger)、 寄存器(register)、 存储器(memory)、 总线结构。,2.1

2、 算术逻辑单元,功能：能进行二进制数的四则运算，也能进行布尔代数 的逻辑运算。 四则运算：二进制数的加法运算电路不仅能算加法，也可算减法，且只要利用适当的软件配合，乘法也可以变成加法来运算，除法也可变成减法来运算。 逻辑运算：在这个基础上，增加一些门电路，也可使简单的ALU进行逻辑运算。所谓逻辑运算就是指“与”运算和“或”运算。,ALU的符号一般画成图2.1那样。A和B为两个二进制数，S为其运算结果，control为控制信号(见图1.9的控制线端SUB)。,图2.1,2.2 触发器,触发器(trigger)是计算机的记忆装置的基本单元，也可说是记忆细胞。触发器可以组成寄存器，寄存器又可以组成存

3、储器。寄存器和存储器统称为计算机的记忆装置。 微型计算机所用触发器的材料：一般用晶体管元件而不用磁性元件。这是因为晶体管元件可以制成大规模的集成电路，体积可以更小些。 最常见的基本触发器元件：RS触发器、D触发器和JK触发器，,2.2.1 RS触发器 2.2.2 D触发器 2.2.3 JK触发器,2.3 寄存器,寄存器(register)是由触发器组成的。一个触发器就是一个一位寄存器。由多个触发器可以组成一个多位寄存器。 寄存器由于其在计算机中的作用之不同而具有不同的功能，从而被命名为不同的名称。 常见的寄存器有： 缓冲寄存器: 用以暂存数据； 移位寄存器: 能够将其所存的数据一位一位地向左或

4、 向右移； 计数器: 一个计数脉冲到达时，会按二进制数的规律 累计脉冲数； 累加器: 用以暂存每次在ALU中计算的中间结果。,图2.12,2.3.1 缓冲寄存器,“L门” :LOAD门简称“装入L门”。 基本原理：如图所示，它是由两个与门一个或门 以及一个非门所组成的。 作用：高电平时使数据装入， 低电平时，数据自锁 在其中。,图2.14,可控缓冲寄存器,可控缓冲寄存器图形符号： LOAD为其控制门，而CLR为高电平时则可用以清除，使其中各位变为0。,图2.15,2.3.2 移位寄存器,移位寄存器(shifting register)能将其所存储的数据逐位向左或向右移动，以达到计算机在运行过程

5、中所需的功能，例如用来判断最左边的位是0或1等。,图2.16,注意:左右移位寄存器的区别？,图2.17,可控移位寄存器,2.3.3 计数器,计数器(counter)也是由若干个触发器组成的寄存器， 特点：能够把存储在其中的数字加/减1。 计数器的种类：有行波计数器（异步计数器）、 同步计数器、 环形计数器、 程序计数器。,行波计数器(travelling wave counter) （异步计数器） 的特点是： 低位触发器的输出为高位触发器 提供时钟脉冲，这样有如水波前 进一样逐位进位下去。,图2.18,可控计数的计数器：能否计数由COUNT端控制。,结构及工作原理：图中的各个J，K输入端连在一

6、起引出来，由计数控制端COUNT的电位信号来控制。 当COUNT为高电位时，JK触发器才有翻转的可能。当COUNT为低电位时就不可能翻转。,可控计数的计数器图形符号：,可控计数的计数器和普通行波计数器的区别： 普通行波计数器的J，K输入端是悬浮的，所以每次时钟脉冲到时，它都要翻转一次。而可控计数的计数器只有COUNT允许计数时才可计数。,(2) 同步计数器及特点： 计数器中各触发器的 时钟信号是同一个。,(3) 环形计数器(ring counter) 特点：它只是仅有唯一的一个位为高电位，即只有 一位为1，其他各位为0。 作用：不是用来做计数器使用，而是用来发出顺 、 序控制信号的。,(4)

7、程序计数器(program counter) 特点：即可为同步计数器也可为异步计数器且具 有置数功能，并且具有COUNT输入端，一个LOAD门。 作用：为程序的执行提供地址。,2.3.4 累加器,累加器也是一个由多个触发器组成的多位寄存器，累加器的英文为accumulator，译作累加器，似乎容易产生误解，以为是在其中进行算术加法运算。其实它不进行加法运算，而是作为ALU运算过程的代数和的临时存储处。 累加器实质：除了能装入及输出数据外，还能使存储其中的数据左移或右移，所以它又是一种移位寄存器。,累加器图形符号：,2.4 三态输出电路：用三态门控制数据的输出,原因：一条信息传输线就可以传输随意

8、多个触发器的信息。三态输出电路(或称三态门)就是为了达到这个目的而设计的。 电路：三态输出电路可以由两个或非门和两个NMOS晶体管(T1，T2)及一个非门组成，如图2.25所示。 工作原理：当ENABLE(选通端)为高电位时，通过非门而加至两个或非门的将为低电位，则两个或非门的输出状态将决定于A端的电位。,三态门(E门）：,图2.26,双向三态门(E门）：,结论：三态门(E门)和装入门(L门)一样，都可加到任何寄存器(包括计数器和累加器)电路上去。这样的寄存器就称为三态寄存器。 L门专管对寄存器装入数据的控制， E门专管由寄存器输出数据的控制。 有了L门和E门就可以利用总线结构，使计算机的信息

9、传递的线路简单化，控制器的设计也更为合理而易于理解了。,2.5 总线结构,图2.27就是总线结构的原理图。 1、结构 2、概念：控制字，将各个寄存器的L门和E门按次序排成一列，则可称其为控制字CON，控制字是由控制器发出的控制信息。 CON=LAEALBEBLCECLDED 3、数据信息流通举例 4、总线的表示方法,图2.27,在计算机中常常需要将一种代码翻译成控制信号，或在一组信息中取出所需要的一部分信息，能完成这种功能的逻辑部件称为译码器。-译码器如下图所示。当=0时，输出均为，即译码器没有工作。 当E=1时，译码器进行译码输出： A1A0=00，则只有 =0 A1A0=01时，只有 =0

10、 A1A0=10时，只有 =0 A1A0=11时，只有 =0。 译码器的作用：输入的代码不同，译码 器的输出状态也就不同，从而完成了把 输入代码翻译成对应输出线上的控制信号。,2.6 译码器,集成译码器74LS138是3-8译码器，它有3个输入端、3个控制端及8个输出端，138的功能如下表所示。只有当控制端为100时，才会在输出的某一端(由输入端C、B、A的状态决定)输出低电平信号，其余的输出端仍为高电平。,2.7 存储器,存储器(memory)是计算机的主要组成部分。 1、存储内容：可用来存储数据，也可用以存放计算机的 系统程序或用户程序。 2、分类：存储器分为两大类：只读存储器(ROM)和

11、随机 存取存储器(RAM)。 3、概念：广义的字，每个存储单元所存储的内容称为一个字(word)。 概念：位(bit)；字节(byte)；字(word)；,4、存储器地址的管理：通过译码器的使用降低地址线的根数。根据二进制编码译码的原理，除地线公用之外，n根导线可以译成2n个的地址号。,例如:一个168的存储器如图所示， 存储单元个数：16个; 每个存储单元位数：8位； D0，D1，D2，D3，D4， D5，D6，D7 地址线根数：4根地址线；A0，A1，A2，A3 存储单元的简便写法：R0，R1，R15。 注意：当地址线为10条时，n=10，则可编地址号为1,024个，或称为1K字。这里的1

12、K和习惯为1 000不一样。,2.7.1 只读存储器,只读存储器的特点：这是用以存放固定程序或数据的存储器，一旦程序或数据存放进去之后，即不可改变。也就是说，不能再“写”入新的字节，而只能从中“读”出其所存储的内容。 例：由二极管构成的一个84 ROM集成电路片的内部电路原理图如图图2.30所示。 1、结构： 2、工作原理： 3、存储容量的表示方法：mn ROM 即为m个存储单元，其中每个为n位。 4、图形符号：,ROM的符号,概念：存储地址寄存器 (memory addressregister, MAR)： 1、作用：作为存储器的一个附件，存储地址寄存器 是必需的。它将所要寻找的存储单元的地

13、址暂存 下来，以备下一条指令之用。 2、特点：存储地址寄存器也是一个可控缓冲寄存 器，它具有L门以控制地址的输入。它和存储器 的联系是双态的，即地址一进入MAR就立即被 送到存储器的地址线上去，如图所示。 注意： MAR的位数和存储器的地址线的根数是相同的。,图2.32,举例说明如何读出ROM存储器中的内容 【例2.1】程序计数器PC，存储地址寄存器MAR和ROM通过总线的联系如图2.33所示。 CON=CPEPLMER 1、结构 2、数据的读出过程 初始化：程序计数器清零 A、PC至MAR(ROM) CPEPLMER=0110 B、ROM内容至数据总线 CPEPLMER=0001 C、PC+

14、1至PC CPEPLMER=1000,设控制字依次是： (1) CPEPLMER=0110 (2) CPEPLMER=0001 (3) CPEPLMER=1000 问：它们之间的信息是如何流通的? 解：开机时，先令CLR=1，则PC=0000 (1) 第1个控制字是： CPEPLMER=0110 即EP=1，PC准备放出数据；LM=1，MAR准备装入数据。 在CLK正前沿到达时，CLK=1，MAR=PC=0000，PC的数据装入MAR，同时MAR立即指向ROM的第一地址，即选中了ROM中的R0存储单元。,(2) 第2个控制字是： CPEPLMER=0001 即ER=1，令ROM放出数据。 也就

15、是说，当ER为高电位，R0中的8位数据就被送入到W总线上去。这样的动作，不需等待时钟脉冲的同步讯号，因而称为异步动作。 (3) 第3个控制字是： CPEPLMER=1000 即CP=1，这是命令PC加1，所以PC=0001。 这是在取数周期完了时，要求PC进一步，以便为下一条指令准备条件。,2.7.2 随机存储器RAM,随机存储器又叫做读写存储器。它和ROM之区别在于这种存储器不但能读取已存放在其各个存储单元中的数据，而且还能够随时写进新的数据，或者改写原来的数据。因此，RAM的每一个存储单元相当于一个可控缓冲寄存器。 1. RAM的材料 某些专用计算机常用磁芯作为记忆元件，这样可以避免停电而

16、失去记忆能力，但体积较大。 小型计算机及微型计算机多用双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这类材料可以制成大规模集成电路，体积较小。但停电则失去记忆能力。,2. 静态RAM及动态RAM 静态RAM常用双极型晶体管触发器作为记忆元件(也有用MOSFET的)，只要有电源加于触发器，数据即可长期保留。 动态RAM则用电容及MOSFET作为记忆元件。由于电容会漏电，因而常需“刷新”，这就是要求每隔2ms充电一次，为此还须另加一刷新电源。 注意：动态RAM比静态RAM便宜些，但因要刷新，电路上稍为麻烦，因而大多数微型机都采用静态RAM。,ME：使能控制端，控制RAM能否正常工作。 WE：读写控制端，控制读/写。,3. RAM的符号,A地址线； DIN要写入的数据； DOUT要读出的数据； ME选通此RAM的E门（使能控制端）； WE数据读/写控制端； * 当ME=0时，RAM其输出端是悬浮(高阻)的，不工作。 *当ME=1时，RAM正常工作。 此时，WE=0时，为