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1、第二章第二章 微型计算机的基本组成电路微型计算机的基本组成电路无论是多么复杂的计算机，都是由若干无论是多么复杂的计算机，都是由若干 典型的电路所组成的。本章就是对微型计算机典型的电路所组成的。本章就是对微型计算机 最常见的电路环节的名称及电路原理作一简单最常见的电路环节的名称及电路原理作一简单 介绍。介绍。其中最主要的是其中最主要的是算术逻辑部件（算术逻辑部件（ALUALU）、）、 触发器（触发器（TriggerTrigger）、）、寄存器（寄存器（RegisterRegister）、）、存存 储器（储器（MemoryMemory）、）、总线结构（总线结构（BUSBUS）等。数据在等。数据在
2、这些部件之间这些部件之间流通流通的过程以及的过程以及控制字控制字的概念。的概念。2.1 2.1 算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALUALU）顾名思意，这个部件既能进行二进制的顾名思意，这个部件既能进行二进制的 四则运算，也能进行布尔代数的逻辑运算。四则运算，也能进行布尔代数的逻辑运算。 前面所讲的可控加减法电路就是最简单前面所讲的可控加减法电路就是最简单 的算术部件。的算术部件。通过适当的变换，可将乘法和除法变成通过适当的变换，可将乘法和除法变成 加法运算。如果在这个基础上，增加一些电加法运算。如果在这个基础上，增加一些电 路，可以使简单的路，可以使简单的ALUALU进行逻辑运算。进行逻辑运算。
3、2.2 2.2 触发器触发器触发器是存放触发器是存放一位一位二进制数字信号的基本二进制数字信号的基本 单元。单元。触发器是计算机的记忆装置的基本单元触发器是计算机的记忆装置的基本单元 ，也可以说是，也可以说是记忆细胞记忆细胞。触发器可以组成寄存器，寄存器又可以组触发器可以组成寄存器，寄存器又可以组 成存储器。寄存器和存储器统称为计算机的记成存储器。寄存器和存储器统称为计算机的记 忆装置忆装置。微机中所有的触发器一般用微机中所有的触发器一般用晶体管元件晶体管元件， 这是因为晶体管元件可以制成大规模的集成电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。路，体积可以更小。下面介绍下面介
4、绍RSRS触发器触发器、D D触发器触发器和和JKJK触触 发器发器，因为这些类型的触发器是计算机中，因为这些类型的触发器是计算机中 最常见的基本元件。最常见的基本元件。1 1、RSRS触发器触发器基本基本RSRS触发器可用两个与非门交叉联触发器可用两个与非门交叉联 接而成，如接而成，如图图2-22-2所示。当所示。当S=1S=1而而R=0R=0时，时，Q=1Q=1 为为置位置位，当，当S=0S=0而而R=1R=1时，时，Q=0Q=0称为称为复位复位。图22 RS触发器&SRQ Q&Q Q基本基本RSRS触发器状态分析：触发器状态分析：S R Q10101011保持00不定时标时标RSRS触发
5、器触发器是为了使触发器在整个是为了使触发器在整个 机器中能和其他部件协调工作，其工作原机器中能和其他部件协调工作，其工作原 理见图理见图2-42-4所示。所示。2 2、D D 触发器触发器RSRS触发器有两个输入端触发器有两个输入端S S和和R R。为了存储一为了存储一 个高电位，就需要一个高电位输入的个高电位，就需要一个高电位输入的S S端；为了端；为了 存储一个低电位，就需要另一个高电位输入的存储一个低电位，就需要另一个高电位输入的R R 端。这在很多应用中是不很方便的。端。这在很多应用中是不很方便的。D D触发器就是在触发器就是在RSRS触发器的基础上引伸出来触发器的基础上引伸出来 的，
6、它只需一个输入端口。如下图所示：的，它只需一个输入端口。如下图所示：时标脉冲时标脉冲CLKCLK一般都是方波，在一般都是方波，在CLKCLK处于处于 正半周内的任何瞬时间，触发器都有反转的可能正半周内的任何瞬时间，触发器都有反转的可能 。这样计算机的动作就不可能整齐划一。这样计算机的动作就不可能整齐划一。 我们总希望由时标我们总希望由时标CLKCLK来指挥整个机器的行动，来指挥整个机器的行动， 采用采用时标边缘触发时标边缘触发的方式就可以得到准确划一的动作的方式就可以得到准确划一的动作 ，图，图2-72-7就是就是边缘触发边缘触发的的D D触发器的电路原理图。触发器的电路原理图。触发器的触发器
7、的预置预置和和清除清除：在一些电路中，有：在一些电路中，有 时需要预先给某个触发器置时需要预先给某个触发器置1 1或清或清0 0，而与时标而与时标 脉冲脉冲以及以及D D输入端信号无关输入端信号无关，这就是所谓的预置，这就是所谓的预置 和清除。如何实现？和清除。如何实现？图图2-92-9显示了各种边缘触发器。这里显示了各种边缘触发器。这里 要要注意注意的的是图中的的的是图中的汽泡汽泡“O O”，即负电平即负电平 有效之意（电路上增加了一个非门，反相有效之意（电路上增加了一个非门，反相 器）。器）。其工作过程分析：其工作过程分析： 当当J=K=0J=K=0时：保持原状时：保持原状（自锁）；（自锁
8、）； 当当J=1J=1，K=0K=0时：置位；时：置位； 当当J=0J=0，K=1K=1时：复位；时：复位； 当当J=K=1J=K=1时：翻转（取反）。时：翻转（取反）。JKJK触发器的符号如图触发器的符号如图2-112-11所示。所示。2.3 2.3 寄存器寄存器寄存器是由触发器组成的寄存器是由触发器组成的。一个触发器就是一个一。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。位寄存器。由多个触发器可以组成一个多位寄存器。寄存器根据其功能不同，被命名为不同的名称。常寄存器根据其功能不同，被命名为不同的名称。常 见的寄存器有：见的寄存器有：缓冲寄存器缓冲寄存器用以暂存数据；
9、用以暂存数据；移位寄存器移位寄存器能将其所存的数据一位一位地向左能将其所存的数据一位一位地向左 移或右移移或右移；计数器计数器一个计数脉冲到达时，会按二进制数的一个计数脉冲到达时，会按二进制数的 规律累积脉冲；规律累积脉冲；累加器累加器用以暂存每次在用以暂存每次在ALUALU中计算的中间结果。中计算的中间结果。1 1、缓冲寄存器（、缓冲寄存器（BufferBuffer）这是用以暂存某个数据，以便在适当这是用以暂存某个数据，以便在适当 的时间节拍和给定的计算步骤将数据输入的时间节拍和给定的计算步骤将数据输入 或输出到其它记忆元件中去。其一个四位或输出到其它记忆元件中去。其一个四位 寄存器电路原理
10、图见寄存器电路原理图见2-122-12。( (是否可控？为是否可控？为 什么？有什么不利影响？）什么？有什么不利影响？）可控缓冲寄存器可控缓冲寄存器：前面所说的缓冲寄存：前面所说的缓冲寄存 器其数据器其数据X X输入到输入到Q Q只受只受CLKCLK的节拍管理的节拍管理。这有时是这有时是不利而有害的不利而有害的，因为也许我们，因为也许我们 还想让早已存在其中的数据多留点时间，但还想让早已存在其中的数据多留点时间，但 由于不可控制之故，在由于不可控制之故，在CLKCLK正前沿一到就会正前沿一到就会 立即被来到门口的数据立即被来到门口的数据X X替代掉。（怎么办替代掉。（怎么办 ？）？）为此，我们
11、必须为这个寄存器增设一为此，我们必须为这个寄存器增设一 个可控的个可控的“门门”。这个。这个“门门”的基本原理如的基本原理如 图图2-132-13所示。所示。对于多位的寄存器，对于多位的寄存器，每位各自一套每位各自一套 “L L”门门。不过只用一个。不过只用一个非门非门，并且只有一，并且只有一 个个LOADLOAD输入端输入端，如图，如图2-142-14所示。所示。可控缓冲器的符号一般为图可控缓冲器的符号一般为图2-152-15所示所示 ，LOADLOAD为其控制门为其控制门，而，而CLRCLR为高电平时可以为高电平时可以 清清0 0。2 2、移位寄存器、移位寄存器移位寄存器的移位寄存器的 用
12、处用处将其所储将其所储 存的数据向左或向存的数据向左或向 右移位，以达到计右移位，以达到计 算机在运行过程中算机在运行过程中 所需的功能所需的功能，例如，例如 ，用来进行乘法运，用来进行乘法运 算等。算等。移位寄存器的电路原理图见移位寄存器的电路原理图见2-162-16所示。所示。 可控否？为什么？可控否？为什么？可控移位寄存器可控移位寄存器-这个电路也和这个电路也和 图图2-132-13控制门一样，控制门一样，只要在每一位的只要在每一位的 电路上增加一个电路上增加一个L L门即可以达到控制的门即可以达到控制的 目的。目的。SHLSHL左移（左移（Shift Shift to the Left
13、to the Left） SHRSHR右移（右移（Shift Shift to the Rightto the Right）3 3、计数器（、计数器（CounterCounter）计数器也是由若干个触发器组成的寄存器计数器也是由若干个触发器组成的寄存器 （什么触发器组成），它的特点是能够把贮存在（什么触发器组成），它的特点是能够把贮存在 其中的数字加其中的数字加1 1。计数器的种类很多，有计数器的种类很多，有行波计数器行波计数器、同步同步 计数器计数器、环行计数器环行计数器和和程序计数器程序计数器等。等。 1 1）行波计数器（）行波计数器（Travelling Wave CounterTrav
14、elling Wave Counter）其工作原理图见图其工作原理图见图2-182-18所示。所示。计数器时序图（可控否？怎么办？）计数器时序图（可控否？怎么办？）图图2-192-19为可控计数器的电路原理图。为可控计数器的电路原理图。 图图2-202-20为可控计数器符号。为可控计数器符号。2 2） 环行计数器（环行计数器（Ring CounterRing Counter）环行计数器也是由若干个触发器组成环行计数器也是由若干个触发器组成 的。不过，环行计数器与上述计数器不一的。不过，环行计数器与上述计数器不一 样，它只是仅有唯一的一个位为高电位，样，它只是仅有唯一的一个位为高电位， 即为即为
15、1 1，其它各位为，其它各位为0 0。其电路原理图见图。其电路原理图见图2 2 -21-21所示。所示。注意：注意：环行计数器不是用来计数用的，而是用来发出顺环行计数器不是用来计数用的，而是用来发出顺 序控制信号的序控制信号的（节拍），这在计算机的控制器中是一个（节拍），这在计算机的控制器中是一个 很重要的部件。很重要的部件。环行计数器的符号见图环行计数器的符号见图2-222-22所示。所示。3 3） 程序计数器（程序计数器（Program CounterProgram Counter）它也是一个行波计数器。不过它不但可以从它也是一个行波计数器。不过它不但可以从0 0开始计开始计 数，也可以将
16、外来的数装入其中，这就需要一个数，也可以将外来的数装入其中，这就需要一个COUNTCOUNT 输入端，也要有一个输入端，也要有一个L L门，其符号见图门，其符号见图2-232-23所示。所示。图2.22 环形计数器的符号4 4） 累加器（累加器（AccumulatorAccumulator）累加器也是一个由多个触发器组成的多累加器也是一个由多个触发器组成的多 位寄存器，累加器原文为位寄存器，累加器原文为ACCUMULATORACCUMULATOR，译作译作 累加器，似乎容易产生误解，以为是在其中进累加器，似乎容易产生误解，以为是在其中进 行算术加法运算。行算术加法运算。其实它不进行加法运算，而是作为其实它不进行加法运算，而是作为ALUALU运算过运算过 程的代数和的临时存储处程的代数和的临时存储处。这种特殊的寄存器。这种特殊的寄存器 在微型计算机的数据处理中担负重要的
