第2章 微型计算机的基本组成电路.ppt

《第2章 微型计算机的基本组成电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 微型计算机的基本组成电路.ppt（59页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第2章章 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介绍。其中最主要的是算术逻辑部件（ALU）、触发器（Trigger）、寄存器（Register）、存储器（Memory）、总线结构（BUS）等。数据在这些部件之间流通的过程以及控制字的概念。这些都是组成计算机的硬件基础。一一、算算 术术 逻逻 辑辑 单单 元元（ALU）顾顾顾顾名名名名思思思思意意意意，这这这这个个个个部部部部件件件件既既既既能能能能进进进进行行行行二二二二进进进进制制制制的的的的四四四四则则则则运运运运

2、算算算算，也也也也能能能能进进进进行行行行布布布布尔尔尔尔代代代代数数数数的的的的逻逻逻逻辑辑辑辑运运运运算算算算。前前前前面面面面所所所所讲讲讲讲的的的的可可可可控控控控加加加加减减减减法法法法电电电电路路路路就就就就是是是是最最最最简简简简单单单单的的的的算算算算术术术术部部部部件件件件。通通通通过过过过适适适适当当当当的的的的变变变变换换换换，可可可可将将将将乘乘乘乘法法法法和和和和除除除除法法法法变变变变成成成成加加加加法法法法运运运运算算算算。如如如如果果果果在在在在这这这这个个个个基基基基础础础础上上上上，增增增增加加加加一一一一些些些些电电电电路路路路，可可可可以以以以使使使使简

3、简简简单单单单的的的的ALUALU进进进进行行行行逻逻逻逻辑辑辑辑运运运运算算算算。其其其其符符符符号号号号见见见见图图图图2-12-1。二、触发器 触发器是存放一位二进制数字信号的基本单元。触发器是计算机的记忆装置的基本单元，也可以说是记忆细胞。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忆装置。微机中所有的触发器一般用晶体管元件，这是因为晶体管元件可以制成大规模的集成电路，体积可以更小。下面简要介绍RS触发器、D触发器和JK触发器，因为这些类型的触发器是计算机中最常见的基本元件。1、RS触发器 基本RS触发器可用两个与非门交叉联接而成，如图2-2所示。当S=

4、0而R=1时，Q=1为置位，当S=1而R=0时，Q=0称为复位。SRQQ11触触发发器不器不稳稳定，禁止使定，禁止使用用0100101100保持原状保持原状2.1.1 RSRS触发器触发器 表示符号：2.1 2.1 触发器触发器触发器触发器时标时标时标时标RSRS触发器触发器触发器触发器是为了使触发器是为了使触发器是为了使触发器是为了使触发器在整个机器中能和其他部件协在整个机器中能和其他部件协在整个机器中能和其他部件协在整个机器中能和其他部件协调工作，其工作原理见图调工作，其工作原理见图调工作，其工作原理见图调工作，其工作原理见图2-42-4所所所所示。这样无论是复位和置位都示。这样无论是复位

5、和置位都示。这样无论是复位和置位都示。这样无论是复位和置位都必须在时钟脉冲端为高电位时必须在时钟脉冲端为高电位时必须在时钟脉冲端为高电位时必须在时钟脉冲端为高电位时才能进行。才能进行。才能进行。才能进行。CLKSRQQ低低电电平平保持原状（保持原状（记忆记忆）高高电电平平00保持原状保持原状0101101011触触发发器不器不稳稳定，禁止使用定，禁止使用2、D 触发器 RSRS触触触触发发发发器器器器有有有有两两两两个个个个输输输输入入入入端端端端S S和和和和R R。为为为为了了了了存存存存储储储储一一一一个个个个高高高高电电电电位位位位，就就就就需需需需要要要要一一一一个个个个高高高高电电

6、电电位位位位输输输输入入入入的的的的S S端端端端；为为为为了了了了存存存存储储储储一一一一个个个个低低低低电电电电位位位位，就就就就需需需需要要要要另另另另一一一一个个个个高高高高电电电电位位位位输输输输入入入入的的的的R R端端端端。这这这这在在在在很很很很多多多多应应应应用用用用中中中中是是是是不不不不很很很很方方方方便便便便的的的的。D D触触触触发发发发器器器器就就就就是是是是在在在在RSRS触触触触发发发发器器器器的的的的基基基基础础础础上上上上引引引引伸伸伸伸出出出出来来来来的的的的，它它它它只需一个输入端口。其工作原理见图只需一个输入端口。其工作原理见图只需一个输入端口。其工作

7、原理见图只需一个输入端口。其工作原理见图2-52-5所示。所示。所示。所示。为为为为协协协协调调调调运运运运行行行行，D D触触触触发发发发器器器器要要要要加加加加上上上上时时时时标标标标脉脉脉脉冲冲冲冲CLKCLK，得得得得到到到到图图图图2.62.6所所所所示示示示的的的的时时时时标标标标触发器。触发器。触发器。触发器。时时标标脉脉冲冲CLK一一般般都都是是方方波波，在在CLK处处于于正正半半周周内内的的任任何何瞬瞬间间，触触发发器器都都有有翻翻转转的的可可能能。这这样样计计算算机机的的动动作作就就不不可可能能整整齐齐划划一一。而而采采用用时时标标边边缘缘触触发发的的方方式式就就可可以以得

8、得到到准准确确划划一一的的动动作作。图图2-7就就是是边边缘缘触触发发的的D触触发器的电路原理图。发器的电路原理图。CLKDQQ(平平)低低电电平平 保持原状（保持原状（记记忆忆）高高电电平平110001 触发器的预置和清除：在一些电路中，有时需要预先给某个触发器置1或清0，而与时标脉冲以及D输入端信号无关，这就是所谓的预置和清除。这只要在图2-7的电路上增加两个或门就可实现，见图2-8所示。图2-9显示了各种边缘触发器。这里要注意的的是图中的汽泡“O”，即负电平有效之意（电路上增加了一个非门，反相器）。图2-9显示了各种边缘触发器。这里要注意的的是图中的汽泡“O”，即负电平有效之意（电路上增

9、加了一个非门，反相器）。3、JK触发器触发器 JK触触发发器器是是组组成成计计数数器器理理想想的的记记忆忆元元件件，其其电电路路原原理理图图见见2-10所所示示。它它是是在在RS触触发发器器的的基基础础上上，增增加加两两个个与与门门，并并使输出交叉反馈得到的使输出交叉反馈得到的。其工作过程分析：当J=K=0时：保持原状（自锁）；当J=0，K=1时：复位；当J=1，K=0时：置位；当J=K=1时：翻转（取反）。JK触发器的符号如图2-11所示。RS、D与JK触发器的比较1）RS触发器为触发器的基础触发器为触发器的基础2）当）当CLK为高电平时，为高电平时，D触发器可触发器可置、置、复位复位3）当

10、）当CLK为高电平时，为高电平时，JK触发器可保持触发器可保持原状、置位、复位、原状、置位、复位、翻转翻转 2.3、寄存器 寄寄寄寄存存存存器器器器是是是是由由由由触触触触发发发发器器器器组组组组成成成成的的的的。一一一一个个个个触触触触发发发发器器器器就就就就是是是是一一一一个个个个一一一一位位位位寄寄寄寄存存存存器器器器。由由由由多多多多个个个个触触触触发发发发器器器器可可可可以以以以组组组组成成成成一一一一个个个个多多多多位位位位寄寄寄寄存器。存器。存器。存器。寄存器由于其在计算机中的作用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；移位寄存器能将

11、其所存的数据一位 一位地向左移或右移；计数器一个计数脉冲到达时，会按 二进制数的规律累积脉冲；累加器用以暂存每次在ALU中计算 的中间结果。1、缓冲寄存器（Buffer）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或输出到其它记忆元件中去。其一个四位寄存器电路原理图见2-12。可控缓冲寄存器：前面所说的缓冲寄存器其数据X输入到Q只受CLK的节拍管理，即只要一将X各位加到寄存器各位的D输入端，时标节拍一到，就会立即送到Q去。这有时是不利而有害的，因此也许我们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CLK正前沿一到就会立即被来到门口的数据X替代掉。为此，我

12、们必须为这个寄存器增设一个可控的“门”。这个“门”的基本原理如图2-13所示。注意：以后一旦提到“L”门，大家就应该想到以上的电路，高电平时数据装入、低电平时，数据自锁在其中。注意：以后一旦提到“L”门，大家就应该想到以上的电路，高电平时数据装入、低电平时，数据自锁在其中。对于多位的寄存器，每位各自一套“L”门。不过只用一个非门，并且只有一个LOAD输入端，如图2-14所示。可控缓冲器的符号一般为图2-15所示，LOAD为其控制门，而CLR为高电平时可以清0。2、移位寄存器 移位寄存器的用处将其所储存的数据向左或向右移位，以达到计算机在运行过程中所需的功能，例如，用来进行乘法运算等。移位寄存器

13、的电路原理图见2-16所示。可控移位寄存器，是在整机运行中，有控制电路控制，以保证其在适当时机参与协调工作。这个电路也和图2-13控制门一样，只要在每一位的电路上增加一个L门即可以达到控制的目的。SHL左移（Shift to the Left）SHR右移（Shift to the Right）3、计数器（Counter）计数器也是由若干个触发器组成的寄存器，它的特点是能够把贮存在其中的数字加1。计数器的种类很多，有行波计数器、同步计数器、环行计数器和程序计数器等。行波计数器（Travelling Wave Counter）其工作原理图见图2-18所示。图2-19为可控计数器的电路原理图。图2-

14、20为可控计数器符号。环行计数器（Ring Counter）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样，它只是仅有唯一的一个位为高电位，即为1，其它各位为0。其电路原理图见图2-21所示。注意：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（节拍），这在计算机的控制器中是一个很重要的部件。环行计数器的符号见图2-22所示。程序计数器（Program Counter）它也是一个行波计数器（也可用同步计数器）。不过它不但可以从0开始计数，也可以将外来的数装入其中，这就需要一个COUNT输入端，也要有一个L门，其符号见图2-23所示。累加器（Accumulator

15、）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。这种特殊的寄存器在微型计算机的数据处理中但负重要的任务。累加器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。其符号见图2-24所示。2.4、三态输出电路 由于记忆元件由触发器组成的，而触发器只有两种状态：0和1，所以每条信号线只能传送一个触发器的信息（0或1）。如果一条信号线既能与一个触发器接通，也可以与其断开而与另一个触发器接通，则一条信息传输线可以传

16、输随意多个触发器的信息了。为了达到以上目的在电路上专门设计了三态门输出电路。其电路工作原理见图2-25所示，它是由两个或非门和NMOS晶体管（T1、T2）及一个非门组成。特点：当特点：当特点：当特点：当E=1E=1时，时，时，时，B=AB=A 三态输出电路的逻辑表见表2-2所示。图2-25为单向三态输出电路。而图2-26为双向三态输出电路。A为某个电路的输出端，C为其输入端。当EOUT=1时，B=A，即信息由左向右传输，EIN时，C=B，即信息由右向左传输。三态门（E门）和装入门（L门）一样，都是加到任何寄存器（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门专管对寄存器的装入

17、数据的控制，而E门专门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，使计算机的信息传递的线路简单化，控制器的设计也更合理而更容易理解了。计算机硬件系统中各部分相互传送信息需要互相连接起来。连接各部件的公共连接线集称为总线，即总线是它们相互通讯的公共通道，在这个通道上传送地址信息，数据信息及控制信息，即一组总线包括地址总线、数据总线及控制总线三部分。2.5、总线结构 现现代代计计算算机机系系统统的的总总线线包包括括内内部部总总线线、系系统统总总线线（外外部部总总线线）。内内部部总总线线是是指指CPUCPU内内部部连连接接各各寄寄存存器器与与ALUALU部部件件的的总总线线。系系统统

18、总总线线是是指指CPUCPU、主主存存储储器器及及I/OI/O接接口口之之间间的的连连线线。近近年年来来计计算算机机系系统统中中越越来来越越重重视视采采用用标标准准总总线线，如如ISAISA、VESAVESA、PCIPCI总线标准总线标准。这里不准备讲解具体的标准总线的结构和原理，只是试图通过一个简单的例子来说明总线结构原理。见图2-27所示。如果将各个寄存器的L门和E门按次序排列成一列，则可称其为控制字CON：CON=LAEA LBEB LCEC LDED 为了避免信息在公共总线W中乱窜，必须规定在某一个时钟节拍（CLK为正半周），只有一个寄存器L门为高电位，和另一寄存器的E门位高电位。其余

19、各门则必须为低电位。这样，E门为高电位的寄存器的数据就可以流到L门为高电位的寄存器中去。见表2-3所示。控制字中哪些位为高电平，哪些位为低电平，将由控制器发出并送到各个寄存器中去。图2-28中有两条总线，一条称为数据总线、另一条为控制总线，它能将控制字各位分别送到各个寄存器上去，同时能把时钟送到各个寄存器上去。2.6、存储器（Memory）存储器是组成计算机的五大部件之一。是计算机的记忆设备。它既可存储数据，也可存放计算机的运行程序。存储器的组成，可以看作是一个寄存器堆，每个存储单元实际上相当一个缓冲寄存器。从存储器与CPU之间的关系出发，可以把存储器划分为内存和外存，内存是与CPU直接交换信

20、息的存储器，外存是需要通过I/O接口芯片与CPU交换信息的存储器（例磁盘和光驱），这里讨论的存储器是指内存。根据使用不同，存储器分为两大类根据使用不同，存储器分为两大类根据使用不同，存储器分为两大类根据使用不同，存储器分为两大类：只读存储只读存储只读存储只读存储器（器（器（器（ROMROM）和随机存储器（和随机存储器（和随机存储器（和随机存储器（RAMRAM）。）。）。）。RAMRAM、ROMROM一一一一般是由半导体元件组成的，它体积小、易于制成大般是由半导体元件组成的，它体积小、易于制成大般是由半导体元件组成的，它体积小、易于制成大般是由半导体元件组成的，它体积小、易于制成大规模集成电路、

21、存取速度快，容易与规模集成电路、存取速度快，容易与规模集成电路、存取速度快，容易与规模集成电路、存取速度快，容易与CPUCPU的速度匹的速度匹的速度匹的速度匹配，一般用于内存。配，一般用于内存。配，一般用于内存。配，一般用于内存。ROMROM由于存储器中的内容不能由于存储器中的内容不能由于存储器中的内容不能由于存储器中的内容不能被刷新，故通常充当内存中存放重要系统程序的存被刷新，故通常充当内存中存放重要系统程序的存被刷新，故通常充当内存中存放重要系统程序的存被刷新，故通常充当内存中存放重要系统程序的存储器。储器。储器。储器。每个存储单元所存储的内容称为一个字（Word），一个字由若干位（Bit

22、）组成。而8位记忆字称为一个字节（Byte），由16个记忆单元组成的存储单元就是一个16位的记忆字（2个字节组成）。一一一一个个个个存存存存储储储储器器器器可可可可以以以以包包包包含含含含数数数数以以以以千千千千计计计计的的的的存存存存储储储储单单单单元元元元，所所所所以以以以，一一一一个个个个存存存存储储储储器器器器可可可可以以以以储储储储存存存存很很很很多多多多数数数数据据据据，可可可可以以以以存存存存放放放放很很很很多多多多的的的的计计计计算算算算步步步步骤骤骤骤程程程程序序序序（ProgramProgram）。为为为为了了了了便便便便于于于于存存存存入入入入和和和和取取取取出出出出，每

23、每每每个个个个单单单单元元元元必必必必须须须须有有有有固固固固定定定定的的的的地地地地址址址址。因因因因此此此此存存存存储储储储器器器器的的的的地地地地址址址址也也也也必必必必定定定定是是是是数数数数以以以以千千千千计计计计的的的的。为为为为了了了了减减减减少少少少存存存存储储储储器器器器向向向向外外外外引引引引出出出出的的的的地地地地址址址址线线线线，在在在在存存存存储储储储器器器器内内内内部部部部都都都都自自自自带带带带有有有有译码器。译码器。译码器。译码器。根据二进制编码译码的原理，除地线公用之外，n位地址线可以译成2n个的地址号。见表2-4所示。例如16*8的存储器，见图2-29。以上

24、为单译码方式，即译码电路中只有一个译码器，译码器输出的每条译码线对应一个存储单元。例如n=10，译码器可译210=1024条字线，对应1024个存储单元。可见其内部字线没有减少。为此可采用双译码方式，它将译码器分成X向和Y向两个译码器，通过两个译码器平面座标，来确定存储单元的地址。例如，地址线仍是n=10，将前5位送入X译码器，后五位送入Y译码器，则可选择单元数为25 25=1024，但只需64根字线，比单译码方式节省93.75%的地址线。1、只读存储器（ROM）只读存储器是一种对其内容只能读不能写的存储器，即预先一次写入的存储器。它通常用来存放系统的启动程序和参数表，也用来存放常驻内存的监控

25、程序或操作系统的常驻内存部分。根据其中信息（即内容）的设置方法，ROM可分为四种：掩膜型ROM。这种ROM中的信息是芯片制造时由厂家写入的，用户对这类芯片无法进行任何修改。可编程的只读存储器PROM。这种ROM出厂时，里面没有写入信息，用户采用一定的设备可以对PROM中的内容进行设置。和掩膜ROM一样，PROM中的内容一旦写入，就再也不能改变。可擦除可编程的只读存储器EPROM（Erasable Programmable Read only Memory）。可用电擦除的可编程的只读存储器E2PROM（Electrically Erasable Programmable Read only Me

26、mory）。用户对后面两种ROM，不只可以进行编程，而且可以用特定设备对它们多次进行擦除和写入。不同的是EPROM擦除时间长，擦除时是对芯片的内容进行全部擦除，而E2PROM擦除时间快，并能对其中的某个字和字块进行擦除和重写。下面以一个84ROM集成电路芯片作为例子来说明ROM的内部电路原理和工作原理，见图2-30所示。其数据和地址见表2-6。存储地址寄存器（MAR-Memory Address Register）：作为存储器的一个附件，存储地址寄存器是必要的。它将所要寻找的存储单元的地址暂存下来，以备下一条指令之用。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

27、的联系是双态的，即地址一进入MAR就立即被送到存储器去，如图2-23所示。例：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。设控制字依次是：（1）CPEPLMER=0110（2）CPEPLMER=0001（3）CPEPLMER=10002、随机存储器（RAM）（1）随机存储器从采用的器件类型看，可分为MOS、TTL、ECL型。按集成度的高低排列依次为：MOS、TTL、ECL；按工作速度高低排列依次为：ECL、TTL、MOS；按功耗高低排列依次为：MOS、TTL、ECL。因此在较大容量的存储器中，一般采用MOS型存储芯片，仅当要求工作速度很高时，则可采用TTL或EC

28、L型。当正常电源断电后，靠电池等小功率电源来维持信息，则一般采用MOS芯片。在MOS存储芯片中，按其存储信息的原理又可分为：静态存储器、动态存储器。（2）RAM的符号 RAM的符号如图2-34所示，其中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WE-写信号存储器数据寄存器（MDR-Memory Data Register）MDR也是一个可控缓冲寄存器。它的作用是将要写入RAM中去的数据暂寄存在MDR中，以等待控制器发出WE=1的命令到来时，才能写入RAM中去。MDR和MAR以及RAM的联系如图2-35所示。因为此RAM有256个存储单元。所以MAR必是8位的寄

29、存器。RAM是12位，所以MDR也必是12位的。例：一个微机的一部分如图2-36所示，其工作程序分析如图。该图是用来将数据I0装入到RAM中去的过程。控制字为：CON=CP EP LM WE ME LD LI EI控制字的次序为：CON1=0110 0000CON2=0000 0010CON3=0000 0101CON4=0001 1000CON5=1000 0000 这五个控制字组成一条指令，称为例行程序。用一句话来说，这个指令就是“把外围设备的数据（输入字）装入到计算机内存中去”。执行的结果为：R0=I01.了解了解RS触发器、触发器、D触发器、触发器、JK触发器触发器2.掌握缓冲寄存器、移位寄存器、计数器掌握缓冲寄存器、移位寄存器、计数器3.掌握三态输出电路（掌握三态输出电路（E门和门和L门）门）4.了解总线结构了解总线结构5.存储器：熟练掌握存储器寻址、了解只读存储器存储器：熟练掌握存储器寻址、了解只读存储器本章内容小结本章内容小结本章内容小结本章内容小结作业二：P39 2，4，5，6，7，8，9，11，12