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第2章微型计算机的基本组成电路2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强2本章教学目的•通过回顾计算机基本组成电路，引出微机中最常用的部件名称，并掌握其工作原理，包括ALU、触发器、寄存器、存储器和总线结构等，使学生理解数据的存储与流通的原理。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强3本章学习要求1.掌握算术逻辑单元、触发器、寄存器、存储器、总线结构存储器的类型及性能指标随机存储器RAM的结构原理(SRAM,DRAM)，只读存储器ROM的结构原理（PROM,EPROM,EPROM）。2.理解控制字、数据存储、数据流通的原理；典型芯片的引脚及存储器容量的扩展3.了解ASCII码及数字和大写字母A~Z的ASCII码表述2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强4本章主要外语词汇•ALU：ArithmeticLogicalUnit，算数逻辑部件•Register：寄存器•Memory：存储器•RAM：RandomAccessMemory,随机存储器•ROM：ReadOnlyMemory，只读存储器•MDR：MemoryDataRegister，存储器数据寄存器•MAR：MemoryAddressRegister，存储器地址寄存器2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强5主要内容–ALU、触发器、寄存器–三态电路、总线结构–存储器2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强62.1算术逻辑部件ALU•主要功能•符号2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强72.2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。•下面简要介绍RS触发器、D触发器和JK触发器2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强82.2.1RS触发器S端一般称为置位端，使Q=1(Q=0)R端一般称为复位端，使Q=0(Q=1)2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强9图2.3RS触发器的符号2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强10•时标RS触发器——为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作，RS触发器经常有外加的时标脉冲。•CLK为时标脉冲。无论是置位还是复位，都必须在时标脉冲端为高电位时才能进行。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强112.2.2D触发器•RS触发器有两个输入端S和R。为了存储一个高电位，就需要一个高电位输入的S端；为了存储一个低电位，就需要另一个高电位输入的R端。不方便。D触发器是在RS触发器的基础上引伸出来的，它只需一个输入端口。•复位•置位2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强12•时标D触发器•时标脉冲CLK一般都是方波，在CLK处于正半周内的任何瞬间，触发器都有翻转的可能，并不能保证时序电路动作一致性。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强13•边缘触发的D触发器•为了使计算机的动作整齐划一，总是想由时标CLK来指挥整个机器的行动，采用时标边缘触发的方式就可以得到准确划一的动作。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强14•在一些电路中，有时需要预先给某个触发器置位(即置1)或清除(即置0)，而与时标脉冲以及D输入端信号无关，这就是所谓预置和清除。•触发器的预置和清除2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强152.2.3JK触发器•在RS触发器前面增加两个与门，并从输出(Q和Q)到输入(与门的输入端)作交叉反馈，即可得到JK触发器。JK触发器是组成计数器的理想记忆元件。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强16JKQ动作00保持原状自锁状态010复位101置位11原状态的反码翻转•JK触发器的动作状态2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强17•JK触发器的工作过程(1)当J=0，K=0，触发器保持闭锁状态。(2)J=0，K=1，触发器仍处于复位状态(Q=0，Q=1)。(3)J=1，K=0，触发器就仍处于置位状态(Q=1，Q=0)。(4)J=1，K=1，触发器翻转2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强18•JK触发器的符号2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强192.3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。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；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向右移；累加器——用以暂存每次在ALU中计算的中间结果。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强202.3.1缓冲寄存器•普通寄存器是寄存平时处理的数据用的，可以加快计算机的处理问题的速度；而缓冲寄存器是用于两个速度不匹配的单位之间的，作用是对高速度设备进行数据缓冲，防止低速度设备来不及处理而丢失数据。•缓冲最常见的地方就是网络了，你听音乐，特别是看在线视频，就需要缓冲。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强212.3.1缓冲寄存器•其基本工作原理为：设有一个二进制数，共有4位数：X=X3X2X1X0要存到这个缓冲寄存器(buffer)中去，此寄存器是由4个D触发器组成的。将数据X装到寄存器中去的过程2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强22•上述缓冲寄存器的数据X输入到Q只是受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。有时想让其中的数据多留一些时间，但由于不可控之故，在CLK正前沿一到就会立即被来到门口的数据X替代掉。•可控缓冲寄存器•带寄存器的装入门LOAD的缓冲寄存器2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强23在X0端送入数据(0或1)后，–如LOAD端(以下简称为L端)为低电位，则右边的与门被阻塞，X0过不去，而原来已存在此位中的数据由Q0送至左边的与门。此与门的另一端输入从非门引来的与L端反相的电平，即高电位。所以Q0的数据可以通过左边的与门，再经或门而送达D0端。这就形成自锁，即既存的数据能够可靠地存在其中而不会丢失。•LOAD门工作原理：–如L端为高电位，则左边与门被阻塞而右边与门可让X0通过，这样Q0的既存数据不再受到自锁，而X0可以到达D0端。只要CLK的正前沿一到达，X0即被送到Q0去，这时就叫做装入(LOAD)。一旦装入之后，L端又降至低电平，则利用左边的与门，X0就能自锁而稳定地存在Q0中。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强24•上面的门电路称作“L门”：高电平时使数据装入，低电平时数据自锁在其中。•对于多位的寄存器，每位各加一套L门电路。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强25•可控缓冲寄存器的符号2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强2674LS244典型芯片介绍74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器.双4位单向缓冲器•分成4位的两组•每组的控制端连接在一起•控制端低电平有效•输出与输入同相2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强27总线驱动器•通常说计算机有地址、数据、控制三总线，由于总线上需要驱动的负载多，CPU是大规模集成电路，不具备功率驱动能力，总线驱动器的作用就是提供功率驱动，第二个原因是，CPU总线常常是分时复用总线，就是说在不同的时段，管脚上出现的信号功能不同，需要锁存器存储并分离信号，总线驱动器起锁存器的作用2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强28Intel82868位双向缓冲器•双向数据收发器•控制端连接在一起，低电平有效•可以双向导通•输出与输入同相OE*＝0，导通T＝1A→BT＝0A←BOE*＝1，不导通2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强292.3.2移位寄存器•移位寄存器(shiftingregister)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中所需的功能，例如用来判断最左边的位是0或1等。电路原理图如图2.16所示。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强30图2.16移位寄存器简化原理2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强31CLK前沿未到Q=Q3Q2Q1Q0=0000•左移寄存器的左移过程：第1前沿来到Q=0001第2前沿来到Q=0011第3前沿来到Q=0111第4前沿来到Q=1111第5前沿来到，如此时Din仍为1，则Q不变，仍为1111。当Q=1111之后，改变Din，使Din=0，如何变化？2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强32•和缓冲寄存器一样，在整机运行中，移位寄存器也需要另有控制电路，以保证其在适当时机才参与协调工作。这个电路和图2.13一样，只要在每一位电路上增加一个LOAD门(L门)即可达到控制的目的。•可控移位寄存器SHL——左移(shifttotheleft)SHR——右移(shifttotheright)2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强332.3.3计数器•计数器(counter)是由若干个触发器组成的寄存器，计数器也是一种寄存器行波计数器同步计数器环形计数器程序计数器特点：能够把存储在其中的数字加1。主要计数器有：2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强34行波计数器1–第1个时钟脉冲促使其最低有效位(leastsignificantbit,LSB)加1，由0变1。第2个时钟脉冲促使最低有效位由1变0，同时推动第2位，使其由0变1。同理，第2位由1变0时又去推动第3位，使其由0变1，这样有如水波前进一样逐位进位下去。工作原理2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强35行波计数器2例：下图采用JK触发器组成行波计数器工作原理初值Q=Q3Q2Q1Q0=0000第1时钟后沿到Q=0001第2时钟后沿到Q=0010第3时钟后沿到Q=0011第4时钟后沿到Q=0100…………第15时钟后沿到Q=1111第16时钟后沿到Q=0000102019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强36行波计数器3图2.19可控计数器原理可控计数器增加计数控制端COUNT当COUNT为高电位时，JK触发器才可能翻转；当COUNT为低电位时就不可能翻转。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强37环形计数器•一般用于发出顺序控制信号，在计算机控制器中是一个很重要的部件图2.21环形计数器的电路原理环形计数器只有一个高电位，其它位都为02019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强38环形计数器2•当CLR端有高电位输入时，除右边第1位(LSB)外，其他各位全被置0(因清除电位CLR都接至它们的CLR端)，而右边第1位则被置1(因清除电位CLR被引至其PR端)。即开始时，Q3Q2Q1Q0=0001•第一个时钟脉冲正边缘来到时，Q3Q2Q1Q0=0010•第2个时钟脉冲前沿来到时，Q3Q2Q1Q0=0100•第3个时钟脉冲前沿来到时，Q3Q2Q1Q0=10002019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强39图2.22环形计数器的符号2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强40程序计数器•可以从0开始计数，也可以将外来的数装入其中，需要COUNT输入端和LOAD门图2.23程序计数器是一种行波计数器2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强412.3.4累加器•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。图2.24累加器的符号累加器也是一个由多个触发器组成的多位寄存器，作为ALU运算过程的代数和的临时存储处。在微型计算机的数据处理中担负着重要的任务。2019/8/4微型计算机原理及应用_宋廷强422.4三态输出电路•三态输出电路可以由两个或非门和两个NMOS晶体管(T1，T2)及一个非门组成三态输出电路，又称三态门三态门具有单向导通和三态的特性为了使一条