课件-微机原理及应用-02章

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2.1算术逻辑单元算术逻辑单元2.2触发器触发器2.3寄存器寄存器2.4三态输出电路三态输出电路2.5总线结构总线结构2.6存储器存储器习题习题任何一个复杂的电路系统都可以划分为若干电路，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。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本

2、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主要的是算术逻辑单元(arithmetic logical unit，ALU)、触发器、触发器(trigger)、寄存器、寄存器(register)、存储器、存储器(memory)及总线结构等。在本章中，数据在这些及总线结构等。在本章中，数据在这些部件之间的流通过程以及部件之间的流通过程以及“控制字控制字”的概念也将逐的概念也将逐步地引出。所有这些内容都是组成微型计算机的硬步地引出。所有这些内容都是组成微型计算机的硬件基础。件基础。2.1 算术逻

3、辑单元算术逻辑单元顾名思义，这个部件既能进行二进制数的四则运算，顾名思义，这个部件既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。也能进行布尔代数的逻辑运算。第第1章已讲过，二进制数的运算电路只能算加法。增章已讲过，二进制数的运算电路只能算加法。增加可控反相器后，又能进行减法，所以上章最后加可控反相器后，又能进行减法，所以上章最后介绍的二进制补码加法器减法器就是最简单的介绍的二进制补码加法器减法器就是最简单的算术部件。但是，只要利用适当的软件配合，乘算术部件。但是，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法也可以变成加法来运算，除法也可变成减法来运算。运算。

4、如果在这个基础上，增加一些门电路，也可使简单如果在这个基础上，增加一些门电路，也可使简单的的ALU进行逻辑运算。所谓逻辑运算就是指进行逻辑运算。所谓逻辑运算就是指“与与”运算和运算和“或或”运算。为了不使初学者陷入复杂的运算。为了不使初学者陷入复杂的电路分析之中，本教程不打算在逻辑运算问题上电路分析之中，本教程不打算在逻辑运算问题上开展讨论。开展讨论。ALU的符号一般画成图的符号一般画成图2.1那样。那样。A和和B为两个二进制为两个二进制数，数，S为其运算结果，为其运算结果，control为控制信号为控制信号(见图见图1.9的控制线端的控制线端SUB)。图图2.12.2 触发器触发器触发器触发

5、器(trigger)是计算机的记忆装置的基本单元，也可说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组成存储器。寄存器和存储器统称为计算机的记忆装置。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，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。从晶体管电路基础中，我们已经知体积可以更小些。从晶体管电路基础中，我们已经知道触发器可以由两个晶体管组成的对

6、称电路来构成，道触发器可以由两个晶体管组成的对称电路来构成，我们也知道触发电路中有所谓单稳态触发电路和双稳我们也知道触发电路中有所谓单稳态触发电路和双稳态触发电路，这里不打算重复这些电路的原理图和工态触发电路，这里不打算重复这些电路的原理图和工作特点了。作特点了。下面简要地介绍一下下面简要地介绍一下RS触发器、触发器、D触发器和触发器和JK触发器，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。因为这些类型的触发器是计算机中最常见的基本元件。2.2.1 RS触发器触发器RS触发器可以用两个与非门来组成，如图触发器可以用两个与非门来组成，如图2.2所示。当所示。当S=1而而R=0时，时，

7、Q=1(Q=0)称为置位；当称为置位；当S=0而而R=1时，时，Q=0(Q=1)称为复位。称为复位。为了作图方便，以后我们就只用方块来表示，如图为了作图方便，以后我们就只用方块来表示，如图2.3就就是是RS触发器的符号。触发器的符号。S端一般称为置位端，使端一般称为置位端，使Q=1(=0)，R端一般称为复位端，使端一般称为复位端，使Q=0(=1)。时标时标RS触发器触发器为了使触发器在整个机器中能和其他为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作，部件协调工作，RS触发器经常有外加的时标脉冲，如触发器经常有外加的时标脉冲，如图图2.4所示。所示。图图2.2图图2.3图图2.4此图中的此图中的C

8、LK即为时标脉冲。它与置位信号脉冲即为时标脉冲。它与置位信号脉冲S同同时加到一个与门的两个输入端；而与复位信号脉冲时加到一个与门的两个输入端；而与复位信号脉冲同时加到另一个与门的两个输入端。这样，无论是同时加到另一个与门的两个输入端。这样，无论是置位还是复位，都必须在时标脉冲端为高电位时才置位还是复位，都必须在时标脉冲端为高电位时才能进行。能进行。2.2.2 D触发器触发器RS触发器有两个输入端触发器有两个输入端S和和R。为了存储一个高。为了存储一个高电位，就需要一个高电位输入的电位，就需要一个高电位输入的S端；为了存端；为了存储一个低电位，就需要另一个高电位输入的储一个低电位，就需要另一个高

9、电位输入的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触发器触发器是在是在RS触发器的基础上引伸出来的，它只需一触发器的基础上引伸出来的，它只需一个输入端口，图个输入端口，图2.5就是就是D触发器的原理。触发器的原理。当当D端为高电位时，端为高电位时，S端为高电位，而通过非门后加端为高电位，而通过非门后加到到R端的就是低电位，所以此时端的就是低电位，所以此时Q端就是高电位，端就是高电位，称为置位。当称为置位。当D端为低电位时，端为低电位时，S端为低电位，同端为低电位，同时时R端变为高电位，所以端变为高电位，所以Q端是低电位，称为复位。端是低电位，称为复位。图图2.5图图

10、2.6无时标的无时标的D触发器是不能协调运行的，图触发器是不能协调运行的，图2.6所示是所示是如何为如何为D触发器加上时标的电路。此图和图触发器加上时标的电路。此图和图2.4的道的道理是一样的，也是增加两个与门就可以接受时标脉理是一样的，也是增加两个与门就可以接受时标脉冲冲CLK的控制。的控制。时标脉冲时标脉冲CLK一般都是方波，在一般都是方波，在CLK处于正半周内处于正半周内的任何瞬间，触发器都有翻转的可能。这样计算机的任何瞬间，触发器都有翻转的可能。这样计算机的动作就不可能整齐划一。我们总是想由时标的动作就不可能整齐划一。我们总是想由时标CLK来指挥整个机器的行动。因此，采用时标边来指挥整

11、个机器的行动。因此，采用时标边缘触发的方式就可以得到准确划一的动作。图缘触发的方式就可以得到准确划一的动作。图2.7就是边缘触发的就是边缘触发的D触发器的电路原理图。触发器的电路原理图。图图2.7与图与图2.6的区别仅为增加了一个的区别仅为增加了一个RC微分电路，微分电路，它能使方波电压信号的前沿产生正尖峰，后沿产生它能使方波电压信号的前沿产生正尖峰，后沿产生负尖峰。这样，在负尖峰。这样，在D端输入信号建立之后，当时标端输入信号建立之后，当时标脉冲的前沿到达的瞬间，触发器才产生翻转动作。脉冲的前沿到达的瞬间，触发器才产生翻转动作。如果如果D输入端的信号是在时标脉冲前沿到达之后才输入端的信号是在

12、时标脉冲前沿到达之后才建立起来的，则虽然仍在时标脉冲的正半周时间内，建立起来的，则虽然仍在时标脉冲的正半周时间内，也不能影响触发器的状态，而必须留到下一个时标也不能影响触发器的状态，而必须留到下一个时标脉冲的正半周的前沿到达时才起作用。这样就可以脉冲的正半周的前沿到达时才起作用。这样就可以使整个计算机运行在高度准确的协调节拍之中。使整个计算机运行在高度准确的协调节拍之中。图图2.7触发器的预置和清除：在一些电路中，有时需要预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位先给某个触发器置位(即置即置1)或清除或清除(即置即置0)，而与，而与时标脉冲以及时标脉冲以及D输入端信号无关

13、，这就是所谓预置输入端信号无关，这就是所谓预置和清除。这种电路很简单，只要在图和清除。这种电路很简单，只要在图2.7的电路中的电路中增加两个或门就可以实现，如图增加两个或门就可以实现，如图2.8所示。所示。图图2.8边缘触发的边缘触发的D触发器在计算机电路图中常用图触发器在计算机电路图中常用图2.9的的符号来表示。符号来表示。图图2.9图图2.9(a)为正边缘触发的符号，而图为正边缘触发的符号，而图2.9(b)为负边缘触为负边缘触发的符号。此二符号之差别在于后者增加了一个所发的符号。此二符号之差别在于后者增加了一个所谓汽泡谓汽泡“”。这实际上是在。这实际上是在D触发器的时标触发器的时标CLK的

14、微分电路之后再串联一个非门的微分电路之后再串联一个非门(反相器反相器)的简化符的简化符号。图号。图2.9(c)与前二图之差别，也在于其增加了两与前二图之差别，也在于其增加了两个汽泡个汽泡“”，这也是代表了增加两个非门于，这也是代表了增加两个非门于PRESET和和CLR端。这样，就必须是低电平到来才端。这样，就必须是低电平到来才能经非门转换成高电平去进行预置和清除作用。能经非门转换成高电平去进行预置和清除作用。2.2.3 JK触发器触发器JK触发器是组成计数器的理想记忆元件，这里触发器是组成计数器的理想记忆元件，这里就就JK触发器的电路原理作一简要介绍。触发器的电路原理作一简要介绍。在在RS触发

15、器前面增加两个与门，并从输出触发器前面增加两个与门，并从输出(Q和和Q)到输入到输入(与门的输入端与门的输入端)作交叉反馈，即可得到作交叉反馈，即可得到JK触发器如图触发器如图2.10所示。图中的所示。图中的CLK输入端串输入端串有有RC电路也是为了获得正边缘触发的工作方电路也是为了获得正边缘触发的工作方式的。这个电路的工作过程是：式的。这个电路的工作过程是：图图2.10(1) 当当J=0，K=0，即，即J和和K都是低电平时，两个与门都是低电平时，两个与门都被阻塞，无论此时都被阻塞，无论此时Q和和Q是什么状态，由于是什么状态，由于S和和R也是低电平，所以不会改变也是低电平，所以不会改变Q和和Q

16、的状态，这种状的状态，这种状态称为保持闭锁状态。态称为保持闭锁状态。(2) J=0，K=1，即，即J为低电平而为低电平而K为高电平。此时上为高电平。此时上面的与门被阻塞，即面的与门被阻塞，即S不可能为高电平，所以也无不可能为高电平，所以也无置位置位(即使即使Q=1)的可能。如果此时的可能。如果此时Q=1，则反馈至，则反馈至下面的与门。在下一个下面的与门。在下一个CLK的正脉冲边沿到达时，的正脉冲边沿到达时，触发器就产生复位动作触发器就产生复位动作(Q=0，Q=1)。如果。如果Q原来为原来为低电平低电平(Q=0，Q=1)，则反馈至下面的与门而使其，则反馈至下面的与门而使其也被阻塞，所以即使也被阻

17、塞，所以即使K=1，也没有任何动作产生，也没有任何动作产生，触发器仍处于复位状态触发器仍处于复位状态(Q=0，Q=1)。(3) J=1，K=0，即，即J为高电平而为高电平而K为低电平。此时下面的为低电平。此时下面的与门被阻塞，即与门被阻塞，即R不可能为高电平，所以也无复位不可能为高电平，所以也无复位(即即使使Q=0)的可能。如果此时的可能。如果此时Q=0，而，而Q =1，则反馈至上，则反馈至上面的与门，在下一个面的与门，在下一个CLK的正脉冲边缘到达时，触发的正脉冲边缘到达时，触发器就产生置位动作器就产生置位动作(Q=1，Q=0)。如果。如果Q原来为高电平原来为高电平(Q=1，Q=0)，则反馈

18、至上面的与门而将其阻塞，这样，则反馈至上面的与门而将其阻塞，这样上下两个与门都被阻塞了，触发器就仍处于置位状态上下两个与门都被阻塞了，触发器就仍处于置位状态(Q=1，Q=0)。(4) J=1，K=1，即，即J，K同为高电平，则可能使触发器置同为高电平，则可能使触发器置位位(Q=1，Q=0)或复位或复位(Q=0，Q=1)。也就是说，如果原。也就是说，如果原来的状态为来的状态为Q=0，Q=1，在，在J=1及及K=1而且在而且在CLK的正的正边缘脉冲到达时，就会翻转到边缘脉冲到达时，就会翻转到Q=1，Q=0。反之，如果。反之，如果原来的状态为原来的状态为Q=1，Q=0，在，在J=1及及K=1而且在而

19、且在CLK的的正边缘脉冲到达时，就会翻转到正边缘脉冲到达时，就会翻转到Q=0，Q=1。所谓翻转，。所谓翻转，就是触发器的状态改变的意思。就是触发器的状态改变的意思。下面要讲到的计数器就是利用下面要讲到的计数器就是利用JK触发器的翻转特性触发器的翻转特性而组成的。而组成的。JK触发器的符号如图触发器的符号如图2.11所示。所示。图图2.112.3 寄存器寄存器寄存器寄存器(register)是由触发器组成的。一个触发器就是由触发器组成的。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多位寄存器。寄存器由于

20、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：缓冲寄存器称。常见的寄存器有：缓冲寄存器用以暂存用以暂存数据；移位寄存器数据；移位寄存器能够将其所存的数据一位能够将其所存的数据一位一位地向左或向右移；计数器一位地向左或向右移；计数器一个计数脉冲一个计数脉冲到达时，会按二进制数的规律累计脉冲数；累加到达时，会按二进制数的规律累计脉冲数；累加器器用以暂存每次在用以暂存每次在ALU中计算的中间结果。中计算的中间结果。下面分别介绍这些寄存器的工作原理及其电路结构。下面分别介绍这些寄存器的工作原理及其电路结构。2.3.1 缓冲寄

21、存器缓冲寄存器其基本工作原理为：设有一个二进制数，共有其基本工作原理为：设有一个二进制数，共有4位数：位数：X=X3X2X1X0要存到这个缓冲寄存器要存到这个缓冲寄存器(buffer)中去，此寄存器中去，此寄存器是由是由4个个D触发器组成的。将触发器组成的。将X0，X1，X2，X3分别送到各个触发器的分别送到各个触发器的D0，D1，D2，D3端去，端去，只要只要CLK的正前沿还未到来，则的正前沿还未到来，则Q0，Q1，Q2，Q3就不受就不受X0，X1，X2，X3的影响而保持其原有的影响而保持其原有的数据。只有当的数据。只有当CLK的正前沿来到时，的正前沿来到时，Q0，Q1，Q2，Q3才接受才接

22、受D0，D1，D2，D3的影响，的影响，而变成：而变成：Q0=X0Q1=X1Q2=X2Q3=X3结果就是：结果就是：Q=Q3Q2Q1Q0=X3X2X1X0=X。这就叫做将数据这就叫做将数据X装到寄存器中去了。如要将此数据送至装到寄存器中去了。如要将此数据送至其他记忆元件去，则可由其他记忆元件去，则可由Y0，Y1，Y2，Y3各条引线引各条引线引出去。出去。可控缓冲寄存器：图可控缓冲寄存器：图2.12的缓冲寄存器的数据的缓冲寄存器的数据X输入到输入到Q只是受只是受CLK的节拍管理，即只要一将的节拍管理，即只要一将X各位加到寄存器各位加到寄存器各位的各位的D输入端，时标节拍一到，就会立即送到输入端，

23、时标节拍一到，就会立即送到Q去。去。这有时是不利而有害的，因为也许我们还想让早已存在这有时是不利而有害的，因为也许我们还想让早已存在其中的数据多留一些时间，但由于不可控之故，在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正前沿一到就会立即被来到门口的数据X替代掉。替代掉。图图2.12为此，我们必须为这个寄存器增设一个可控的为此，我们必须为这个寄存器增设一个可控的“门门”。这个。这个“门门”的基本原理如图的基本原理如图2.13所示，它所示，它是由两个与门一个或门以及一个非门所组成的。是由两个与门一个或门以及一个非门所组成的。图图2.13在在X0端送入数据端

24、送入数据(0或或1)后，如后，如LOAD端端(以下简称为以下简称为L端端)为低电位，则右边的与门被阻塞，为低电位，则右边的与门被阻塞，X0过不去，过不去，而原来已存在此位中的数据而原来已存在此位中的数据由由Q0送至左边的与门。送至左边的与门。此与门的另一端输入从非门引来的与此与门的另一端输入从非门引来的与L端反相的电端反相的电平，即高电位。所以平，即高电位。所以Q0的数据可以通过左边的与门，的数据可以通过左边的与门，再经或门而送达再经或门而送达D0端。这就形成自锁，即既存的数端。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。如据能够可靠地存在其中而不会丢失。如L端为高电端为高电位，则

25、左边与门被阻塞而右边与门可让位，则左边与门被阻塞而右边与门可让X0通过，这通过，这样样Q0的既存数据不再受到自锁，而的既存数据不再受到自锁，而X0可以到达可以到达D0端。只要端。只要CLK的正前沿一到达，的正前沿一到达，X0即被送到即被送到Q0去，去，这时就叫做装入这时就叫做装入(LOAD)。一旦装入之后，。一旦装入之后，L端又端又降至低电平，则利用左边的与门，降至低电平，则利用左边的与门，X0就能自锁而稳就能自锁而稳定地存在定地存在Q0中。中。要记住，以后我们一提到要记住，以后我们一提到“L门门”，大家就要想到图，大家就要想到图2.13的电路结构及其作用：高电平时使数据装入，的电路结构及其作

26、用：高电平时使数据装入，低电平时，数据自锁在其中。低电平时，数据自锁在其中。对于多位的寄存器，每位各自有一套如图对于多位的寄存器，每位各自有一套如图2.13一样的一样的电路。不过只用一个非门，并且只有一个电路。不过只用一个非门，并且只有一个LOAD输输入端，如图入端，如图2.14所示。所示。图图2.14可控缓冲寄存器的符号一般画成图可控缓冲寄存器的符号一般画成图2.15那样，那样，LOAD为其控制门，而为其控制门，而CLR为高电平时则可用以清除，使为高电平时则可用以清除，使其中各位变为其中各位变为0。图图2.152.3.2 移位寄存器移位寄存器移位寄存器移位寄存器(shifting regis

27、ter)能将其所存储的数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过程中所需的功能，例如用来判断最左边的位是是0或或1等。电路原理图如图等。电路原理图如图2.16所示。所示。图图2.16左移寄存器如图左移寄存器如图2.16(a)所示，当所示，当Din=1而送至最右边而送至最右边的第的第1位时，位时，D0即为即为1，当，当CLK的正前沿到达时，的正前沿到达时，Q0即等于即等于1。同时第。同时第2位的位的D1也等于也等于1。当。当CLK第第2个正前沿到达时，个正前沿到达时，Q1也等于也等于1。结果可得下列

28、的左。结果可得下列的左移过程：移过程：CLK前沿未到前沿未到Q=Q3Q2Q1Q0=0000第第1前沿来到前沿来到Q=0001第第2前沿来到前沿来到Q=0011第第3前沿来到前沿来到Q=0111第第4前沿来到前沿来到Q=1111第第5前沿来到，如此时前沿来到，如此时Din仍为仍为1，则，则Q不变，仍为不变，仍为1111。当当Q=1111之后，改变之后，改变Din，使，使Din=0，则结果将是把，则结果将是把0逐逐位左移：位左移：第第1前沿来到前沿来到Q=1110第第2前沿来到前沿来到Q=1100第第3前沿来到前沿来到Q=1000第第4前沿来到前沿来到Q=0000由此可见，在左移寄存器中，每个时钟

29、脉冲都要把所由此可见，在左移寄存器中，每个时钟脉冲都要把所储存的各位向左移动一个数位。储存的各位向左移动一个数位。右移寄存器如图右移寄存器如图2.16(b)所示。图所示。图2.16(b)与图与图2.16(a)之之差别仅在于各位的接法不同，而且输入数据差别仅在于各位的接法不同，而且输入数据Din是加是加到左边第到左边第1位的输入端位的输入端D3。根据上面的分析，当。根据上面的分析，当Din=1时，随着时钟脉冲而逐步位移是这样的：时，随着时钟脉冲而逐步位移是这样的：CLK前沿未到前沿未到Q=0000第第1前沿来到前沿来到Q=1000第第2前沿来到前沿来到Q=1100第第3前沿来到前沿来到Q=111

30、0第第4前沿来到前沿来到Q=1111由此可见，在右移寄存器中，每个时钟脉冲都要把由此可见，在右移寄存器中，每个时钟脉冲都要把所存储的各位向右移动一个位置。所存储的各位向右移动一个位置。可控移位寄存器：和缓冲寄存器一样，在整机运行可控移位寄存器：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。这个电路也和图适当时机才参与协调工作。这个电路也和图2.13一一样，只要在每一位的电路上增加一个这样的样，只要在每一位的电路上增加一个这样的LOAD门门(L门门)即可以达到控制的目的。即可以达到控制的目的。可控移位寄

31、存器的符号如图可控移位寄存器的符号如图2.17所示，其中新出现的所示，其中新出现的符号的意义是：符号的意义是：SHL左移左移(shift to the left)SHR右移右移(shift to the right)图图2.172.3.3 计数器计数器计数器计数器(counter)也是由若干个触发器组成的寄存器，也是由若干个触发器组成的寄存器，它的特点是能够把存储在其中的数字加它的特点是能够把存储在其中的数字加1。计数器的种类很多，有行波计数器、同步计数器、计数器的种类很多，有行波计数器、同步计数器、环形计数器和程序计数器等。环形计数器和程序计数器等。(1) 行波计数器行波计数器(travel

32、ling wave counter) 的特点是：的特点是：第第1个时钟脉冲促使其最低有效位个时钟脉冲促使其最低有效位(least significant bit,LSB)加加1，由，由0变变1。第。第2个时钟脉冲促使最低个时钟脉冲促使最低有效位由有效位由1变变0，同时推动第，同时推动第2位，使其由位，使其由0变变1。同。同理，第理，第2位由位由1变变0时又去推动第时又去推动第3位，使其由位，使其由0变变1，这样有如水波前进一样逐位进位下去。图这样有如水波前进一样逐位进位下去。图2.18就就是由是由JK触发器组成的行波计数器的工作原理图。触发器组成的行波计数器的工作原理图。图图2.18中的各位的

33、中的各位的J，K输入端都是悬浮的，这相当输入端都是悬浮的，这相当于于J，K端都是置端都是置1的状态，亦即是各位都处于准备的状态，亦即是各位都处于准备翻转的状态。只要时钟脉冲边缘一到，最右边的触翻转的状态。只要时钟脉冲边缘一到，最右边的触发器就会翻转，即发器就会翻转，即Q由由0转为转为1或由或由1转为转为0。各位的。各位的JK触发器的时钟脉冲输入端都带有一个触发器的时钟脉冲输入端都带有一个“气泡气泡”，这表示是串有一个反相门这表示是串有一个反相门(非门非门)，这样，只有时钟，这样，只有时钟脉冲的后沿脉冲的后沿(产生负的尖峰电压产生负的尖峰电压)才能为其所接受。才能为其所接受。因此，可得计数步骤如

34、下：因此，可得计数步骤如下：图图2.18开始时使开始时使CLR由高电位变至低电位由高电位变至低电位(这也是由于有这也是由于有“气泡气泡”在在CLR输入端之故输入端之故)，则计数器全部清除，则计数器全部清除，所以：所以：Q=Q3Q2Q1Q0=0000第第1时钟后沿到时钟后沿到Q=0001此此Q0由低电位由低电位(0)升至高电位升至高电位(1)，产生的是电位上升，产生的是电位上升的变化，由于有的变化，由于有“气泡气泡”在第在第2位的时钟脉冲输入位的时钟脉冲输入端，所以第端，所以第2个触发器不会翻转，必须在个触发器不会翻转，必须在Q0由由1降为降为0时才会翻转。接着：时才会翻转。接着：第第2时钟后沿

35、到时钟后沿到Q=0010第第3时钟后沿到时钟后沿到Q=0011第第4时钟后沿到时钟后沿到Q=0100第第5时钟后沿到时钟后沿到Q=0101第第6时钟后沿到时钟后沿到Q=0110第第7时钟后沿到时钟后沿到Q=0111第第8时钟后沿时钟后沿到到Q=1000第第15时钟后沿到时钟后沿到Q=1111第第16时钟后沿到时钟后沿到Q=0000在第在第16个时钟脉冲到时，计数器复位至个时钟脉冲到时，计数器复位至0，因此这个，因此这个计数器可以计由计数器可以计由0至至15的数。如果要计的数更多，的数。如果要计的数更多，就需要更多的位，即更多的就需要更多的位，即更多的JK触发器来组成计数触发器来组成计数器。如器

36、。如8位计数器可计由位计数器可计由0至至255的数，的数，12位计数器位计数器可计由可计由0至至4 095的数，的数，16位则可计由位则可计由0至至65 535的数。的数。图图2.19是可控计数器的电路原理图。是可控计数器的电路原理图。图图2.19图图2.18中的中的J，K输入端是悬浮的，所以每次时钟脉输入端是悬浮的，所以每次时钟脉冲到时，它都要翻转一次。图冲到时，它都要翻转一次。图2.19中的各个中的各个J，K输输入端连在一起引出来，由计数控制端入端连在一起引出来，由计数控制端COUNT的电的电位信号来控制。当位信号来控制。当COUNT为高电位时，为高电位时，JK触发器触发器才有翻转的可能。

37、当才有翻转的可能。当COUNT为低电位时就不可能为低电位时就不可能翻转。图翻转。图2.20是这种计数器的符号。是这种计数器的符号。(2) 同步计数器初学者可先不阅读此段。同步计数器初学者可先不阅读此段。(synchronous counter) 行波计数器的工作原理是在行波计数器的工作原理是在时钟边缘到来时开始计数，由右边第一位时钟边缘到来时开始计数，由右边第一位(LSB)开开始，如有进位的话则要一位一位的推进。而每一位始，如有进位的话则要一位一位的推进。而每一位触发器都需要建立时间触发器都需要建立时间tp(tp约为约为10纳秒纳秒)。如果是。如果是16位的计数器，则最大可能的计一个数的时间为

38、位的计数器，则最大可能的计一个数的时间为160纳秒，这就显得太慢了。纳秒，这就显得太慢了。同步计数器是将时钟脉冲同时加到各位的触发器的同步计数器是将时钟脉冲同时加到各位的触发器的时钟输入端，而将前一位的输出端时钟输入端，而将前一位的输出端(Q)接到下一位接到下一位的的JK端去。这样可以使计数器计数时间只相当于端去。这样可以使计数器计数时间只相当于一个触发器的建立时间一个触发器的建立时间tp，所以同步计数器在很多，所以同步计数器在很多微型机中常被使用。为了避免初学者陷到电路分析微型机中常被使用。为了避免初学者陷到电路分析中去，这里就不介绍具体线路了。中去，这里就不介绍具体线路了。(3) 环形计数

39、器环形计数器(ring counter)也是由若干个触发器组也是由若干个触发器组成的。不过，环形计数器与上述计数器不一样，它成的。不过，环形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，即只有一位为只是仅有唯一的一个位为高电位，即只有一位为1，其他各位为其他各位为0。图。图2.21是由是由D触发器组成环形计数器触发器组成环形计数器的电路原理图。的电路原理图。图图2.20图图2.21当当CLR端有高电位输入时，除右边第端有高电位输入时，除右边第1位位(LSB)外，外，其他各位全被置其他各位全被置0(因清除电位因清除电位CLR都接至它们的都接至它们的CLR端端)，而右边第，而右边第1位

40、则被置位则被置1(因清除电位因清除电位CLR被被引至其引至其PR端端)。这就是说，开始时。这就是说，开始时Q0=1，而，而Q1，Q2，Q3全为全为0。因此，。因此，D1也等于也等于1，而，而D0=Q3=0。在时钟。在时钟脉冲正边缘来到时，则脉冲正边缘来到时，则Q0=0，而，而Q1=1，其他各位，其他各位仍为仍为0。第。第2个时钟脉冲前沿来到时，个时钟脉冲前沿来到时，Q0=0，Q1=0，而而Q2=1，Q3仍仍=0。这样，随着时钟脉冲而各位轮。这样，随着时钟脉冲而各位轮流置流置1，并且是在最后一位，并且是在最后一位(左边第左边第1位位)置置1之后又之后又回到右边第回到右边第1位，这就形成环形置位，

41、所以称为环位，这就形成环形置位，所以称为环形计数器。环形计数器的符号如图形计数器。环形计数器的符号如图2.22所示。所示。环形计数器不是用来计数用，而是用来发出顺序控环形计数器不是用来计数用，而是用来发出顺序控制信号的，这在计算机的控制器中是一个很重要的制信号的，这在计算机的控制器中是一个很重要的部件。部件。(4) 程序计数器程序计数器(program counter) 也是一个行波计数也是一个行波计数器器(也可用同步计数器也可用同步计数器)。不过它不但可以从。不过它不但可以从0开始开始计数，也可以将外来的数装入其中，这就需要一个计数，也可以将外来的数装入其中，这就需要一个COUNT输入端，也

42、要有一个输入端，也要有一个LOAD门，程序计数门，程序计数器的符号如图器的符号如图2.23所示。所示。2.3.4 累加器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，累加器的英文为累加器的英文为accumulator，译作累加器，译作累加器，似乎容易产生误解，以为是在其中进行算术加似乎容易产生误解，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担负着殊的寄存器在微型计算机的数据处理中担

43、负着重要的任务。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中的数据左移或右移，所以它又是一种移位寄存器。累加器的符号如图存器。累加器的符号如图2.24所示。所示。图图2.22图图2.23图图2.242.4 三态输出电路三态输出电路由于记忆元件是由触发器组成的，而触发器只有两由于记忆元件是由触发器组成的，而触发器只有两个状态：个状态：0和和1，所以每条信号传输线只能传送一，所以每条信号传输线只能传送一个触发器的信息个触发器的信息(0或或1)。如果一条信号传输线既。如果一条信号传输线既能与一个触发器接通，

44、也可以与其断开而与另外能与一个触发器接通，也可以与其断开而与另外一个触发器接通，则一条信息传输线就可以传输一个触发器接通，则一条信息传输线就可以传输随意多个触发器的信息了。三态输出电路随意多个触发器的信息了。三态输出电路(或称三或称三态门态门)就是为了达到这个目的而设计的。就是为了达到这个目的而设计的。三态输出电路可以由两个或非门和两个三态输出电路可以由两个或非门和两个NMOS晶体晶体管管(T1，T2)及一个非门组成，如图及一个非门组成，如图2.25所示。所示。当当ENABLE(选通端选通端)为高电位时，通过非门而加至为高电位时，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两个或非

45、门的将为低电位，则两个或非门的输出状态将决定于状态将决定于A端的电位。当端的电位。当A为高电位，为高电位，G2就就是低是低电位，而电位，而G1为高电位，因而为高电位，因而T1导通而导通而T2截止，所截止，所以以B端也呈现高电位端也呈现高电位(VBVDD)；当；当A为低电位，为低电位，G2将呈现高电位而将呈现高电位而G1为低电位，因而为低电位，因而T1截止而截止而T2导导通，所以通，所以B也呈现低电位也呈现低电位(VB0)。这就是说，在选。这就是说，在选通端通端(ENABLE端端)为高电位时为高电位时A的两种可能电平的两种可能电平(0和和1)都可以顺利地通到都可以顺利地通到B输出去，即输出去，即

46、E=1时，时，B=A。当选通端当选通端E为低电位时，通过非门加至两个或非门的为低电位时，通过非门加至两个或非门的将为高电位。此时，无论将为高电位。此时，无论A为高或低电位，两个或为高或低电位，两个或非门的输出都是低电位，即非门的输出都是低电位，即G1与与G2都是低电位。都是低电位。所以所以T1和和T2同时都是截止状态。这就是说，在选通同时都是截止状态。这就是说，在选通端端(E端端)为低电位时，为低电位时，A端和端和B端是不相通的，即它端是不相通的，即它们之间存在着高阻状态。们之间存在着高阻状态。三态输出电路的符号如图三态输出电路的符号如图2.25(b)所示。所示。图图2.25称为单向三态输出电

47、路。有时需要双向输出时，称为单向三态输出电路。有时需要双向输出时，一般可以用两个单向三态输出电路来组成，如图一般可以用两个单向三态输出电路来组成，如图2.26所示。所示。A为某个电路装置的输出端，为某个电路装置的输出端，C为其输为其输入端。当入端。当EOUT=1时，时，B=A，即信息由左向右传输；，即信息由左向右传输；EIN=1时，时，C=B，即信息由右向左传输。，即信息由右向左传输。图图2.25图图2.26三态门三态门(E门门)和装入门和装入门(L门门)一样，都可加到任何寄存一样，都可加到任何寄存器器(包括计数器和累加器包括计数器和累加器)电路上去。这样的寄存器电路上去。这样的寄存器就称为三

48、态寄存器。就称为三态寄存器。L门专管对寄存器的装入数据门专管对寄存器的装入数据的控制，而的控制，而E门专管由寄存器输出数据的控制。门专管由寄存器输出数据的控制。有了有了L门和门和E门就可以利用总线结构，使计算机的信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，控制器的设计也更为合理而息传递的线路简单化，控制器的设计也更为合理而易于理解了。易于理解了。2.5 总线结构总线结构设有设有A，B，C和和D 4个寄存器，它们都有个寄存器，它们都有L门和门和E门，其符号分别附以门，其符号分别附以A，B，C和和D的下标。它的下标。它们的数据位数，设有们的数据位数，设有4位，这样只要有位，这样只要有4

49、条数据条数据线即可沟通它们之间的信息来往。图线即可沟通它们之间的信息来往。图2.27就是就是总线结构的原理图。总线结构的原理图。图图2.27如果将各个寄存器的如果将各个寄存器的L门和门和E门按次序排成一列，则门按次序排成一列，则可称其为控制字可称其为控制字CON：CON=LAEALBEBLCECLDED为了避免信息在公共总线为了避免信息在公共总线W中乱窜，必须规定在某中乱窜，必须规定在某一时钟节拍一时钟节拍(CLK为正半周为正半周)，只有一个寄存器，只有一个寄存器L门门为高电位，和另一寄存器的为高电位，和另一寄存器的E门为高电位。其余各门为高电位。其余各门则必须为低电位。这样，门则必须为低电位

50、。这样，E门为高电位的寄存器门为高电位的寄存器的数据就可以流入到的数据就可以流入到L门为高电位的寄存器中去。门为高电位的寄存器中去。控制字中哪些位为高电平，哪些位为低电平，将由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上去。控制器发出并送到各个寄存器上去。为了简化作图，不论总线包含几条导线，都用一条为了简化作图，不论总线包含几条导线，都用一条粗线表示。在图粗线表示。在图2.28中，有两条总线，一条称数据中，有两条总线，一条称数据总线，专门让信息总线，专门让信息(数据数据)在其中流通。另一条称为在其中流通。另一条称为控制总线，发自控制器，它能将控制字各位分别控制总线，

51、发自控制器，它能将控制字各位分别送至各个寄存器上去。控制器也有一个时钟，能把送至各个寄存器上去。控制器也有一个时钟，能把CLK脉冲送到各个寄存器上去。脉冲送到各个寄存器上去。图图2.282.6 存储器存储器存储器存储器(memory)是计算机的主要组成部分。它既可用来是计算机的主要组成部分。它既可用来存储数据，也可用以存放计算机的运算程序。存储器存储数据，也可用以存放计算机的运算程序。存储器由寄存器组成，可以看做一个寄存器堆，每个存储单由寄存器组成，可以看做一个寄存器堆，每个存储单元实际上相当于一个缓冲寄存器。元实际上相当于一个缓冲寄存器。根据使用不同，存储器分为两大类：只读存储器根据使用不同

52、，存储器分为两大类：只读存储器(ROM)和随机存取存储器和随机存取存储器(RAM)。下面将分别介绍这两种存。下面将分别介绍这两种存储器的结构和性能。储器的结构和性能。在微型计算机中采用半导体器件作为记忆元件，这样体在微型计算机中采用半导体器件作为记忆元件，这样体积小些，可以制成大规模集成电路。每个存储单元所积小些，可以制成大规模集成电路。每个存储单元所存储的内容称为一个字存储的内容称为一个字(word)。一个字由若干位。一个字由若干位(bit)组成。比如组成。比如8个记忆元件的存储单元就是一个个记忆元件的存储单元就是一个8位的记位的记忆字称为一个字节忆字称为一个字节(byte)，由，由16个记

53、忆单元组成的存个记忆单元组成的存储单元就是一个储单元就是一个16位的记忆字位的记忆字(由两个字节组成由两个字节组成)。一个存储器可以包含数以千计的存储单元。所以，一个存储器可以包含数以千计的存储单元。所以，一个储存器可以存储很多数据，也可以存放很多计算一个储存器可以存储很多数据，也可以存放很多计算步骤步骤称为程序称为程序(program)。为了便于存入和取出，。为了便于存入和取出，每个存储单元必须有一个固定的地址。因此，存储器每个存储单元必须有一个固定的地址。因此，存储器的地址也必定是数以千计的。为了减少存储器向外引的地址也必定是数以千计的。为了减少存储器向外引出的地址线，在存储器内部都自带有

54、译码器。根据二出的地址线，在存储器内部都自带有译码器。根据二进制编码译码的原理，除地线公用之外，进制编码译码的原理，除地线公用之外，n根导线可根导线可以译成以译成2n个的地址号。个的地址号。例如，一个例如，一个168的存储器如图的存储器如图2.29所示，它是一所示，它是一个有个有16个存储单元，每个单元为个存储单元，每个单元为8位记忆字位记忆字(即每单元即每单元存一个字节存一个字节)的集成电路片，它将有的集成电路片，它将有4条地址线条地址线A0，A1，A2，A3和和8条数据线条数据线D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7。如。如16个存储单元为个存储单元为R0，R1，R15。它们是。它

55、们是A0，A1，A2，A3的全部组合。的全部组合。图图2.29顺便提一句，当地址线为顺便提一句，当地址线为10条时，条时，n=10，则可编地，则可编地址号为址号为1,024个，或称为个，或称为1K字节。这里的字节。这里的1K和习惯和习惯为为1 000不一样，请务必注意。不一样，请务必注意。A0A3就是地址总线中的就是地址总线中的4根译码线。当存储器的存根译码线。当存储器的存储单元愈多，则地址总线中的译码线，亦即存储器储单元愈多，则地址总线中的译码线，亦即存储器集成电路片的地址线愈多。在一般微型计算机中，集成电路片的地址线愈多。在一般微型计算机中，地址线大都为地址线大都为16条。条。16条地址线

56、，可译出条地址线，可译出64K个地个地址。在址。在286386486中采用中采用20条地址线。条地址线。2.6.1 只读存储器只读存储器这是用以存放固定程序的存储器，一旦程序存放进去这是用以存放固定程序的存储器，一旦程序存放进去之后，即不可改变。也就是说，不能再之后，即不可改变。也就是说，不能再“写写”入新入新的字节，而只能从中的字节，而只能从中“读读”出其所存储的内容，因出其所存储的内容，因此称为只读存储器。此称为只读存储器。图图2.30是一个是一个84 ROM集成电路片的内部电路原理图。集成电路片的内部电路原理图。右半部分由矩阵电路及半导体二极管组成右半部分由矩阵电路及半导体二极管组成8个

57、个4位的位的存储单元。二极管的位置是由制造者配置好了而不存储单元。二极管的位置是由制造者配置好了而不可更改的。一条横线相当于一个存储单元，而一条可更改的。一条横线相当于一个存储单元，而一条竖线相当于一位。所以竖线相当于一位。所以8条横线组成条横线组成8个存储单元，个存储单元，4条竖线成为一个条竖线成为一个4位的字。二极管连接到的竖线，则位的字。二极管连接到的竖线，则为该位置为该位置1。无二极管相连的竖线，则为该位置。无二极管相连的竖线，则为该位置0。输出电信号是取自限流电阻输出电信号是取自限流电阻R上的电位。为了可控，上的电位。为了可控，每条数据线都加一个三态输出门每条数据线都加一个三态输出门

58、(E门门)。这样，只有。这样，只有在在E门为高电位时，才有可能输出此门为高电位时，才有可能输出此ROM中的数据。中的数据。图图2.30左半部为地址译码器电路。因为是左半部为地址译码器电路。因为是8个地址号，所以个地址号，所以只需只需3条地址线：条地址线：A2，A1，A0，每条地址线都并以，每条地址线都并以一个非门，而得一个非门，而得3条非线：条非线：A2，A1，A0。这。这6条线通条线通过过8个与门即可译成个与门即可译成8个地址号。例如，个地址号。例如，R0的地址的地址号为号为A2A1A0=000，当地址线上出现，当地址线上出现A2A1A0=000时，时，则则R0所在的那条横线所连接的与门所在

59、的那条横线所连接的与门1将导通，而使将导通，而使此横线为高电位。而此时此横线为高电位。而此时R0的的4条竖线中只有最右条竖线中只有最右一条接有二极管。它将横线的高电位引至下面的限一条接有二极管。它将横线的高电位引至下面的限流电阻流电阻R上。所以电阻上。所以电阻R的上端出现高电位。其他的上端出现高电位。其他3条竖线由于无二极管与条竖线由于无二极管与R0横线相连，所以它们各自横线相连，所以它们各自的限流电阻上无电流流过而呈现为低电平的限流电阻上无电流流过而呈现为低电平(地电位地电位)。当当E门为高电位时数据线门为高电位时数据线D3D2D1D0将送出数据为将送出数据为0001，其他各个存储单元也可由

60、地址线的信号之不，其他各个存储单元也可由地址线的信号之不同而选出，并通过同而选出，并通过E门将数据输出去。门将数据输出去。图图2.31为为ROM的符号图，图的符号图，图2.31(a)是是8个存储单元，个存储单元，每个每个4位位(即半个字节即半个字节)，所以写成，所以写成84ROM。图。图2.31(b)为通用写法，为通用写法，mn ROM意即为意即为m个存储单个存储单元，其中每个为元，其中每个为n位。位。图图2.31存储地址寄存器存储地址寄存器(memory address register,MAR)：作：作为存储器的一个附件，存储地址寄存器是必需的。为存储器的一个附件，存储地址寄存器是必需的。