微机原理第二章

教学目的和要求 通过本章的学习，使学生了解触发器、寄存器的工作原理，了解总线结构，了解存储器结构及其工作原理。

第二章 微型计算机的基本组成电路

教学重点触发器寄存器总线结构教学内容 本章学习一些典型电路，为学习计算机原理奠定基础。 常见的基本电路部件：算术逻辑单元（ArithmaticLogicalUnit,ALU）、触发器（Trigger）、寄存器（Register）、存储器（Memory）、总线结构以及“控制字”的概念。 了解内容：基本电路部件内部结构及其工作 原理。2.1算术逻辑单元（ALU）

ALU是进行二进制数四则运算、布尔代数的逻辑运算部件。其符号如图2-1所示. ALUcontrolBAS图2-1ALU的符号2．2 触发器（Trigger）

触发器是记忆装置的基本单元，可以用触发器组成寄存器，也可用触发器组成存储器。 本节将介绍的触发器有：RS、D和JK触发器。着重了解各类触发器的特点及不同点。S=1，R=0时，Q=1（Q=0）称为置位；S端称为置位端S=0，R=1时，Q=0（Q=1）称为复位；R端称为复位端2．2．1 RS触发器

RS触发器可以用两个与非门组成，如图2-2所示。图2-3是RS触发器的符号.图2-2 RS触发器 图2-3RS触发器的符号SRQQQQSR&&2．2．2D触发器

D触发器只有一个输入端,其原理如图2-5所示.图2-5 D触发器DSQQ时标D触发器图2-6 时标D触发器RSQQDCLKR&& 在正半周前沿，才有可能使触发器翻转。触发器电路如图所示。DRSQQCLKARCA图边沿D触发器边沿D触发器&&PRESET(预置)CLEAR(清零)CLKDSRQQ带置位D触发器如图所示图带置位D触发器&&≥1≥1

触发器的符号图2-9所示.DDDPRCLRQQCLKCLKQQPRCLRCLKQQCLRPR图2-9正负边缘的D触发器符号2．2．3JK触发器

JK触发器是组成计数器的理想记忆元件，JK触发器的电路原理如图所示。RSQQJKCLK图

JK触发器电路原理图

JK触发器电路原理JKQ动作00保持不变自锁状态010复位101置位11原态的反码翻转JK触发器的工作过程是:RSQQJKCLK2.3寄存器R

寄存器是由触发器组成的。有许多寄存器,因其作用不同,给了其不同名字。常见的器有：缓冲R：用于暂存数据移位R：寄存器中的数据能够向左或向右移。计数器：能够累计时钟脉冲数。累加器A：在计算机中,使用最多的一个寄存器。 下面分别介绍这些寄存器的工作原理。2．3．1缓冲R（BufferRegister）图是一个4位缓冲寄存器的电路原理图。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3CLKCLKCLKCLKCLKCLRX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3图

4位缓冲寄存器的电路原理图 可控缓冲寄存器是在缓冲寄存器的基础上，在输入端增加了一个“装入门L”，其电路图如图所示。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X0X1X2X3L&CLR图

可控缓冲寄存器≥1≥1≥1≥1CLK&&&&&&&D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X3 X2 X1 X0LCLKCLR图2-14可控缓冲寄存器≥1≥1≥1≥1L门的作用：L为高电平时，数据可装入；低电平时，数据自锁在其中。

在讲计算机原理时，经常会用到L门。要记L门的作用。可控缓冲寄存器的符号如图示。图

可控缓冲寄存器的符号XLOADCLKCLRQ2．3．2移位R（ShiftingRegister） 移位寄存器能将输入的数据在其内部逐位向左或向右移动，移位寄存器原理图如图所示。D3D2D1D0DinQ3Q2Q1Q0CLK(a)左移寄存器(b)右移寄存器D3Q3D2Q2D1Q1D0Q0CLKDin2．3．3计数器（Counter） 计数器的特点是能把贮存在其中的数字加1。计数器的种类有很多：如,行波计数器、同步计数器、环形计数器和程序计数器等。（1）行波计数器（TravellingWaveCounter）

行波计数器电路原理图如图所示。J0K0J1K1J2K2J3K3Q3Q2Q1Q0CLKCLR图

行波计数器电路原理CLRCLKQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3行波计数器波形图 行波计数器的工作原理是在时钟的边缘到来时开始计数，由右边第一位开始，要一位一位的向前推进。12345678KJ行波计数器实际上是一个加一计数器(2)环形计数器（RingCounter） 特点：任一时刻，计数器的输出，只有一位为高电平，其余各位都为低。环形计数器主要用来发出顺序控制信号，环形计数器原理图如下所示。Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0CLRCLRCLRPRCLRCLK图环形计数器原理图CLRCLKD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3PRCLRCLRCLRCLRCLKQ0Q1Q2Q3图

环形计数器原理图环形计数器工作波形图CLKCLRQ5Q4Q3Q2Q1Q0环形计数器图

环形计数器的符号(3)程序R(ProgramCounter） 程序计数器是一个可预置数行波计数。程序计数器的符号如图所示。COUNT为计数端，LOAD为置数端，XYCOUNTCLKLOADCLR图程序计数器符号PC2.3.4累加器（Accumulator） 累加器在CPU内部，是一个非常重要的寄存器，其符号如图所示。XYLOADCLKSHLSHRCLR图累加器的符号2.4三态输电路 三态门广泛应用于计算机内部总线结构中。利用三态门，多个不同的单元的信息可以用一条传输线分时进行传输。三态输出电路如图所示。E（ENABLE）ABVDD≥1≥1EAB00高阻01高阻100111图 三态输出电路 三态门符号如下图所示。三态门符号(a)(b)L门：专管对寄存器的装入数据的控制；E门：专管由寄存器输出数据的控制；总线结构的输入/输出采用了L门和E门的结构，使计算机的信息传递线路简单化。EE2．5总线结构 通过总线结构示意图，来说明不同单元之间的信息的交换过程。请看下图总线结构原理图。ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA总线结构框图ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图控制字CON：将各寄存器的L门和E门按次序排成一行。 即：CON=LAEALBEBLCECLDED

为避免信息在公共总线W中乱窜，规定某一时钟节拍（CLK为正半周），只有一个寄存器L门和另一个寄存器E门为高电位，其余各门则必须为低电位。ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图例：数据由A到B、数据由D到A、数据由C到B，求 它门的控制字解：①数据由A到B的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED =？=0110，0000ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图解：②数据由D到A的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED =？=1000，0001ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图解：③数据由C到B的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED =？=0010，01002.6 存储器（MEMORY） 存储器由寄存器组成，每个存储单元相当于一个缓冲寄存器。 每个存储单元由若干位（BIT）组成，8位存储单元称为一个字节（BYTE），16位存储单元称为一个字（WORD）。 一个存储器可以存放很多数据，每个存储单元都有一个固定地址。

地址线数n可编译的地址号数24（22）8256（28）101024=1K（210）1664*1K=64K（216）201024*1K=1M（220）301024*1M=1G（230）表地址线与地址数对照表根据二进制编码原理，除地线共用之外，n根地址线可以译成2n个地址号。例如，一个8×4存储器如图所示，其中“8”表示该存储器的容量，即该存储器有8个存储单元。“4”表示每个存储单元能存储4位二进制代码。R0R1R2R3R4R5R6R7译码器A0A1A2D0D1D2D3图8*4的存储器R0R1R2R3R4R5R6R7译码器A0A1A2D0D1D2D3图8*4的存储器示意图A2A1A0R000R0┅

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111R7存储器各单元地址 存储器的通用表示方法：M×N例如：

256×8、1K×4、64K×8，等。

存储器分为两大类：只读存储器ROM)和随机存取存储器RAM(randomaccessmemory)。A0A1D0D1ER0R1R2R3译码器图 只读存储器原理图①一条横线相当于一个存储单元，一条竖线相当一位。②译码器的输出，在任一时刻，只有一根线为高电平2．6．1ROM(readonlymemory)

ROM用来存储程序数据。一旦程序数据写入之后，不能改变。下图是4*2ROM内部电路原理图。A0A1D0D1ER0R1R2R3译码器图 只读存储器原理图ROM的地址和数据RnA1A0D1D0R00010R10101R21011R31100

MAR（MemoryAddressregister ）：是一个可控缓冲寄存器，它暂存被访问存储单元的地址，MAR与ROM的连接方法如图所示。MARROMA3A2A1A0ERCLKLMD8图 MAR和ROM的关系该存储器如何表示？16×8ROM例题例： 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=1000问：它们之间的信息是如何流通的？PCCPEPLMERCLKCLRCLKMARROM4488W总线图2-33取数周期的信号流通解：开机时，CLR=1，则PC=00001、CpEpLmER=01102、CpEpLmER=00013、CpEpLmER=1000注意:E一有效，该模块中的数据就送到总线上。数据的输出不需要时钟的作用,称为异步动作。2.6.2RAM(randomaccessmemory)

RAM称读写存储器，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 用磁芯作为记忆元件，防止掉电失去记忆能力，体积较大。 用集成电路制成的记忆元件，容量大，体积小，但掉电失去记忆。2、静态RAM及动态RAM

静态RAM用触发器保存信息，只要加电于触发器，数据即可长期保留。 动态RAM用电容来保存信息。电容漏电，需要刷新。每隔2ms充电一次，须“刷新”电源。

3、RAM的符号RAM的符号如图2-34所示M×NRAMMEAWEDME：片选信号WE=0：数据输出WE=1：写入数据D：数据输入/输出信号线A：地址信号线下面通过一个例题,来说明在计算机中的一些基本部件的作用及信息在各部件之间如何流通?

[例2.2]一个微型计算机的一部分如图2-36所示，其工作程序分析如图。 例题是利用已设计好的控制字，将数据IO装入到RAM。设IO=1100，0001，1001（共12位） 这部分的控制字为：CON=CPEPLMWEMELDLIEI（共8位） 已设计好的控制