第三章-计算机的硬件电路基础

教学目的和要求 通过本章的学习，使大家了解触发器、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 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。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SRQQQQSRS、R不能同时为零；否则，RS触发器处于不稳定状态。S=0，R=1时，Q=0（Q=1）称为复位；R端称为复位端S=1，R=0时，Q=1（Q=0）称为置位；S端称为置位端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(预直)CLEAR(清零)CLKDSRQQ带置位D触发器如图所示图带置位D触发器

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RSQQJKCLK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:2.3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。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X0X1X2X3LCLKCLR图

可控缓冲寄存器≥1≥1≥1≥1D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X3 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 =？=0010，0100第四节存储器半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM） 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。

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。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)。随机存储器RAM(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。

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只读存储器ROM(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。可擦除的可编程的只读存储器EPROMEPROM芯片顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过、以擦除芯片中保存的信息使用专门的编程器（烧写器）对EPROM芯片进行编程编程后，应贴上不透光的封条出厂时，每个基本存储单元存储的都是信息“1”，编程实际上就是将“0”写入某些基本存储单元EPROM芯片2716存储容量为

2K×824个引脚：11根地址线A10～A08根数据线DO7～DO0片选/编程CE/PGM读写OE编程电压

VPPVDDA8A9VPP-OEA10CE/PGMO7O6O5O4O3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2VssEPROM2716的功能