[理学]微机原理第三章.ppt

3.1 算术逻辑单元(ALU) 3.2 触发器( Trigger ) 3.3 寄存器( Register ) 3.4 三态输出电路 3.5 总线结构 3.6 译码器、数据选择器 3.7 存储器(Memory),第三章 微型计算机的基本组成电路,3.1 算术逻辑单元( ALU),功能： 二进制数的四则运算, 布尔代数的逻辑运算。 组成：二进制补码加法器/ 减法器就是最 简的算术部件。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算。 如果在这个基础上, 增加一些门电 路,也可使简单的ALU 进行逻辑运算。,符号：A 和B 为两个二进制数, S为其 运算结果, Control 为控制信号, 如上面的控制线端SUB。,3.2 触发器( Trigger ) 触发器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。,构成：RS 触发器可以用两个与非门来组成,3.2.1 RS 触发器,功能：当S= 1 而R= 0 时, Q= 1( Q= 0) 称为置位; S 端称为置位端, 当S= 0 而R= 1 时, Q= 0( Q= 1) 称为复位。R 端称为复位端, 当S=1而R=1时，输出保持,符号：为了作图方便, 用方块来表示。,改进型式：时标RS 触发器RS 触发器外 加的时标脉冲, 如图下图 所示。 图中的CLK 即为时标脉冲。,功能：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。,3.2.2 D 触发器,基本构成：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, 下图 为D 触发器的原理。,功能：当D 端为高电位时, S 端为高电位, 称为置位。 当D 端为低电位时, S 端为低电位, 称为复位。,改进型式：增加两个与门就可以接受 时标脉冲CLK 的控制。,功能： 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。,边缘触发：采用时标边缘触发的方式就可以 得到准确划一的动作。下图是边 缘触发的D 触发器的电路原理。,RC 微分电路： 它能使方波电压信号的前 沿产生正尖峰, 后沿产生负尖峰。,触发器的预置和清除: 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, 如下图示。,符号：边缘触发的D 触发器在计算机电路图 中常用下图 的符号来表示。,( a) CLK 正边缘触发的D 触发器 ( b) CL K 负边缘触发的D 触发器 ( c) 低电平预置及清除的D 触发器,3.3 寄存器( Register ),构成：寄存器是由触发器组成的。 一个触发器就是一个一位寄存器。 多个触发器可以组成一个多位寄存器。 功能：寄存器由于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 不同的名称。,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; 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; 累加器： 用以暂存每次在ALU 中计算的 中间结果。,常见的寄存器有:,3.3.1 缓冲寄存器( Buffer ),功能：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。 基本构成：下图是一个4 位寄存器的电路,CLR,工作原理: 设有一个二进制数, 共有4位数X=X3X2X1X0 要暂存 1)将X0、X1、X2、X3 分别送到各个 触发器的D0、D1、D2、D3 端去, 2)当CLK 的后沿来到时,Q0、Q1、 Q2、Q3 才接受D0、D1、D2、D3 的影响, 而变成: Q= Q3Q2Q1Q0= X3X2X1X0= X 这就叫做将数据X 装到寄存器中去了。,改进型式:可控缓冲寄存器(L门),构成：为寄存器增设一个 可控的“门”。这个 “门”由两个与门 一个或门以及一个 非门所组成的。 功能: 高电平时，使数据 装入, 低电平时， 数据自锁在其中。,CLR,四位可控缓冲寄存器,CLR,LOAD,可控缓冲寄存器的符号,3.3.2 移位寄存器( Shifting Register ),功能： 移位寄存器能将其所贮存的数据逐 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。 基本构成：电路原理图如下图所示。,( a) 左移寄存器 ( b) 右移寄存器,工作原理: 当Din = 1时, 数据左移 左移过程: CLK 前沿未到 Q= Q3Q2Q1Q0= 0000 第一前沿来到 Q= 0001 第二前沿来到 Q= 0011 第三前沿来到 Q= 0111 第四前沿来到 Q= 1111 第五前沿来到, 如此时Din 仍为1, 则Q不变, 仍为1111。,当Q= 1111 之后, 使Din= 0, 则结果将是把0 逐位左移: 第一前沿来到 Q= 1110 第二前沿来到 Q= 1100 第三前沿来到 Q= 1000 第四前沿来到 Q= 0000 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。右移寄存器如图b 所示。,可控移位寄存器: 只要在每一位的电路上 增加一个这样的LOAD 门( L 门) 即 可以达到控制的目的。,符号： SHL 左移( Shift to the Left ) SHR 右移(Shift to the Reight),3.3.3 计数器( Counter ),基本构成：计数器也是由若干个触发器组 成的寄存器,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。 功能: 能够把贮存在其中的数字加1。,工作原理：J、K 输入端都是悬浮的, 这相当于 J、K 端都是置1 的状态, 亦即是各 位都处于准备翻转的状态。,开始时使CLR 由高电位变至低电位，则 计数器全部清除, 所以: Q= Q2Q1Q0= 000 第一时钟后沿到 Q= 001,第二时钟后沿到 Q= 010 第三时钟后沿到 Q= 011, 第七时钟后沿到 Q= 111 第八时钟后沿到 Q= 000,在第八个时钟脉冲到时, 计数器复位至0, 因此这个计数器可以计由0 至7的数。,如8 位计数器可计由0至255 的数, 12 位计数器可计由0 至4095 的数, 16 位 则可计由0 至65535 的数。,可控计数器,图中的各个J、K 输入端连在一起引出来，由计数控制端COUNT 的电位信号来控制。当COUNT为高电位时， JK 触发器才有翻转的可能。当COUNT 为低电位时就不 可能翻转。,是一个行波计数器。 它可以从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。,程序计数器( Program Counter ) ：,COUNT LOAD CLK CLR,Y,X,3.4 三态输出电路,功能：L 门专管对寄存器的装入数据的控制, 三态门专管寄存器输出数据的控制。 基本构成：三态输出电路可以由两个或非门 和两个NMOS 晶体管( T 1、T 2 ) 及一个非门组成, 如下图所示。,工作原理： 在选通端E = 1时， B= A。 在选通端( E 端) 为低电位时, A 端和B 端是不相通的, 即它们之间 存在着高阻状态。,应用：三态门( E 门) 和装入门( L 门) 一 样,都可加到任何寄存器( 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。 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 制器的设计也更为合理而易于理解了。,ENABLE,带装入门和三态门的寄存器,输入,输出,L CLK E,3.5 总线结构,1.基本结构: 设有A, B,C 和D 四个寄存器，它们都有L门和E 门，它们的数据位数是四位。,2.工作原理： 如果将各个寄存器的L 门和E 门 按次序排成一列, 则可称其为控制字 CON= LAEALBEBLCECLDED 为了避免信息在公共总线W 中乱窜, 必须规定在某一时钟节拍( 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 门为高电位。其余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入到L 门为高电位的寄存器中去。,控制字意义,简化作图： 数据总线: 专门让信息(数据) 在其中流通。 控制总线： 发自控制器, 它能将控制字各位分别送至各个寄存器上去。,3.6 译码器、数据选择器,3.6.1 译码器,译码：是将输入的每个二进制代码赋予 的含意“翻译”过来, 给出相应的 输出信号。 译码器：就是能完成译码功能的逻辑部 件。它是多输入、多输出的组合 逻辑电路。,1 . 二 线四 线变量译码器： 2 线4 线变量译码器是对输入的2 位二 进制数进行译码。,( a ) 逻辑电路图; ( b) 逻辑符号,2. 3 线-8 线译码器。,下图是用与非门构成的3 -8 译码器,逻辑图 逻辑符号,A B C,G1 G2A,G2B,74LS138功能表,3.6.2 数据选择器,功能 : 在多路数据传送过程中, 有时需要 将多路数据中任一路信号挑选出来, 完成这种功能的逻辑电路称做数据 选择器。,原理：它是一个多输入、单输出的组合逻辑 电路。数据选择器的原理如图所示。,下图为4 选1 数据选择器原理图 从图中可以看出4 选1 数据选择器在地址码的控制下可从D0 D3 4 个数据中选择1 个,并将其送到公共输出端Y 。,3.7 存储器(Memor y),功能：它既可用来存储数据, 也可用以存放 计算机的运算程序。 构成: 存储器由寄存器组成, 可以看作是一 个寄存器堆, 每个存储单元实际上 相当于一个缓冲寄存器。 分类：存储器分为两大类: 只读存储器( ROM) 随机存取存储器( RAM),存储器基本概念,存储器被划分为许多小“单元”, 每一单元存放一个“字节”( byte) 的信息。一个字节由8个二进制代码“位”( bit ) 组成,连续两个字节被称为一个“字”(word),连续4 个单元存放一个“双字” 。为了便于指令对存储单元存取信息, 系统为每个单元分配了一个“地址”。 存储器的容量用“K”表示。1K 即为1024 个单元, 1 兆为1024K, 1G 为1024M。1 兆容量的内存, 其地址编码范围是00000HFFFFFH, 展开成二进制数, 即为20 位物理地址。,举例说明: 一个16 8 的存储器 存储容量：16个单元， 每个单元为八位 地址线：有四条地址线 A0、A1、A2、A3 和八条数据线,3.7.1 只读存储器( ROM),功能：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。 基本构成：寄存器、译码器、三态门、地址 线、数据线、存储地址寄存器 (MAR-Memory Address Register ) :,存储地址寄存器(MAR-Memory Address Register ) : 功能：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。 构成：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。 它和存储器的联系是双态的。,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?,Cp CLK CLR Er,LM CLK,ER,W总线,解： 开机时, 先令CLR= 1, 则PC= 0000 ( 1) 第一个控制字是: CPEPLMER = 0110 即 EP = 1， PC 准备放出数据; LM = 1， MAR 准备装入数据。 在CLK 正前沿到达时, CLK= 1, MAR=PC= 0000, PC 的数据装入MAR, 同时MAR 立即指向ROM 的第一地址, 即 选中了ROM 中的0号 存储单元。,( 2) 第二个控制字是: CPEPLMER = 0001 即ER = 1, 令ROM 放出数据。 也就是说, 当ER 为高电位, R0 中的8 位数据就被送入到W 总线上去。 ( 3) 第三个控制字是: CPEPLMER = 1000 即CP = 1, 这是命令PC 加1, 所以PC= 0001。 这是在取数周期完了时, 要求PC 加1, 以便为下一条指令准备条件。,3.7.2 随机存储器( RAM),功能：不但能读取已存放在其各个存储单元 中的数据, 而且还能够随时写进新的 数据, 或者改写原来的数据。这种存 储器又叫做读/ 写存储器。 基本构成：因此, RAM的每一个存储单元相 当于一个可控缓冲寄存器。,RAM 的符号,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 ME= 0, RAM 未选中, 故WE 是什么 ( 0或1) 都不能影响RAM 的动作, 并 且其输出端是悬浮( 高阻) 的。 ME= 1, RAM 被选中, WE= 0 时, 为数据读出; WE= 1 时, 为数据写入。,RAM 功能表,存储器数据寄存器(MDRMemory Data Register ) 功能：是将要写入RAM 中去的数据暂存寄 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。 构成：也是一个可控缓冲寄存器。 MDR 和MAR 以及RAM 的联系如图 所示。,例 ：一个微型计算机的一部分如图所示， 这一部分系统图是用来分析将数据I0装入 到RAM 中去的过程的。,设要写入到RAM 中去的数据为: I0= 1100 0001 1001( 共12 位) 这部分的控制字为: CON= CPEPLMWE MELDLIEI ( 共8 位) 已设计好的控制字的次序如下: CON1= 0110 0000 CON2= 0000 0010 CON3= 0000 0