微型计算机的基本组成电路.ppt

第二章 微型计算机的基本组成电路,无论是多么复杂的计算机，都是由若干典型的电路所组成的。本章就是对微型计算机最常见的电路环节的名称及电路原理作一简单介绍。 其中最主要的是算术逻辑部件（ALU）、触发器（Trigger）、寄存器（Register）、存储器（Memory）、总线结构（BUS）等。数据在这些部件之间流通的过程以及控制字的概念。,2.1 算术逻辑单元（ALU） 顾名思意，这个部件既能进行二进制的四则运算，也能进行布尔代数的逻辑运算。 前面所讲的可控加减法电路就是最简单的算术部件。 通过适当的变换，可将乘法和除法变成加法运算。如果在这个基础上，增加一些电路，可以使简单的ALU进行逻辑运算。,2.2 触发器,触发器是存放一位二进制数字信号的基本单元。触发器是计算机的记忆装置的基本单元，也可以说是记忆细胞。 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。 微机中所有的触发器一般用晶体管元件，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。,下面介绍RS触发器、D触发器和JK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。,1、RS触发器 基本RS触发器可用两个与非门交叉联接而成，如图2-2所示。当S=1而R=0时，Q=1为置位，当S=0而R=1时，Q=0称为复位。,图22 RS触发器,&,&,S,R,Q,Q,&,&,Q,Q,基本RS触发器状态分析：,时标RS触发器是为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作，其工作原理见图2-4所示。,2、D 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。这在很多应用中是不很方便的。 D触发器就是在RS触发器的基础上引伸出来的，它只需一个输入端口。如下图所示：,时标脉冲CLK一般都是方波，在CLK处于正半周内的任何瞬时间，触发器都有反转的可能。这样计算机的动作就不可能整齐划一。,我们总希望由时标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，图2-7就是边缘触发的D触发器的电路原理图。,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1或清0，而与时标脉冲以及D输入端信号无关，这就是所谓的预置和清除。如何实现？,图2-9显示了各种边缘触发器。这里要注意的的是图中的汽泡“O”，即负电平有效之意（电路上增加了一个非门，反相器）。,其工作过程分析： 当J=K=0时：保持原状（自锁）； 当J=1，K=0时：置位； 当J=0，K=1时：复位； 当J=K=1时：翻转（取反）。,JK触发器的符号如图2-11所示。,2.3 寄存器 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。由多个触发器可以组成一个多位寄存器。 寄存器根据其功能不同，被命名为不同的名称。常见的寄存器有： 缓冲寄存器用以暂存数据； 移位寄存器能将其所存的数据一位一位地向左移或右移； 计数器一个计数脉冲到达时，会按二进制数的规律累积脉冲； 累加器用以暂存每次在ALU中计算的中间结果。,1、缓冲寄存器（Buffer） 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。其一个四位寄存器电路原理图见2-12。(是否可控？为什么？有什么不利影响？）,可控缓冲寄存器：前面所说的缓冲寄存器其数据X输入到Q只受CLK的节拍管理。 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点时间，但由于不可控制之故，在CLK正前沿一到就会立即被来到门口的数据X替代掉。（怎么办？）,为此，我们必须为这个寄存器增设一个可控的“门”。这个“门”的基本原理如图2-13所示。,对于多位的寄存器，每位各自一套“L”门。不过只用一个非门，并且只有一个LOAD输入端，如图2-14所示。,可控缓冲器的符号一般为图2-15所示，LOAD为其控制门，而CLR为高电平时可以清0。,2、移位寄存器 移位寄存器的用处将其所储存的数据向左或向右移位，以达到计算机在运行过程中所需的功能，例如，用来进行乘法运算等。,移位寄存器的电路原理图见2-16所示。 可控否？为什么？,可控移位寄存器-这个电路也和图2-13控制门一样，只要在每一位的电路上增加一个L门即可以达到控制的目的。,SHL左移（Shift to the Left） SHR右移（Shift to the Right）,3、计数器（Counter） 计数器也是由若干个触发器组成的寄存器（什么触发器组成），它的特点是能够把贮存在其中的数字加1。 计数器的种类很多，有行波计数器、同步计数器、环行计数器和程序计数器等。 1）行波计数器（Travelling Wave Counter） 其工作原理图见图2-18所示。,计数器时序图（可控否？怎么办？）,图2-19为可控计数器的电路原理图。图2-20为可控计数器符号。,2） 环行计数器（Ring Counter） 环行计数器也是由若干个触发器组成的。不过，环行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，即为1，其它各位为0。其电路原理图见图2-21所示。,注意：环行计数器不是用来计数用的，而是用来发出顺序控制信号的（节拍），这在计算机的控制器中是一个很重要的部件。 环行计数器的符号见图2-22所示。,3） 程序计数器（Program Counter） 它也是一个行波计数器。不过它不但可以从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，其符号见图2-23所示。,图2.22 环形计数器的符号,4） 累加器（Accumulator） 累加器也是一个由多个触发器组成的多位寄存器，累加器原文为ACCUMULATOR，译作累加器，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ALU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，还能使存储其中的数据左移或右移，所以它又是一种移位寄存器。其符号见图2-24所示。,为了达到以上目的在电路上专门设计了三态输出电路。其电路工作原理见图2-25所示，它是由两个或非门和NMOS晶体管（T1、T2）及一个非门组成。,三态输出电路的逻辑表见表2-2所示。 图2-25为单向三态输出电路。而图2-26为双向三态输出电路。A为某个电路的输出端，C为其输入端。当EOUT=1时，B=A，即信息由左向右传输，EIN =1时，C=B，即信息由右向左传输。,L门专管对寄存器的装入数据的控制，而E门专门管由寄存器输出数据的控制。,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，控制器的设计也更合理而更容易理解了。,2.5 总线结构 计算机硬件系统中各部分相互传送信息需要互相连接起来。连接各部件的公共连接线集称为总线，即总线是它们相互通讯的公共通道，在这个通道上传送地址信息，数据信息及控制信息，即一组总线包括地址总线、数据总线及控制总线三部分。,现代计算机系统的总线包括内部总线、系统总线（外部总线）。内部总线是指CPU内部连接各寄存器与ALU部件的总线。系统总线是指CPU、主存储器及I/O接口之间的连线。,这里不准备讲解具体的标准总线的结构和原理，只是试图通过一个简单的例子来说明总线结构原理。见图2-27所示。 如果将各个寄存器的L门和E门按次序排列成一列，则可称其为控制字CON： CON=LAEA LBEB LCECLDED,为了避免信息在公共总线W中乱窜，必须规定在某一个时钟节拍，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到L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，将由控制器发出并送到各个寄存器中去。 图2-28中有两条总线，一条称为数据总线、另一条为控制总线，它能将控制字各位分别送到各个寄存器上去，同时能把时钟送到各个寄存器上去。,2.6 存储器（Memory） 存储器是组成计算机的五大部件之一。是计算机的记忆设备。(由什么组成？） 它既可存储数据，也可存放计算机的运行程序。存储器的组成，可以看作是一个寄存器堆，每个存储单元实际上相当一个缓冲寄存器。,从存储器与CPU之间的关系出发，可以把存储器划分为内存和外存，内存是与CPU直接交换信息的存储器，外存是需要通过I/O接口芯片与CPU交换信息的存储器，这里讨论的存储器是指内存。,CPU插槽,SATA接口,供电电路,PCI-E X16 插槽,PCI插槽 2根,PCI-E X1 插槽,南桥,集成显卡 北桥,DDR2插槽,D-SUB,DVI,HDMI,主板：BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板插卡的直流电源供电接插件 。,785GTM-E45,常见内存厂商,（金士顿）世界第一大内存生产厂商，然而金士顿品牌的内存产品，其使用的内存颗粒确是五花八门，既有其自己颗粒的产品又有诸如现代、南亚、英飞凌等企业的内存。凭借优秀的产品质量和一流的售后服务，赢得了众多中国消费者的心。,（威 刚）内存市场占有率排名第二，比金士顿低端要好，假货少，延迟低，性价比高。进而很多人用，但是出问题的也多，兼容性是它最大的诟病，蓝屏死机较多。万紫千红是大众系列 （三年质保），红色威龙是超频系列（五年质保）。,（宇 瞻）性能稳定，质量很好，最大的优势是提供终生质保。产品性能不是很好，延迟较高，尤其是超频性不佳。,（海盗船海盗旗）海盗船的内存品牌一直是各国电脑爱好者心目中的至尊之选。其精湛的制造工艺，优秀的产品质量，一直令中国电脑爱好者垂涎。其生产价格也是最高的，不过现在已经有少数型号价位下调了。有钱的别犹豫，买的就是这条船。,（现 代）价格是最低的，人们常说价格也没有比这个再低的了。也是假的多，90都是假的，但是原厂内存质量却异常的好。真假难辨，而且多为散装，不推荐购买。,（三 星）自主的颗粒生产商，品质还是有保证的，总体上没什么突出的，也没有大,的瑕疵。在2002年末的时候，三星电子公司终于把三星原装内存的代理确定了，华胜弘邦从此成为了三星原装内存的正式代理商，并且以“三星金条”为品牌在国内销售。三星金条在笔记本中一直是thinkpad御用内存条。,（胜 创）牌子是很好的，质量也不错，而且来自宝岛台湾。大家应该多支持国货 ，胜创的假货最少，因为防伪技术是最高的。,（金邦）总部在台湾，在美国也有分部。内存市场出货比较大，质量也很出色。黑龙内存最好，接下来是白金条，最后千禧条。我在的城市没有金邦的一级代理，供货较少。,返回,返回,硬盘生产厂商,如果说谁是当今硬盘界的一哥，只有一个答案希捷，希捷立于存储行业领先地位30年。公司不依靠第三方提供组件，可对从组件供应到技术改进的整个开发过程和产品线路图实行完全控制。,从最初的 PC 用 5.25 英寸硬盘到垂直记录技术的开发，公司倡导的新行业标准大大促进了数字信息时代的进步。在硬盘界基本没有哪个企业可以和希捷抗争，特别是在收购迈拓后愈发明显。别的厂商往往用多碟磁盘组成阵列方可比上希捷单碟的容量。,希捷固件门：09年春节前后在极少数希捷酷鱼11代硬盘中发现了一个固件问题，该问题导致开/关电源后可能无法访问数据。产品主要是2008年12月制造酷鱼11代产品。12代已彻底解决。,西部数据的硬盘还可以，个人用的感觉噪音、散热都控制的不错，性价比较高，比较适合做HTPC（家庭影院个人电脑）。,绿盘：环保，静音，发热低，省电 。性能一般。转速自动调整。用途：宜作为下载盘。,蓝盘：高性价比 整体比较平衡 使用寿命最长。用作家用等一般使用。,黑盘：高性能 大缓存，速度快 。企业，吞吐量大的服务器使用 。,日立环球存储科技公司创立于2003年，它是基于蓝色巨人IBM和日立存储整合而创建。日立台式机硬盘突出的缺点噪音太大，笔记本硬盘市场占有率很大。,硬盘公司的1TB不等于1024GB 而是1000GB 实际的应该是（1000/1024）3 0.9313 1000 *1000 *1000 /（1024）3 0.9313,SATA 1，2接口,IDE接口,根据使用不同，存储器分为两大类：只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。 RAM、ROM一般是由半导体元件组成的，它体积小、易于制成大规模集成电路、存取速度快容易与CPU的速度匹配。 ROM由于存储器中的内容不能被刷新，故通常充当内存中存放重要系统程序的存储器。,每个存储单元所存储的内容称为一个字（Word），一个字由若干位（Bit）组成。而8位记忆字称为一个字节（Byte),一个存储器可以包含数以亿计的存储单元，所以，一个存储器可以储存很多数据，可以存放很多的计算步骤程序（Program）。 为了便于存入和取出，每个单元必须有固定的地址。因此存储器的地址也必定是数以亿计的。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译码器。,根据二进制编码译码的原理，除地线公用之外，n位地址线可以译成2n个的地址号。见表2-4所示。,例如16*8的存储器，见图2-29。,1、只读存储器（ROM） 只读存储器是一种对其内容只能读不能写的存储器，即预先一次写入的存储器。它通常用来存放系统的启动程序和参数表，也用来存放常驻内存的监控程序或操作系统的常驻内存部分。,根据其中信息（即内容）的设置方法，ROM可分为四种： 1)掩膜型ROM。这种ROM中的信息是芯片制造时由厂家写入的，用户对这类芯片无法进行任何修改。,2)可编程的只读存储器PROM。这种ROM出厂时，里面没有写入信息，用户采用一定的设备可以对PROM中的内容进行设置。和掩膜ROM一样，PROM中的内容一旦写入，就再也不能改变。,3)可擦除可编程的只读存储器EPROM（Erasable Programmable Read only Memory）。 4)可用电擦除的可编程的只读存储器E2PROM（Electrically Erasable Programmable Read only Memory）。,用户对后面两种ROM，不只可以进行编程，而且可以用特定设备对它们多次进行擦除和写入。 不同的是EPROM擦除时间长，擦除时是对芯片的内容进行全部擦除，而E2PROM擦除时间快，并能对其中的某个字和字块进行擦除和重写。,下面以一个8*4ROM集成电路芯片作为例子来说明ROM的内部电路原理和工作原理，见图2-30所示。其数据和地址见表2-6。,图231为ROM的符号图,存储地址寄存器（MAR-Memory Address Register）：作为存储器的一个附件，存储地址寄存器是必要的。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。,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，即地址一进入MAR就立即被送到存储器去，如图2-23所示。,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=1000,2、 随机存储器（RAM）,这种存储器又叫做读写存储器。它和ROM之区别在于这种存储器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。 因此，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 小型计算机及微型计算机多用双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这类材料可以制成大规模集成电路，体积较小。但停电则失去记忆能力。,2）静态RAM及动态RAM 静态RAM常用双极型晶体管触发器作为记忆元件(也有用