第2章 微型计算机的基本组成电路

第2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。这些都是组成计算机的硬件基础。,一、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。其符号见图2-1。,二、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。,下面简要介绍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=0而R=1时，Q=1为置位，当S=1而R=0时，Q=0称为复位。,2.1.1RS触发器,表示符号：,2.1触发器,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。这样无论是复位和置位都必须在时钟脉冲端为高电位时才能进行。,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。其工作原理见图2-5所示。,为协调运行，D触发器要加上时标脉冲CLK，得到图2.6所示的时标触发器。,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。这样计算机的动作就不可能整齐划一。而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。这只要在图2-7的电路上增加两个或门就可实现，见图2-8所示。,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）。,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）。,3、JK触发器JK触发器是组成计数器理想的记忆元件，其电路原理图见2-10所示。它是在RS触发器的基础上，增加两个与门，并使输出交叉反馈得到的。,其工作过程分析：当J=K=0时：保持原状（自锁）；当J=0，K=1时：复位；当J=1，K=0时：置位；当J=K=1时：翻转（取反）。,JK触发器的符号如图2-11所示。,RS、D与JK触发器的比较,1）RS触发器为触发器的基础2）当CLK为高电平时，D触发器可置、复位3）当CLK为高电平时，JK触发器可保持原状、置位、复位、翻转,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。,寄存器由于其在计算机中的作用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。,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，即只要一将X各位加到寄存器各位的D输入端，时标节拍一到，就会立即送到Q去。这有时是不利而有害的，因此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。,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。,注意：以后一旦提到“L”门，大家就应该想到以上的电路，高电平时数据装入、低电平时，数据自锁在其中。,注意：以后一旦提到“L”门，大家就应该想到以上的电路，高电平时数据装入、低电平时，数据自锁在其中。,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。,可控移位寄存器，是在整机运行中，有控制电路控制，以保证其在适当时机参与协调工作。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（ShifttotheLeft）SHR右移（ShifttotheRight）,3、计数器（Counter）计数器也是由若干个触发器组成的寄存器，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。行波计数器（TravellingWaveCounter）其工作原理图见图2-18所示。,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。,环行计数器（RingCounter）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。程序计数器（ProgramCounter）它也是一个行波计数器（也可用同步计数器）。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。,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但负重要的任务。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。,2.4、三态输出电路,由于记忆元件由触发器组成的，而触发器只有两种状态：0和1，所以每条信号线只能传送一个触发器的信息（0或1）。如果一条信号线既能与一个触发器接通，也可以与其断开而与另一个触发器接通，则一条信息传输线可以传输随意多个触发器的信息了。,为了达到以上目的在电路上专门设计了三态门输出电路。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。,特点：当E=1时，B=A,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时，C=B，即信息由右向左传输。,三态门（E门）和装入门（L门）一样，都是加到任何寄存器（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。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。,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。,2.5、总线结构,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。近年来计算机系统中越来越重视采用标准总线，如ISA、VESA、PCI总线标准。,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=LAEALBEBLCECLDED,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（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门位高电位。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。见表2-3所示。,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。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（例磁盘和光驱），这里讨论的存储器是指内存。,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，一般用于内存。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），由16个记忆单元组成的存储单元就是一个16位的记忆字（2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。,以上为单译码方式，即译码电路中只有一个译码器，译码器输出的每条译码线对应一个存储单元。例如n=10，译码器可译210=1024条字线，对应1024个存储单元。可见其内部字线没有减少。,为此可采用双译码方式，它将译码器分成X向和Y向两个译码器，通过两个译码器平面座标，来确定存储单元的地址。例如，地址线仍是n=10，将前5位送入X译码器，后五位送入Y译码器，则可选择单元数为2525=1024，但只需64根字线，比单译码方式节省93.75%的地址线。,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：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。,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。,可擦除可编程的只读存储器EPROM（ErasableProgrammableReadonlyMemory）。可用电擦除的可编程的只读存储器E2PROM（ElectricallyErasableProgrammableReadonlyMemory）。,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84ROM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。,存储地址寄存器（MAR-MemoryAddressRegister）：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）,（1）随机存储器从采用的器件类型看，可分为MOS、TTL、ECL型。按集成度的高低排列依次为：MOS、TTL、ECL；按工作速度高低排列依次为：ECL、TTL、MOS；按功耗高低排列依次为：MOS、TTL、ECL。因此在较大容量的存储器中，一般采用MOS型存储芯片，仅当要求工作速度很高时，则可采用TTL或ECL型。当正常电源断电后，靠电池等小功率电源来维持信