微机的基本组成电路

1、第二章第二章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路(是微机的硬件基础是微机的硬件基础,包括包括:算术逻辑单元算术逻辑单元,触发器触发器,寄寄存器存器,存储器及总线结构存储器及总线结构.)2.1 算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU) 一一.功能功能: 二进制数的四则运算二进制数的四则运算; 布尔代数的逻辑运算布尔代数的逻辑运算. 二二.电路电路: 前述的二进制加前述的二进制加/减电路减电路(简单的简单的ALU). 1).加加/减运算减运算 2). 配合软件配合软件,可乘可乘/除运算除运算 3). 增加门电路增加门电路,可逻辑运算可逻辑运算.三三.符号符号: A B(二进制数二进制数)CONTROL

2、(控制端控制端) (SUB)S(运算结果运算结果)ALU2.2 触发器触发器一一.特性特性: 1).记忆装置记忆装置的基本单元的基本单元; 2). 用晶体管元件制成用晶体管元件制成-可制成大规模的集成电路可制成大规模的集成电路,减小体积减小体积. 二二.类型类型: RS, D, JK. D触发器触发器: 。QQSRDD=1, (即刻即刻)Q=1_置位置位D=0, Q=0_复位复位(输入输入)(输出输出)D的记忆功能的记忆功能: D状态不变状态不变, Q状态不变状态不变_记忆记忆. D状态改变状态改变, Q状态改变状态改变_触发触发.D的初始状态的初始状态: 预先给预先给D置位置位(置置1,Q=

3、1_预置预置(PRESET=1) 预先给预先给D清零清零(置置0,Q=0_清除清除(CLEAR=1)(复位复位)D与其它部件协调工作与其它部件协调工作: 加时标脉冲加时标脉冲CLK.即即 D=1, 且且CLK=1时时, Q才等于才等于1. D=0, 且且CLK=1时时, Q才等于才等于0.时标脉冲时标脉冲CLK: 1) CLK=1时时, Q翻转翻转; 2) CLK=0时时, Q状态不变状态不变; 3) 在高电平处在高电平处, 仍存在时间段仍存在时间段, D都有可能翻转都有可能翻转(Q状态改状态改 变变)_仍不准确仍不准确. 所以所以: 常有边缘触发常有边缘触发, 即使边缘后有即使边缘后有Q信号

4、也不动作信号也不动作, 须等到下一须等到下一个边缘到来个边缘到来. D Q QD Q QD Q Qpresetpresetpreset=0clearclearclear=0CLKCLKCLK。正边缘触发正边缘触发负边缘触发负边缘触发低电平预置及清除低电平预置及清除2.3 寄存器寄存器1由触发器组成由触发器组成: 一个触发器是一个触发器是一个一个一位的寄存器一位的寄存器 八个触发器是八个触发器是一个一个八位的寄存器八位的寄存器 十六个触发器是十六个触发器是一个一个十六位的寄存器十六位的寄存器 8086/8088中寄存器均为中寄存器均为16位位 (16位数据总线位数据总线, 16位机位机)2常用寄

5、存器常用寄存器: 缓冲寄存器缓冲寄存器 : 暂存数据暂存数据, 适时适时I/O; 移位寄存器移位寄存器: 所存数据逐位移动所存数据逐位移动, 判判0或或1; 计数器计数器: 把存储在其中的数字加把存储在其中的数字加1; 累加器累加器: 不进行加法运算不进行加法运算,只作为只作为ALU运算的运算的临时临时存储处存储处. 触触触触触 触 触(八个)(十六个)(一个)触三三. 寄存器中各量的意义寄存器中各量的意义: 时标时标CLK: 正前沿有效正前沿有效, 作用同前述作用同前述; 复位信号复位信号CLR: “1”有效有效, 使其数据为使其数据为0 (初始状态初始状态); 左移左移SHL: 将寄存器中

6、所存数据逐位向左移动将寄存器中所存数据逐位向左移动; 右移右移SHR: 将寄存器中所存数据逐位向右移动将寄存器中所存数据逐位向右移动; 装入门装入门L门门: “1”时数据装入时数据装入, “0”时数据自锁其中时数据自锁其中:即既有的数据可靠的存在其中而不丢失即既有的数据可靠的存在其中而不丢失. 有效有效判某位为判某位为“0”或或“1”LOAD1CLK Q0 D0CLRX0L0，Q0仍为原值（自锁）L=1, Q0=X0 (装入）四四. . 特别：环形计数器不用来计数，而用来发出特别：环形计数器不用来计数，而用来发出顺序控制信号的。顺序控制信号的。 （每一个每一个CLKCLK周期，其仅有唯一的一个

7、为高周期，其仅有唯一的一个为高电位）电位）五五. . 各寄存器框图：各寄存器框图：2-152-15，2-172-17，2-222-22，2-232-23，2-242-24。 2.4 三态输出电路三态输出电路通常通常:A端有输入端有输入,B端有输出端有输出. A B 即即B端的传输线只传输端的传输线只传输A端的端的1或或0信号信号. 当当A端无信号时端无信号时,B端传输线不工作端传输线不工作-可与另可与另端信号相端信号相 连并传送之连并传送之-提高传输线的利用率提高传输线的利用率. 当当A端有信号时端有信号时.也可使其不输出也可使其不输出-加一控制加一控制信号信号E(门电路门电路),将数据锁在触

8、发器中不输出将数据锁在触发器中不输出-让让出线路出线路-即即E端决定该信号线端决定该信号线(B线线)与哪个触发器与哪个触发器相连相连.E门各端状态门各端状态: E A B G1 G2 T1 T2 0 0 高阻高阻 0 0 截止截止 截止截止 0 1 高阻高阻 0 0 截止截止 截止截止 1 0 0 1 导通导通(VB0) 1 1 1 1 0 导通导通(VBVDD) 截止截止 。11BG1G2T1T2AE（ENABLE）VDDE门：控制数据输出（门：控制数据输出（E=1有效，有效， A B。单向输出。单向输出。L门：控制数据装入（门：控制数据装入（L=1有效）有效）E输入输入输出输出三态门三态门

9、: 一般逻辑电路有两种状态一般逻辑电路有两种状态: 1或或0. 三态三态逻辑电路是除了上述两种状态外逻辑电路是除了上述两种状态外, 还有第三种还有第三种状态状态 -高阻状态高阻状态(或称浮动或称浮动,浮离浮离,断开状态断开状态). (上述的上述的E门就是三态门门就是三态门,或称三态电路或称三态电路) 处于高阻状态时处于高阻状态时, 虽然仍连接在总线上虽然仍连接在总线上, 但它但它对总线的状态不发生任何影响对总线的状态不发生任何影响, 这时总线上的这时总线上的电平完全由电平完全由CPU和工作着的部件所支配和工作着的部件所支配.2.5 总线结构总线结构一一.总线定义总线定义: 连接各部件信息流通的

10、公共通道连接各部件信息流通的公共通道. 由信息的类别得由信息的类别得:数据总线数据总线(DW)-流通数据信息流通数据信息 地址总线地址总线(AW)-流通地址信息流通地址信息 控制总线控制总线(CW)-流通控制信息流通控制信息二二.示意图示意图: :四个寄存器四个寄存器A,B,C,D, 每个寄存器为每个寄存器为4位位-则则DW为为4位位; :均装均装L和和E门门, 则有则有8条控制线条控制线-CW为为8位位 -来自控制器来自控制器, 使使L或或E适时有效适时有效. :CON=LA EA LB EB LC EC LD ED 物义物义: 为高电位时为高电位时,数据将由数据将由E门门 L门门 eg:

11、EB=1, LA=1. 数据由数据由B A EA=1, LB=1. A B EC=1, LA=1. C A 每一寄存器动作仍由每一寄存器动作仍由CLK控制控制(正半周正半周), 在任一在任一CLK正半周正半周, 只有一个只有一个L门和另一个门和另一个E门门 为高电位为高电位, 其余一定是低电位其余一定是低电位-保证信息有保证信息有序流动序流动.各总线用一条粗线画出各总线用一条粗线画出, 标出位数标出位数.图:ACBDLACLKEALCCLKEC444注注:各寄存器输入有各寄存器输入有 4位线位线,输出有输出有4位线位线, 即数据是有方向的即数据是有方向的.BW再见再见P31 图图2-28. 2

12、.6 存储器存储器(寄存器堆寄存器堆)1 1. . 存储器是用来存放系统存储器是用来存放系统工作时工作时的程序和数据的。的程序和数据的。在机器内部，程序和数据都是用二进制代码的形式在机器内部，程序和数据都是用二进制代码的形式表示表示,.,.故存储器中的内容均为若干个故存储器中的内容均为若干个0 0和和1 1。2 2. . 在微机中，一般用在微机中，一般用8 8位二进制代码作为一个字节位二进制代码作为一个字节（ByteByte）。用两个或几个字节组成一个字（记忆字）。用两个或几个字节组成一个字（记忆字）（WordWord）。如果用字表示一个数，称为数据字；表）。如果用字表示一个数，称为数据字；表

13、示一条指令，称为指令字。数据字和指令字也可以示一条指令，称为指令字。数据字和指令字也可以用双倍字长或多倍字长表示用双倍字长或多倍字长表示 。3 3. . 一个存储器可划分为很多存储单元。存储单元中一个存储器可划分为很多存储单元。存储单元中的内容为数据或指令。为了能识别不同的单元，我的内容为数据或指令。为了能识别不同的单元，我们分别赋予每个单元一个们分别赋予每个单元一个编号编号。这个编号称之为。这个编号称之为地地址址。显然，各存储单元的地址与该地址中存放的内。显然，各存储单元的地址与该地址中存放的内容是完全不同的意思，不可混淆。容是完全不同的意思，不可混淆。地址也以二进制地址也以二进制代码表示。

14、代码表示。4. 存储器通用写法存储器通用写法:存储单元个数存储单元个数*每单元二进制数位数每单元二进制数位数 存储器存储器 常有常有: m*n存储器存储器 例例: 16*8存储器存储器. 即表示该存储器有即表示该存储器有16个单元个单元, 每单元储存每单元储存8个二进制码个二进制码(位位) 则只需要则只需要4根地址线根地址线(A3A2A1A0) 8086存储器以存储器以8位为一个存储单元位为一个存储单元5. 地址译码器地址译码器:将有限的地址线译成无线多的地址将有限的地址线译成无线多的地址-减少存储器减少存储器 对外的引线对外的引线. N根地址线根地址线 2N根地址线根地址线(号号) 例例:N

15、=2, 则可译出的地址号数为则可译出的地址号数为4; N=8, -256; N=10, -1024(1K) N=20,-1K*1K=1M译译码码器器A0A1：An-1：0122n-1M286/386/486-20条6. M的分类的分类1).按用途分按用途分: 内存内存:主机的一部分主机的一部分;存放存放当前运行当前运行的程序和数据的程序和数据; 由半导体材料制成由半导体材料制成,集成度高集成度高,体积小体积小,速度速度 快快,成本低成本低;但容量有限但容量有限;可直接被可直接被CPU访问访问. 外存外存:放在主机外放在主机外;存放存放当前暂时不参于当前暂时不参于运行的程运行的程 序和数据以及某

16、些需要永久保存的信息序和数据以及某些需要永久保存的信息;非导非导 体体 体材料体材料,速度慢速度慢;容量大容量大;其信息其信息必须先成组调入必须先成组调入内内 内存后内存后,方可被方可被CPU访问访问; 外存相当于系统中一个外部设备外存相当于系统中一个外部设备,需要配备需要配备 专门的专门的I/O接口装置接口装置(驱动器驱动器),才可完成对外才可完成对外 存存的的 的读的读/写操作写操作. 2). 内存分类内存分类(信息存取方式信息存取方式) 静态静态RAM(SRAM) 动态动态RAM(DRAM) 固定的固定的,掩膜式掩膜式ROM 可编程可编程PROM 可擦除的可擦除的EPROM 可擦除的可擦

17、除的E2 PROM(电电) M的属性之一的属性之一: 关闭电源后关闭电源后,其内容能否保存下去其内容能否保存下去,如能如能, 称非易失性称非易失性,否则否则,称易失性称易失性. 微机中大微机中大 部分存储器是易失性的部分存储器是易失性的. ROM:非易失性非易失性; RAM:易失性易失性. 随机存储器随机存储器RAM只读存储器只读存储器ROM半导体存储器半导体存储器 3)存储器的组织结构：存储器的组织结构： 1). 字结构字结构: 2). 位结构位结构: 3). 存储器矩阵存储器矩阵(方阵方阵)排列排列选址例子选址例子:7. 只读存储器只读存储器ROM存储内容已定存储内容已定,不可更改不可更改

18、.即只能即只能“读出读出”不能不能“写写”进进新新新的内容新的内容-制造者配置制造者配置.常用来存放固定程序常用来存放固定程序(管理管理,监控监控,汇编程序汇编程序),常数常数,表格等表格等.1).ROM的工作原理的工作原理: 8*4ROM (P34 图图230) ROM的符号的符号: 一般一般:8*4ROMA2A1A0ED3 D2 D1 D0AEDnm*nROM2). ROM的附件的附件-MAR功能功能:将所需寻址的存储单元的地址暂存下来将所需寻址的存储单元的地址暂存下来,以以 备下一条指令使用备下一条指令使用.结构结构:有有L门门: 控制地址的装入控制地址的装入. 有有CLK: (MAR为

19、可控缓冲寄存器为可控缓冲寄存器)MAR与与ROM的关系的关系: 双态的双态的 (不受不受E门控制门控制) 地址一进入地址一进入MAR即被送到即被送到ROM中中(选中某选中某 一单元一单元)框图框图: LCLKAEDnMARm*nROM3). 程序计数器程序计数器PC:(指令地址指示器指令地址指示器) 是一个多位的寄存器是一个多位的寄存器: 存放存放指令指令(数据数据)的的地址码地址码. 计算机执行某次操作前计算机执行某次操作前, 要把程序要把程序(数据数据)用用I装置装置 送入送入M中中,执行时再依次取出执行时再依次取出-取出时必须先知取出时必须先知 道该数的地址码道该数的地址码; 为了给出被

20、寻址单元的地址为了给出被寻址单元的地址,指令中设置了地址指令中设置了地址 码码; 操作码操作码 地址码地址码 地址码较长地址码较长, 增加了指令的长度增加了指令的长度, 不采用此法给出不采用此法给出M的地址的地址; 将将M地址放于某个专用的寄存器地址放于某个专用的寄存器R中中,则指令中则指令中 只出现只出现R的代码的代码,-减少指令的长度减少指令的长度. R称指示器或变址寄存器称指示器或变址寄存器(间接给出地址间接给出地址) 例例: 当当PC=0000H,则计算机把指令则计算机把指令1 取到取到CPU中识别中识别 并执行相应操作并执行相应操作; 当当PC=0001H,-2 - -;当取出一条指

21、令后当取出一条指令后,PC自动加自动加1,保证程序顺序执行保证程序顺序执行;每次运行前每次运行前,PC自动复位至自动复位至0000H;PC的内容可用指令控制予以改写的内容可用指令控制予以改写-即改变程序执行即改变程序执行 的顺序的顺序;以上操作都须经过总线以上操作都须经过总线W;PC的控制信号的控制信号: CLK, CLR, EP, CP(使使PC加加1的信的信号号) P35 例例2-1.指令指令1指令指令2指令指令3000000010010.M8. 随机存储器随机存储器RAM CPU能在相同的时间里访问能在相同的时间里访问M的任一单元的任一单元(读出或写读出或写 入入,且访问时间一样且访问时

22、间一样) RAM的特点的特点: .存储单元的内容根据需要随时读出存储单元的内容根据需要随时读出 或写入或写入; .断电后断电后,所存信息随之丢失所存信息随之丢失(易失性易失性 器件器件.恢复供电恢复供电,原信号无法恢复原信号无法恢复) . 暂存暂存I/O数据计算的中间结果数据计算的中间结果 断电后无影响的用户程序断电后无影响的用户程序. RAM的分类的分类: 从制造工艺分从制造工艺分: 双极型双极型: 存取速度快存取速度快,集成度低集成度低,(一个基本存储一个基本存储 单元所用管子多单元所用管子多),功耗大功耗大,成本高成本高-高速专用机用高速专用机用; 单极型单极型: 工艺简单工艺简单,功耗

23、低功耗低,成本低成本低,集成度高集成度高-微机中使用微机中使用. 静态静态RAM: 每存储单元包括的每存储单元包括的MOS管多管多(6只只), 存存 存储容量小存储容量小,功耗大功耗大,不需不需“刷新刷新”,工工作作 稳定稳定,有电一直保持信息有电一直保持信息.-微机中用微机中用. 动态动态RAM:每存储单元包括的每存储单元包括的MOS少少(3只只),依靠依靠 MOS管栅极电容的电荷记忆信息管栅极电容的电荷记忆信息, 电容电容 会漏电会漏电,需定时需定时“刷新刷新”,集成度高集成度高,功耗功耗小小, 价格低价格低,但增加但增加“刷新刷新”电路电路.-大容量大容量 存储系统用存储系统用. . 常用芯片常用芯片: Inter2114Inter6116Inter6264 (1K*4) (2K*8) (8K*8) . RAM的符号的符号: WEAMEDinDoutM*nRAM注注:ME为此为此RAM的选中门的选中门 ME=1,此此RAM被选中被选中; ME=0,-未选中未选中. WE为读写控制信号为读写控制信号 WE=1, 写操作写操作; WE=0, 读操作读操作. 即即当当ME=1时时,WE才