微机的基本组成电路.ppt
第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路 任何一个复杂的电路系统都可以分解为一些相对简单的电路，或者说复杂任何一个复杂的电路系统都可以分解为一些相对简单的电路，或者说复杂电路系统可以由多个简单电路搭建而成。构成复杂电路系统的简单电路称为电路系统可以由多个简单电路搭建而成。构成复杂电路系统的简单电路称为该复杂电路系统的组成电路模块或电路部件。本章将对构成微型计算机电路该复杂电路系统的组成电路模块或电路部件。本章将对构成微型计算机电路系统的一些基本的、典型的电路模块的原理与功能作一简单介绍，主要包括系统的一些基本的、典型的电路模块的原理与功能作一简单介绍，主要包括算术逻辑单元、触发器、寄存器、存储器及总线结构等，同时给出数据在这算术逻辑单元、触发器、寄存器、存储器及总线结构等，同时给出数据在这些电路部件之间的流通过程以及些电路部件之间的流通过程以及“控制字控制字”的概念。的概念。算术逻辑单元算术逻辑单元 算术逻辑单元算术逻辑单元(Arithmetic Logical Unit,(Arithmetic Logical Unit,简称简称ALU)ALU)，用于实现算术与逻辑，用于实现算术与逻辑运算，包括加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运运算，包括加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运算。其符号表示如下：算。其符号表示如下：其中，其中，A A、B B为参与运算的两个输为参与运算的两个输入数据，入数据，ControlControl为控制信号，为控制信号，S S为为输出的运算结果。输出的运算结果。四位四位ALU逻辑图逻辑图 四位四位ALU功能表功能表S3S2S1S0正正 逻逻 辑辑M=H逻辑逻辑运算运算M=L 算算术术运算运算Cn=1Cn=0LLLLAAA加加1LLLHA+BA+B(A+B)加加1LLHLABA+B(A+B)加加1LLHH“0”减减1“0”LHLLABA加加(AB)A加加(AB)加加1LHLHB(AB)加加(A+B)(AB)加加(A+B)加加1LHHLABA减减B减减1A减减BLHHHAB(AB)减减1A四位四位ALU功能表功能表续续S3S2S1S0正正 逻逻 辑辑M=H逻辑逻辑运算运算M=L 算算术术运算运算 Cn=1Cn=0HLLLA+BA加加(AB)A加加(AB)加加1HLLHA BA加加BA加加B加加1HLHLB(AB)加加(A+B)(AB)加加(A+B)加加1HLHHAB(AB)减减1ABHHLL“1”A加加AA加加A加加1HHLHA+BA加加(A+B)A加加(A+B)加加1HHHLA+BA加加(A+B)A加加(A+B)加加1HHHHAA减减1A第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.2 2.2 触发器触发器 触发器触发器(Trigger)(Trigger)是构成寄存器和存储器的基本单元，是计算机的记忆细是构成寄存器和存储器的基本单元，是计算机的记忆细胞。胞。2.2.1 RS2.2.1 RS触发器触发器(1)(1)电路结构：由两个交叉耦合的电路结构：由两个交叉耦合的“与非与非”或或“或非或非”门组成，门组成，2 2 个输出分个输出分别为别为 Q Q和和/Q/Q，两路输入分别为，两路输入分别为 R R 和和 S S。如下图所示：。如下图所示：(2)(2)功能描述：当功能描述：当S=1S=1且且R=0R=0时，时，Q=1Q=1，/Q=0/Q=0，称为置位，在，称为置位，在S S变为变为0 0后，后，Q Q和和/Q/Q将保持不变。当将保持不变。当S=0S=0且且R=1R=1时，时，Q=0Q=0，/Q=1/Q=1，称为复位，在，称为复位，在R R变为变为0 0后，后，Q Q和和/Q/Q将保持不变。当将保持不变。当S=0S=0且且R=0R=0时，保持原状时，保持原状态不变。当态不变。当S=1S=1且且R=1R=1时，状态不定。时，状态不定。(3)(3)符号：见右图。符号：见右图。(4)(4)带时标的带时标的RSRS触发器（同步触发器（同步RSRS触发器触发器),),电电路图见教材路图见教材P19P19图图2-42-4。s sR Rs sR RQ Q/Q/Q第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.2.2 D2.2.2 D触发器触发器(1)(1)电路结构：见右图：电路结构：见右图：(2)(2)功能描述：功能描述：当当D=1D=1时，时，Q=1Q=1、/Q=0/Q=0，D=0 D=0时，时，Q=0Q=0、/Q=1/Q=1。即即Q=DQ=DCLKCLKD DQ QQ QPRPRCLRCLRCLKCLKD DQ QQ QPRPRCLRCLRCLKCLKD DQ QQ QPRPRCLRCLR(3)(3)改进：加上同步时钟信号改进：加上同步时钟信号CLKCLK、边沿触发、加上预置和清除端。符号如下：、边沿触发、加上预置和清除端。符号如下：正边沿触发正边沿触发 负边沿触发负边沿触发 低电平预置和清除低电平预置和清除2.2.3 JK2.2.3 JK触发器触发器(1)(1)电路结构：见下图。电路结构：见下图。第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路(2)(2)功能描述：功能描述：J K Q J K Q 动作动作 0 0 0 0 保持原状保持原状 自锁状态自锁状态 0 1 0 0 1 0 复位复位 1 0 1 1 0 1 置位置位 1 1 1 1 原状态的反码原状态的反码 翻转翻转JKJK触发器的符号如下：触发器的符号如下：CLKCLKJ JQ QQ QPRPRCLRCLRK K2.3 2.3 寄存器寄存器寄存器（寄存器（RegisterRegister）是由）是由触发器组成的一种存储装置。触发器组成的一种存储装置。特点：用于暂存数据。特点：用于暂存数据。不同于存储器，数量少，速度快。不同于存储器，数量少，速度快。分类：缓冲寄存器（分类：缓冲寄存器（Buffer RegisterBuffer Register）：）：暂存数据。暂存数据。移位寄存器移位寄存器(Shift Register)(Shift Register)：除存储功能外，还具有移位功能。除存储功能外，还具有移位功能。计数器计数器(Counter)(Counter)：除存储功能外，还具有计数功能。除存储功能外，还具有计数功能。累加器累加器(Accumulator)(Accumulator)：用于暂存用于暂存ALUALU的计算结果。的计算结果。2.3.1 2.3.1 缓冲寄存器缓冲寄存器 由边沿触发的由边沿触发的D D触发器组成。例如：触发器组成。例如：第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路X0X0Y0Y0D0D0Q0Q0X1X1Y1Y1D1D1Q1Q1X2X2Y2Y2D2D2Q2Q2X3X3Y3Y3D3D3Q3Q3CLKCLKCLRCLR2.3.1 2.3.1 缓冲寄存器缓冲寄存器 可控缓冲寄存器：每个可控缓冲寄存器：每个D D触发器增加一个装入控制门触发器增加一个装入控制门LOADLOAD，见下图。，见下图。Y0Y0CLKCLKCLRCLRX0X0D0D0Q0Q0X1X1D0D0Q0Q0X2X2D0D0Q0Q0X3X3D0D0Q0Q0Y1Y1Y2Y2Y3Y3LOADLOAD11&11&11&11&装入控制门装入控制门第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.3.2 2.3.2 移位寄存器移位寄存器(1)(1)功能：将其所存储的数据进行移位操作。移位操作的类型：功能：将其所存储的数据进行移位操作。移位操作的类型：逻辑左移逻辑左移 逻辑移位逻辑移位 逻辑右移逻辑右移 移位操作移位操作 循环左移循环左移 循环右移循环右移 算术移位算术移位 算术左移算术左移 算术右移算术右移(2)(2)电路结构：由电路结构：由D D触发器串联在一起形成。例：触发器串联在一起形成。例：4 4位左移寄存器电路图：位左移寄存器电路图：第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路DinDinD0D0Q0Q0D1D1Q1Q1D2D2Q2Q2D3D3Q3Q3CLKCLKCLRCLR(3)(3)可控移位寄存器：增加装入控制门可控移位寄存器：增加装入控制门LOADLOAD等控制电路。等控制电路。2.3.3 2.3.3 计数器计数器(1)(1)行波计数器（行波计数器（Travelling wave counterTravelling wave counter）第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路计数规律：计数规律：0000 0001 0010 0011 1110 1111 00000000 0001 0010 0011 1110 1111 0000(2)(2)可控行波计数器可控行波计数器:(3)(3)同步计数器（同步计数器（synchronous countersynchronous counter）解决行波计数器翻转速度慢的缺点解决行波计数器翻转速度慢的缺点第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路(4)(4)环形计数器（环形计数器（ring counterring counter）特点：只有特点：只有1 1位为位为1 1，其它位为，其它位为0 0，11在计数器中流动在计数器中流动计数规律：计数规律：0001 0010 0100 1000 0001 0010 0100 1000 0001 0010 0100 1000 0001 0010 0100 1000 CLKCLK第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路(5)(5)程序计数器（程序计数器（Program Counter,Program Counter,简称简称PCPC）用于存储计算机下一条要执行的指令的地址，可以从用于存储计算机下一条要执行的指令的地址，可以从0 0开始计数开始计数(每次加每次加1 1或或加一个固定的数加一个固定的数)，以支持程序的顺序执行；也可以将外部数据装入其中，以，以支持程序的顺序执行；也可以将外部数据装入其中，以支持程序跳转操作。支持程序跳转操作。2.3.4 2.3.4 累加器（累加器（Accumulator)Accumulator)用于暂存用于暂存ALUALU的运算结果的运算结果,能装能装入及输出数据、左移、右移。入及输出数据、左移、右移。见右图。见右图。第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.4 2.4 三态输出电路三态输出电路三态门是构成总线部件不可缺少的电路元件，其作用是可以使多个输入、三态门是构成总线部件不可缺少的电路元件，其作用是可以使多个输入、输出信号共享一条信号传输线，从而达到节省线路的目的。输出信号共享一条信号传输线，从而达到节省线路的目的。(1)(1)三态输出电路：见右图。三态输出电路：见右图。(2)(2)工作原理：工作原理：E A B E A B 0 0 0 0 高阻高阻 0 1 0 1 高阻高阻 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1即：即：E=0E=0时，时，A A、B B之间断开，之间断开，E=1 E=1时，时，A A、B B之间导通。之间导通。三态门符号见右下图。三态门符号见右下图。注意：用两个三态门可以构成双向注意：用两个三态门可以构成双向三态输出电路，见教材三态输出电路，见教材P29P29。三态门简称三态门简称E E门，装入门简称门，装入门简称L L门。门。三态指三态指0 0、1 1以及高阻态以及高阻态第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.5 2.5 总线结构总线结构(1)(1)总线结构原理图：总线结构原理图：C CD DA AB BCLKCLKCLKCLKCLKCLKCLKCLKL LA AE EA AL LB BE EB BL LC CE EC CL LD DE ED DW W3 3W W2 2W W1 1W W0 0第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.5 2.5 总线结构总线结构(2)(2)控制字：将各个寄存器的装入控制门控制字：将各个寄存器的装入控制门(L(L门门)和三态门和三态门(E(E门门)的控制信号排的控制信号排成一列，称为控制字成一列，称为控制字CONCON。如上图，其控制字为：。如上图，其控制字为：CON=L CON=LA AE EA AL LB BE EB BL LC CE EC CL LD DE ED D控制字的作用：控制字用于多个寄存器中任意两个寄存器之间利用公共总控制字的作用：控制字用于多个寄存器中任意两个寄存器之间利用公共总线进行信息传输。为了保证信息传输的正确性，控制字的取值必须符合一定线进行信息传输。为了保证信息传输的正确性，控制字的取值必须符合一定的规则。如在某一时钟节拍内，只能有一个寄存器的的规则。如在某一时钟节拍内，只能有一个寄存器的E E门打开，否则就会产门打开，否则就会产生冲突。生冲突。例：例：控制字控制字CON CON 信息流通信息流通 L LA A E EA A L LB B E EB B L LC C E EC C L LD D E ED D 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 数据由数据由B AB A 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 数据由数据由A BA B 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 数据由数据由A CA C 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 数据由数据由A DA D 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 数据由数据由D BD B 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 数据由数据由C AC A控制字将由控制器发出并送到各个寄存器上去。控制字将由控制器发出并送到各个寄存器上去。第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(1)(1)基本概念：基本概念：存储器是计算机中用于存储存储器是计算机中用于存储程序程序和和数据数据的装置。的装置。存储器由许多存储器由许多存储单元存储单元组成，每个存储单元所存储组成，每个存储单元所存储的内容称为一个的内容称为一个字字(word)(word)，一个字由若干一个字由若干位位(bit)(bit)构成，构成，8 8个个bitbit称为一个称为一个字节字节(byte)(byte)。为了能够准确地访问到为了能够准确地访问到所需要的存储单元，必须为每个存储单元分配一个所需要的存储单元，必须为每个存储单元分配一个地地址址(address(address,相当于门牌号码相当于门牌号码)。地址是二进制代码，。地址是二进制代码，n n位地址码可以表示位地址码可以表示2 2n n个地址个地址，即，即n n根地址线可以译出根地址线可以译出2 2n n个地址号。个地址号。m m个存储单元、每个存储单元个存储单元、每个存储单元n n位的存储器通常表示位的存储器通常表示为为mnmn的存储器。例如：的存储器。例如：168168存储器表示有存储器表示有1616个存储个存储单元，每个存储单元单元，每个存储单元8 8位，它有位，它有4 4条地址线，条地址线，8 8条数据线。条数据线。第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(2)(2)存储器的结构存储器的结构:单个寄存器接到总线示单个寄存器接到总线示意图意图:第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(2)(2)存储器的结构存储器的结构:寄存器组接到总线示意图。问题：控制线太多，如何改寄存器组接到总线示意图。问题：控制线太多，如何改进？进？第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(2)(2)存储器的结构存储器的结构:改进改进1 1：将：将L,EL,E改为改为W/RW/R和和CSCS，改进，改进2 2：采用译码器，：采用译码器，在任一时刻只选中一个寄存器。在任一时刻只选中一个寄存器。第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(2)(2)存储器的结构存储器的结构:问题：译码器的输出线太多，怎么办？问题：译码器的输出线太多，怎么办？改进改进3 3：采用行列译码，使用存储矩阵！：采用行列译码，使用存储矩阵！这样，行线、列线数目明显减少，在交叉点处放置存储单元。这样，行线、列线数目明显减少，在交叉点处放置存储单元。第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(2)(2)存储器的结构存储器的结构:存储器的外框图：存储器的外框图：第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(3)(3)存储器的分类存储器的分类:半半导导体体存存储储器器(Simiconductor Memory)只读存储器只读存储器ROM（Read Only Memory)随机存取存储器随机存取存储器RAM(Random Access Memory)掩膜掩膜ROM可编程可编程ROM(一次性一次性)光擦可编程光擦可编程EPROM电擦可编程电擦可编程EEPROM双极型双极型RAMMOS型型RAM静态静态(Static)动态动态(Dynamic)第第2 2章章 微机的基本组成电路微机的基本组成电路2.6 2.6 存储器存储器(Memory)(Memory)(4)(4)存储器与总线的连接存储器与总线的连接:MAR:MAR、MDRMDR的作用：缓存地址和数据。的作用：缓存地址和数据。
