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文檔簡介

教學(xué)目的和要求 通過本章的學(xué)習(xí),使學(xué)生了解觸發(fā)器、寄存器的工作原理,了解總線結(jié)構(gòu),了解存儲器結(jié)構(gòu)及其工作原理。

第二章 微型計算機(jī)的基本組成電路

教學(xué)重點(diǎn)觸發(fā)器寄存器總線結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容 本章學(xué)習(xí)一些典型電路,為學(xué)習(xí)計算機(jī)原理奠定基礎(chǔ)。 常見的基本電路部件:算術(shù)邏輯單元(ArithmaticLogicalUnit,ALU)、觸發(fā)器(Trigger)、寄存器(Register)、存儲器(Memory)、總線結(jié)構(gòu)以及“控制字”的概念。 了解內(nèi)容:基本電路部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作 原理。2.1算術(shù)邏輯單元(ALU)

ALU是進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)四則運(yùn)算、布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算部件。其符號如圖2-1所示. ALUcontrolBAS圖2-1ALU的符號2.2 觸發(fā)器(Trigger)

觸發(fā)器是記憶裝置的基本單元,可以用觸發(fā)器組成寄存器,也可用觸發(fā)器組成存儲器。 本節(jié)將介紹的觸發(fā)器有:RS、D和JK觸發(fā)器。著重了解各類觸發(fā)器的特點(diǎn)及不同點(diǎn)。S=1,R=0時,Q=1(Q=0)稱為置位;S端稱為置位端S=0,R=1時,Q=0(Q=1)稱為復(fù)位;R端稱為復(fù)位端2.2.1 RS觸發(fā)器

RS觸發(fā)器可以用兩個與非門組成,如圖2-2所示。圖2-3是RS觸發(fā)器的符號.圖2-2 RS觸發(fā)器 圖2-3RS觸發(fā)器的符號SRQQQQSR&&2.2.2D觸發(fā)器

D觸發(fā)器只有一個輸入端,其原理如圖2-5所示.圖2-5 D觸發(fā)器DSQQ時標(biāo)D觸發(fā)器圖2-6 時標(biāo)D觸發(fā)器RSQQDCLKR&& 在正半周前沿,才有可能使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。觸發(fā)器電路如圖所示。DRSQQCLKARCA圖邊沿D觸發(fā)器邊沿D觸發(fā)器&&PRESET(預(yù)置)CLEAR(清零)CLKDSRQQ帶置位D觸發(fā)器如圖所示圖帶置位D觸發(fā)器&&≥1≥1

觸發(fā)器的符號圖2-9所示.DDDPRCLRQQCLKCLKQQPRCLRCLKQQCLRPR圖2-9正負(fù)邊緣的D觸發(fā)器符號2.2.3JK觸發(fā)器

JK觸發(fā)器是組成計數(shù)器的理想記憶元件,JK觸發(fā)器的電路原理如圖所示。RSQQJKCLK圖

JK觸發(fā)器電路原理圖

JK觸發(fā)器電路原理JKQ動作00保持不變自鎖狀態(tài)010復(fù)位101置位11原態(tài)的反碼翻轉(zhuǎn)JK觸發(fā)器的工作過程是:RSQQJKCLK2.3寄存器R

寄存器是由觸發(fā)器組成的。有許多寄存器,因其作用不同,給了其不同名字。常見的器有:緩沖R:用于暫存數(shù)據(jù)移位R:寄存器中的數(shù)據(jù)能夠向左或向右移。計數(shù)器:能夠累計時鐘脈沖數(shù)。累加器A:在計算機(jī)中,使用最多的一個寄存器。 下面分別介紹這些寄存器的工作原理。2.3.1緩沖R(BufferRegister)圖是一個4位緩沖寄存器的電路原理圖。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3CLKCLKCLKCLKCLKCLRX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3圖

4位緩沖寄存器的電路原理圖 可控緩沖寄存器是在緩沖寄存器的基礎(chǔ)上,在輸入端增加了一個“裝入門L”,其電路圖如圖所示。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X0X1X2X3L&CLR圖

可控緩沖寄存器≥1≥1≥1≥1CLK&&&&&&&D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X3 X2 X1 X0LCLKCLR圖2-14可控緩沖寄存器≥1≥1≥1≥1L門的作用:L為高電平時,數(shù)據(jù)可裝入;低電平時,數(shù)據(jù)自鎖在其中。

在講計算機(jī)原理時,經(jīng)常會用到L門。要記L門的作用??煽鼐彌_寄存器的符號如圖示。圖

可控緩沖寄存器的符號XLOADCLKCLRQ2.3.2移位R(ShiftingRegister) 移位寄存器能將輸入的數(shù)據(jù)在其內(nèi)部逐位向左或向右移動,移位寄存器原理圖如圖所示。D3D2D1D0DinQ3Q2Q1Q0CLK(a)左移寄存器(b)右移寄存器D3Q3D2Q2D1Q1D0Q0CLKDin2.3.3計數(shù)器(Counter) 計數(shù)器的特點(diǎn)是能把貯存在其中的數(shù)字加1。計數(shù)器的種類有很多:如,行波計數(shù)器、同步計數(shù)器、環(huán)形計數(shù)器和程序計數(shù)器等。(1)行波計數(shù)器(TravellingWaveCounter)

行波計數(shù)器電路原理圖如圖所示。J0K0J1K1J2K2J3K3Q3Q2Q1Q0CLKCLR圖

行波計數(shù)器電路原理CLRCLKQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3行波計數(shù)器波形圖 行波計數(shù)器的工作原理是在時鐘的邊緣到來時開始計數(shù),由右邊第一位開始,要一位一位的向前推進(jìn)。12345678KJ行波計數(shù)器實(shí)際上是一個加一計數(shù)器(2)環(huán)形計數(shù)器(RingCounter) 特點(diǎn):任一時刻,計數(shù)器的輸出,只有一位為高電平,其余各位都為低。環(huán)形計數(shù)器主要用來發(fā)出順序控制信號,環(huán)形計數(shù)器原理圖如下所示。Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0CLRCLRCLRPRCLRCLK圖環(huán)形計數(shù)器原理圖CLRCLKD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3PRCLRCLRCLRCLRCLKQ0Q1Q2Q3圖

環(huán)形計數(shù)器原理圖環(huán)形計數(shù)器工作波形圖CLKCLRQ5Q4Q3Q2Q1Q0環(huán)形計數(shù)器圖

環(huán)形計數(shù)器的符號(3)程序R(ProgramCounter) 程序計數(shù)器是一個可預(yù)置數(shù)行波計數(shù)。程序計數(shù)器的符號如圖所示。COUNT為計數(shù)端,LOAD為置數(shù)端,XYCOUNTCLKLOADCLR圖程序計數(shù)器符號PC2.3.4累加器(Accumulator) 累加器在CPU內(nèi)部,是一個非常重要的寄存器,其符號如圖所示。XYLOADCLKSHLSHRCLR圖累加器的符號2.4三態(tài)輸電路 三態(tài)門廣泛應(yīng)用于計算機(jī)內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)中。利用三態(tài)門,多個不同的單元的信息可以用一條傳輸線分時進(jìn)行傳輸。三態(tài)輸出電路如圖所示。E(ENABLE)ABVDD≥1≥1EAB00高阻01高阻100111圖 三態(tài)輸出電路 三態(tài)門符號如下圖所示。三態(tài)門符號(a)(b)L門:專管對寄存器的裝入數(shù)據(jù)的控制;E門:專管由寄存器輸出數(shù)據(jù)的控制;總線結(jié)構(gòu)的輸入/輸出采用了L門和E門的結(jié)構(gòu),使計算機(jī)的信息傳遞線路簡單化。EE2.5總線結(jié)構(gòu) 通過總線結(jié)構(gòu)示意圖,來說明不同單元之間的信息的交換過程。請看下圖總線結(jié)構(gòu)原理圖。ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA總線結(jié)構(gòu)框圖ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA圖總線結(jié)構(gòu)框圖控制字CON:將各寄存器的L門和E門按次序排成一行。 即:CON=LAEALBEBLCECLDED

為避免信息在公共總線W中亂竄,規(guī)定某一時鐘節(jié)拍(CLK為正半周),只有一個寄存器L門和另一個寄存器E門為高電位,其余各門則必須為低電位。ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA圖總線結(jié)構(gòu)框圖例:數(shù)據(jù)由A到B、數(shù)據(jù)由D到A、數(shù)據(jù)由C到B,求 它門的控制字解:①數(shù)據(jù)由A到B的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED =?=0110,0000ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA圖總線結(jié)構(gòu)框圖解:②數(shù)據(jù)由D到A的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED =?=1000,0001ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA圖總線結(jié)構(gòu)框圖解:③數(shù)據(jù)由C到B的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED =?=0010,01002.6 存儲器(MEMORY) 存儲器由寄存器組成,每個存儲單元相當(dāng)于一個緩沖寄存器。 每個存儲單元由若干位(BIT)組成,8位存儲單元稱為一個字節(jié)(BYTE),16位存儲單元稱為一個字(WORD)。 一個存儲器可以存放很多數(shù)據(jù),每個存儲單元都有一個固定地址。

地址線數(shù)n可編譯的地址號數(shù)24(22)8256(28)101024=1K(210)1664*1K=64K(216)201024*1K=1M(220)301024*1M=1G(230)表地址線與地址數(shù)對照表根據(jù)二進(jìn)制編碼原理,除地線共用之外,n根地址線可以譯成2n個地址號。例如,一個8×4存儲器如圖所示,其中“8”表示該存儲器的容量,即該存儲器有8個存儲單元?!?”表示每個存儲單元能存儲4位二進(jìn)制代碼。R0R1R2R3R4R5R6R7譯碼器A0A1A2D0D1D2D3圖8*4的存儲器R0R1R2R3R4R5R6R7譯碼器A0A1A2D0D1D2D3圖8*4的存儲器示意圖A2A1A0R000R0┅

111R7存儲器各單元地址 存儲器的通用表示方法:M×N例如:

256×8、1K×4、64K×8,等。

存儲器分為兩大類:只讀存儲器ROM)和隨機(jī)存取存儲器RAM(randomaccessmemory)。A0A1D0D1ER0R1R2R3譯碼器圖 只讀存儲器原理圖①一條橫線相當(dāng)于一個存儲單元,一條豎線相當(dāng)一位。②譯碼器的輸出,在任一時刻,只有一根線為高電平2.6.1ROM(readonlymemory)

ROM用來存儲程序數(shù)據(jù)。一旦程序數(shù)據(jù)寫入之后,不能改變。下圖是4*2ROM內(nèi)部電路原理圖。A0A1D0D1ER0R1R2R3譯碼器圖 只讀存儲器原理圖ROM的地址和數(shù)據(jù)RnA1A0D1D0R00010R10101R21011R31100

MAR(MemoryAddressregister ):是一個可控緩沖寄存器,它暫存被訪問存儲單元的地址,MAR與ROM的連接方法如圖所示。MARROMA3A2A1A0ERCLKLMD8圖 MAR和ROM的關(guān)系該存儲器如何表示?16×8ROM例題例: 程序計數(shù)器PC,存儲地址寄存器MAR和ROM通過總線的聯(lián)系如圖2-33所示,設(shè)控制字依次是(1)

CpEpLmER=0110(2)

CpEpLmER=0001(3)

CpEpLmER=1000問:它們之間的信息是如何流通的?PCCPEPLMERCLKCLRCLKMARROM4488W總線圖2-33取數(shù)周期的信號流通解:開機(jī)時,CLR=1,則PC=00001、CpEpLmER=01102、CpEpLmER=00013、CpEpLmER=1000注意:E一有效,該模塊中的數(shù)據(jù)就送到總線上。數(shù)據(jù)的輸出不需要時鐘的作用,稱為異步動作。2.6.2RAM(randomaccessmemory)

RAM稱讀寫存儲器,RAM的每一個存儲單元相當(dāng)于一個可控緩沖寄存器。

1、RAM的材料 用磁芯作為記憶元件,防止掉電失去記憶能力,體積較大。 用集成電路制成的記憶元件,容量大,體積小,但掉電失去記憶。2、靜態(tài)RAM及動態(tài)RAM

靜態(tài)RAM用觸發(fā)器保存信息,只要加電于觸發(fā)器,數(shù)據(jù)即可長期保留。 動態(tài)RAM用電容來保存信息。電容漏電,需要刷新。每隔2ms充電一次,須“刷新”電源。

3、RAM的符號RAM的符號如圖2-34所示M×NRAMMEAWEDME:片選信號WE=0:數(shù)據(jù)輸出WE=1:寫入數(shù)據(jù)D:數(shù)據(jù)輸入/輸出信號線A:地址信號線下面通過一個例題,來說明在計算機(jī)中的一些基本部件的作用及信息在各部件之間如何流通?

[例2.2]一個微型計算機(jī)的一部分如圖2-36所示,其工作程序分析如圖。 例題是利用已設(shè)計好的控制字,將數(shù)據(jù)IO裝入到RAM。設(shè)IO=1100,0001,1001(共12位) 這部分的控制字為:CON=CPEPLMWEMELDLIEI(共8位) 已設(shè)計好的控制

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