第二講 微型計(jì)算機(jī)的基本組成電路

1、第二講第二講 微型計(jì)算機(jī)的基本組成電微型計(jì)算機(jī)的基本組成電路路曾鐵軍主要內(nèi)容主要內(nèi)容123456算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元123456觸發(fā)器觸發(fā)器RS觸發(fā)器觸發(fā)器問(wèn)題之一：多個(gè)問(wèn)題之一：多個(gè)RS觸發(fā)器之間的同步觸發(fā)器之間的同步D觸發(fā)器觸發(fā)器（解決不定狀態(tài)）（解決不定狀態(tài)）多個(gè)多個(gè)D觸發(fā)器之間的同步觸發(fā)器之間的同步觸發(fā)器的預(yù)置和清除觸發(fā)器的預(yù)置和清除在一些電路中，有時(shí)需要預(yù)先給某個(gè)觸發(fā)器置位在一些電路中，有時(shí)需要預(yù)先給某個(gè)觸發(fā)器置位(即置即置1)或清除或清除(即置即置0)，而與時(shí)標(biāo)脈沖以及，而與時(shí)標(biāo)脈沖以及D輸入端信號(hào)無(wú)關(guān)，輸入端信號(hào)無(wú)關(guān)，這就是所謂預(yù)置和清除。這就是所謂預(yù)置和清除。JK觸發(fā)器觸發(fā)

2、器 計(jì)數(shù)：對(duì)什么計(jì)數(shù)（時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)：對(duì)什么計(jì)數(shù)（時(shí)標(biāo)CLK，與，與J、K無(wú)關(guān)）無(wú)關(guān)） JK觸發(fā)器是理想的計(jì)數(shù)器觸發(fā)器是理想的計(jì)數(shù)器 注意：圖注意：圖2.10中中RS觸發(fā)器是由兩個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器是由兩個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)JK觸發(fā)器動(dòng)作行為分析觸發(fā)器動(dòng)作行為分析123456寄存器寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器 作用：作用：暫存某個(gè)數(shù)據(jù)，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間節(jié)拍和給定暫存某個(gè)數(shù)據(jù)，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間節(jié)拍和給定的計(jì)算步驟將數(shù)據(jù)輸入或輸出到其它記憶元件中去。的計(jì)算步驟將數(shù)據(jù)輸入或輸出到其它記憶元件中去。下圖位一個(gè)四位寄存器電路原理圖下圖位一個(gè)四位寄存器電路原理圖：如果某一位在時(shí)間節(jié)拍到時(shí)不想輸出怎么辦？如果某一位在時(shí)間節(jié)拍

3、到時(shí)不想輸出怎么辦？解決問(wèn)題：解決問(wèn)題：可控緩沖寄存器可控緩沖寄存器LOAD高電平時(shí)使數(shù)高電平時(shí)使數(shù)據(jù)裝入，低電平時(shí)，據(jù)裝入，低電平時(shí)，數(shù)據(jù)自鎖在其中。數(shù)據(jù)自鎖在其中?？煽鼐彌_寄存器的符號(hào)可控緩沖寄存器的符號(hào)LOAD為其控制門為其控制門CLR為高電平時(shí)則可用以清除，使其中各位變?yōu)闉楦唠娖綍r(shí)則可用以清除，使其中各位變?yōu)?移位寄存器移位寄存器可控移位寄存器的符號(hào)可控移位寄存器的符號(hào)SHL左移左移SHR右移右移計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器行波計(jì)數(shù)器行波計(jì)數(shù)器 J，K輸入端都是懸浮的輸入端都是懸浮的 各位的各位的JK觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端都串有一個(gè)反相門觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端都串有一個(gè)反相門(非門非門,為什么加這個(gè)門

4、為什么加這個(gè)門) CLR由高電位變至低電位，則計(jì)數(shù)器全部清除由高電位變至低電位，則計(jì)數(shù)器全部清除能不能在能不能在CLK下降沿到達(dá)時(shí)某個(gè)觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)？下降沿到達(dá)時(shí)某個(gè)觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)？可控計(jì)數(shù)器可控計(jì)數(shù)器環(huán)形計(jì)數(shù)器環(huán)形計(jì)數(shù)器 不是用來(lái)計(jì)數(shù)用，而是用來(lái)發(fā)出順序控制信號(hào)的不是用來(lái)計(jì)數(shù)用，而是用來(lái)發(fā)出順序控制信號(hào)的 由若干個(gè)觸發(fā)器組成的由若干個(gè)觸發(fā)器組成的 有唯一的一個(gè)位為高電位，即只有一位為有唯一的一個(gè)位為高電位，即只有一位為1，其他各位為，其他各位為0程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 是一個(gè)行波計(jì)數(shù)器是一個(gè)行波計(jì)數(shù)器(也可用同步也可用同步計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器) 不但可以從不但可以從0開始計(jì)數(shù)，也可以開始計(jì)數(shù)，也可以將外來(lái)

5、的數(shù)裝入其中，將外來(lái)的數(shù)裝入其中， 一個(gè)一個(gè)COUNT輸入端，也要有一輸入端，也要有一個(gè)個(gè)LOAD門門 程序計(jì)數(shù)器的符號(hào)程序計(jì)數(shù)器的符號(hào)累加器累加器 累加器也是一個(gè)由多個(gè)觸發(fā)累加器也是一個(gè)由多個(gè)觸發(fā)器組成的多位寄存器，它不器組成的多位寄存器，它不進(jìn)行加法運(yùn)算，而是作為進(jìn)行加法運(yùn)算，而是作為ALU運(yùn)算過(guò)程的代數(shù)和的臨運(yùn)算過(guò)程的代數(shù)和的臨時(shí)存儲(chǔ)處。時(shí)存儲(chǔ)處。 累加器除了能裝入及輸出數(shù)累加器除了能裝入及輸出數(shù)據(jù)外，還能使存儲(chǔ)其中的數(shù)據(jù)外，還能使存儲(chǔ)其中的數(shù)據(jù)左移或右移，所以它又是據(jù)左移或右移，所以它又是一種移位寄存器。一種移位寄存器。123456三態(tài)輸出門三態(tài)輸出門123456總線總線 設(shè)有設(shè)有A，

6、B，C和和D 4個(gè)寄個(gè)寄存器，它們都有存器，它們都有L門和門和E門，門，其符號(hào)分別附以其符號(hào)分別附以A，B，C和和D的下標(biāo)。它們的數(shù)據(jù)位的下標(biāo)。它們的數(shù)據(jù)位數(shù)，設(shè)有數(shù)，設(shè)有4位，這樣只要有位，這樣只要有4條數(shù)據(jù)線即可溝通它們之條數(shù)據(jù)線即可溝通它們之間的信息來(lái)往。間的信息來(lái)往。 L門：控制輸入門：控制輸入 E門：控制輸出門：控制輸出123456存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器2.6.1 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器 這是用以存放固定這是用以存放固定程序的存儲(chǔ)器，一程序的存儲(chǔ)器，一旦程序存放進(jìn)去之旦程序存放進(jìn)去之后，即不可改變。后，即不可改變。也就是說(shuō)，不能再也就是說(shuō)，不能再“寫寫”入新的字節(jié)，入新的字節(jié)，而只能從中而只能從

7、中“讀讀”出其所存儲(chǔ)的內(nèi)容，出其所存儲(chǔ)的內(nèi)容，因此稱為只讀存儲(chǔ)因此稱為只讀存儲(chǔ)器。器。 下圖是下圖是8個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)4位位(即半個(gè)字節(jié)即半個(gè)字節(jié))，所以寫成，所以寫成84ROM。 (b)為通用寫法，為通用寫法，mnROM意即為意即為m個(gè)存?zhèn)€存儲(chǔ)單元，其中每個(gè)為儲(chǔ)單元，其中每個(gè)為n位。位。 存儲(chǔ)地址寄存器存儲(chǔ)地址寄存器(memory address register,MAR)：將所要：將所要尋找的存儲(chǔ)單元的地址暫存尋找的存儲(chǔ)單元的地址暫存下來(lái)，以備下一條指令之用。下來(lái)，以備下一條指令之用。 存儲(chǔ)地址寄存器也是一個(gè)可存儲(chǔ)地址寄存器也是一個(gè)可控緩沖寄存器，它具有控緩沖寄存器，它具有

8、L門門以控制地址的輸入。它和存以控制地址的輸入。它和存儲(chǔ)器的聯(lián)系是雙態(tài)的，即地儲(chǔ)器的聯(lián)系是雙態(tài)的，即地址一進(jìn)入址一進(jìn)入MAR就立即被送就立即被送到存儲(chǔ)器去，如圖所示。到存儲(chǔ)器去，如圖所示。【例例2.1】程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC，存儲(chǔ)地址寄存器，存儲(chǔ)地址寄存器MAR和和ROM通通過(guò)總線的聯(lián)系如圖所示。過(guò)總線的聯(lián)系如圖所示。開機(jī)時(shí)，先令開機(jī)時(shí)，先令CLR=1，則，則PC=0000(1) 第第1個(gè)控制字是：個(gè)控制字是：CPEPLMER=0110即即EP=1，PC準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)；準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)；LM=1，MAR準(zhǔn)備裝入數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備裝入數(shù)據(jù)。在在CLK正前沿到達(dá)時(shí)，正前沿到達(dá)時(shí)，CLK=1，MAR=PC=00

9、00， PC的數(shù)據(jù)裝入的數(shù)據(jù)裝入MAR，同時(shí)，同時(shí)MAR立即指向立即指向ROM的第一的第一地址，即選中了地址，即選中了ROM中的中的R0存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)單元。(2) 第第2個(gè)控制字是：個(gè)控制字是：CPEPLMER=0001 即即ER=1，令，令ROM放出數(shù)據(jù)。放出數(shù)據(jù)。 當(dāng)當(dāng)ER為高電位，為高電位，R0中的中的8位位數(shù)據(jù)就被送入到數(shù)據(jù)就被送入到W總線上去?？偩€上去。這樣的動(dòng)作，不需等待時(shí)鐘這樣的動(dòng)作，不需等待時(shí)鐘脈沖的同步訊號(hào)，因而稱為脈沖的同步訊號(hào)，因而稱為異步異步動(dòng)作。動(dòng)作。(3) 第第3個(gè)控制字是：個(gè)控制字是：CPEPLMER=1000即即CP=1，這是命令，這是命令PC加加1，所以所以P

10、C=0001。這是在取數(shù)周期完了時(shí)，要求這是在取數(shù)周期完了時(shí)，要求PC進(jìn)一步，以便為下一條指進(jìn)一步，以便為下一條指令準(zhǔn)備條件。令準(zhǔn)備條件。隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM的符號(hào)的符號(hào) A地址線；地址線；DIN要寫入的數(shù)據(jù)；要寫入的數(shù)據(jù)；DOUT要讀出的要讀出的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)；ME選通此選通此RAM的的E門；門； WE 數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)讀寫控制。寫控制。 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器(memory data register，MDR) 將要寫將要寫入入RAM中去的數(shù)據(jù)暫存寄中去的數(shù)據(jù)暫存寄MDR中，以等待控制器發(fā)中，以等待控制器發(fā)出出WE=1的命令到來(lái)時(shí)，的命令到來(lái)時(shí)，才能寫入才能寫入RAM中去。中去。

11、MDR和和MAR以及以及RAM的的聯(lián)系如圖所示。聯(lián)系如圖所示?！纠?.2】一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的一部分如圖一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的一部分如圖2.36所示，其工作所示，其工作程序分析如圖。程序分析如圖。這一部分系統(tǒng)圖是用來(lái)分析將數(shù)據(jù)這一部分系統(tǒng)圖是用來(lái)分析將數(shù)據(jù)I0裝入到裝入到RAM中去的過(guò)程中去的過(guò)程的。設(shè)要寫入到的。設(shè)要寫入到RAM中去的數(shù)據(jù)為：中去的數(shù)據(jù)為：I0=110000011001(共共12位位)這部分的控制字為：這部分的控制字為：CON=CPEPLMWE MELDLIEI(共共8位位)已設(shè)計(jì)好的控制字的次序如下：已設(shè)計(jì)好的控制字的次序如下：CON1=01100000(6016)CON2=000

12、00010(0216)CON3=00000101(0516)CON4=00011000(1816)CON5=10000000(8016) PC MAR CLR已經(jīng)接受過(guò)高電位，已經(jīng)接受過(guò)高電位，PC=00000000 當(dāng)當(dāng)CLK的前沿一到時(shí)：的前沿一到時(shí)：MAR=PC=00000000這是指出存儲(chǔ)器這是指出存儲(chǔ)器RAM中第一中第一個(gè)存儲(chǔ)單元個(gè)存儲(chǔ)單元R0的地址。的地址。 LI=1，為輸入寄存器作好，為輸入寄存器作好準(zhǔn)備，以便輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，以便輸入數(shù)據(jù)I0。 當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?個(gè)個(gè)CLK的前沿到達(dá)時(shí)，的前沿到達(dá)時(shí)，I=I0=110000011001 (C1916) LD=1，MDR準(zhǔn)備接受數(shù)準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)

13、；據(jù)； EI=1，I準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)。 當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?個(gè)個(gè)CLK的前沿到達(dá)時(shí)，的前沿到達(dá)時(shí)，MDR=I=I0=110000011001 WE=1且且ME=1，RAM開開始始“寫入寫入”的動(dòng)作。的動(dòng)作。 RAM是異步工作的是異步工作的 WE=1及及ME=1時(shí)，時(shí)，RAM中的第一個(gè)存儲(chǔ)單元中的第一個(gè)存儲(chǔ)單元R0即即接受來(lái)自暫存于接受來(lái)自暫存于MDR的數(shù)的數(shù)據(jù)據(jù)I0，即，即 R0=MDR=I0 =110000011001 CP=1 PC加加1的指令。的指令。 在第在第4個(gè)個(gè)CLK的前沿到達(dá)時(shí)，的前沿到達(dá)時(shí)， PC=00000001(0116) 即即R0=I0作業(yè)作業(yè)2.1 ALU是什么部件是什么部件?它能完成什么運(yùn)算功能它能完成什么運(yùn)算功能?試畫出其符試畫出其符號(hào)。號(hào)。2.2 觸發(fā)器、寄存器及存儲(chǔ)器之間有什么關(guān)系觸發(fā)器、寄存器及存儲(chǔ)器之間有什么關(guān)系?請(qǐng)畫出這幾請(qǐng)畫出這幾種器件的符號(hào)。種器件的符號(hào)。2.3 試述下列器件的功能，并畫出它們的符號(hào)：可控計(jì)數(shù)器、試述下列器件的功能，并畫出它們