微機原理與單片機應用2(2)

1、第,2,章,微機的基本組成電路,任何一個復雜的電路系統(tǒng)都可以分解為一些相對簡單的電路，或者說復雜,電路系統(tǒng)可以由多個簡單電路搭建而成。構成復雜電路系統(tǒng)的簡單電路稱為,該復雜電路系統(tǒng)的組成電路模塊或電路部件。本章將對構成微型計算機電路,系統(tǒng)的一些基本的、典型的電路模塊的原理與功能作一簡單介紹，主要包括,算術邏輯單元、觸發(fā)器、寄存器、存儲器及總線結構等，同時給出數(shù)據(jù)在這,些電路部件之間的流通過程以及“控制字”的概念。,2.1,算術邏輯單元,算術邏輯單元,(Arithmetic Logical Unit,簡稱,ALU),，用于實現(xiàn)算術與邏輯,運算，包括加、減、乘、除等算術運算和與、或、非、異或、同或

2、等邏輯運,算。其符號表示如下：,其中，,A,、,B,為參與運算的兩個輸,入數(shù)據(jù)，,Control,為控制信號，,S,為,輸出的運算結果。,第,2,章,微機的基本組成電路,2.2,觸發(fā)器,觸發(fā)器,(Trigger),是構成寄存器和存儲器的基本單元，是計算機的記憶細胞,。,2.2.1 RS,觸發(fā)器,(1),電路結構：由兩個交叉耦合的,“與非”或“或非”門組成，,2,個輸出分,別為,Q,和,/Q,，兩路輸入分別為,R,和,S,。如下圖所示：,(2),功能描述：當,S=1,且,R=0,時，,Q=1,，,/Q=0,，稱為置位，在,S,變?yōu)?0,后，,Q,和,/Q,將保持不變。當,S=0,且,R=1,時，

3、,Q=0,，,/Q=1,，稱為復位，在,R,變?yōu)?0,后，,Q,和,/Q,將保持不變。當,S=0,且,R=0,時，保持原狀態(tài)不變。當,S=1,且,R=1,時，狀態(tài)不定。,(3),符號：見右圖。,(4),帶時標的,RS,觸發(fā)器（同步,RS,觸發(fā)器,),電,路圖見教材,P19,圖,2-4,。,此圖中的,CLK,即為時標脈沖。它與置位信號脈沖,S,同時加,到一個與門的兩個輸入端；而與復位信號脈沖同時加到另一個,與門的兩個輸入端。這樣，無論是置位還是復位，都必須在時,標脈沖端為高電位時才能進行。,第,2,章,微機的基本組成電路,2.2.2 D,觸發(fā)器,(1),電路結構：見右圖：,(2),功能描述：,當

4、,D=1,時，,Q=1,、,/Q=0,，,D=0,時，,Q=0,、,/Q=1,。,即,Q=D,第,2,章,微機的基本組成電路,2.2.2 D,觸發(fā)器,(3),改進：加上同步時鐘信號,CLK,、邊沿觸發(fā)、加上預置和清除端。符號如下：,正邊沿觸發(fā),D,PR,Q,CL,Q,R,負邊沿觸發(fā),低電平預置和清除,D,PR,Q,CL,Q,R,D,CL,K,PR,CL,K,CL,K,CL,R,Q,Q,第,2,章,微機的基本組成電路,2.2.3 JK,(1),電路結構：見下圖。,觸發(fā)器,(2),功能描述：,J K Q,動作,0 0,保持原狀,自鎖狀態(tài),0 1 0,復位,1 0 1,置位,1 1,原狀態(tài)的反碼,翻

5、轉,JK,觸發(fā)器是結成計數(shù)器的理想記憶元件,JK,觸發(fā)器的符號如下：,J,CL,PR,Q,K,K,CL,R,Q,第,2,章,微機的基本組成電路,2.3,寄存器,?,寄存器（,Register,）是由觸發(fā)器組成的一種存儲裝置。,?,特點：用于暫存數(shù)據(jù)。,不同于存儲器，數(shù)量少，速度快。,?,分類：緩沖寄存器（,Buffer Register,）：暫存數(shù)據(jù)。,移位寄存器,(Shift Register),：除存儲功能外，還具有移位功能。,計數(shù)器,(Counter),：除存儲功能外，還具有計數(shù)功能。,累加器,(Accumulator),：用于暫存,ALU,的計算結果。,2.3.1,緩沖寄存器,由邊沿觸

6、發(fā)的,D,觸發(fā)器組成。例如：,Y3,Q,3,D,3,X3,Y2,Q,2,D,2,X2,Y1,Q,1,D,1,X1,Y0,Q,0,D,0,CL,K,CL,R,X0,第,2,章,微機的基本組成電路,2.3.1,緩沖寄存器,可控緩沖寄存器：每個,D,觸發(fā)器增加一個裝入控制門,LOAD,，見下圖。,裝入控制門,Y3,X3,Y2,X2,Y1,X1,Y0,X0,&,&,&,&,&,&,&,&,LOA,D,1,1,1,1,Q,0,D,0,Q,0,D,0,Q,0,D,0,Q,0,D,0,CL,K,CL,R,第,2,章,微機的基本組成電路,2.3.2,移位寄存器,(1),功能：將其所存儲的數(shù)據(jù)進行移位操作。移位

7、操作的類型：,邏輯左移,邏輯移位,邏輯右移,移位操作,循環(huán)左移,循環(huán)右移,算術移位,算術左移,算術右移,(2),電路結構：由,D,觸發(fā)器串聯(lián)在一起形成。例：,4,位左移寄存器電路圖：,Q,3,D,3,Q,2,D,2,Q,1,D,1,Q,0,D,0,Din,(3),可控移位寄存器：增加裝入控制門,LOAD,等控制電路。,CL,K,CL,R,第,2,章,微機的基本組成電路,2.3.3,計數(shù)器,(1),行波計數(shù)器（,Travelling wave counter,）,?,計數(shù)規(guī)律：,0000 0001 0010 0011,1110 1111 0000,(2),可控行波計數(shù)器,:,(3),同步計數(shù)器（

8、,synchronous counter,）,解決行波計數(shù)器翻轉速度慢的缺點,第,2,章,微機的基本組成電路,(4),環(huán)形計數(shù)器（,ring counter,）,特點：只有,1,位為,1,，其它位為,0,，,1,在計數(shù)器中流動,CL,K,CLR,?,計數(shù)規(guī)律：,0001 0010 0100 1000 0001 0010 0100 1000,第,2,章,微機的基本組成電路,(5),程序計數(shù)器（,Program Counter,簡稱,PC,）,?,也是一個行波計數(shù)器（也可用同步計數(shù)器），用于存儲計算機下一條要執(zhí)行,的指令的地址，可以從,0,開始計數(shù),(,每次加,1,或加一個固定的數(shù),),，以支持程

9、序的,順序執(zhí)行；也可以將外部數(shù)據(jù)裝入其中，以支持程序跳轉操作。,2.3.4,累加器（,Accumulator),?,用于暫存,ALU,的運算結果,能,裝入及輸出數(shù)據(jù)、左移、右移。,見右圖。,2.4,三態(tài)輸出電路,第,2,章,微機的基本組成電路,?,三態(tài)門是構成總線部件不可缺少的電路元件，其作用是可以使多個輸入、,輸出信號共享一條信號傳輸線，從而達到節(jié)省線路的目的。,(1),三態(tài)輸出電路：見右圖。,(2),工作原理：,E A B,0 0,高阻,0 1,高阻,1 0 0,1 1 1,即：,E=0,時，,A,、,B,之間斷開，,E=1,時，,A,、,B,之間導通。,三態(tài)門符號見右下圖。,注意：用兩個

10、三態(tài)門可以構成雙向,三態(tài)輸出電路，見教材,P29,。,三態(tài)門簡稱,E,門，裝入門簡稱,L,門。,三態(tài)指,以及高阻態(tài),0,、,1,2.5,總線結構,第,2,章,微機的基本組成電路,W,W,W,W,3,2,1,0,(1),總線結構原理圖：,L,A,CLK,E,A,A,C,L,C,CLK,E,C,L,B,CLK,E,B,B,D,L,D,CLK,E,D,2.5,總線結構,第,2,章,微機的基本組成電路,CON=L,A,E,A,L,B,E,B,L,C,E,C,L,D,E,D,(2),控制字：將各個寄存器的裝入控制門,(L,門,),和三態(tài)門,(E,門,),的控制信號排成,一列，稱為控制字,CON,。如上圖

11、，其控制字為：,?,控制字的作用：控制字用于多個寄存器中任意兩個寄存器之間利用公共總,線進行信息傳輸。為了保證信息傳輸?shù)恼_性，控制字的取值必須符合一定,的規(guī)則。如在某一時鐘節(jié)拍內，只能有一個寄存器的,E,門打開，否則就會產(chǎn),生沖突。,?,例：,控制字,CON,信息流通,L,A,E,A,L,B,E,B,L,C,E,C,L,D,E,D,1 0 0 1 0 0 0 0,數(shù)據(jù)由,B A,0 1 1 0 0 0 0 0,數(shù)據(jù)由,A B,0 1 0 0 1 0 0 0,數(shù)據(jù)由,A C,0 1 0 0 0 0 1 0,數(shù)據(jù)由,A D,0 0 1 0 0 0 0 1,數(shù)據(jù)由,D B,1 0 0 0 0 1

12、0 0,數(shù)據(jù)由,C A,?,控制字將由控制器發(fā)出并送到各個寄存器上去。,圖,2.28,第,2,章,微機的基本組成電路,2.6,存儲器,(Memory),(1),基本概念：,?,存儲器是計算機中用于存儲,程序,和,數(shù)據(jù),的裝置。,?,存儲器由許多,存儲單元,組成，每個存儲單元所存儲,的內容稱為一個,字,(word),，一個字由若干,位,(bit),構成，,8,個,bit,稱為一個,字節(jié),(byte),。為了能夠準確地訪問到,所需要的存儲單元，必須為每個存儲單元分配一個,地,址,(address,相當于門牌號碼,),。地址是二進制代碼，,n,位地址碼可以表示,2,n,個地址,，即,n,根地址線可以

13、譯出,2,n,個地址號。,?,m,個存儲單元、每個存儲單元,n,位的存儲器通常表示,為,m,n,的存儲器。例如：,16,8,存儲器表示有,16,個存,儲單元，每個存儲單元,8,位，它有,4,條地址線，,8,條數(shù),據(jù)線。,2.6,存儲器,第,(Memory),2,章,(2),存儲器的結構,:,單個寄存器接到總線示,意圖,:,微機的基本組成電路,2.6,存儲器,(Memory),第,2,章,微機的基本組成電路,(2),存儲器的結構,:,寄存器組接到總線示意圖。問題：控制線太多，如何改進？,2.6,存儲器,(Memory),第,2,章,微機的基本組成電路,(2),存儲器的結構,:,改進,1,：將,L

14、,E,改為,W/R,和,CS,，改進,2,：采用譯碼器，,在任一時刻只選中一個寄存器。,2.6,存儲器,(Memory),第,2,章,微機的基本組成電路,(2),存儲器的結構,:,問題：譯碼器的輸出線太多，怎么辦？,改進,3,：采用行列譯碼，使用存儲矩陣！,這樣，行線、列線數(shù)目明顯減少，在交叉點處放置存儲單元。,第,2,章,微機的基本組成電路,2.6,存儲器,(Memory),(2),存儲器的結構,:,存儲器的外框圖：,第,2,章,微機的基本組成電路,2.6,存儲器,(Memory),(3),存儲器的分類,:,半,導,體,存,儲,器,(Simiconductor,Memory),只讀存儲器,R

15、OM,掩膜,ROM,（,Read Only Memory),可編程,ROM(,一次性,),光擦可編程,EPROM,電擦可編程,EEPROM,雙極型,RAM,隨機存取存儲器,RAM,(Random Access Memory),靜態(tài),(Static),MOS,型,RAM,動態(tài),(Dynamic),圖,2.31,圖,2.32,【例,2.1,】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。,圖,2.33,設控制字依次是：,(1) C,P,E,P,L,M,E,R,=0110,(2) C,P,E,P,L,M,E,R,=0001,(3) C,P,E,P,L,M

16、,E,R,=1000,問：它們之間的信息是如何流通的,?,解：開機時，先令,CLR=1,，則,PC=0000,(1),第,1,個控制字是：,C,P,E,P,L,M,E,R,=0110,即,E,P,=1,，,PC,準備放出數(shù)據(jù)；,L,M,=1,，,MAR,準備裝入數(shù)據(jù)。,在,CLK,正前沿到達時，,CLK=1,，,MAR=PC=0000,，,PC,的,數(shù)據(jù)裝入,MAR,，同時,MAR,立即指向,ROM,的第一地址，即,選中了,ROM,中的,R,0,存儲單元。,(2),第,2,個控制字是：,C,P,E,P,L,M,E,R,=0001,即,E,R,=1,，令,ROM,放出數(shù)據(jù)。,也就是說，當,E,R

17、,為高電位，,R,0,中的,8,位數(shù)據(jù)就被送入,到,W,總線上去。這樣的動作，不需等待時鐘脈沖的同,步訊號，因而稱為異步動作。,(3),第,3,個控制字是：,C,P,E,P,L,M,E,R,=1000,即,C,P,=1,，這是命令,PC,加,1,，所以,PC=0001,。,這是在取數(shù)周期完了時，要求,PC,進一步，以便為下,一條指令準備條件。,圖,2.34 RAM,的符號,A,地址線；,D,IN,要寫入的數(shù)據(jù)；,D,OUT,要讀出的數(shù)據(jù)；,M,E,選通此,RAM,的,E,門。,W,E,及,M,E,的電位與,RAM,的操作和輸出端的聯(lián)系，也列,于圖,2.34,的表中。當,M,E,=0,時，此,R

18、AM,未選中，故,W,E,是什么,(0,或,1),都不能影響,RAM,的動作，并且其輸出端,是懸浮,(,高阻,),的。,只有在,M,E,=1,時，此,RAM,才被選中，才能再進一步去,確定其是讀出還是寫入。從圖,2.34,中的表可見。,W,E,=0,時，為數(shù)據(jù)讀出；,W,E,=1,時，為數(shù)據(jù)寫入。,存儲器數(shù)據(jù)寄存器,(,memory data register,，,MDR),也是,一個可控緩沖寄存器。它的作用是將要寫入,RAM,中,去的數(shù)據(jù)暫存寄,MDR,中，以等待控制器發(fā)出,WE=1,的,命令到來時，才能寫入,RAM,中去。,MDR,和,MAR,以及,RAM,的聯(lián)系如圖,2.35,所示。,因

19、為此,RAM,有,256,個存儲單元，即有,256,個地址號。,所以,MAR,必是,8,位的寄存器，才能給,8,條地址線送出,256,個地址碼。,因為,RAM,是,12,位的，所以,MDR,也必是,12,位的，才能,送出,12,條數(shù)據(jù)線到,RAM,去。,圖,2.35 MAR,，,MDR,與,RAM,的聯(lián)系,【例,2.2,】一個微型計算機的一部分如圖,2.36,所示，其工作程序分析,如圖。,這一部分系統(tǒng)圖是用來分析將數(shù)據(jù),I,0,裝入到,RAM,中去的過程的。設,要寫入到,RAM,中去的數(shù)據(jù)為：,I,0,=1100,0001,1001(,共,12,位,),這部分的控制字為：,CON=C,P,E,

20、P,L,M,W,E,M,E,L,D,L,I,E,I,(,共,8,位,),已設計好的控制字的次序如下：,CON,1,=0110,0000(60,16,),CON,2,=0000,0010(02,16,),CON,3,=0000,0101(05,16,),CON,4,=0001,1000(18,16,),CON,5,=1000,0000(80,16,),圖,2.36,問：經(jīng)過,CLR=1,之后，機器的動作順序和現(xiàn)象如何,?,解,(1),在,CON1,時,E,P,=1,L,M,=1,就是要將,PC,的內容裝到,MAR,中去，由于,CLR,已經(jīng)接,受過高電位，,PC,已被清零，,PC=0000,0000,所以當,CLK,的前沿一到時：,MAR=PC=