微機(jī)原理與單片機(jī)應(yīng)用2(2)

1、第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,任何一個(gè)復(fù)雜的電路系統(tǒng)都可以分解為一些相對(duì)簡(jiǎn)單的電路，或者說(shuō)復(fù)雜,電路系統(tǒng)可以由多個(gè)簡(jiǎn)單電路搭建而成。構(gòu)成復(fù)雜電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)單電路稱(chēng)為,該復(fù)雜電路系統(tǒng)的組成電路模塊或電路部件。本章將對(duì)構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單介紹，主要包括,算術(shù)邏輯單元、觸發(fā)器、寄存器、存儲(chǔ)器及總線(xiàn)結(jié)構(gòu)等，同時(shí)給出數(shù)據(jù)在這,些電路部件之間的流通過(guò)程以及“控制字”的概念。,2.1,算術(shù)邏輯單元,算術(shù)邏輯單元,(Arithmetic Logical Unit,簡(jiǎn)稱(chēng),ALU),，用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)與邏輯,運(yùn)算，包括加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和與、或、非、異或、同或

2、等邏輯運(yùn),算。其符號(hào)表示如下：,其中，,A,、,B,為參與運(yùn)算的兩個(gè)輸,入數(shù)據(jù)，,Control,為控制信號(hào)，,S,為,輸出的運(yùn)算結(jié)果。,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,2.2,觸發(fā)器,觸發(fā)器,(Trigger),是構(gòu)成寄存器和存儲(chǔ)器的基本單元，是計(jì)算機(jī)的記憶細(xì)胞,。,2.2.1 RS,觸發(fā)器,(1),電路結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)交叉耦合的,“與非”或“或非”門(mén)組成，,2,個(gè)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(dāng),S=1,且,R=0,時(shí)，,Q=1,，,/Q=0,，稱(chēng)為置位，在,S,變?yōu)?0,后，,Q,和,/Q,將保持不變。當(dāng),S=0,且,R=1,時(shí)，

3、,Q=0,，,/Q=1,，稱(chēng)為復(fù)位，在,R,變?yōu)?0,后，,Q,和,/Q,將保持不變。當(dāng),S=0,且,R=0,時(shí)，保持原狀態(tài)不變。當(dāng),S=1,且,R=1,時(shí)，狀態(tài)不定。,(3),符號(hào)：見(jiàn)右圖。,(4),帶時(shí)標(biāo)的,RS,觸發(fā)器（同步,RS,觸發(fā)器,),電,路圖見(jiàn)教材,P19,圖,2-4,。,此圖中的,CLK,即為時(shí)標(biāo)脈沖。它與置位信號(hào)脈沖,S,同時(shí)加,到一個(gè)與門(mén)的兩個(gè)輸入端；而與復(fù)位信號(hào)脈沖同時(shí)加到另一個(gè),與門(mén)的兩個(gè)輸入端。這樣，無(wú)論是置位還是復(fù)位，都必須在時(shí),標(biāo)脈沖端為高電位時(shí)才能進(jìn)行。,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,2.2.2 D,觸發(fā)器,(1),電路結(jié)構(gòu)：見(jiàn)右圖：,(2),功能描述：,當(dāng)

4、,D=1,時(shí)，,Q=1,、,/Q=0,，,D=0,時(shí)，,Q=0,、,/Q=1,。,即,Q=D,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,2.2.2 D,觸發(fā)器,(3),改進(jìn)：加上同步時(shí)鐘信號(hào),CLK,、邊沿觸發(fā)、加上預(yù)置和清除端。符號(hào)如下：,正邊沿觸發(fā),D,PR,Q,CL,Q,R,負(fù)邊沿觸發(fā),低電平預(yù)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(jī)的基本組成電路,2.2.3 JK,(1),電路結(jié)構(gòu)：見(jiàn)下圖。,觸發(fā)器,(2),功能描述：,J K Q,動(dòng)作,0 0,保持原狀,自鎖狀態(tài),0 1 0,復(fù)位,1 0 1,置位,1 1,原狀態(tài)的反碼,翻

5、轉(zhuǎn),JK,觸發(fā)器是結(jié)成計(jì)數(shù)器的理想記憶元件,JK,觸發(fā)器的符號(hào)如下：,J,CL,PR,Q,K,K,CL,R,Q,第,2,章,微機(jī)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(chǔ)裝置。,?,特點(diǎn)：用于暫存數(shù)據(jù)。,不同于存儲(chǔ)器，數(shù)量少，速度快。,?,分類(lèi)：緩沖寄存器（,Buffer Register,）：暫存數(shù)據(jù)。,移位寄存器,(Shift Register),：除存儲(chǔ)功能外，還具有移位功能。,計(jì)數(shù)器,(Counter),：除存儲(chǔ)功能外，還具有計(jì)數(shù)功能。,累加器,(Accumulator),：用于暫存,ALU,的計(jì)算結(jié)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(jī)的基本組成電路,2.3.1,緩沖寄存器,可控緩沖寄存器：每個(gè),D,觸發(fā)器增加一個(gè)裝入控制門(mén),LOAD,，見(jiàn)下圖。,裝入控制門(mén),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(jī)的基本組成電路,2.3.2,移位寄存器,(1),功能：將其所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位操作。移位

7、操作的類(lèi)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(shù)移位,算術(shù)左移,算術(shù)右移,(2),電路結(jié)構(gòu)：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(mén),LOAD,等控制電路。,CL,K,CL,R,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,2.3.3,計(jì)數(shù)器,(1),行波計(jì)數(shù)器（,Travelling wave counter,）,?,計(jì)數(shù)規(guī)律：,0000 0001 0010 0011,1110 1111 0000,(2),可控行波計(jì)數(shù)器,:,(3),同步計(jì)數(shù)器（

8、,synchronous counter,）,解決行波計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)速度慢的缺點(diǎn),第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,(4),環(huán)形計(jì)數(shù)器（,ring counter,）,特點(diǎn)：只有,1,位為,1,，其它位為,0,，,1,在計(jì)數(shù)器中流動(dòng),CL,K,CLR,?,計(jì)數(shù)規(guī)律：,0001 0010 0100 1000 0001 0010 0100 1000,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,(5),程序計(jì)數(shù)器（,Program Counter,簡(jiǎn)稱(chēng),PC,）,?,也是一個(gè)行波計(jì)數(shù)器（也可用同步計(jì)數(shù)器），用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)下一條要執(zhí)行,的指令的地址，可以從,0,開(kāi)始計(jì)數(shù),(,每次加,1,或加一個(gè)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(zhuǎn)操作。,2.3.4,累加器（,Accumulator),?,用于暫存,ALU,的運(yùn)算結(jié)果,能,裝入及輸出數(shù)據(jù)、左移、右移。,見(jiàn)右圖。,2.4,三態(tài)輸出電路,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,?,三態(tài)門(mén)是構(gòu)成總線(xiàn)部件不可缺少的電路元件，其作用是可以使多個(gè)輸入、,輸出信號(hào)共享一條信號(hào)傳輸線(xiàn)，從而達(dá)到節(jié)省線(xiàn)路的目的。,(1),三態(tài)輸出電路：見(jiàn)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(shí)，,A,、,B,之間斷開(kāi)，,E=1,時(shí)，,A,、,B,之間導(dǎo)通。,三態(tài)門(mén)符號(hào)見(jiàn)右下圖。,注意：用兩個(gè)

10、三態(tài)門(mén)可以構(gòu)成雙向,三態(tài)輸出電路，見(jiàn)教材,P29,。,三態(tài)門(mén)簡(jiǎn)稱(chēng),E,門(mén)，裝入門(mén)簡(jiǎn)稱(chēng),L,門(mén)。,三態(tài)指,以及高阻態(tài),0,、,1,2.5,總線(xiàn)結(jié)構(gòu),第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,W,W,W,W,3,2,1,0,(1),總線(xiàn)結(jié)構(gòu)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(xiàn)結(jié)構(gòu),第,2,章,微機(jī)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(gè)寄存器的裝入控制門(mén),(L,門(mén),),和三態(tài)門(mén),(E,門(mén),),的控制信號(hào)排成,一列，稱(chēng)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(gè)寄存器中任意兩個(gè)寄存器之間利用公共總,線(xiàn)進(jìn)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(shí)鐘節(jié)拍內(nèi)，只能有一個(gè)寄存器的,E,門(mén)打開(kāi)，否則就會(huì)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(gè)寄存器上去。,圖,2.28,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,2.6,存儲(chǔ)器,(Memory),(1),基本概念：,?,存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中用于存儲(chǔ),程序,和,數(shù)據(jù),的裝置。,?,存儲(chǔ)器由許多,存儲(chǔ)單元,組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ),的內(nèi)容稱(chēng)為一個(gè),字,(word),，一個(gè)字由若干,位,(bit),構(gòu)成，,8,個(gè),bit,稱(chēng)為一個(gè),字節(jié),(byte),。為了能夠準(zhǔn)確地訪(fǎng)問(wèn)到,所需要的存儲(chǔ)單元，必須為每個(gè)存儲(chǔ)單元分配一個(gè),地,址,(address,相當(dāng)于門(mén)牌號(hào)碼,),。地址是二進(jìn)制代碼，,n,位地址碼可以表示,2,n,個(gè)地址,，即,n,根地址線(xiàn)可以

13、譯出,2,n,個(gè)地址號(hào)。,?,m,個(gè)存儲(chǔ)單元、每個(gè)存儲(chǔ)單元,n,位的存儲(chǔ)器通常表示,為,m,n,的存儲(chǔ)器。例如：,16,8,存儲(chǔ)器表示有,16,個(gè)存,儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元,8,位，它有,4,條地址線(xiàn)，,8,條數(shù),據(jù)線(xiàn)。,2.6,存儲(chǔ)器,第,(Memory),2,章,(2),存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu),:,單個(gè)寄存器接到總線(xiàn)示,意圖,:,微機(jī)的基本組成電路,2.6,存儲(chǔ)器,(Memory),第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,(2),存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu),:,寄存器組接到總線(xiàn)示意圖。問(wèn)題：控制線(xiàn)太多，如何改進(jìn)？,2.6,存儲(chǔ)器,(Memory),第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,(2),存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu),:,改進(jìn),1,：將,L

14、,E,改為,W/R,和,CS,，改進(jìn),2,：采用譯碼器，,在任一時(shí)刻只選中一個(gè)寄存器。,2.6,存儲(chǔ)器,(Memory),第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,(2),存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu),:,問(wèn)題：譯碼器的輸出線(xiàn)太多，怎么辦？,改進(jìn),3,：采用行列譯碼，使用存儲(chǔ)矩陣！,這樣，行線(xiàn)、列線(xiàn)數(shù)目明顯減少，在交叉點(diǎn)處放置存儲(chǔ)單元。,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,2.6,存儲(chǔ)器,(Memory),(2),存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu),:,存儲(chǔ)器的外框圖：,第,2,章,微機(jī)的基本組成電路,2.6,存儲(chǔ)器,(Memory),(3),存儲(chǔ)器的分類(lèi),:,半,導(dǎo),體,存,儲(chǔ),器,(Simiconductor,Memory),只讀存儲(chǔ)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(jī)存取存儲(chǔ)器,RAM,(Random Access Memory),靜態(tài),(Static),MOS,型,RAM,動(dòng)態(tài),(Dynamic),圖,2.31,圖,2.32,【例,2.1,】程序計(jì)數(shù)器,PC,，存儲(chǔ)地址寄存器,MAR,和,ROM,通過(guò)總線(xiàn)的聯(lián)系如圖,2.33,所示。,圖,2.33,設(shè)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(wèn)：它們之間的信息是如何流通的,?,解：開(kāi)機(jī)時(shí)，先令,CLR=1,，則,PC=0000,(1),第,1,個(gè)控制字是：,C,P,E,P,L,M,E,R,=0110,即,E,P,=1,，,PC,準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)；,L,M,=1,，,MAR,準(zhǔn)備裝入數(shù)據(jù)。,在,CLK,正前沿到達(dá)時(shí)，,CLK=1,，,MAR=PC=0000,，,PC,的,數(shù)據(jù)裝入,MAR,，同時(shí),MAR,立即指向,ROM,的第一地址，即,選中了,ROM,中的,R,0,存儲(chǔ)單元。,(2),第,2,個(gè)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(shuō)，當(dāng),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(xiàn)上去。這樣的動(dòng)作，不需等待時(shí)鐘脈沖的同,步訊號(hào)，因而稱(chēng)為異步動(dòng)作。,(3),第,3,個(gè)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(shí)，要求,PC,進(jìn)一步，以便為下,一條指令準(zhǔn)備條件。,圖,2.34 RAM,的符號(hào),A,地址線(xiàn)；,D,IN,要寫(xiě)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(mén)。,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(dāng),M,E,=0,時(shí)，此,R

18、AM,未選中，故,W,E,是什么,(0,或,1),都不能影響,RAM,的動(dòng)作，并且其輸出端,是懸浮,(,高阻,),的。,只有在,M,E,=1,時(shí)，此,RAM,才被選中，才能再進(jìn)一步去,確定其是讀出還是寫(xiě)入。從圖,2.34,中的表可見(jiàn)。,W,E,=0,時(shí)，為數(shù)據(jù)讀出；,W,E,=1,時(shí)，為數(shù)據(jù)寫(xiě)入。,存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器,(,memory data register,，,MDR),也是,一個(gè)可控緩沖寄存器。它的作用是將要寫(xiě)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(lái)時(shí)，才能寫(xiě)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(gè)存儲(chǔ)單元，即有,256,個(gè)地址號(hào)。,所以,MAR,必是,8,位的寄存器，才能給,8,條地址線(xiàn)送出,256,個(gè)地址碼。,因?yàn)?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(xiàn)到,RAM,去。,圖,2.35 MAR,，,MDR,與,RAM,的聯(lián)系,【例,2.2,】一個(gè)微型計(jì)算機(jī)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(lái)分析將數(shù)據(jù),I,0,裝入到,RAM,中去的過(guò)程的。設(shè),要寫(xiě)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(shè)計(jì)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(wèn)：經(jīng)過(guò),CLR=1,之后，機(jī)器的動(dòng)作順序和現(xiàn)象如何,?,解,(1),在,CON1,時(shí),E,P,=1,L,M,=1,就是要將,PC,的內(nèi)容裝到,MAR,中去，由于,CLR,已經(jīng)接,受過(guò)高電位，,PC,已被清零，,PC=0000,0000,所以當(dāng),CLK,的前沿一到時(shí)：,MAR=PC=