第二講 微型計算機的基本組成電路

1、第二講第二講 微型計算機的基本組成電微型計算機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)器問題之一：多個問題之一：多個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)）多個多個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，有時需要預(yù)先給某個觸發(fā)器置位在一些電路中，有時需要預(yù)先給某個觸發(fā)器置位(即置即置1)或清除或清除(即置即置0)，而與時標(biāo)脈沖以及，而與時標(biāo)脈沖以及D輸入端信號無關(guān)，輸入端信號無關(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 計數(shù)：對什么計數(shù)（時標(biāo)計數(shù)：對什么計數(shù)（時標(biāo)CLK，與，與J、K無關(guān)）無關(guān)） JK觸發(fā)器是理想的計數(shù)器觸發(fā)器是理想的計數(shù)器 注意：圖注意：圖2.10中中RS觸發(fā)器是由兩個與非門實現(xiàn)觸發(fā)器是由兩個與非門實現(xiàn)JK觸發(fā)器動作行為分析觸發(fā)器動作行為分析123456寄存器寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器 作用：作用：暫存某個數(shù)據(jù)，以便在適當(dāng)?shù)臅r間節(jié)拍和給定暫存某個數(shù)據(jù)，以便在適當(dāng)?shù)臅r間節(jié)拍和給定的計算步驟將數(shù)據(jù)輸入或輸出到其它記憶元件中去。的計算步驟將數(shù)據(jù)輸入或輸出到其它記憶元件中去。下圖位一個四位寄存器電路原理圖下圖位一個四位寄存器電路原理圖：如果某一位在時間節(jié)拍到時不想輸出怎么辦？如果某一位在時間節(jié)拍

3、到時不想輸出怎么辦？解決問題：解決問題：可控緩沖寄存器可控緩沖寄存器LOAD高電平時使數(shù)高電平時使數(shù)據(jù)裝入，低電平時，據(jù)裝入，低電平時，數(shù)據(jù)自鎖在其中。數(shù)據(jù)自鎖在其中?？煽鼐彌_寄存器的符號可控緩沖寄存器的符號LOAD為其控制門為其控制門CLR為高電平時則可用以清除，使其中各位變?yōu)闉楦唠娖綍r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可控移位寄存器的符號SHL左移左移SHR右移右移計數(shù)器計數(shù)器行波計數(shù)器行波計數(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)器的時鐘脈沖輸入端都串有一個反相門觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端都串有一個反相門(非門非門,為什么加這個門

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

5、的數(shù)裝入其中，將外來的數(shù)裝入其中， 一個一個COUNT輸入端，也要有一輸入端，也要有一個個LOAD門門 程序計數(shù)器的符號程序計數(shù)器的符號累加器累加器 累加器也是一個由多個觸發(fā)累加器也是一個由多個觸發(fā)器組成的多位寄存器，它不器組成的多位寄存器，它不進行加法運算，而是作為進行加法運算，而是作為ALU運算過程的代數(shù)和的臨運算過程的代數(shù)和的臨時存儲處。時存儲處。 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，還能使存儲其中的數(shù)據(jù)外，還能使存儲其中的數(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個寄個寄存器，它們都有存器，它們都有L門和門和E門，門，其符號分別附以其符號分別附以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往。間的信息來往。 L門：控制輸入門：控制輸入 E門：控制輸出門：控制輸出123456存儲器存儲器2.6.1 只讀存儲器只讀存儲器 這是用以存放固定這是用以存放固定程序的存儲器，一程序的存儲器，一旦程序存放進去之旦程序存放進去之后，即不可改變。后，即不可改變。也就是說，不能再也就是說，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”出其所存儲的內(nèi)容，出其所存儲的內(nèi)容，因此稱為只讀存儲因此稱為只讀存儲器。器。 下圖是下圖是8個存儲單元，每個個存儲單元，每個4位位(即半個字節(jié)即半個字節(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個存?zhèn)€存儲單元，其中每個為儲單元，其中每個為n位。位。 存儲地址寄存器存儲地址寄存器(memory address register,MAR)：將所要：將所要尋找的存儲單元的地址暫存尋找的存儲單元的地址暫存下來，以備下一條指令之用。下來，以備下一條指令之用。 存儲地址寄存器也是一個可存儲地址寄存器也是一個可控緩沖寄存器，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。它和存儲器的聯(lián)系是雙態(tài)的，即地儲器的聯(lián)系是雙態(tài)的，即地址一進入址一進入MAR就立即被送就立即被送到存儲器去，如圖所示。到存儲器去，如圖所示。【例例2.1】程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC，存儲地址寄存器，存儲地址寄存器MAR和和ROM通通過總線的聯(lián)系如圖所示。過總線的聯(lián)系如圖所示。開機時，先令開機時，先令CLR=1，則，則PC=0000(1) 第第1個控制字是：個控制字是：CPEPLMER=0110即即EP=1，PC準備放出數(shù)據(jù)；準備放出數(shù)據(jù)；LM=1，MAR準備裝入數(shù)據(jù)。準備裝入數(shù)據(jù)。在在CLK正前沿到達時，正前沿到達時，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，同時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存儲單元。存儲單元。(2) 第第2個控制字是：個控制字是：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。總線上去。這樣的動作，不需等待時鐘這樣的動作，不需等待時鐘脈沖的同步訊號，因而稱為脈沖的同步訊號，因而稱為異步異步動作。動作。(3) 第第3個控制字是：個控制字是：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，要求這是在取數(shù)周期完了時，要求PC進一步，以便為下一條指進一步，以便為下一條指令準備條件。令準備條件。隨機存儲器隨機存儲器 RAM的符號的符號 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。 存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(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的命令到來時，的命令到來時，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。【例例2.2】一個微型計算機的一部分如圖一個微型計算機的一部分如圖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)圖是用來分析將數(shù)據(jù)這一部分系統(tǒng)圖是用來分析將數(shù)據(jù)I0裝入到裝入到RAM中去的過程中去的過程的。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)計好的控制字的次序如下：已設(shè)計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)接受過高電位，已經(jīng)接受過高電位，PC=00000000 當(dāng)當(dāng)CLK的前沿一到時：的前沿一到時：MAR=PC=00000000這是指出存儲器這是指出存儲器RAM中第一中第一個存儲單元個存儲單元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備，以便輸入數(shù)據(jù)準備，以便輸入數(shù)據(jù)I0。 當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?個個CLK的前沿到達時，的前沿到達時，I=I0=110000011001 (C1916) LD=1，MDR準備接受數(shù)準備接受數(shù)據(jù)

13、；據(jù)； EI=1，I準備放出數(shù)據(jù)。準備放出數(shù)據(jù)。 當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?個個CLK的前沿到達時，的前沿到達時，MDR=I=I0=110000011001 WE=1且且ME=1，RAM開開始始“寫入寫入”的動作。的動作。 RAM是異步工作的是異步工作的 WE=1及及ME=1時，時，RAM中的第一個存儲單元中的第一個存儲單元R0即即接受來自暫存于接受來自暫存于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個個CLK的前沿到達時，的前沿到達時， 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?它能完成什么運算功能它能完成什么運算功能?試畫出其符試畫出其符號。號。2.2 觸發(fā)器、寄存器及存儲器之間有什么關(guān)系觸發(fā)器、寄存器及存儲器之間有什么關(guān)系?請畫出這幾請畫出這幾種器件的符號。種器件的符號。2.3 試述下列器件的功能，并畫出它們的符號：可控計數(shù)器、試述下列器件的功能，并畫出它們