第三章-計(jì)算機(jī)的硬件電路基礎(chǔ)

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

第二章 微型計(jì)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) 本章學(xué)習(xí)一些典型電路，為學(xué)習(xí)計(jì)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(chǔ)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(hào)如圖2-1所示. ALUcontrolBAS圖2-1ALU的符號(hào)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(chǔ)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)。2．2．1 RS觸發(fā)器

RS觸發(fā)器可以用兩個(gè)與非門組成，如圖2-2所示。圖2-3是RS觸發(fā)器的符號(hào).圖2-2 RS觸發(fā)器 圖2-3RS觸發(fā)器的符號(hào)SRQQQQSRS、R不能同時(shí)為零；否則，RS觸發(fā)器處于不穩(wěn)定狀態(tài)。S=0，R=1時(shí)，Q=0（Q=1）稱為復(fù)位；R端稱為復(fù)位端S=1，R=0時(shí)，Q=1（Q=0）稱為置位；S端稱為置位端2．2．2D觸發(fā)器

D觸發(fā)器只有一個(gè)輸入端,其原理如圖2-5所示.圖2-5 D觸發(fā)器DSQQ時(shí)標(biāo)D觸發(fā)器圖2-6 時(shí)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)直)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

觸發(fā)器的符號(hào)圖2-9所示.DDDPRCLRQQCLKCLKQQPRCLRCLKQQCLRPR圖2-9正負(fù)邊緣的D觸發(fā)器符號(hào)2．2．3JK觸發(fā)器

JK觸發(fā)器是組成計(jì)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RSQQJKCLK圖

JK觸發(fā)器電路原理JKQ動(dòng)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:2.3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(jì)數(shù)器：能夠累計(jì)時(shí)鐘脈沖數(shù)。累加器A：在計(jì)算機(jī)中,使用最多的一個(gè)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(gè)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(gè)“裝入門L”，其電路圖如圖所示。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X0X1X2X3LCLKCLR圖

可控緩沖寄存器≥1≥1≥1≥1D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X3 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(shí)，數(shù)據(jù)可裝入；低電平時(shí)，數(shù)據(jù)自鎖在其中。

在講計(jì)算機(jī)原理時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到L門。要記L門的作用。可控緩沖寄存器的符號(hào)如圖示。圖

可控緩沖寄存器的符號(hào)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(dòng)，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(jì)數(shù)器（Counter） 計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)是能把貯存在其中的數(shù)字加1。計(jì)數(shù)器的種類有很多：如,行波計(jì)數(shù)器、同步計(jì)數(shù)器、環(huán)形計(jì)數(shù)器和程序計(jì)數(shù)器等。（1）行波計(jì)數(shù)器（TravellingWaveCounter）

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

行波計(jì)數(shù)器電路原理CLRCLKQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3行波計(jì)數(shù)器波形圖 行波計(jì)數(shù)器的工作原理是在時(shí)鐘的邊緣到來時(shí)開始計(jì)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(jì)數(shù)器實(shí)際上是一個(gè)加一計(jì)數(shù)器(2)環(huán)形計(jì)數(shù)器（RingCounter） 特點(diǎn)：任一時(shí)刻，計(jì)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(jì)數(shù)器主要用來發(fā)出順序控制信號(hào)，環(huán)形計(jì)數(shù)器原理圖如下所示。Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0CLRCLRCLRPRCLRCLK圖環(huán)形計(jì)數(shù)器原理圖CLRCLKD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3PRCLRCLRCLRCLRCLKQ0Q1Q2Q3圖

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

環(huán)形計(jì)數(shù)器的符號(hào)(3)程序R(ProgramCounter） 程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)可預(yù)置數(shù)行波計(jì)數(shù)。程序計(jì)數(shù)器的符號(hào)如圖所示。COUNT為計(jì)數(shù)端，LOAD為置數(shù)端，XYCOUNTCLKLOADCLR圖程序計(jì)數(shù)器符號(hào)PC2.3.4累加器（Accumulator） 累加器在CPU內(nèi)部，是一個(gè)非常重要的寄存器，其符號(hào)如圖所示。XYLOADCLKSHLSHRCLR圖累加器的符號(hào)2.4三態(tài)輸電路 三態(tài)門廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)中。利用三態(tài)門，多個(gè)不同的單元的信息可以用一條傳輸線分時(shí)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(hào)如下圖所示。三態(tài)門符號(hào)(a)(b)L門：專管對(duì)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(jì)算機(jī)的信息傳遞線路簡(jiǎn)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(qǐng)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(shí)鐘節(jié)拍（CLK為正半周），只有一個(gè)寄存器L門和另一個(gè)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 =？=0010，0100第四節(jié)存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROM）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）靜態(tài)RAM（SRAM）動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可編程ROM（PROM）紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程ROM（EEPROM） 存儲(chǔ)器由寄存器組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元相當(dāng)于一個(gè)緩沖寄存器。 每個(gè)存儲(chǔ)單元由若干位（BIT）組成，8位存儲(chǔ)單元稱為一個(gè)字節(jié)（BYTE），16位存儲(chǔ)單元稱為一個(gè)字（WORD）。 一個(gè)存儲(chǔ)器可以存放很多數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)固定地址。

例如，一個(gè)8×4存儲(chǔ)器如圖所示，其中“8”表示該存儲(chǔ)器的容量，即該存儲(chǔ)器有8個(gè)存儲(chǔ)單元。“4”表示每個(gè)存儲(chǔ)單元能存儲(chǔ)4位二進(jìn)制代碼。R0R1R2R3R4R5R6R7譯碼器A0A1A2D0D1D2D3圖8*4的存儲(chǔ)器地址線數(shù)n可編譯的地址號(hào)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(duì)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(gè)地址號(hào)。R0R1R2R3R4R5R6R7譯碼器A0A1A2D0D1D2D3圖8*4的存儲(chǔ)器示意圖A2A1A0R000R0┅

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111R7存儲(chǔ)器各單元地址 存儲(chǔ)器的通用表示方法：M×N例如：

256×8、1K×4、64K×8，等。

存儲(chǔ)器分為兩大類：只讀存儲(chǔ)器ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM(randomaccessmemory)。隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(randomaccessmemory)

RAM稱讀寫存儲(chǔ)器，RAM的每一個(gè)存儲(chǔ)單元相當(dāng)于一個(gè)可控緩沖器。

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(dòng)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(zhǎng)期保留。 動(dòng)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。

A0A1D0D1ER0R1R2R3譯碼器圖 只讀存儲(chǔ)器原理圖①一條橫線相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)單元，一條豎線相當(dāng)一位。②譯碼器的輸出，在任一時(shí)刻，只有一根線為高電平只讀存儲(chǔ)器ROM(readonlymemory)

ROM用來存儲(chǔ)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。可擦除的可編程的只讀存儲(chǔ)器EPROMEPROM芯片頂部開有一個(gè)圓形的石英窗口，用于紫外線透過、以擦除芯片中保存的信息使用專門的編程器（燒寫器）對(duì)EPROM芯片進(jìn)行編程編程后，應(yīng)貼上不透光的封條出廠時(shí)，每個(gè)基本存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的都是信息“1”，編程實(shí)際上就是將“0”寫入某些基本存儲(chǔ)單元EPROM芯片2716存儲(chǔ)容量為

2K×824個(gè)引腳：11根地址線A10～A08根數(shù)據(jù)線DO7～DO0片選/編程CE/PGM讀寫OE編程電壓

VPPVDDA8A9VPP-OEA10CE/PGMO7O6O5O4O3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2VssEPROM2716的功能