微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 第2章微型計(jì)算機(jī)的基本組成電路

猾華大學(xué)出版社

第2章微型計(jì)算機(jī)的基本組成電路

2.1算術(shù)邏輯單元

2.2觸發(fā)器

2.3寄存器

2.4三態(tài)輸出電路

2.5總線結(jié)構(gòu)

2.6存儲器

習(xí)題

任何一個(gè)復(fù)雜的電路系統(tǒng)都可以劃分為若干電路,

這些電路大都由一些典型的電路組成。微型計(jì)算機(jī)

就是由若干典型電路通過精心設(shè)計(jì)而組成的，各個(gè)

典型電路在整體電路系統(tǒng)中又稱為基本電路部件。

本章就是對微型計(jì)算機(jī)中最常見的基本電路部件的

名稱及電路原理作一簡單介紹。這些基本電路中最

主要的是算術(shù)邏輯單元(arithmaticlogicalunit,

ALU)＞觸發(fā)器(trigger)、寄存器(register)、存儲器

(memory)及總裝結(jié)構(gòu)等。在本章中，數(shù)據(jù)在這些

部件之間的流通過程以及“控制字”的概念也將逐

步地引出。所有這些內(nèi)容都是組成微型計(jì)算機(jī)的硬

件基礎(chǔ)。

清華玄學(xué)出版社

2.1算術(shù)邏輯單元

顧名思義，這個(gè)部件既能進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的四則運(yùn)算，也

能進(jìn)行布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算。

第1章已講過，二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算電路只能算加法。增加可

控反相器后，又能進(jìn)行減法，所以上章最后介紹的二

進(jìn)制補(bǔ)碼加法器/減法器就是最簡單的算術(shù)部件。但

是，只要利用適當(dāng)?shù)能浖浜希朔ㄒ部梢宰兂杉臃?/p>

來運(yùn)算，除法也可變成減法來運(yùn)算。

如果在這個(gè)基礎(chǔ)上，增加一些門電路，也可使簡單的

ALU進(jìn)行邏輯運(yùn)算。所謂邏輯運(yùn)算就是指“與”運(yùn)算

和“或”運(yùn)算。為了不使初學(xué)者陷入復(fù)雜的電路分析

之中，本教程不打算在邏輯運(yùn)算問題上開展討論。

清華文學(xué)出瓶強(qiáng)商量珊BSfiBESWBH

ALU的符號一般畫成圖2.1那樣。A和B為兩個(gè)二進(jìn)制

數(shù)，S為其運(yùn)算結(jié)果，control為控制信號（見圖L9

的控制線端SUB）。

AB

ALUY1----control

7

s

圖2.1

清單大學(xué)出版社一

2.2觸發(fā)器

觸發(fā)器(trigger)是計(jì)算機(jī)的記憶裝置的基本單元，也

可說是記憶細(xì)胞。觸發(fā)器可以組成寄存器，寄存

器又可以組成存儲器。寄存器和存儲器統(tǒng)稱為計(jì)

算機(jī)的記憶裝置。

微型計(jì)算機(jī)所用觸發(fā)器一般用晶體管元件而不用磁

性元件。這是因?yàn)榫w管元件可以制成大規(guī)模的

集成電路，體積可以更小些。從晶體管電路基礎(chǔ)

中，我們已經(jīng)知道觸發(fā)器可以由兩個(gè)晶體管組成

的對稱電路來構(gòu)成，我們也知道觸發(fā)電路中有所

謂單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，這里不打

算重復(fù)這些電路的原理圖和工作特點(diǎn)了。

下面簡要地介紹一下RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器和JK觸發(fā)

器，因?yàn)檫@些類型的觸發(fā)器是計(jì)算機(jī)中最常見的

基本兀件。

清華交學(xué)出版社18^^頻赧!B方方士”?MMMi

2.2.1RS觸發(fā)器

RS觸發(fā)器可以用兩個(gè)與非門來組成，如圖2.2所示。當(dāng)

S=1而R=0時(shí)，Q=1(Q=O)稱為置位；當(dāng)S=0而R=1時(shí)，

Q=O(Q=1)稱為復(fù)位。

為了作圖方便，以后我們就只用方塊來表示，如圖2.3就

是RS觸發(fā)器的符號。

S端一般稱為置位端，使Q=1(=O),

R端一*般稱為復(fù)位端，使Q=O(=1)o

時(shí)標(biāo)RS觸發(fā)器——為了使觸發(fā)器在整個(gè)機(jī)器中能和其他

部件協(xié)調(diào)工作，RS觸發(fā)器經(jīng)常有外加的時(shí)標(biāo)脈沖，如

圖2.4所示。

清華交學(xué)出版社期布盤就pmH

此圖中的CLK即為時(shí)標(biāo)脈沖。它與置位信號脈沖S同

時(shí)加到一個(gè)與門的兩個(gè)輸入端；而與復(fù)位信號脈沖

同時(shí)加到另一個(gè)與門的兩個(gè)輸入端。這樣，無論是

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。

潘士公二字出/社—

2.2.2D觸發(fā)器

RS觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端S和R。為了存儲一個(gè)高

電位，就需要一個(gè)高電位輸入的S端；為了存

儲一個(gè)低電位，就需要另一個(gè)高電位輸入的R

端。這在很多應(yīng)用中是不很方便的。D觸發(fā)器

是在RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上引伸出來的，它只需一

個(gè)輸入端口，圖2.5就是D觸發(fā)器的原理。

清華文學(xué)出朧鈍撈忠;M制g力而出ggmuH

當(dāng)D端為高電位時(shí)，S端為高電位，而通過非門后加

到R端的就是低電位，所以此時(shí)Q端就是高電位，

稱為置位。當(dāng)D端為低電位時(shí)，S端為低電位，同

時(shí)R端變?yōu)楦唠娢?，所以Q端是低電位，稱為復(fù)位。

圖2.5

旭

清華方:學(xué)出版泡

無時(shí)標(biāo)的D觸發(fā)器是不能協(xié)調(diào)運(yùn)行的，圖2.6所示是

如何為D觸發(fā)器加上時(shí)標(biāo)的電路。此圖和圖2.4的道

理是一樣的，也是增加兩個(gè)與門就可以接受時(shí)標(biāo)脈

沖CLK的控制。

時(shí)標(biāo)脈沖CLK一般都是方波，在CLK處于正半周內(nèi)

的任何瞬間，觸發(fā)器都有翻轉(zhuǎn)的可能。這樣計(jì)算機(jī)

的動作就不可能整齊劃一。我們總是想由時(shí)標(biāo)

CLK來指揮整個(gè)機(jī)器的行動。因此，采用時(shí)標(biāo)邊

緣觸發(fā)的方式就可以得到準(zhǔn)確劃一的動作。圖2.7

就是邊緣觸發(fā)的D觸發(fā)器的電路原理圖。

清華文學(xué)出頒冠祀悍制巴理勃芮

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圖2.7與圖2?6的區(qū)別僅為增加了一個(gè)RC微分電路，

它能使方波電壓信號的前沿產(chǎn)生正尖峰，后沿產(chǎn)生

負(fù)尖峰。這樣，在D端輸入信號建立之后，當(dāng)時(shí)標(biāo)

脈沖的前沿到達(dá)的瞬間，觸發(fā)器才產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)動作。

如果D輸入端的信號是在時(shí)標(biāo)脈沖前沿到達(dá)之后才

建立起來的，則雖然仍在時(shí)標(biāo)脈沖的正半周時(shí)間內(nèi),

也不能影響觸發(fā)器的狀態(tài)，而必須留到下一個(gè)時(shí)標(biāo)

脈沖的正半周的前沿到達(dá)時(shí)才起作用。這樣就可以

使整個(gè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行在高度準(zhǔn)確的協(xié)調(diào)節(jié)拍之中。

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清華大學(xué)出版粒9MMM

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（即置1）或清除（即置0）,而與

時(shí)標(biāo)脈沖以及D輸入端信號無關(guān)，這就是所謂預(yù)置

和清除。這種電路很簡單，只要在圖2.7的電路中

增加兩個(gè)或門就可以實(shí)現(xiàn)，如圖2.8所示。

PRESET（預(yù)置）

CLEAR（清除）

圖2.8

邊緣觸發(fā)的D觸發(fā)器在計(jì)算機(jī)電路圖中常用圖2.9的

符號來表示。

(a)CLK正邊縫觸發(fā)的D觸發(fā)器(b)CLK負(fù)邊緣觸發(fā)的D觸發(fā)器8)低電平預(yù)置及清除的D觸發(fā)器

圖2.9

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圖2.9(a)為正邊緣觸發(fā)的符號，而圖2.9(b)為負(fù)邊緣觸

發(fā)的符號。此二符號之差別在于后者增加了一個(gè)所

謂汽泡“?！薄＿@實(shí)際上是在D觸發(fā)器的時(shí)標(biāo)CLK

的微分電路之后再串聯(lián)一個(gè)非門(反相器)的簡化符

號。圖2.9(c)與前二圖之差別，也在于其增加了兩

個(gè)汽泡，這也是代表了增加兩個(gè)非門于

PRESET和CLR端。這樣，就必須是低電平到來才

能經(jīng)非門轉(zhuǎn)換成高電平去進(jìn)行預(yù)置和清除作用。

清華太學(xué)出版社

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，這里

就JK觸發(fā)器的電路原理作一簡要介紹。_

在RS觸發(fā)器前面增加兩個(gè)與門，并從輸出Q和Q）

到輸入（與門的輸入端）作交叉反饋，即可得到

JK觸發(fā)器如圖2.10所示。圖中的CLK輸入端串

有RC電路也是為了獲得正邊緣觸發(fā)的工作方

式的。這個(gè)電路的工作過程是：

清華大學(xué)出版社

圖2.10

信工=/~r

⑴當(dāng)J=0,K=0,即J和K郡是低電平時(shí)，兩個(gè)與門

都被阻塞，無論此時(shí)Q和Q是什么狀態(tài)，由于S和R

也是低電平，所以不會改變Q和Q的狀態(tài)，這種狀

態(tài)稱為保持閉鎖狀態(tài)。

(2)J=0,K=L即J為低電平而K為高電平。此時(shí)上

面的與門被阻塞，即S不可能為高電平，所以也無

置位(即使Q=l)的可能。如果此時(shí)Q=L則反饋至

下面的與門。在下一個(gè)CLK的正脈沖邊沿到達(dá)時(shí)，

觸發(fā)器就產(chǎn)生復(fù)便動作(Q=0,Q=l)o如果Q原來為

低電平(Q=0,Q=l),則反饋至下面的與門而使其

也被阻塞，所以即使K=l,也竺有任何動作產(chǎn)生，

觸發(fā)器仍處于復(fù)位狀態(tài)(Q=0,Q=l)o

(3)J=LK=0,即J為高電平而K為低電平。此時(shí)下面的

與門被阻塞，即R不可能為高電平，所以也無復(fù)位(即

使Q=0)的可能。如果此時(shí)Q=0,而=1,則反饋至上面

的與門，在下一個(gè)CLK的正脈沖邊緣到達(dá)時(shí)，觸發(fā)器

就產(chǎn)生置位動作(Q=LQ=0)o如果Q原來為高電平

(Q=bQ=0),則反饋至上面的與門而將其阻塞，這樣

上下兩個(gè)與門都被阻塞了，觸發(fā)器就仍處于置位狀態(tài)

(Q=LQ=0)o

(4)J=1,K=l,即J,K同為高甩平，則可能使觸發(fā)器置

位(Q=LQ=o)或復(fù)位(Q=o，Q=l)o也就是說，如果原

來的狀態(tài)為Q=0,Q=b在J=1及K=l＞且在CLK的正

邊緣脈沖到達(dá)時(shí)，就會翻轉(zhuǎn)到Q=L0=0。反之，如果

原來的狀態(tài)為Q=LQ=0,在J=1及K=1W且在CLK的

正邊緣脈沖到達(dá)時(shí)，就會翻轉(zhuǎn)到Q=0,Q=lo所謂翻轉(zhuǎn),

就是觸發(fā)器的狀態(tài)改變的意思。

清華大學(xué)出版社巧*SS攔費(fèi)期曰就

下面要講到的計(jì)數(shù)器就是利用JK觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)特性

而組成的。JK觸發(fā)器的符號如圖2.11所示。

圖2.11

看華十孚出版社

2.3寄存器

寄存器(register)是由觸發(fā)器組成的。一個(gè)觸發(fā)器就是一

個(gè)一位寄存器。由多個(gè)觸發(fā)器可以組成一個(gè)多位寄存

器。寄存器由于其在計(jì)算機(jī)中的作用之不同而具有不

同的功能，從而被命名為不同的名稱。常見的寄存器

有：緩沖寄存器——用以暫存數(shù)據(jù)；移位寄存器——

能夠?qū)⑵渌娴臄?shù)據(jù)一位一位地向左或向右移；計(jì)數(shù)

器———個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)時(shí)，會按二進(jìn)制數(shù)的規(guī)律累

計(jì)脈沖數(shù)；累加器——用以暫存每次在ALU中計(jì)算的

中間結(jié)果。

下面分別介紹這些寄存器的工作原理及其電路結(jié)構(gòu)。

演』;公二學(xué)出力.匯社_—

2.3.1緩沖寄存器

其基本工作原理為：設(shè)有一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，共有4位數(shù)：

X=X3X2X1X0

要存到這個(gè)緩沖寄存器(buffer)中去，此寄存器是由4個(gè)D

觸發(fā)器組成的。將X。，XPX2,X3分別送到各個(gè)觸發(fā)

器的Do，DPD2,D3端去，g要CLK的正前沿還未到

來，則Qo，Qi，Q2，Q3就不受X。，XPX2,X3的影響

而保持其原有的數(shù)據(jù)?！河挟?dāng)CLK的正前沿來到時(shí)，

Qo，Qi，Q2，Q3才接受D。，DPD2,D3的影響，而變

成：

Qo=Xo

Qi=Xi

Q2=X2

Q3=X3

=

結(jié)果就是：Q=Q3Q2QIQOX3X2X1X0=XO

這就叫做將數(shù)據(jù)X裝到寄存器中去了。如要將此數(shù)據(jù)送

至其他記憶元件去，則可由YO,YbY2,Y3各條引

線引出去。

可控緩沖寄存器：圖2.12的緩沖寄存器的數(shù)據(jù)X輸入到Q

只是受CLK的節(jié)拍管理，即只要一將X各位加到寄存

器各位的D輸入端，時(shí)標(biāo)節(jié)拍一到，就會立即送到Q去。

這有時(shí)是不利而有害的，因?yàn)橐苍S我們還想讓早已存

在其中的數(shù)據(jù)多留一些時(shí)間，但由于不可控之故，在

CLK正前沿一到就會立即被來到門口的數(shù)據(jù)X替代掉。

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圖2.12

為此，我們必須為這個(gè)寄存器增設(shè)一個(gè)可控的

“門”。這個(gè)“門”的基本原理如圖2.13所示，它

是由兩個(gè)與門一個(gè)或門以及一個(gè)非門所組成的。

圖2.13

清監(jiān)犬學(xué)出朧社■=!石段二:第勵(lì)程代前HiUtHI

在X。端送入數(shù)據(jù)（0或1）后，如LOAD端（以下簡稱為L

端）為低電位，則右邊的與門被阻塞，X。過不去，

而原來已存在此位中的數(shù)據(jù)由Q。送至左邊的與門。

此與門的另一端輸入從非門引來的與L端反相的電

平，即高電位。所以Q。的數(shù)據(jù)可以通過左邊的與門,

再經(jīng)或門而送達(dá)Do端。這就形成自鎖，即既存的數(shù)

據(jù)能夠可靠地存在其中而不會丟失。如L端為高電

位，則左邊與門被阻塞而右邊與門可讓X。通過，這

樣Qo的既存數(shù)據(jù)不再受到自鎖，而X?？梢缘竭_(dá)D。

端。只要CLK的正前沿一到達(dá)，X0即被送到Qo去，

這時(shí)就叫做裝入（LOAD）。一旦裝入之后，L端又

降至低電平，則利用左邊的與門，X。就能自鎖而穩(wěn)

定地存在Qo中。

清華大學(xué)出版社工二葫|注時(shí)冊號分力方%

要記住，以后我們一提到“L門”，大家就要想到圖

2?13的電路結(jié)構(gòu)及其作用：高電平時(shí)使數(shù)據(jù)裝入，

低電平時(shí)，數(shù)據(jù)自鎖在其中。

對于多位的寄存器，每位各自有一套如圖2.13一樣的

電路。不過只用一個(gè)非門，并且只有一個(gè)LOAD輸

入端，如圖2.14所示。

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圖2.14

可控緩沖寄存器的符號一般畫成圖2.15那樣，LOAD

為其控制門，而CLR為高電平時(shí)則可用以清除，使

其中各位變?yōu)?。

圖2.15

演』;公二學(xué)出力.匯社_—

2.3.2移位寄存器

移位寄存器(shiftingregister)能將其所存儲的數(shù)

據(jù)逐位向左或向右移動，以達(dá)到計(jì)算機(jī)在運(yùn)行

過程中所需的功能，例如用來判斷最左邊的位

是0或1等。電路原理圖如圖2.16所示。

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圖2.16

清華關(guān)淳圜版社二霞盟的魄冊

左移寄存器如圖2.16(a)所示，當(dāng)口也=1而送至最右邊

的第1位時(shí)，Do即為1,當(dāng)CLK的正前沿到達(dá)時(shí)，

Qo即等于1。同時(shí)第2位的D1也等于1。當(dāng)CLK第2

個(gè)正前沿到達(dá)時(shí)，Qi也等于1。結(jié)果可得下列的左

移過程：

CLK前沿未到Q=Q3Q2QIQO=OOO。

第1前沿來到Q=0001

第2前沿來到Q=0011

第3前沿來到Q=0111

第4前沿來到Q=llll

第5前沿來到，如此時(shí)Din仍為1,則Q不變，仍為

llllo

當(dāng)Q=UU之后，改變Dg,使D加=0,則結(jié)果將是把0逐

位左移：

第1前沿來到Q=1110

第2前沿來到Q=1100

第3前沿來到Q=1000

第4前沿來到Q=0000

由此可見，在左移寄存器中，每個(gè)時(shí)鐘脈沖都要把所

儲存的各位向左移動一個(gè)數(shù)位。

右移寄存器如圖2.16(b)所示。圖2.16(b)與圖2.16(a)之

差別僅在于各位的接法不同，而且輸入數(shù)據(jù)DE是加

到左邊第1位的輸入端D3。根據(jù)上面的分析，當(dāng)

口加=1時(shí)，隨著時(shí)鐘脈沖而逐步位移是這樣的：

信華十字出版社---

fjrJ）?;―17?''4l：py>T〃8yi<.[JI

CLK前沿未到Q=0000

第1前沿來到Q=1000

第2前沿來到Q=1100

第3前沿來到Q=1UO

第4前沿來到Q=llll

由此可見，在右移寄存器中，每個(gè)時(shí)鐘脈沖都要把

所存儲的各位向右移動一個(gè)位置。

可控移位寄存器：和緩沖寄存器一樣，在整機(jī)運(yùn)行

中，移位寄存器也需要另有控制電路，以保證其在

適當(dāng)時(shí)機(jī)才參與協(xié)調(diào)工作。這個(gè)電路也和圖2.13—

樣，只要在每一位的電路上增加一個(gè)這樣的LOAD

門（L門）即可以達(dá)到控制的目的。

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可控移位寄存器的符號如圖2.17所示，其中新出現(xiàn)的

符號的意義是：

SHL-----左移(shifttotheleft)

SHR----右移(shifttotheright)

圖2.17

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2.3.3計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器(counter)也是由若干個(gè)觸發(fā)器組成的寄存器，它

的特點(diǎn)是能夠把存儲在其中的數(shù)字加lo

計(jì)數(shù)器的種類很多，有行波計(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)的特點(diǎn)是：第1

個(gè)時(shí)鐘脈沖徒使其最低有效位(leastsignificantbit,LSB)

加1,由0變1。第2個(gè)時(shí)鐘脈沖促使最低有效位由1變0,

同時(shí)推動第2位，使其由0變1。同理，第2位由1變0時(shí)

又去推動第3位，使其由0變1,這樣有如水波前進(jìn)一樣

逐位進(jìn)位下去。圖2.18就是由JK觸發(fā)器組成的行波計(jì)

數(shù)器的工作原理圖。------------------------------

信子萬字5成包imi硼!慌前國瀛惠

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圖2.18中的各位的J,K輸入端都是懸浮的，這相當(dāng)

于J,K端都是置1的狀態(tài)，亦即是各位都處于準(zhǔn)備

翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)。只要時(shí)鐘脈沖邊緣一到，最右邊的觸

發(fā)器就會翻轉(zhuǎn)，即Q由0轉(zhuǎn)為1或由1轉(zhuǎn)為0。各位的

JK觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端都帶有一個(gè)“氣泡”，

這表示是串有一個(gè)反相門（非門），這樣，只有時(shí)鐘

脈沖的后沿（產(chǎn)生負(fù)的尖峰電壓）才能為其所接受。

因此，可得計(jì)數(shù)步驟如下：

圖2.18

開始時(shí)使CLR由高電位變至低電位(這也是由于有

“氣泡”在CLR輸入端之故)，則計(jì)數(shù)器全部清除，

所以：

Q=Q3Q2QIQO=OOOO

第1時(shí)鐘后沿到Q=0001

此Qo由低電位(0)升至高電位(1)，產(chǎn)生的是電位上升

的變化，由于有“氣泡”在第2位的時(shí)鐘脈沖輸入

端，所以第2個(gè)觸發(fā)器不會翻轉(zhuǎn)，必須在Qo由1降為

0時(shí)才會翻轉(zhuǎn)。接著：

第2時(shí)鐘后沿到Q=0010

第3時(shí)鐘后沿到Q=0011

第4時(shí)鐘后沿到Q=0100

第5時(shí)鐘后沿到Q=0101

第6時(shí)鐘后沿到Q=0110

第7時(shí)鐘后沿到Q=OU1

第8時(shí)鐘后沿到Q=1000

第15時(shí)鐘后沿到Q=11U

第16時(shí)鐘后沿到Q=0000

在第16個(gè)時(shí)鐘脈沖到時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位至0,因此這個(gè)

計(jì)數(shù)器可以計(jì)由0至15的數(shù)。如果要計(jì)的數(shù)更多，

就需要更多的位，即更多的JK觸發(fā)器來組成計(jì)數(shù)

器。如8位計(jì)數(shù)器可計(jì)由0至255的數(shù)，12位計(jì)數(shù)器

可計(jì)由0至4095的數(shù)，16位則可計(jì)由0至65535的數(shù)。

圖2.19是可控計(jì)數(shù)器的電路原理圖。

清華大學(xué)出版社

圖2.19

f'j，-??(iitL""f.，

J*7-**?JI'?'J，：JI-''-，j.'J.?*r??'J*

圖2.18中的J,K輸入端是懸浮的，所以每次時(shí)鐘脈

沖到時(shí)，它都要翻轉(zhuǎn)一次。圖2.19中的各個(gè)J,K輸

入端連在一起引出來，由計(jì)數(shù)控制端COUNT的電

位信號來控制。當(dāng)COUNT為高電位時(shí)，JK觸發(fā)器

才有翻轉(zhuǎn)的可能。當(dāng)COUNT為低電位時(shí)就不可能

翻轉(zhuǎn)。圖2.20是這種計(jì)數(shù)器的符號。

(2)同步計(jì)數(shù)器初學(xué)者可先不閱讀此段。

(synchronouscounter)行波計(jì)數(shù)器的工作原理是在

時(shí)鐘邊緣到來時(shí)開始計(jì)數(shù)，由右邊第一位(LSB)開

始，如有進(jìn)位的話則要一位一位的推進(jìn)。而每一位

觸發(fā)器都需要建立時(shí)間tp(tp約為10納秒)。如果是16

位的計(jì)數(shù)器，則最大可能的計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間為160

納秒，這就顯得太慢了。

清華大學(xué)助泌社南金毓惻，旖口彗

同步計(jì)數(shù)器是將時(shí)鐘脈沖同時(shí)加到各位的觸發(fā)器的

時(shí)鐘輸入端，而將前一位的輸出端(Q)接到下一位

的JK端去。這樣可以使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間只相當(dāng)于

一個(gè)觸發(fā)器的建立時(shí)間tp,所以同步計(jì)數(shù)器在很多

微型機(jī)中常被使用。為了避免初學(xué)者陷到電路分析

中去，這里就不介紹具體線路了。

⑶環(huán)形計(jì)數(shù)器(ringcounter)也是由若干個(gè)觸發(fā)器組

成的。不過，環(huán)形計(jì)數(shù)器與上述計(jì)數(shù)器不一樣，它

只是僅有唯一的一個(gè)位為高電位，即只有一位為L

其他各位為0。圖2.21是由D觸發(fā)器組成環(huán)形計(jì)數(shù)器

的電路原理圖。

高華十字出版社

圖2.20

圖2.21

當(dāng)CLR端有高電位輸入時(shí)，除右邊第1位（LSB）外，

其他各位全被置0（因清除電位CLR都接至它們的

CLR端），而右邊第1位則被置1（因清除電位CLR被

引至其PR端）。這就是說，開始時(shí)Qo=L而Qi，Q2,

Q3全為0。因此,D1也等于LMD0=Q3=OO在時(shí)鐘

脈沖正邊緣來到時(shí)，則Q0=0,而Qi=L其他各位

仍為0。第2個(gè)時(shí)鐘脈沖前沿來到時(shí),Qo=O,Qi=0,

而Q2=LQ3仍=0。這樣，隨著時(shí)鐘脈疝而各位輪

流置1,并且是在最后一位（左邊第1位）置1之后又

回到右邊第1位，這就形成環(huán)形置位，所以稱為環(huán)

形計(jì)數(shù)器。環(huán)形計(jì)數(shù)器的符號如圖2.22所示。

環(huán)形計(jì)數(shù)器不是用來計(jì)數(shù)用，而是用來發(fā)出順序控

制信號的，這在計(jì)算機(jī)的控制器中是一個(gè)很重要的

部件。

信華文學(xué)出版社饗帥盤就gg員■MMH

(4)程序計(jì)數(shù)器(programcounter)也是一個(gè)行波計(jì)數(shù)

器(也可用同步計(jì)數(shù)器)。不過它不但可以從0開始

計(jì)數(shù)，也可以將外來的數(shù)裝入其中，這就需要一個(gè)

COUNT輸入端，也要有一個(gè)LOAD門，程序計(jì)數(shù)

器的符號如圖2.23所示。

清華玄學(xué)出版社

2.3.4累加器

累加器也是一個(gè)由多個(gè)觸發(fā)器組成的多位寄存器,

臬力口器的英文為accumulator,譯作累加器，

似乎容易產(chǎn)生誤解，以為是在其中進(jìn)行算術(shù)加

法運(yùn)算。其實(shí)它不進(jìn)行加法運(yùn)算，而是作為

ALU運(yùn)算過程的代數(shù)和的臨時(shí)存儲處。這種特

殊的寄存器在微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理中擔(dān)負(fù)著

重要的任務(wù)。

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)左移或右移，所以它又是一種移位寄

存器。累加器的符號如圖2.24所示。

圖2.22

高華十字出版社

圖2.23圖2.24

2.4三態(tài)輸出電路

由于記憶元件是由觸發(fā)器組成的，而觸發(fā)器只有兩個(gè)狀

態(tài)：o和1,所以每條信號傳輸線只能傳送一個(gè)觸發(fā)器

的信息（0或1）。如果一條信號傳輸線既能與一個(gè)觸發(fā)

器接通，也可以與其斷開而與另外一個(gè)觸發(fā)器接通，

則一條信息傳輸線就可以傳輸隨意多個(gè)觸發(fā)器的信息

了。三態(tài)輸出電路（或稱三態(tài)門）就是為了達(dá)到這個(gè)目

的而設(shè)計(jì)的。

三態(tài)輸出電路可以由兩個(gè)或非門和兩個(gè)NMOS晶體管（明,

T2）及一個(gè)非門組成，如圖2.25所示。

當(dāng)ENABLE（選通端）為高電位時(shí)，通過非門而加至兩個(gè)或

非門的將為低電位，則兩個(gè)或非門的輸出狀態(tài)將決定

于A端的電位。當(dāng)A為高電位，G?就是低

電位，而G1為高電位，因而T］導(dǎo)通而T2截止，所

以B端也呈現(xiàn)高電位（VB^VDD）；當(dāng)A為低電位，G2

將呈現(xiàn)高電位而G1為低電位，因而「截止而12導(dǎo)

通，所以B也呈現(xiàn)低電位（VB=O）。這就是說，在選

通端（ENABLE端）為高電位時(shí)A的兩種可能電平（0

和1）都可以順利地通到B輸出去，即E=1時(shí)，B=Ao

當(dāng)選通端E為低電位時(shí)，通過非門加至兩個(gè)或非門的

將為高電位。此時(shí)，無論A為高或低電位，兩個(gè)或

非門的輸出都是低電位，即G］與G2都是低電位。

所以叫和同時(shí)都是截止?fàn)顟B(tài)。這就是說，在選通

端（E端）為低電位時(shí)，A端和B端是不相通的，即它

們之間存在著高阻狀態(tài)。

三態(tài)輸出電路的符號如圖2.25(b)所示。

圖2.25稱為單向三態(tài)輸出電路。有時(shí)需要雙向輸出時(shí),

一般可以用兩個(gè)單向三態(tài)輸出電路來組成，如圖

2.26所示。A為某個(gè)電路裝置的輸出端，C為其輸

入端。當(dāng)EOUT=1時(shí)，B=A,即信息由左向右傳輸；

E【N=1時(shí)，C=B,即信息由右向左傳輸。

清華大學(xué)出版社

圖2.25

猾華大學(xué)出版社

圖2.26

三態(tài)門（E門）和裝入門（L門）一樣，都可加到任何寄存

器（包括計(jì)數(shù)器和累加器）電路上去。這樣的寄存器

就稱為三態(tài)寄存器。L門專管對寄存器的裝入數(shù)據(jù)

的控制，而E門專管由寄存器輸出數(shù)據(jù)的控制。

有了L門和E門就可以利用總線結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)的信

息傳遞的線路簡單化，控制器的設(shè)計(jì)也更為合理而

易于理解了。

清華十字出版社—

2.5總線結(jié)構(gòu)

設(shè)有A,B,C和D4個(gè)寄存器，它們都有L門和E

門，其符號分別附以A,B,C和D的下標(biāo)。它

們的數(shù)據(jù)位數(shù)，設(shè)有4位，這樣只要有4條數(shù)據(jù)

線即可溝通它們之間的信息來往。圖2.27就是

總線結(jié)構(gòu)的原理圖。

清華大學(xué)出版社

圖2.27

清4穿淳昌版社

如果將各個(gè)寄存器的L門和E門按次序排成一列，則

可稱其為控制字CON：

CON=LAEALBEBLCECLDED

為了避免信息在公共總線W中亂竄，必須規(guī)定在某

一時(shí)鐘節(jié)拍（CLK為正半周），只有一個(gè)寄存器L門

為高電位，和另一寄存器的E門為高電位。其余各

門則必須為低電位。這樣，E門為高電位的寄存器

的數(shù)據(jù)就可以流入到L門為高電位的寄存器中去。

控制字中哪些位為高電平，哪些位為低電平，將由

控制器發(fā)出并送到各個(gè)寄存器上去。

為了簡化作圖，不論總線包含幾條導(dǎo)線，都用一條

粗線表示。在圖2.28中，有兩條總線，一條稱數(shù)據(jù)

總線，專門讓信息（數(shù)據(jù)）在其中流通。另一條稱為

控制總線，發(fā)自控制器，它能將控制字各位分別

送至各個(gè)寄存器上去?？刂破饕灿幸粋€(gè)時(shí)鐘，能把

CLK脈沖送到各個(gè)寄存器上去。

猾華大學(xué)出版社CLK△

控制器

控

制

總

線圖2.28

▽▽

2.6存儲器

存儲器(memoiy)是計(jì)算機(jī)的主要組成部分。它既可

用來存儲數(shù)據(jù)，也可用以存放計(jì)算機(jī)的運(yùn)算程序。

存儲器由寄存器組成，可以看做一個(gè)寄存器堆，

每個(gè)存儲單元實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)緩沖寄存器。

根據(jù)使用不同，存儲器分為兩大類：只讀存儲器

(ROM)和隨機(jī)存取存儲器(RAM)。下面將分別介

紹這兩種存儲器的結(jié)構(gòu)和性能。

在微型計(jì)算機(jī)中采用半導(dǎo)體器件作為記憶元件，這

樣體積小些，可以制成大規(guī)模集成電路。每個(gè)存

儲單元所存儲的內(nèi)容稱為一個(gè)字(word)。一個(gè)字

由若干位(bit)組成。比如8個(gè)記憶元件的存儲單元

就是一個(gè)8位的記憶字稱為一個(gè)字節(jié)(byte),由16

個(gè)記憶單元組成的存儲單元就是一個(gè)16位的記憶

字(由兩個(gè)字節(jié)組成)。

清華：＞’二字出為粵

一個(gè)存儲器可以包含數(shù)以千計(jì)的存儲單元。所以，

一個(gè)儲存器可以存儲很多數(shù)據(jù)，也可以存放很多計(jì)

算步驟——稱為程序(program)。為了便于存入和

取出，每個(gè)存儲單元必須有一個(gè)固定的地址。因此,

存儲器的地址也必定是數(shù)以千計(jì)的。為了減少存儲

器向外引出的地址線，在存儲器內(nèi)部都自帶有譯碼

器。根據(jù)二進(jìn)制編碼譯碼的原理，除地線公用之外,

n根導(dǎo)線可以譯成2n個(gè)的地址號。

例如，一個(gè)16X8的存儲器如圖2.29所示，它是一個(gè)

有16個(gè)存儲單元，每個(gè)單元為8位記憶字(即每單元

存一個(gè)字節(jié))的集成電路片，它將有4條地址線A。，

APA2,A3和8條數(shù)據(jù)線DO，DyD2,D3,D4,D5,

D6,D7O如16個(gè)存儲單元為RO，RPR15O它

們是A。，APA2?A3的全部組合。

清華

圖2.29

奇華史學(xué)出朧鈍皖T

順便提一句，當(dāng)?shù)刂肪€為10條時(shí)，n=10,則可編地

址號為1,024個(gè)，或稱為1K字節(jié)。這里的1K和習(xí)慣

為1000不一樣，請務(wù)必注意。

A。?A3就是地址總線中的4根譯碼線。當(dāng)存儲器的存

儲單元愈多，則地址總線中的譯碼線，亦即存儲器

集成電路片的地址線愈多。在一般微型計(jì)算機(jī)中，

地址線大都為16條。16條步址線，可譯出64K個(gè)地

址。在286/386/486中采用20條地址線。

2.6.1只讀存儲器

這是用以存放固定程序的存儲器，一旦程序存放進(jìn)

去之后，即不可改變。也就是說，不能再“寫”

入新的字節(jié)，而只能從中“讀”出其所存儲的內(nèi)

容，因此稱為只讀存儲器。

圖2.30是一個(gè)8X4ROM集成電路片的內(nèi)部電路原理

圖。右半部分由矩陣電路及半導(dǎo)體二極管組成8個(gè)

4位的存儲單元。二極管的位置是由制造者配置好

了而不可更改的。一條橫線相當(dāng)于一個(gè)存儲單元,

而一條豎線相當(dāng)于一位。所以8條橫線組成8個(gè)存

儲單元，4條豎線成為一個(gè)4位的字。二極管連接

到的豎線，則為該位置1。無二極管相連的豎線，

電位。為了可控，每條數(shù)據(jù)線都加一個(gè)三態(tài)輸出

門（E門）。這樣，只有在E門為高電位時(shí)，才有可

能輸出此ROM中的數(shù)據(jù)。

圖2.30

濤《Q得圜朧爸的猾M布賓方力戈1-114

左半部為地址譯碼器電路。因?yàn)槭?個(gè)地址號，所以

只需3條地址線：A2,A],?o，_每條地址線都并以

一個(gè)非門，而得3條非線：A2?APA0o這6條線

通過8個(gè)與門即可譯成8個(gè)地址號。例如，R0的地

址號為A2AIAO=OOO,當(dāng)?shù)刂肪€上出現(xiàn)A2A[AO=OOO

時(shí)，則氏所在的那條橫線所連接的與門1將導(dǎo)通，

而使此橫線為高電位。而此時(shí)Ro的4條豎線中只有

最右一條接有二極管。它將橫線的高電位引至下面

的限流電阻R上。所以電阻R的上端出現(xiàn)高電位。

其他3條豎線由于無二極管與與橫線相連，所以它

們各自的限流電阻上無電流流過而呈現(xiàn)為低電平

（地電位）。當(dāng)E門為高電位時(shí)數(shù)據(jù)線D3D2DF0將送

出數(shù)據(jù)為0001,其他各個(gè)存儲單元也可由地址線的

信號之不同而選出，并通過E門將數(shù)據(jù)輸出去。

高華文學(xué)出版社3mB

圖2.31為ROM的符號圖，圖2.31(a)是8個(gè)存儲單元，

每個(gè)4位(即半個(gè)字節(jié))，所以寫成8X4ROM。圖

2.31(b)為通用寫法，mXnROM意即為m個(gè)存儲單

元，其中每個(gè)為n位。

(a)(b)

圖2.31

存儲地址寄存器(memoryaddressregister,MAR)：作

為存儲器的一個(gè)附件，存儲地址寄存器是必需的。

它將所要尋找的存儲單元的地址暫存下來，以備下

一條指令之用。

存儲地址寄存器也是一個(gè)可控緩沖寄存器，它具有L

門以控制地址的輸入。它和存儲器的聯(lián)系是雙態(tài)的,

即地址二進(jìn)入MAR就立即被送到存儲器去，如圖

2.32所示。

清華大學(xué)出版社

圖2.32

【例2.1】程序計(jì)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。

w總線

圖2.33

設(shè)控制字依次是：

(1)CPEPLMER=0110

(2)CPEPLMER=0001

(3)CPEPLMER=1000

問：它們之間的信息是如何流通的？

解開機(jī)時(shí),先令CLR=L則PC=OOOO

(1)第1個(gè)控制字是：

CPEPLMER=0110

即Ep=LPC準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)；LM=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=OOOO,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Ro存儲單元。

清華十學(xué)出版社,一二,,「，二「一一.瓢二」

CPEPLMER=0001

即ER=L令ROM放出數(shù)據(jù)。

也就是說，當(dāng)ER為高電位，氏中的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(shí)鐘脈沖的

同步訊號，因而稱為異步動作。

(3)第3個(gè)控制字是：

CPEPLMER=1000

即Cp=L這是命令PC加L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。

滂隼；二字出版社

2.6.2隨機(jī)存儲器

這種存儲器又叫做讀/寫存儲器。它和ROM之區(qū)別在于

這種存儲器不但能讀取已存放在其各個(gè)存儲單元中的

數(shù)據(jù)，而且還能夠隨時(shí)寫進(jìn)新的數(shù)據(jù)，或者改寫原來

的數(shù)據(jù)。因此，RAM的每一個(gè)存儲單元相當(dāng)于一個(gè)可

控緩沖寄存器。

1.RAM的材料

某些專用計(jì)算機(jī)常用磁芯作為記憶元件，這樣可以避免

停電而失去記憶能力，但體積較大。

小型計(jì)算機(jī)及微型計(jì)算機(jī)多用雙極型晶體管或金屬氧化

物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。這類材料可以制

成大規(guī)模集成電路，體積較小。但停電則失去記憶能

另。

清華為學(xué)出版社鄧據(jù)’鼐嬲源in息新

JJJI」,產(chǎn)J*J?]/.Rh"/"J卬K*，.-Oj-?二.■-/

2.靜態(tài)RAM及動態(tài)RAM

靜態(tài)RAM常用雙極型晶體管觸發(fā)器作為記憶元件（也

有用MOSFET的），只要有電源加于觸發(fā)器，數(shù)據(jù)

即可長期保留。

動態(tài)RAM則用電容及MOSFET作為記憶元件。由于

電容會漏電，因而常需“刷新”，這就是要求每隔

2ms充電一次，為此還須另加一刷新電源。

雖然動態(tài)RAM比靜態(tài)RAM便宜些，但因要刷新，電

路上稍為麻煩，因而大多數(shù)微型機(jī)都采用靜態(tài)

RAMo

3.RAM的符號

RAM的符號如圖2.34所示，其中：

rA—地

DIN—要寫入的數(shù)據(jù)；

DOUT——要讀出的數(shù)據(jù)；

ME1L——選通此RAM的E門o

WE及ME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)ME=O時(shí)，此RAM未選中，

故WE是什么（0或1）都