微型计算机原理及应用第2章

第2章　微型计算机的基本组成电路 2.1　算术逻辑单元 2.2　触发器 2.3　寄存器 2.4　三态输出电路 2.5　总线结构 2.6　存储器 习题 任何一个复杂的电路系统都可以划分为若干电路，这些电路大都由一些典型的电路组成。微型计算机就是由若干典型电路通过精心设计而组成的，各个典型电路在整体电路系统中又称为基本电路部件。 本章就是对微型计算机中最常见的基本电路部件的名称及电路原理作一简单介绍。这些基本电路中最主要的是算术逻辑单元(arithmatic logical unit，ALU)、触发器(trigger)、寄存器(register)、存储器(memory)及总线结构等。在本章中，数据在这些部件之间的流通过程以及“控制字”的概念也将逐步地引出。所有这些内容都是组成微型计算机的硬件基础。 2.1 算术逻辑单元 顾名思义，这个部件既能进行二进制数的四则运算，也能进行布尔代数的逻辑运算。 第1章已讲过，二进制数的运算电路只能算加法。增加可控反相器后，又能进行减法，所以上章最后介绍的二进制补码加法器／减法器就是最简单的算术部件。但是，只要利用适当的软件配合，乘法也可以变成加法来运算，除法也可变成减法来运算。 如果在这个基础上，增加一些门电路，也可使简单的ALU进行逻辑运算。所谓逻辑运算就是指“与”运算和“或”运算。为了不使初学者陷入复杂的电路分析之中，本教程不打算在逻辑运算问题上开展讨论。 ALU的符号一般画成图2.1那样。A和B为两个二进制数，S为其运算结果，control为控制信号(见图1.9的控制线端SUB)。 2.2 触发器 触发器(trigger)是计算机的记忆装置的基本单元，也可说是记忆细胞。触发器可以组成寄存器，寄存器又可以组成存储器。寄存器和存储器统称为计算机的记忆装置。 下面简要地介绍一下RS触发器、D触发器和JK触发器，因为这些类型的触发器是计算机中最常见的基本元件。 2.2.1 RS触发器 RS触发器可以用两个与非门来组成，如图2.2所示。当S=1而R=0时，Q=1(Q=0)称为置位；当S=0而R=1时，Q=0(Q=1)称为复位。 为了作图方便，以后我们就只用方块来表示，如图2.3就是RS触发器的符号。 S端一般称为置位端，使Q=1(Q=0)， R端一般称为复位端，使Q=0(Q=1)。 时标RS触发器——为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作，RS触发器经常有外加的时标脉冲，如图2.4所示。 此图中的CLK即为时标脉冲。它与置位信号脉冲S同时加到一个与门的两个输入端；而与复位信号脉冲同时加到另一个与门的两个输入端。这样，无论是置位还是复位，都必须在时标脉冲端为高电位时才能进行。 2.2.2 D触发器 RS触发器有两个输入端S和R。为了存储一个高电位，就需要一个高电位输入的S端；为了存储一个低电位，就需要另一个高电位输入的R端。这在很多应用中是不很方便的。D触发器是在RS触发器的基础上引伸出来的，它只需一个输入端口，图2.5就是D触发器的原理。 当D端为高电位时，S端为高电位，而通过非门后加到R端的就是低电位，所以此时Q端就是高电位，称为置位。当D端为低电位时，S端为低电位，同时R端变为高电位，所以Q端是低电位，称为复位。 无时标的D触发器是不能协调运行的，图2.6所示是如何为D触发器加上时标的电路。此图和图2.4的道理是一样的，也是增加两个与门就可以接受时标脉冲CLK的控制。 时标脉冲CLK一般都是方波，在CLK处于正半周内的任何瞬间，触发器都有翻转的可能。这样计算机的动作就不可能整齐划一。我们总是想由时标CLK来指挥整个机器的行动。因此，采用时标边缘触发的方式就可以得到准确划一的动作。图2.7就是边缘触发的D触发器的电路原理图。 　图2.7与图2.6的区别仅为增加了一个RC微分电路，它能使方波电压信号的前沿产生正尖峰，后沿产生负尖峰。这样，在D端输入信号建立之后，当时标 脉冲的前沿到达的瞬间，触发器才产生翻转动作。如果D输入端的信号是在时标脉冲前沿到达之后才建立起来的，则虽然仍在时标脉冲的正半周时间内，也不能影响触发器的状态，而必须留到下一个时标脉冲的正半周的前沿到达时才起作用。这样就可以使整个计算机运行在高度准确的协调节拍