微机原理组成电路.pptx

1第二章第二章微机基本组成电路微机基本组成电路目的要求目的要求1.掌握基本门电路的功能，认识其表示符号2.掌握微机中的常用组合逻辑电路3.掌握触发器、寄存器在微机中的应用意义4.掌握环形计数器对微机工作的意义2基本门电路基本门电路与、或、非门：与、或、非门：最最基基本本的的门门电电路路，将将它它们们适适当当地地连连接接，可可得得到任意复杂的逻辑功能到任意复杂的逻辑功能3与非、或非、异或门与非、或非、异或门与与非非门门：是是数数字字集集成成电电路路中中构构成成其其它它器器件件的的基础基础4二进制加二进制加/减法电路减法电路ALU：算术逻辑单元：算术逻辑单元在在加加/减减法法电电路路基基础础上上增增加加逻逻辑辑运运算算功功能能，即可构成即可构成CPU的运算器核心的运算器核心5基本时序逻辑电路基本时序逻辑电路时序逻辑电路与组合逻辑电路的区别时序逻辑电路与组合逻辑电路的区别组合电路：组合电路：输出只与输入有关输出只与输入有关时序电路时序电路：输输出出不不仅仅与与当当时时的的输输入入有有关关，还还与与过过去去的的历历史史有关，与过去的时间有关有关，与过去的时间有关利用这一点，可以产生具有记忆能力的电路利用这一点，可以产生具有记忆能力的电路时序逻辑电路的特点时序逻辑电路的特点除了包含有组合电路外除了包含有组合电路外,还必须包含有具还必须包含有具有记忆功能的存储电路有记忆功能的存储电路 。6触发器：触发器：Trigger，微机的记忆细胞，具，微机的记忆细胞，具有记忆功能的基本单元电路有记忆功能的基本单元电路,能存储一位能存储一位二进制代码二进制代码2个互为反相的输出端个互为反相的输出端稳稳态态：当当输输入入不不发发生生变变化化时时，2个个输输出出保持稳定不变，可储存保持稳定不变，可储存1个二进制位个二进制位翻翻转转：当当输输入入满满足足一一定定变变化化条条件件时时，输输出将发生由出将发生由0到到1或由或由1到到0的变化的变化7触发器触发器,是组成时序电路必不可少的重要组成是组成时序电路必不可少的重要组成部分部分.具有以下基本特点具有以下基本特点.(1)具具有有两两个个稳稳定定的的(0和和1)状状态态,能能存存储储一一位位二进制信息二进制信息;(2)根根据据不不同同的的输输入入,可可将将输输出出置置成成0或或1状状态态;(3)当当输输入入信信号号消消失失后后,被被置置成成的的状状态态能能保保存存下来下来.触触发发器器有有两两个个稳稳定定的的状状态态，即即0和和1，所所以以触触发发器器也也被被称称为为双双稳稳态态电电路路。与与双双稳稳态态电电路路不不同同，单单稳稳态态触触发发器器只只有有一一个个稳稳定定的的状状态态。这这个稳定状态要么是个稳定状态要么是0，要么是，要么是1。8RS触发器：是其它触发器的基础触发器：是其它触发器的基础R表示表示Reset，S表示表示Set时时钟钟同同步步：将将R、S与与时时钟钟相相与与，使使置置位位或或复复位在时钟信号的高电平期间才发生位在时钟信号的高电平期间才发生9复位端复位端R R有信号，置位端有信号，置位端S S无信号时，触无信号时，触发器置发器置0 0复位端复位端R R无信号，置位端无信号，置位端S S有信号时，触有信号时，触发器置发器置1 1复位端复位端R R有信号，置位端有信号，置位端S S有信号时，触有信号时，触发器保持原状态发器保持原状态:Q:Qn+1n+1=Q=Qn n复位端复位端R R无信号，置位端无信号，置位端S S无有信号时，无有信号时，触发器输出不确定。触发器输出不确定。10门控门控RSRS触发器触发器 w门控触发器的工作受一个控制信号控制,该控制信号常称为使能信号E.（时标脉冲）w电路结构及逻辑符号电路结构及逻辑符号 w工作原理工作原理 11D触发器触发器：是构成寄存器的主要器件：是构成寄存器的主要器件特点：当一个时钟信号到来时，特点：当一个时钟信号到来时，D端输入端输入将会翻转到将会翻转到Q端输出上端输出上w时标时标D触发器触发器w时钟边缘同步时钟边缘同步：将时钟信号利用：将时钟信号利用RC微分电微分电路变换成尖峰信号，实现精确同步路变换成尖峰信号，实现精确同步w触发器的预置与清除。触发器的预置与清除。12D触发器触发器DQCQ电平锁存DQCQ上升沿锁存电平锁存电平锁存高电平通高电平通过，低电平锁存过，低电平锁存上升沿锁存上升沿锁存通常用通常用负脉冲后沿触发锁存负脉冲后沿触发锁存负脉冲的后沿锁存负脉冲的后沿锁存DQCQSR带有异步置位带有异步置位/清零端的电平清零端的电平控制的锁存器控制的锁存器正脉冲的后沿锁存正脉冲的后沿锁存ALE-WR1374LS273（8D触发器）触发器）具有异步清零端具有异步清零端的的8D触发器触发器TTL工作电平工作电平上升沿触发锁上升沿触发锁存存14JK触发器：触发器：是构成计数器的理想器件是构成计数器的理想器件根根据据2个个输输入入的的不不同同组组合合，JK触触发发器器可可呈呈现现出出4种不同的工作状态种不同的工作状态反反转转：利利用用该该状状态态实实现现计计数数器器，CLK的的输输入入端端串有串有RC电路，以获得正边缘触发的工作方电路，以获得正边缘触发的工作方式。式。15寄存器寄存器：是由若干触发器和控制门组成的逻辑电路，其功能是由若干触发器和控制门组成的逻辑电路，其功能是暂存数据或指令。是暂存数据或指令。如下图，由如下图，由4个正沿触发的个正沿触发的D触发器组成的触发器组成的4D寄存器。寄存器。CLR=0时各触发器均置时各触发器均置0CLR=1时时CLK正跳变沿到来各触发器正跳变沿到来各触发器Q=D16u缓冲器与锁存器：缓冲器与锁存器：区别在于区别在于CLKCLK的信号形式上的信号形式上 缓冲器：连续缓冲器：连续CLK信号。只要输入有变化，就会马上信号。只要输入有变化，就会马上反映到输出上反映到输出上锁存器：可控的高电平信号。当需要寄存输入时，产锁存器：可控的高电平信号。当需要寄存输入时，产生一个有效的锁存信号；而生一个有效的锁存信号；而当该信号保持无效时当该信号保持无效时，无无论输入怎么变化，输出都不会发生变化论输入怎么变化，输出都不会发生变化17典型应用：典型应用：装入控制门电路：装入控制门电路：L门门高电平时使数据装入，低电平高电平时使数据装入，低电平时，数据自锁在其中。时，数据自锁在其中。18u移位寄存器：移位寄存器：用以实现快速乘、除法或其它逻辑功能用以实现快速乘、除法或其它逻辑功能注意与缓冲器、锁存器的区别注意与缓冲器、锁存器的区别左移寄存器和右移寄存器左移寄存器和右移寄存器特点：寄存器由特点：寄存器由4位正沿位正沿D触发器组成触发器组成,寄存器中低位触发器的寄存器中低位触发器的输出作为高位的输入输出作为高位的输入,每来一个每来一个CLK，寄存器中的数右移一位，寄存器中的数右移一位19计数器计数器 u一种特殊的寄存器，能将自身寄存的二进制数加一种特殊的寄存器，能将自身寄存的二进制数加1或者减或者减1。u串行计数器串行计数器：行波计数器，由行波计数器，由JK触发器构成触发器构成20u并行并行(同步同步)计数器：计数器：同步计数器，可克服串行同步计数器，可克服串行计数器所固有的缺陷，提高计数速度计数器所固有的缺陷，提高计数速度 u可控计数器可控计数器：将将J、K端连接至一控制信号端连接至一控制信号21u环形计数器环形计数器：环行置位器，节拍发生器环行置位器，节拍发生器特点：可保证唯一的特点：可保证唯一的“1”在各位环行出现在各位环行出现作用：产生作用：产生机器节拍机器节拍，发出顺序控制信号，发出顺序控制信号22计数器计数器任任何何一一个个数数字字系系统统几几乎乎都都包包含含计计数数器器。计计数数器器不不仅仅可可用用来来计计数数，也也可可用用来来定定时时、分分频频和和进进行行数数字字运运算算。所所谓谓计计数数，就就是是计计算算输输入入脉脉冲冲的的个个数数，而而计计数数器器就就是是实实现现计计数数功功能能的的时时序序部部件。件。23计数器的分类计数器的分类按时钟作用方式分按时钟作用方式分同步计数器：同步计数器：各触发器的时钟信号是由同一脉各触发器的时钟信号是由同一脉冲来提供，因此是同时翻转，计数速度较快。冲来提供，因此是同时翻转，计数速度较快。异步计数器：异步计数器：高位触发器的时钟信号是由低一高位触发器的时钟信号是由低一位触发器的输出来提供，高位触发器的翻转有位触发器的输出来提供，高位触发器的翻转有待低位触发器翻转后才能进行待低位触发器翻转后才能进行,计数速度较慢。计数速度较慢。按计数进位分按计数进位分 二进制计数器二进制计数器十进制计数器十进制计数器24u程序计数器程序计数器PCPC：对程序指令计数，可表征指令的执行对程序指令计数，可表征指令的执行情况和当前位置情况和当前位置25累加器累加器 u一种特殊的移位寄存器一种特殊的移位寄存器u并非用于加法，而是作为并非用于加法，而是作为ALU的主要的主要操操作数来源及结果存放处。作数来源及结果存放处。26u三态门的作用：实现三态门的作用：实现总线总线机制机制27三态输出门三态输出门 u具有高电平、低电平和高阻抗三种输出状态。具有高电平、低电平和高阻抗三种输出状态。u原理：在原理：在Enable使能端的控制下，除输出正常使能端的控制下，除输出正常的高、低电平外，还能输出的高、低电平外，还能输出高阻高阻状态状态28三态缓冲器三态缓冲器三态门具有单向导通和三态的特性C为低平（无效）时：为低平（无效）时：输出为高阻抗（三态）输出为高阻抗（三态）C为高电平（有效）时：为高电平（有效）时：输出为输入的反相输出为输入的反相CAF输出场合表示反相输出场合表示反相输入场合表示低电平有效输入场合表示低电平有效CAFCAFCAF29三态门和三态门和D触发器触发器三态门、三态门、D触发器、锁存器是微机接触发器、锁存器是微机接口电路中最常使用的几类器口电路中最常使用的几类器件件三态门：驱动、隔离。多用在输出场合。三态门：驱动、隔离。多用在输出场合。D触发器和锁存器：信号的保持锁存。多用触发器和锁存器：信号的保持锁存。多用在输入场合。在输入场合。控制控制1控制控制2控制控制3控制控制4总线总线三态门三态门三态门三态门锁存器锁存器D触发器触发器输出输出输入输入锁存器锁存器D触发器触发器30双向三态缓冲器双向三态门具有双向导通和三态的特性ABT-OE-OE0，导通，导通 T1 AB T0 AB-OE1，不导通，不导通3174LS373具有三态输出的透具有三态输出的透明锁存器明锁存器TTL工作电平工作电平LE电平锁存高电平有电平锁存高电平有效效-OE输出允许输出允许32Intel8282具有三态输出的透具有三态输出的透明锁存器明锁存器TTL工作电平STB电平锁存高电平有效-OE输出允许33Intel82868位双向缓冲器位双向缓冲器控制端控制端低电平有效低电平有效可以双向导通可以双向导通输出与输入同相输出与输入同相-OE0，导通，导通 T1 AB T0 AB-OE1，不导通，不导通3474LS2458位双向缓冲器位双向缓冲器控制端低电平有效可以双向导通输出与输入同相-E0，导通，导通 DIR1 AB DIR0 AB-E1，不导通，不导通352.5总线结构总线结构控制字：控制字：CONCON=LAEALBEBLCECLDEDABDCLALCKEALBLCKEBLDLCKEDLCLCKECw规定在某一时钟节拍，只有一规定在某一时钟节拍，只有一个寄存器个寄存器L门为高电位，和另门为高电位，和另一个寄存器的一个寄存器的E门为高电位。门为高电位。其余各位必须为低电平。其余各位必须为低电平。36如：如：wCON=10010000wCON=01100000wCON=01001000wCON=01000010wCON=00100001wCON=10000100ABDCLALCKEALBLCKEBLDLCKEDLCLCKEC372.6存储器存储器为了便于存入和取出，每个存储单元必须有为了便于存入和取出，每个存储单元必须有一个固定的地址，为了减少存储器向外引出的一个固定的地址，为了减少存储器向外引出的地址线，在存储器内部都自带有译码器。地址线，在存储器内部都自带有译码器。分类：分类：一类用于保存正在处理的指令和数据，一类用于保存正在处理的指令和数据，CPUCPU可以直接对它进行访问。通常称为可以直接对它进行访问。通常称为主存储器主存储器或或内存储器内存储器。一类由能记录信息的装置组成，一类由能记录信息的装置组成，CPUCPU需要使需要使用其所存放的信息时，须将信息送到前一类存用其所存放的信息时，须将信息送到前一类存储器。通常称为储器。通常称为外存储器外存储器或或海量海量(mass(mass storage)storage)存储器存储器。38存储系统的层次结构存储系统的层次结构存储系统的基本概念存储系统的基本概念寄存器寄存器Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器(磁盘磁盘)大容量存储器大容量存储器(磁带磁带)外存储器外存储器内存储器内存储器3940按存取方式分类按存取方式分类 分为随机存取存储器、只读存储器两种形式分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。(1)(1)随机存储器随机存储器RAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory)又又称称读读写写存存储储器器，指指能能够够通通过过指指令令随随机机地地、个个别别地地对其中各个单元进行读对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。写操作的一类存储器。按按照照存存放放信信息息原原理理的的不不同同，随随机机存存储储器器又又可可分分为为静静态态和和动动态态两两种种。静静态态RAMRAM是是以以双双稳稳态态元元件件作作为为基基本本的的存存储储单单元元来来保保存存信信息息的的，因因此此，其其保保存存的的信信息息在在不不断断电电的的情情况况下下，是是不不会会被被破破坏坏的的；而而动动态态RAMRAM是是靠靠电电容容的的充充、放放电电原原理理来来存存放放信信息息的的，由由于于保保存存在在电电容容上上的的电电荷荷，会会随随着着时时间间而而泄泄露露，因因而而会会使使得得这这种器件中存放的信息丢失，必须定时进行刷新。种器件中存放的信息丢失，必须定时进行刷新。41一个简单的一个简单的4444位的位的MOS ROMMOS ROM存储阵列，采用单译码方式。这存储阵列，采用单译码方式。这时，有两位地址输入，经译码后，输出四条字选择线，每条时，有两位地址输入，经译码后，输出四条字选择线，每条字选择线选中一个字，此时位线的输出即为这个字的每一字选择线选中一个字，此时位线的输出即为这个字的每一位。位。0042若若有有管管子子与与其其相相连连（如如位位线线1和和位位线线4），则则相相应应的的MOS管管就就导导通通，这这些些位位线线的的输输出出就就是是低低电电平平，表表示示逻逻辑辑“0”；而而没没有有管管子子与与其其相相连连的的位位线线（如如位位线线2和和位位线线3），则则输输出出就就是是高高电电平平，表示逻辑表示逻辑“1”。43主存储器工作过程：从主存储器工作过程：从CPU送来的地址加载到送来的地址加载到MAR（存储器地址寄存器）内，在（存储器地址寄存器）内，在R/W读写控读写控制电路的作用下，对制电路的作用下，对MB（存储体（存储体MemoryBody）的某一单元进行读）的某一单元进行读/写操作，数据暂缓在写操作，数据暂缓在MDR（存储器数据寄存器）之内。（存储器数据寄存器）之内。44（2 2）只读存储器只读存储器ROM(Read-Only Memory)ROM(Read-Only Memory)在在微微机机系系统统的的在在线线运运行行过过程程中中，只只能能对对其其进进行行读读操操作作，而而不不能能进进行行写写操操作作的的一一类类存存储储器器。ROMROM通通常常用用来来存存放放固固定定不不变变的的程程序序、汉汉字字字字型型库库、字字符符及及图图形形符符号号等等。随随着着半半导导体体技技术术的的发发展展，只只读读存存储储器器也也出出现了不同的种类，现了不同的种类，如如可可编编程程的的只只读读存存储储器器PROM(Programmable PROM(Programmable ROM)ROM)，可可擦擦除除的的可可编编程程的的只只读读存存储储器器EPROM(Erasible EPROM(Erasible Programmable Programmable ROM)ROM)和和EEPROM(Electric EEPROM(Electric Erasible Erasible Programmable Programmable ROM)ROM)以以 及及 掩掩 膜膜 型型 只只 读读 存存 储储 器器MROM(Masked MROM(Masked ROM)ROM)等等，近近年年来来发发展展起起来来的的快快擦擦型型存存储器储器(F1ash Memory)(F1ash Memory)具有具有EEPROMEEPROM的特点。的特点。45例：程序计数器例：程序计数器PC，存储器地址寄存器，存储器地址寄存器MAR和和ROM通过总线的联系如图所示，控通过总线的联系如图所示，控制字依次是：制字依次是：CPEPLMER=0110CPEPLMER=0001CPEPLMER=1000PC16*8ROMMAR4848CPCLKCLREFLMCLKER46解：开机时，先令解：开机时，先令CLR=1CLR=1，则，则PC=0000PC=00001 1、第一个控制字、第一个控制字CPEPLMER=0110即即EP=1，PCPC准备放出数据；准备放出数据；LM=1，MARMAR准备装准备装入数据。在入数据。在CLKCLK正前沿到达时，正前沿到达时，CLK=1CLK=1，MAR=PC=0000MAR=PC=0000，PCPC的数据装入的数据装入MARMAR，同时，同时MARMAR立立即指向即指向ROMROM的第一地址，即选中了的第一地址，即选中了ROMROM中的中的R0存储单元。存储单元。CPEPLMER=0001CPEPLMER=100047PCMDRMAR81288CPCLKCLREFLMCLK256*12RAMLDCLKWEME12I12LICLKEI12I 0例：已设计好的例：已设计好的控制字的次序如控制字的次序如下：下：CON1=01100000CON2=00000010CON3=00000101CON4=00011000CON5=10000000