微型计算机的内部基本组成电路

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。 (1) 二进制数的加法电路 设A=1010=10(10) B=1011=11(10) 则可安排如图1.7所示的加法电路。 A与B相加，写成竖式算法如下： 　A：1 0 1 0 　B：1 0 1 1 (+ 　S：10 1 0 1 即其相加结果为S=10101。 从加法电路，可看到同样的结果： 　S=C4S3S2S1S0 　=10101 (2)二进制数的减法运算 在微型计算机中，没有专用的减法器，而是将减法运算改变为加法运算。其原理是：将减数B变成其补码后，再与被减数A相加，其和(如有进位的话，则舍去进位)就是两数之差。 补码是什么呢?对于二进制数来说，简言之，可用下式来表示： 补码=反码+1 这就是说，如有一个二进制数为A，这就是原码，则其反码为 ，于是补码A′可以写成： A′= +1 (3)可控反相器及加法／减法电路 利用补码可将减法变为加法来运算，因此需要有这么一个电路，它能将原码变成反码，并使其最小位加1。 图1.8的可控反相器就是为了使原码变为反码而设计的。这实际上是一个异或门(异门)，两输入端的异或门的特点是：两者相同则输出为0，两者不同则输出为1。 将SUB端看作控制端， 则当在SUB端加上低电平时，B端的电平就和Y端的电平相同。在SUB端加上高电平时，B端的电平就和Y端的电平相反。因此，可将SUB作为加法和减法的控制端。 如果有下面两个二进制数： A=A3A2A1A0 B=B3B2B1B0 则可将这两个数的各位分别送入该电路的对应端，于是： 当SUB=0时，电路作加法运算：A+B。 当SUB=1时，电路作减法运算：A-B。 图1.9电路的原理如下：当SUB=0时，各位的可控反相器的输出与B的各位同相，所以图1.9和图1.7的原理完全一样，各位均按位相加。结果S=S3S2S1S0，而其和为：C3S=C4S3S2S1S0。 当SUB=1时，各位的反相器的输出与B的各位反相。注意，最右边第一位(即S0位)也是用全加器，其进位输入端与SUB端相连，因此其C0=SUB=1。所以此位相加即为： A0+B0+1 其他各位为： A1+B1+C1 A2+B2+C2 A3+B3+C3 因此其总和输出S=S3S2S1S0，即： 　　S=A+B+1 　　 =A3A2A1A0+B3B2B1B0+1 　　 =A+B′ 　　 =A-B 当然，此时C4如不等于0，则要被舍去。 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。 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