信阳师范学院物理电子工程学院教案 微型计算机原理及应用
第1章 计算机基础知识
1.1 数制
数制是人们利用符号来记数的科学方法。数制可以有很多种，但在计算机的设计与使用上常使用的则为十进制、二进制、八进制和十六进制。 1.1.1 数制的基与权
数制所使用的数码的个数称为基；数制每一位所具有的值称为权。 【例1.1】求13的二进制代码。其过程如下
结果为：1101。
【例1.2】求十进制数0.625的二进制数。 用乘法的竖式计算，步骤如下：
(2) 二进制数转换成十进制数的方法
由二进制数各位的权乘以各位的数(0或1)再加起来就得到十进制数。 1.2 逻辑电路
逻辑电路由其3种基本门电路(或称判定元素)组成。图1.1是基本门电路的名称、符号及表达式。
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在这3个基本门电路的基础上，还可发展成如图1.2那样更复杂的逻辑电路。其中，最后一个叫作缓冲器(buffer)，为两个非门串联以达到改变输出电阻的目的。如果A点左边电
图1.1
图1.2
路的输出电阻很高，则经过这个缓冲器之后，在Y点处的输出电阻就可以变得低许多倍，这样就能够提高带负载的能力。 1.4.6 二进制数的减法运算
所以，在二进制中，常用反码加1的方法来获得补码。这在计算机中非常方便，因为二进制电路由原码求反码是很容易的，这在下面就会看到。有了补码，就可以将减法变成加法来运算了。请看下面的例子。 【例1.12】求Y=8(10)-4(10)=?
解：因为 A=8(10)=1000(2) B=4(10)=0100(2)
则 B′=1011+1=1100(2)
于是 Y=A-B=A+B′=1000+1100=1 0100=0100(2)=4(10) 进位，应舍去 【例1.13】求Y=F(H)--A(H)=?(即求15减10之差)
设 A=F(H)=1111(B)=15(D) B=A(H)=1010(B)=10(D)) 则: B=0101+1=0110(B)
B?=0101+1=0110(B)
所以 Y=A+ B?=1111+0110= 1 0101= 0101(B)(结果为5) 进位，舍去 1.4.7 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。
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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。
图1.8可控反相器
利用这个特点，在图1.7的4位二进制数加法电路上增加4个可控反相器并将最低位的半加器也改用全加器，就可以得到如图1.9的4位二进制数加法器／减法器电路了，因为这个电路既可以作为加法器电路(当SUB=0)，又可以作为减法器电路(当SUB=1)。
图1.9 二进制补码数加法器／减法器
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。
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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。
图2.1
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。
微型计算机所用触发器一般用晶体管元件而不用磁性元件。这是因为晶体管元件可以制成大规模的集成电路，体积可以更小些。从晶体管电路基础中，我们已经知道触发器可以由两个晶体管组成的对称电路来构成，我们也知道触发电路中有所谓单稳态触发电路和双稳态触发电路，这里不打算重复这些电路的原理图和工作特点了。
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。
图2.11 JK触发器的符号
2.3 寄存器
寄存器(register)是由触发器组成的。一个触发器就是一个一位寄存器。由多个触发器可以组成一个多位寄存器。寄存器由于其在计算机中的作用之不同而具有不同的功能，从而被命名为不同的名称。常见的寄存器有：缓冲寄存器——用以暂存数据；移位寄存器——能够将其所存的数据一位一位地向左或向右移；计数器——一个计数脉冲到达时，会按二进制数的规律累计脉冲数；累加器——用以暂存每次在ALU中计算的中间结果。
下面分别介绍这些寄存器的工作原理及其电路结构。 2.3.1 缓冲寄存器
其基本工作原理为：设有一个二进制数，共有4位数：
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X=X3X2X1X0
要存到这个缓冲寄存器(buffer)中去，此寄存器是由4个D触发器组成的。将X0，X1，X2，X3分别送到各个触发器的D0，D1，D2，D3端去，只要CLK的正前沿还未到来，则Q0，Q1，Q2，Q3就不受X0，X1，X2，X3的影响而保持其原有的数据。只有当CLK的正前沿来到时，Q0，Q1，Q2，Q3才接受D0，D1，D2，D3的影响，而变成：
Q0=X0 Q1=X1 Q2=X2 Q3=X3
结果就是：Q=Q3Q2Q1Q0=X3X2X1X0=X。
这就叫做将数据X装到寄存器中去了。如要将此数据送至其他记忆元件去，则可由Y0，Y1，Y2，Y3各条引线引出去。
可控缓冲寄存器：图2.12的缓冲寄存器的数据X输入到Q只是受CLK的节拍管理，即只要一将X各位加到寄存器各位的D输入端，时标节拍一到，就会立即送到Q去。这有时是不利而有害的，因为也许我们还想让早已存在其中的数据多留一些时间，但由于不可控之故，在CLK正前沿一到就会立即被来到门口的数据X替代掉。
图2.12 4位缓冲寄存器电路原理图
为此，我们必须为这个寄存器增设一个可控的“门”。这个“门”的基本原理如图2.13所示，它是由两个与门一个或门以及一个非门所组成的。
图2.13 寄存器的装入门LOAD
在X0端送入数据(0或1)后，如LOAD端(以下简称为L端)为低电位，则右边的与门被阻塞，X0过不去，而原来已存在此位中的数据由Q0送至左边的与门。此与门的另一端输入从非门引来的与L端反相的电平，即高电位。所以Q0的数据可以通过左边的与门，再经或门而送达D0端。这就形成自锁，即既存的数据能够可靠地存在其中而不会丢失。如L端为高
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