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
是作为ALU运算过程的代数和的临时存储处。这种特殊的寄存器在微型计算机的数据处理中担负着重要的任务。
累加器除了能装入及输出数据外，还能使存储其中的数据左移或右移，所以它又是一种移位寄存器。累加器的符号如图2.24所示。
图2.24累加器的符号
2.4 三态输出电路
由于记忆元件是由触发器组成的，而触发器只有两个状态：0和1，所以每条信号传输线只能传送一个触发器的信息(0或1)。如果一条信号传输线既能与一个触发器接通，也可以与其断开而与另外一个触发器接通，则一条信息传输线就可以传输随意多个触发器的信息了。三态输出电路(或称三态门)就是为了达到这个目的而设计的。
三态输出电路可以由两个或非门和两个NMOS晶体管(T1，T2)及一个非门组成，如图2.25所示。
当ENABLE(选通端)为高电位时，通过非门而加至两个或非门的将为低电位，则两个或非门的输出状态将决定于A端的电位。当A为高电位，G2就是低
电位，而G1为高电位，因而T1导通而T2截止，所以B端也呈现高电位(VB≈VDD)；当A为低电位，G2将呈现高电位而G1为低电位，因而T1截止而T2导通，所以B也呈现低电位(VB≈0)。这就是说，在选通端(ENABLE端)为高电位时A的两种可能电平(0和1)都可以顺利地通到B输出去，即E=1时，B=A。
当选通端E为低电位时，通过非门加至两个或非门的将为高电位。此时，无论A为高或低电位，两个或非门的输出都是低电位，即G1与G2都是低电位。所以T1和T2同时都是截止状态。这就是说，在选通端(E端)为低电位时，A端和B端是不相通的，即它们之间存在着高阻状态。三态输出电路的符号如图2.25(b)所示。
图2.25称为单向三态输出电路。有时需要双向输出时，一般可以用两个单向三态输出电路来组成，如图2.26所示。A为某个电路装置的输出端，C为其输入端。当EOUT=1时，B=A，
即信息由左向右传输；EIN=1时，C=B，即信息由右向左传输。
图2.25 三态输出电路及的符号 图2.26 双向的三态输出电路
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三态门(E门)和装入门(L门)一样，都可加到任何寄存器(包括计数器和累加器)电路上去。这样的寄存器就称为三态寄存器。L门专管对寄存器的装入数据的控制，而E门专管由寄存器输出数据的控制。
有了L门和E门就可以利用总线结构，使计算机的信息传递的线路简单化，控制器的设计也更为合理而易于理解了。 2.5 总线结构
设有A，B，C和D 4个寄存器，它们都有L门和E门，其符号分别附以A，B，C和D的下标。它们的数据位数，设有4位，这样只要有4条数据线即可沟通它们之间的信息来往。图2.27就是总线结构的原理图。
图2.27 总线结构的原理图
如果将各个寄存器的L门和E门按次序排成一列，则可称其为控制字CON：
CON=LAEALBEBLCECLDED
为了避免信息在公共总线W中乱窜，必须规定在某一时钟节拍(CLK为正半周)，只有一个寄存器L门为高电位，和另一寄存器的E门为高电位。其余各门则必须为低电位。这样，
图2.28 总线结构的符号图
E门为高电位的寄存器的数据就可以流入到L门为高电位的寄存器中去。
控制字中哪些位为高电平，哪些位为低电平，将由控制器发出并送到各个寄存器上去。 为了简化作图，不论总线包含几条导线，都用一条粗线表示。在图2.28中，有两条总线，一条称数据总线，专门让信息(数据)在其中流通。另一条称为控制总线，发自控制器，它能将控制字各位分别送至各个寄存器上去。控制器也有一个时钟，能把CLK脉冲送到各个寄存器上去。 2.6 存储器
存储器(memory)是计算机的主要组成部分。它既可用来存储数据，也可用以存放计算机
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的运算程序。存储器由寄存器组成，可以看做一个寄存器堆，每个存储单元实际上相当于一个缓冲寄存器。
根据使用不同，存储器分为两大类：只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。下面将分别介绍这两种存储器的结构和性能。
在微型计算机中采用半导体器件作为记忆元件，这样体积小些，可以制成大规模集成电路。每个存储单元所存储的内容称为一个字(word)。一个字由若干位(bit)组成。比如8个记忆元件的存储单元就是一个8位的记忆字称为一个字节(byte)，由16个记忆单元组成的存储单元就是一个16位的记忆字(由两个字节组成)。
一个存储器可以包含数以千计的存储单元。所以，一个储存器可以存储很多数据，也可以存放很多计算步骤——称为程序(program)。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。因此，存储器的地址也必定是数以千计的。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。根据二进制编码译码的原理，除地线公用之外，n根导线可以译成2个的地址号。
例如，一个16×8的存储器如图2.29所示，它是一个有16个存储单元，每个单元为8位记忆字(即每单元存一个字节)的集成电路片，它将有4条地址线A0，A1，A2，A3和8条数据线D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7。如16个存储单元为R0，R1，?，R15。它们是A0，A1，A2，A3的全部组合。
n
图2.29 16×8的存储器
顺便提一句，当地址线为10条时，n=10，则可编地址号为1,024个，或称为1K字节。这里的1K和习惯为1 000不一样，请务必注意。
A0～A3就是地址总线中的4根译码线。当存储器的存储单元愈多，则地址总线中的译码线，亦即存储器集成电路片的地址线愈多。在一般微型计算机中，地址线大都为16条。16条地址线，可译出64K个地址。在286／386／486中采用20条地址线。 2.6.1 只读存储器
这是用以存放固定程序的存储器，一旦程序存放进去之后，即不可改变。也就是说，不
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图2.30 只读存储器原理
能再“写”入新的字节，而只能从中“读”出其所存储的内容，因此称为只读存储器。 图2.30是一个8×4 ROM集成电路片的内部电路原理图。右半部分由矩阵电路及半导体二极管组成8个4位的存储单元。二极管的位置是由制造者配置好了而不可更改的。一条横线相当于一个存储单元，而一条竖线相当于一位。所以8条横线组成8个存储单元，4条竖线成为一个4位的字。二极管连接到的竖线，则为该位置1。无二极管相连的竖线，则为该位置0。输出电信号是取自限流电阻R上的电位。为了可控，每条数据线都加一个三态输出门(E门)。这样，只有在E门为高电位时，才有可能输出此ROM中的数据。
左半部为地址译码器电路。因为是8个地址号，所以只需3条地址线：A2，A1，A0，每条地址线都并以一个非门，而得3条非线：A2，A1，A0。这6条线通过8个与门即可译成8个地址号。例如，R0的地址号为A2A1A0=000，当地址线上出现A2A1A0=000时，则R0所在的那条横线所连接的与门1将导通，而使此横线为高电位。而此时R0的4条竖线中只有最右一条接有二极管。它将横线的高电位引至下面的限流电阻R上。所以电阻R的上端出现高电位。其他3条竖线由于无二极管与R0横线相连，所以它们各自的限流电阻上无电流流过而呈现为低电平(地电位)。当E门为高电位时数据线D3D2D1D0将送出数据为0001，其他各个存储单元也可由地址线的信号之不同而选出，并通过E门将数据输出去。
图2.31为ROM的符号图，图2.31(a)是8个存储单元，每个4位(即半个字节)，所以写成8×4ROM。图2.31(b)为通用写法，m×nROM意即为m个存储单元，其中每个为n位。
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图2.31ROM的符号
存储地址寄存器(memory address register,MAR)：作为存储器的一个附件，存储地址寄存器是必需的。它将所要寻找的存储单元的地址暂存下来，以备下一条指令之用。
存储地址寄存器也是一个可控缓冲寄存器，它具有L门以控制地址的输入。它和存储器的联系是双态的，即地址一进入MAR就立即被送到存储器去，如图2.32所示。
图2.32MAR和ROM的联系
【例2.1】程序计数器PC，存储地址寄存器MAR和ROM通过总线的联系如图2.33所示。
图2.33 取数周期的信号流通
设控制字依次是： (1) CPEPLMER=0110 (2) CPEPLMER=0001 (3) CPEPLMER=1000
问：它们之间的信息是如何流通的? 解开机时，先令CLR=1，则PC=0000 (1) 第1个控制字是： CPEPLMER=0110
即EP=1，PC准备放出数据；LM=1，MAR准备装入数据。
在CLK正前沿到达时，CLK=1，MAR=PC=0000，PC的数据装入MAR，同时MAR立即指向
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