第二章-微型计算机的组成及微处理器的功能结构-1

第二章微处理器结构及微型计算机工作原理-1计算机电路基础半导体二极管半导体基本知识•半导体的载流子——电子与空穴•N型半导体和P型半导体N型半导体：在硅晶体中掺入五价磷元素形成。自由电子为多子，空穴为少子。P型半导体：在硅晶体中掺入三价硼元素形成。空穴为多子，自由电子为少子。•PN结的形成多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡，P区和N区的交界面附近形成“空间电荷区”，称为PN结。•PN结的单向导电性（1）外加正向电压（正偏），PN结导通；外加反向电压（反偏），PN结截止。（2）PN结的伏安特性uUON时，PN结截止；uUON时，PN结导通。当u0时，PN结截止，IR=0当uURB时，PN结反向击穿。（3）PN结动态特性二极管符号符号：UONU(RB)IR0iuAKD半导体三极管三极管的结构、符号、分类、特性曲线•结构：三极管有三个区（发射区、基区、集电区）三个极（e、b、c）两个结(发射结、集电结）•分类、符号：NPN（Si,Ge）、PNP(Si,Ge)型三极管becbecNPN型PNP型特性曲线三个工作区：截止区、放大区、饱和区饱和区放大区截止区Uce/vIc/mA三极管电路的三个工作区•截止区：UBEUON(导通电压)，三极管处于截止状态iB0，iC0，b、e与c、e之间都近似开路。•放大区：UBEUON，即发射结处于正偏集电结处于反偏（c点电位高于b点电位），此时三极管处于放大状态，并满足：=Ic/IB•饱和区：UBEUON，即发射结正向偏置，集电结也正偏（c点电位高于b点电位）三极管失去电流放大作用。管压降UCE称为饱和压降UCES，流入bc极的电流称为饱和电流IBS，ICS。且有：IBSICS/：定义为直流电流IC与IB的比值。逻辑变量和逻辑代数的运算三种基本运算：与、或、非1.与运算Y=A·B2.或运算Y=A+B3.非运算Y=A常见的复合逻辑运算及门电路1、与非运算2、或非运算3、异或运算Y=AB4、同或运算Y=A⊙B5、与或非运算ABYBAYCDBAY&ABY+ABYABYABY⊙ABCD&&+Y数字集成电路的特点与分类半导体集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生成、掩蔽扩散、离子注入等技术，将晶体管、电阻、电容、等元件和它们之间的连线一起做在一块半导体基片上所构成的电路。分类：双极型晶体管（TTL）集成电路：工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低MOS管（单极型）集成电路：集成度高、功耗低（常用）按集成度分类：小规模集成SSI：10~100个元件中规模集成MSI：100~1000个元件大规模集成LSI：1000~100000个元件超大规模集成VLSI：100000以上元件晶体管—晶体管逻辑电路最简单的与门、非门和与非门电路•二极管与门F=A•BUcc+5vFABDADBABF输入输出ABF00v0v0+3v0v+3v0v0v+3v+3v+3v输入输出ABF000010100111三极管非门UA=0.2v，三极管截止，UF=Ucc=+5v；UA=+5v，三极管饱和，UF=UCES=0.2v.AUcc(+5v)RcRbFAF晶体管与非门与非门有功率放大作用，且可实现与、或、非三种基本运算，也很容易实现与或运算UccABDADBUcc(+5v)R2RbFR1与门非门TTL与非门将Rb用二极管D3代替，可得下图。图中二极管D3起电平偏移作用：当输入A和B有一个为0.2v时D3的阳极电为UA+UD1=0.2v+0.7v=0.9v，它小于D3和T管发射结同时导通所需要的1.4v，从而保证D3和T管可靠截止，使输出F为Ucc的逻辑1电位。当A和B皆为高电位Ucc时，D1和D2截止，流过电阻R1的电流经过导通的D3管流入T管的基极。使T管饱和，输出F为0.2v的逻辑0电位。实现了与非功能。ABD1D2Ucc(+5v)R2FR1D3在TTL集成电路中，将D1、D2和D3用一个多发射极三极管代替，如图示，T1的两个发射结代替了D1和D2二极管，T1的集电结代替了。T1主要用来实现与功能，T2主要用来实现非功能。ABD1D2Ucc(+5v)R2FR1D3ABUcc(+5v)R2FR1T1T2图4.2.5ABUcc(+5v)R2FR1T1T2R3T3T4FDR4ABUcc(+5v)R2FR1T1T2R3T3T4FDR4输入级中间级输出级三态TTL门普通TTL门只有两种状态：逻辑0和逻辑1，这两种状态都是低阻输出。三态逻辑输出门的第三态是高阻态输出，输出端相当于悬空。ABGF日美常用符号&ABGEN国标符号输入G（EN）A输出F011高阻态01010三态门功能表：全加器全加器：主要实现一位数值的加法运算真值表为：AnBnCn-1CnSn0000000101010010111010001101101101011111四位加法器它是由四个全加器，将低位的进位接到高位的输入端构成的利用四位全加器可以构成任意位数的加法运算编码器1.功能：将某一输入信息按照一定的规则进行编码2.分类：二进制编码器(1)一般二进制编码器（常见16/4线编码器）(2)优先编码器十进制编码器有十个输入变量，四个输出变量（10线/4线）译码器1.功能：能将一定的代码翻译成相应的信号输出称为译码。2.分类：（1）二进制译码器四位二进制译码器（4线/16线）（2）十进制译码器四位（8421BCD码）输入端，十位输出端（4线/10线）（3）显示译码器七段显示译码器（4线/7线译码器）数据选择器功能：数据选择器具有从多个输入数据中选择一个送到输出端。它有数据输入端和地址输入端，数据与地址一一对应。常用的有：四选一、八选一、十六选一和双四选一数据选择器利用中规模集成组合电路设计一般组合电路的方法常用的器件有译码器、数据选择器。利用译码器可以实现单逻辑变量的输出和多逻辑变量的输出的组合逻辑函数。利用一个数据选择器只能实现单一输出变量的组合函数。若N个输出变量就需要N个数据选择器。触发器触发器：能够存储一位二进制信息的基本单元称为双稳态触发器，简称触发器。特点：（1）具有两个稳定的（0和1）状态，能存储一位二进制信息。（2）根据不同的输入，可将输出置成0或1状态。（3）当输入信号消失后，被置成的状态能保存下来。触发器的分类：按电路结构分为基本RS触发器，同步RS触发器，主从结构触发器，边沿触发器按功能分为RS、JK、D、T、T’触发器。RS触发器真值表特性方程特点RSQn+1Qn+1=R·Qn+SRS=0(约束条件)R=1，S=1时，状态不定00Qn01110011无定义逻辑符号JK触发器真值表特性方程特点JKQn+1Qn+1=J·Qn+KQn功能最全，使用方便。00Qn01010111Qn逻辑符号D触发器真值表特性方程特点DQn+1Qn+1=D只有一个数据输入端，可使某些电路设计简化。0011逻辑符号T触发器真值表特性方程特点TQn+1Qn+1=TQn受控制的翻转触发器，当T=1时，变为T’触发器。0Qn1Qn逻辑符号常见的时序逻辑电路常见的时序电路有：寄存器、移位寄存器、计数器寄存器寄存器是用来存放数据、信息的，一个触发器可以存放一位二进制代码，n个触发器组成的寄存器可存放n位二进制代码。工作原理当RD=0，寄存器清零，使Q3Q2Q1Q0=0000；当RD=1时，CP加入正脉冲，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0。