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图1-7 同步RS触发器的结构
３.Ｄ触发器
同步RS触发器工作时，不允许R和S端的输入信号同时为１。如果将R端改接到控制电路另一个与非门的输出端，只在S端加入输入信号，S端改称为D端，同步RS触发器就转换成了D触发器。D触发器的电路结构，逻辑符号和真值表如图1-8所示。由于总是将D端的输入反相后作为另一个与非门的输入信号，故无论D端的状态如何，都满足RS触发器的约束条件，即不会出现不允许的输入状态。由RS触发器的特性可直接求出D触发器的特性。不管D触发器Q端的原状态Qn如何，次态Qｎ+1总是与时钟脉冲来到时D端的输入状态相同。
图1-8 D触发器的结构、符号和真值表
有些D触发器还有异步复位端和异步置位端，利用它们也能实现置数的功能。 4.JK触发器
在同步RS触发器的基础上，增加了J和K输入端及两条反馈线可组成JK触发器。JK触发器的电路结构，逻辑符号和真值表如图１-９所示。由于Ｑ和的互补关系，控制电路的两个与非门不会同时出现开启的情况，因而JK的任一种输入状态，都是允许的，不再有什么约束条件。
图1-9 JK触发器的结构、符号和真值表
5.Ｔ触发器
将JK触发器的J、K两端连在一起作为Ｔ输入端，便得到了Ｔ触发器。Ｔ触发器电路结构逻辑符号和真值表如图1-10所示。
图1-10 Ｔ触发器的结构、符号和真值表 1.2.2 寄存器
寄存器是计算机中用得最多的逻辑部件之一，它用来存放二进制信息，它具有接收二进制数码和寄存二进制数码的功能。寄存器由触发器组成。触发器具有两个稳定状态，每一个触发器可以存放１位二进制数，N个触发器可以构成存放N位二进制数的寄存器。图1-11为由４个具有异步复位端的D触发器构成的寄存器的逻辑图。当=1时（为清0端，=0时，寄存器的四个Q端都为0），时钟脉冲将待送的数码D4D3D2D1送到寄存器的Q4Q3Q2Q1保存起来。
图1-11 寄存器逻辑图 1.2.3 移位寄存器
具有移位逻辑功能的寄存器称为移位寄存器。移位寄存器一般由D触发器构成。图1-12为由４个D触发器构成的移位寄存器的逻辑图。它的第４级触发器的D端接输入信号，其余各触发器的D端接前一级触发器的Ｑ端，所有触发器的CP端连在一起接收时钟脉冲信号。每来一个时钟脉冲，来自外部的输入数码（即第4级触发器的D端的输入信号）便输入一位，已被寄存的数码右移一位。
图1-12 移位寄存器逻辑图 1.2.4 计数器
计数器是计算机中又一种常用的逻辑部件，它不仅能存储数据，而且还能记录输入脉冲的个数，计数器的种类繁多，可以从不同角度来分类。按工作方式，可分为同步计数器和异步计数器；按加减计数顺序，可分为加法计数器和减法计数器；按进位制，可分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器等。
1. 异步二进制加法计数器
由ＪＫ触发器构成的3位异步二进制加法计数器的逻辑图如图1-13所示。其工作波形如图1-14所示。初始时，将计数器置为全0状态（即Q３Q２Q１为000）。第1个计数脉冲来到后，第1级触发器翻转，Q１由0变1，第2﹑3级触发器因时钟端无触发脉冲，它们维持原状态不变，故计数器的状态Q３Q２Q１为001。第２个计数脉冲来到后，第一级触发器又翻转，
Q１由１变0，第２级触发器因其时钟输入端有脉冲下降沿的作用，也进行翻转，Q２由0变１，Q３仍保持原状态，计数器的状态Q３Q２Q１为010。按照这样的顺序工作下去，直至第７个计数脉冲来到后，计数器的状态Q３Q２Q１为111。此时再来一个计数脉冲，计数器又回到初始时的全0状态。图1-13就是这样周而复始地工作的。
图1-13 异步二进制加法计数器
图1-14异步二进制加法计数器的工作波形 2. 同步二进制加法计数器
由JK触发器构成的３位同步二进制加法计数器的逻辑图如图1-15所示。其工作波形如图1-16所示。初始时，将计数器置为全0状态（即Q３Q２Q１为000）。第１个CP脉冲来到后，由于第１级的JK端为１，第２级和第３级的JK端为0，所以第１级触发器翻转，Q1由0变１，第２级和第３级触发器维持原状态不变，计数器的状态Q３Q２Q１为001。第２个CP脉冲来到后，由于第１级和第２级的JK端为１，第３级的JK端为0，故第１级和第２级触发器翻转，第３级触发器维持原状态不变，计数器的状态Q３Q２Q１为010。第３个CP脉冲来到后，第１级触发器翻转，第２级和第３级触发器维持原状态不变，计数器的状态Q３Q２Q１为011。第４个CP脉冲来到后，３级触发器的JK端都为１，故３个触发器均翻转，计数器的状态Q３Q２Q１为100。按照这样的顺序工作下去，直至第７个CP脉冲来到后，计数器的状态Q３Q２Q１为111。此时再来１个CP脉冲，由于３个触发器的JK都为１，故３级触发器均翻转，计数器的状态Q３Q２Q１又回到初始的全0状态。图1-15就是这样周而复始地工作的。
图1-15同步二进制加法计数器
图1-16 同步二进制加法计数器工作波形 1.2.5 三态输出门与缓冲放大器
在逻辑电路中，逻辑值有１和0，它们分别对应于高电平和低电平这两种状态。三态输出门除去通常的那两种状态之外，还有被称作“高阻抗”的第三种状态。可以把高阻抗状态理解为输出与输入之间近于开路的状态。决定三态输出门是否进入高阻态，是由一条辅助控制线来控制的：当这条线的控制电平为允许态时（１或者0），三态输出门与一般的两态输出门一样；当这条线的控制电平成为禁止态时（0或者１），三态门就进入高阻态。这种三态输出门电路的符号如图１-17所示。三态输出门也可以称作三态缓冲器。
图1-17 4种类型的三态缓冲器
三态输出门电路可以加到寄存器的输出端上，这样的寄存器就称为三态（缓冲）寄存器。使用三态输出门电路计算机可以通过一组信息传输线与一个寄存器接通，也可以与其断开而与另外一个寄存器接通，即一组信息传输线可以传输任意多个寄存器的信息，这组传输线就是计算机的总线（BUS）。
三态输出门电路还可以使一组总线实现双向信号传输。双向信号传输线如图１-18所示，当Ｅ=0时，数据Ｄi传向Ｄj；当Ｅ=1时，数据Ｄj传向Ｄi。
图1-18 由三态缓冲器组成的双向传输线 1.2.6译码器
在计算机中常常需要将一种代码翻译成控制信号，或在一组信息中取出所需要的一部分信息，能完成这种功能的逻辑部件称为译码器。２-４译码器如图1-19所示。当Ｅ=0时， ～均为１，即译码器没有工作。当E=1时，译码器进行译码输出。如果A1A0=00，则=0，其余为１；同样A1A0=01时，只有=0；A1A0=10时，只有=0；A1A0=11时，只有=0。由此可见，输入的代码不同，译码器的输出状态也就不同，从而完成了把输入代码翻译成对应输出线上的控制信号。
图1-19 2-4译码器逻辑图
1.3 微型计算机的结构和工作原理
1.3.1 微型计算机常用的术语 1.位(bit)
位是计算机所能表示的最基本、最小的数据单元。因为计算机采用二进制数，所以位就是1个二进制位，它有两种状态“0”和“1”。由若干个二进制位的组合就可以表示各种数据、字符等。
2.字(word)和字长
字是计算机内部进行数据处理的基本单位，通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。计算机的每一个字所包含的二进制位数称为字长。
3.字节(byte)
把相邻的8位二进制数称为字节。字节长度是固定的，但不同计算机的字长是不同的。8位微机的字长等于１个字节，而16位微机的字长等于2个字节，32位微机的字长等于4个字节。
目前为了表示方便，常把一个字节定为8位，把一个字定为16位，把一个双字定为32位。
4.指令(instruction)
指令是规定计算机进行某种操作的命令。它是计算机自动控制的依据。计算机只能直接识别0和1数字组合的编码，这就是指令的机器码。微型计算机的机器码指令有1字节、2字节，也有多字节，如4字节、6字节等。
5.程序(program)
程序是指令的有序集合；是一组为完成某种任务而编制的指令的序列。 6.指令系统(instruction set)
指令系统指一台计算机所能执行的全部指令。 1.3.2 微型计算机的基本结构
微型计算机主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM和ROM)、I/O接口、I/O设备及总线组成，如图1-20所示。
图1-20 微型计算机的基本结构
1.中央处理器CPU(central processor unit)或称微处理器
中央处理器具有算术运算、逻辑运算和控制操作的功能，是微型计算机的核心部分。它主要由3个基本部分组成：
(1)算术逻辑单元ALU(arithmetic logic unit)。用来执行基本的算术运算和逻辑运算。 (2)寄存器(register)组。CPU中有多个寄存器，用来存放操作数、中间结果以及反映运算结果的状态标志位等。
(3)控制器(control unit)。控制器具有指挥整个系统操作的功能。它按一定的顺序从存储器中读取指令，进行译码，在时钟信号的控制下，发出一系列的操作命令，控制CPU以及整个系统有条不紊地工作。
2.存储器(memory)
存储器的主要功能是存放程序和数据，程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。不管是程序还是数据，在存储器中都是用二进制的“1”或“0”表示，统称为信息。为实现自动计算，这些信息必须预先放在存储器中。存储器由寄存器组成，可以看成是一个寄存器堆。存储器被划分成许多小单元，称为存储单元。每个存储单元相当于一个缓冲寄存器。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，称为单元地址。单元地址用二进制编码表示，如图1-21所示。每个存储单元的地址只有一个，固定不变，而存储在其中的信息是可以更换的。存储器的地址是数以千计的。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地址译码器。
图1-21存储器的单元地址
向存储单元存放或取出信息，都称为访问存储器。访问存储器时，先由地址译码器将送来的单元地址进行译码，找到相应的存储单元；再由读写控制电路，根据送来的读/写命令确定访问存储器的方式，完成读出(读)或写入(写)操作。
3.总线
总线是把计算机各个部分有机地连接起来的一组并行的导线，是各个部分之间进行信息交换的公共通道。微型计算机中，连接CPU、存储器和各种I/O设备并使它们之间能够相互传送信息的信号线及其控制信号线称之为系统总线。系统总线上除电源线、地线外主要有3组总线，这3组总线是地址总线AB(address bus)、数据总线DB(data bus)和控制总线CB(control bus)。
地址总线：负责传输数据的存储位置或I/O接口中的寄存器的一组信号线称之为地址总线。它传送CPU发出的地址，以便选中CPU所寻址的存储单元或I/O端口（一个接口有1个或几个端口）。MCS-51单片机对外部扩展的地址总线为16位，用A15～A0表示，可寻址的
16
存储单元或I/O端口为2=64K(1K为1024)。80x86的地址总线为20位或32位，用A19～A0
2032
或A31～A0表示，所以可寻址的存储单元为2=1M或2=4G;对I/O端口是通过地址总线的低16位来寻址的，故可寻址I/O端口64K。
数据总线：负责传输数据的一组信号线称之为数据总线。数据在CPU与存储器和CPU与I/O接口之间的传送是双向的，故数据总线为双向总线。MCS-51单片机对外部扩展的数据总线为8位，用D7～D0表示，即字长为8位。8086和80286的数据总线为16位，用D15～D0表示。8088的数据总线为8位，用D7～D0表示，8088为准16位微处理器，这是8086和8088的唯一区别。80386和80486的数据总线为32位，Pentium的数据总线为64位。
控制总线：在传输与交换数据时起管理控制作用的一组信号线称之为控制总线。它传送各种信息，有的是CPU到存储器或I/O接口的控制信号，如读信号、写信号、地址锁存允许信号ALE(address latch enable) 、 中断响应信号(interrupt acknowledge)等；有的是I/O接口到CPU的信号，如可屏蔽中断请求信号INTR、准备就绪信号READY等。控制信号线有的是高电平有效，如：ALE、INTR、READY等；有的是低电平有效，如：、、
等。
4.I/O接口
外部设备与计算机之间通过接口连接。设置接口主要有以下几个方面的原因，一是外部设备大多数都是机电设备，传送数据的速度远远低于计算机，因而需要接口作数据缓存。二是外部设备表示信息的格式与计算机不同。例如，由键盘输入的数字、字母，先由键盘接口转换成8位二进制码(ASCII码)，然后再送入计算机，因此需用接口进行信息格式的转换。三是接口还可以向计算机报告设备运行的状态，传达计算机的命令等。
5.I/O设备
I/O设备又称为外部设备，它通过I/O接口与微型计算机连接。 输入设备是变换输入信息形式的部件。它将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式。输入的信息形式有数字、字母、文字、图形、图像等多种形式，送入计算机的只有一种形式，就是二进制数据。一般的输入设备只用于原始数据和程序的输入。常用的输入设备有键盘、模数转换器、扫描仪等。
输出设备是变换计算机的输出信息形式的部件。它将计算机处理结果的二进制信息转换成人们或其他设备能接收和识别的形式，如字符、文字、图形等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图机等。
磁盘和光盘等大容量存储器也是计算机的重要的外部设备，它们既可以作输入设备，也可以作输出设备。此外，它们还有存储信息的功能，因此，常常作为辅助存储器使用。而一般所指的存储器为内存储器或主存储器。
1.3.3 计算机的工作原理
CPU、存储器、I/O接口、外部设备构成了计算机的硬件(hardware)，光有这样的硬件还只是具有了计算的可能。计算机要真正能够进行计算还必须有多种程序的配合。那么什么是程序呢?当我们要用计算机完成某项任务时，例如，要解算一道数学题时，就要先把题目的解算方法分成计算机能识别并能执行的基本操作命令，这些基本操作命令按一定顺序排列起来，组成了程序，而其中每一条基本操作命令就是一条指令，指令是对计算机发出的一条条工作命令，命令计算机执行规定的操作。因此，程序是实现既定任务的指令序列，其中的每条指令都规定了计算机执行的一种基本操作，计算机按程序安排的顺序执行指令，就可以完成既定任务。
指令必须满足两个条件：一是指令的形式是计算机能够理解的，因此指令也采用和数据一样的二进制数字编码形式表示；二是指令规定的操作必须是计算机能够执行的，即每条指