第3章 计算机的物质基础_构成计算机的物质基础

再来回忆一下冯诺依曼的计算机设计方案：

l 二进制表示指令和数据；

l 程序存储，自动运行；

l 由控制器、运算器、存储器和输入输出五大部件构成。

构成计算机的五大部件最终肯定要落实到实际的器件上，否则就只是个设计蓝图，我们当然不会花时间去设计一台巴贝奇式的机械计算机，本书要做的是数字电子计算机。这一章先介绍一下常用的电子元器件和最基本的电路原理，再学习一下Proteus电路仿真软件，最后用三极管一步步的来实现计算机的主要部件。

3.1电子元器件

用导线把电源、电器和开关连接起来组成的电流的回路叫做电路。电和磁的本质要用麦克斯韦方程组来描述和分析，但这里我们从电压、电流这个抽象级别来分析电路。电路的主要功能有两个：一个是传输能量，另一个是信号处理。

1.电源

电路工作都需要电源，电源之于电路就好比心脏之于人，电源是为电路提供电能的设备，有电压源和电流源之分，我们这里使用的是电压源，选择电压源时要考虑输出电压和功率能否达到电器的要求，如果是电池供电，还要考虑电池容量是否满足时间要求。电源和地符号如图3-1所示。

         

（a）电源符号          （b）地符号

图3-1 电源符号

2.电阻

电阻是一种阻碍电流流过，并把部分电能转化成热能的电子器件，电阻的热量必须合理散发出去，否则可能烧毁。电阻元件实物及符号如图3-2所示。

         

（a）一种直插式电阻（b）一种贴片式电阻          （c）电阻符号

图3-2 电阻元件及符号

3.电容

电容是一种存储电能的元件，它不会把电能转化成热能散发出去，而是转化成电场能。另外，电容具有“通高频阻低频”的特性，也就是说，电容会阻止直流电流过，而允许交流电流过，当然这个阻止的频率和允许的频率跟电容本身的参数有关，由于这个特性，在信号处理里面电容可以用于制作滤波器。在设计电路时，如果直流里混入了交流，也可以用合适的电容滤除交流成分。电容实物图如图3-3所示，电容电路符号如图3-4所示，注意电解电容是有正负极。

      

（a）一种瓷片电容 （b）一种电解电容 （c）一种贴片电容

图3-3 电容元件

  

（a）普通电容符号                 （b）电解电容符号

图3-4 电容符号

4.电感

电感也是一种储能元件，它会把电能转化成磁场能，也不散发热量。电感具有“通低频阻高频”的特性，跟电容刚好相反，也可以用来制作滤波器。电感和电容配合就能做出各种参数的低通、高通、带通滤波器，实现信号处理的电路。电感元件实物及符号如图3-5所示。

   

（a）一种电感          （b）电感符号

图3-5 电感元件及符号

5.二极管

二极管是一种有两个极性的半导体器件，其主要特性是“正向导通，反向截止”。“正向导通”是指外加正向电压超过0.7v时，二极管相当于一个导体；“反向截止”是指外加反向电压（不超过击穿电压）时，二极管相当于一个绝缘体。二极管实物及符号如图3-6所示。

   

（a）普通二极管             （b）发光二极管      （c）二极管符号

图3-6 二极管元件及符号

6.三极管

三极管是一种在二极管基础上做成的半导体电子元器件，其作用是把微弱电信号放大， 也可用作电控开关，实物图和符号如图3-7所示。

 

     

（a）                  （b）

图3-7 三极管元件及符号

三极管的开关功能，简单的说：当B引脚有电时，C引脚和E引脚接通，当B引脚无电时，C引脚和E引脚断开，好比B是一个单刀开关，能接通或断开C和E，只不过是用电控制的。三极管近似电路如图3-8所示。

 

图3-8 三极管开关功能近似电路

3.2 电路基础

1. 欧姆定律

导体中的电流，与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比，即：

可以理解为电压是导致电流产生的原因。

2. 基尔霍夫电流定律

流入任一节点的电流必定和流出此节点的电流相等，也即是说节点上不能存储电能。

3. 基尔霍夫电压定律

在任一个闭合回路中，从一点出发绕回路一周回到该点时，各段电压的代数和恒等于0。

4. 电阻串联

如图3-9所示，电阻R1和R2串联后的总电阻是多少呢？

 

图3-9 电阻串联电路

由基尔霍夫电流定律可知：由于没有分支节点，流入又和流出相等，所以串联电路中电流处处相等，都为I。

由基尔霍夫电压定律可知：

，，所以根据欧姆定律可知：

，即：

，根据欧姆定律：

，所以

也就是串联后的总电阻等于各串联电阻之和，扩展到多个电阻串联：

5. 电阻并联

如图3-10所示，电阻R1和R2并联后的总电阻又是多少呢？

 

图3-10 电阻并联电路

根据基尔霍夫电流定律可知：

根据欧姆定律：

，，所以

，即：

，根据欧姆定律：

，也就是，因此

也即是说：并联后的总电阻的倒数等于各并联电阻倒数之和，扩展到多个并联电阻：

3.3 Protues仿真示例

3.3.1 按键控制LED仿真

Proteus是一种EDA（电子设计自动化）软件，能进行电路仿真。Proteus提供了大量的模拟元器件、数字元器件（单片机、74系列集成电路等）、接插件和虚拟仪器（电压表、电流表、示波器、信号发生器等）资源，特别适合进行单片机等数字电路的仿真。使用Proteus仿真软件不仅可以节省硬件购买的费用，又可以实现接近硬件的效果。

我们看一下，怎样使用Protues软件仿真按键控制LED亮灭的电路。

1. 新建设计

打开“ISIS 7 Professional”，工作界面如图3-11所示。

 

图3-11  Proteus工作界面

2. 选择仿真元器件

Protues仿真界面的最左侧一栏是模式选择区，主要的模式选择图标介绍如图3-12所示。

 

图 3-12 模式选择图标简介

l 虚拟仪器：有虚拟示波器、逻辑分析仪、终端等虚拟仪器，可以直观显示信号；

l 电流探针：相当于电流表，但不需要串联，放置在线路上；

l 电压探针：相当于电压表，放置在线路上；

l 图形模式：有多种图形图表分析方法，如模拟信号波形图、数字信号波形图、频率响应图等，比如模拟信号波形图可以生成某一点的一段时间内的电压波形图，比示波器更好用；

l 终端模式：有电源和地等；

l 网络标号：可以在原理图中设置网络标号，网表标号相同代表电气连接在一起；

l 元器件选择：可以用来选择仿真的各种元器件。

点击“元器件选择”模式，再点击“DEVICES”器件浏览器中“p”按钮进入元器件选择窗口，读者可以选择常见的模拟器件、数字器件和部分型号的专用芯片（74系列、单片机等）。

我们要实现开关控制LED亮灭的仿真，可以在“Keywords”里输入元器件名称，也可以到子目录里查找元器件，这里分别输入“LED-BLUE”、“RES”、“SW-SPST”，找到发光二极管、电阻和开关元器件并双击，元器件会自动加载到器件浏览窗口中。

3. 绘制仿真原理图

点击元器件选择模式，在元器件浏览窗口点击其中一个元器件，然后到工作区绘制并摆放元器件；点击终端模式，选择“POWER”电源和“GROUND”地放置到工作区。

对工作区的元器件进行合理布局，双击电阻元件修改阻值为100欧姆，然后连线，完成后的仿真原理图如图3-13所示。

 

图3-13 开关控制LED灯仿真原理图

4. 仿真

点击左下角“play”按钮开始仿真，按下和抬起按钮能看到LED灯的亮灭，“stop”按钮能停止仿真，“pause”能暂停仿真。

后面章节涉及的电路绝大部分都可以在Proteus平台上仿真，本书配套的电子资料里提供了相应的Proteus仿真工程，读者可以自行仿真实验，通过设置不同的输入信号和参数，查看仿真结果，更好的理解电路。

3.3.2 直流电源电路仿真

数字电路系统通常需要一个直流电源，假设需要5V直流电源，那么我们怎样把220V的交流电通转化成5V的直流电呢?

220V、50Hz的交流电通过变压、整流、滤波和稳压流程后，可以转化成5V的直流电，下面我们使用Proteus仿真软件看一下每一步实现了什么功能？

1. 变压

选择“ALTERNATOR”交流电源、“TRAN-2P2S”变压器和“RES”电阻等元器件，完成变压部分的仿真原理图，如图3-14所示。

 

图3-14 变压仿真原理图

我们通常所说的220V指的是电压的有效值，频率是50Hz的正弦波，最大值约是311V，最小值约是-311V，设置交流电源的“Amplitude”幅度值为622V，“Frequency”为50Hz。设置变压器的“Coupling Factor”为0.05，表示变压为原来的1/20。在电源附近和电阻附近分别放置电压探针。

点击“图形模式”图标，选择“ANALOGUE”模拟图表模式，在工作区绘制两个图表区（左键按住绘制成矩形后松开并单击）。在模拟图表上右键并选择“Edit Graph”，设置“Start time”为0，“Stop time”为100m，表示截取0到100毫秒的信号生成图表。再次在图表上右键并选择“Add Traces”，并在“Probe P1”中选择电压探针“R1”，另一个图表中选择“TR1”。最后，在每个图表上右键并选择“Simulate Graph”，完成每个图表的仿真，仿真结果如图3-15所示，可以看到变压前后频率没有改变，只是幅度变化了。

       

（a）变压前波形图                           （b）变压后波形图

图3-15 变压前后的波形图

2.整流

整流部分需要用到整流二极管，可以选择“1N4001”元器件，仿真原理图如图3-16所示。

 

图3-16 变压并整流原理图

放置电压探针并设置图表仿真，变压整流后的波形图如图3-17所示，可以看到整流就是把正弦波的负电压部分翻到上面去了，原因就是二极管的单向导通特性。

 

图3-17 变压整流后的波形图

3.滤波

选择“CAP-ELEC”电解电容元器件并完成滤波部分，仿真电路如图3-18所示，经过变压、整流和滤波后的波形图如图3-19所示。

 

图3-18 变压整流滤波电路

 

 

图3-19 变压、整流、滤波后波形图

通过图可以看到，电解电容大约有60ms的稳定期，稳定后波形中的高频部分基本被滤除了，波形变得平缓了，幅度变化变小了，也就是更接近直流了。

4.稳压

选择“7805”稳压芯片作为最后的稳压元件，稳压芯片能实现输入在一定范围内波动时，输出保持不变，仿真电路图如图3-20所示，最终波形如图3-21所示。

 

图3-20 变压、整流、滤波和稳压原理图

 

图3-21 最终直流波形图

从最终波形图可见，最终输出的信号与5V刻度完全重合，也即是实现了220V到5V直流电的转化。

3.3.3 时钟信号发生仿真

计算机通常是在一个时钟信号的控制下一步一步的工作的，时钟信号是怎样产生的呢？

1.选择仿真器件

新建仿真项目并选择“555”定时器、“CAP”电容和“RES”电阻元器件。

2.绘制仿真原理图

把元器件拖放到工作区，在虚拟仪器模式下选择“OSCILLOSCOPE”虚拟示波器并放置到工作区，把示波器的A通道连接到“555”定时器的3引脚，双击电阻和电容设置阻值和容值，仿真原理图如图3-22所示。

 

图3-22 时钟信号产生仿真原理图

3.仿真结果

运行仿真后可以看到示波器上显示波形。虚拟示波器需要调整的参数主要有两个，一个是波形幅度的刻度，另一个是时间的刻度。比如在仪表盘“ChannelA”位置的幅度刻度调整里输入“1”，则显示区垂直方向上一个网格代表1伏；输入“1m”，则一个网格代表1毫伏。在仪表盘左下角时间刻度调整里输入“0.25m”，则水平方向一个网格代表0.25毫秒。示波器显示的情况如图3-23所示。

 

图3-23 时钟信号产生电路仿真原理图

从示波器的波形中可以直观的看到仿真电路产生了方波时钟信号，并且一个周期大约占用了4个网格，也就是周期大约是1毫秒，频率是1000赫兹。通过调整R1、R2阻值和C2容值，可以实现不同频率和不同占空比的波形。

3.4 基本逻辑门电路

3.4.1 非门

（1）电路

使用NPN三极管制作的非门电路如图3-24所示，X是输入端，Y是输出端。

 

图3-24 非门电路

（2）功能

当X等于0V时，C和 E之间相当于断开，Y就等于电源电压5V；当X等于5V时，C和E之间相当于接通，Y就等于接地0V。如果我们约定有电为1，没电为0，那么这个电路的功能就如表3-1所示，这种表我们称之为真值表。

表3-1 非门真实表

通过真值表可知，输入X和输出Y是相反的关系，这种电路称之为非门，可以简化为如图3-25所示的符号表示。

 

图3-25 非门符号

（3）仿真

绘制如图所示的Proteus仿真原理图，点击“信号产生”的模式图标，选择“DC”并放置在X输入端导线上，放置电压探针到Y输出端导线上。设置DC的电压值为0V，仿真后电压探针显示5V；设置DC的电压值为5V，仿真后电压探针显示0.05V。一般地，大于3.5V时，我们认为输出高电平，也就是输出1；小于0.4V时，我们认为输出低电平，也就是输出0，可以看到仿真结果与表所示的真值表一致。

3.4.2 或门

（1）电路

再来看一个电路，如图3-26所示，每个三极管可以看成一个开关，X1和X2看成开关的控制信号，或门就可看作两个开关并联，等效于（b）电路。

           

（a）或门电路                               （b）或门等效电路

图3-26 或门

（2）功能

直观上理解，并联起来的两个开关只要有一个闭合时，输出就能接通，真值表如表3-2所示。

表3-2 或门真值表

 

通过真值表可见，当X1、X2至少一个为1时，输出Y就为1，也可以理解成只有两个输入都为0时，输出才为0。完成这种功能的电路称之为或电路，可以简化为如图3-27所示的符号表示。

 

图3-27 或门符号

（3）仿真

    使用Proteus搭建或门仿真电路，输入端X1和X2分别放置“DC”直流信号，输出Y端放置电压探针，改变X1和X2的输入，看仿真结果是否与或门的真值表一致。

3.4.3 与门

（1）电路

再来看一个电路，如图3-28（a）所示，可以看成两个开关串联，等效于3-28（b）电路。

         

（a）与门电路                               （b）与门等效电路

图3-28 与门

（2）功能

直观上理解，串联起来的两个开关都闭合时，输出才能接通，真值表如表3-3所示。

表3-3 与门真值表

 

通过真值表可见，只有X1、X2都为1时，输出Y才为1，只要有一个输入为0，输出就是0。完成这种功能的电路称之为与电路，可以简化为如图3-29所示的符号表示。

 

图3-29 与门符号

（3）仿真

使用Proteus搭建与门仿真电路，输入端X1和X2分别放置“DC”直流信号，输出Y端放置电压探针，改变X1和X2的输入，看仿真结果是否与与门的真值表一致。

3.5 复合逻辑门

与、或、非基本逻辑门又可以构成与非门、或非门、异或门、同或门等逻辑电路。

3.5.1 与非门

与非门可以看成一个与门再加上一个非门，也即是与运算之后再进行非运算，电路如图3-30（a）所示，在与门符号后再加一个小圆圈代表与非门的符号，如图3-30（b）所示。

  

（a）与非门电路                               （b）与非门符号

图3-30 与非门电路及符号

3.5.2 或非门

或非门可以看成一个或门再加上一个非门，就是或运算之后再进行非运算，电路如图3-31（a）所示，同样地，在或门符号后再加一个小圆圈代表或非门符号，如图3-31（b）所示。

    

（a）或非门电路                              （b）或非门符号

图3-31 或非门电路及符号

3.5.3 异或门

（1）电路

我们再来看一个电路，如图3-32所示，这个电路中不再直接使用三极管，而是使用前面介绍过的逻辑门电路，这个电路称为异或门电路。

 

图3-32 异或门电路

（2）功能

表3-4 异或门电路真值表

异或门电路的功能可以理解为输入为“异”（1和0，0和1）时，输出为1，输入为“同”（1和1，0和0）时，输出为0，符号简化为如图3-33所示。

 

图3-33 异或门符号

（3）仿真

Proteus提供了基本逻辑门的仿真器件，我们可以直接使用逻辑门进行仿真，不需要再使用晶体管了，或门选择74LS32，与非门选择74LS00，与门选择74LS08，请读者完成异或门电路并进行仿真。输入端仍然使用“DC”信号，但输出端可以通过颜色判断，红色代表高电平，兰色代表低电平，灰色代表高阻态（断开连接）。

3.5.4 同或门

同或门与异或门功能上是相反的关系，即“同”为1，“异”为0，符号如图3-34所示。

 

图3-34 同或门符号

3.5.5 三态门

还有一种特殊的门电路叫做三态门，如图3-35所示，2是输入端，3是输出端，1是使能端。当1使能时，3可以输出高、低电平；当1没有使能时，不论2输入什么，3都输出高阻态（相当于断开），也即是3可以输出高电平、低电平和高阻态三种状态。

 

图3-35 三态门

三态门可以用于总线控制，比如有3个输入想通过一根总线输出信号到远端Y，如图3-36所示。当A要传输数据时，A的1使能，那么A的输出通过总线输出到Y，B和C因为没有使能，相当于和总线断开连接，不会影响到A工作，任何时刻，只能一个设备占用总线。

     

                      图3-36 三态门总线示意图

三极管是我们构造计算机的最基本的实物元件，三极管又可以构成与、或、非基本逻辑电路，通过与或非电路可以继续构造更复杂的逻辑电路，后面讲解的各种功能电路将以与、或、非基本逻辑门以及与非门、异或门等为基础，不再直接出现三极管了。后面各种功能电路只给出电路图、功能和说明，可以作为模块直接使用，至于这些电路是怎样设计出来的请参考数字电路设计相关的书籍。

事实上，只要能实现受控开关功能，就能实现与、或、非基本逻辑，也就能构成计算机，什么样的器件并不重要。

3.6 常用组合逻辑电路

有一类逻辑电路，它们的输入会立即反映到输出上，就是输出只跟输入有关，跟时间无关，这类电路我们称之为组合逻辑电路。

3.6.1 加法器

（1）一位全加器

两个一位的二进制数相加，含有进位的输入和输出，电路如图3-37所示，A和B是两个1位的加数，Cin是进位输入，Sum是和，Cout进位的输出，功能见表3-5。仿真时，异或门可以使用74LS86，与非门使用74LS00，读者可以依照真值表仿真，注意输入“1”指的是输入5V。

 

图3-37 一位全加器电路图

表3-5 1位全加器的真值表

一位全加器可以实现两个1位的二进制数相加，并有进位输入和进位输出，符号如图3-38所示。

 

图3-38 一位全加器符号

（2）4位全加器

有了一位全加器，我们就能实现任意位数的加法器了，比如一种4位加法器的示意图如图3-39所示。

 

图3-39 4位加法器示意图

这个4位全加器可以实现B3B2B1B0加上A3A2A1A0，和是S3S2S1S0，进位输出是Cout。当然一位全加器还可以实现8位、16位、32位等更多位的加法器，那么我们做计算机的加法器就具备了。

（3）四则运算的实现

计算机只要实现了加法运算，那么四则运算就都能实现了。

减法可以用加法来实现，比如要计算12-5，可以计算12+（-5），12对应的二进制数是00001100，-5对应的二进制数是11111011（5的原码取反加1），再把两数相加，并且超出8位的部分溢出，所以结果是00000111，也就是7，所以减法就用加法实现了，示意图如图3-40所示。

 

图3-40 减法的加法实现

乘法也可以用加法实现，A乘以B，就是A个B相加，或者B个A相加。

除法可以用加法和减法实现，A除以B，可以计算B不断累加，当“和”大于于A时，累加的B的个数减1就是“商”，A加上B再减掉“和”就是“余数”。比如要计算50除以6，当计算到9个6相加的“和”是54时，刚好大于50，这时“商”就是9-1=8，“余数”就是50+6-54=2。

其它各种运算又可以转化成四则运算，所以计算机只要能实现加法、循环和判断就能实现各种算数运算。

3.6.2 编码器

编码器能把输入的序号编码成二进制数，电路图如图3-41所示，编码器功能见表3-6。

 

图3-41 4线-2线编码器

表3-6 4线-2线编码器真值表

编码器电路能检测出哪一路有信号输入了，比如编码输出是10，就知道X2路有信号输入了（输入信号是0），这个4线-2线编码器的输入有且仅有一路是低电平。

编码器可以用于键盘的按键检测，通过输出的编码可以判断哪一个按键被按下了。除了4线-2线编码器还有8线-3线、16线-4线等更多类型的编码器。

3.6.3 译码器

译码器可以看成是编码器的相反功能，电路如图3-42所示，功能见表3-7。仿真时，非门可以使用74LS04。

 

图3-42 2线-4线译码器电路

表3-7 2线-4线译码器真值表

译码器能够区分开输入的编码，比如输入的是10，那么Y2这条线路会输出低电平。除了2线-4线译码器，当然还有3线-8线，4线-16线等更多类型的译码器。

根据冯诺依曼的计算机设计方案，计算机的一条指令就是一条二进制的编码，那么通过译码器就能在相应的输出通道上得到一个电平信号，使用这个信号就能通知相应的功能单元工作，比如通知加法器做加法运算，所以译码器可以实现计算机指令的解析。

3.6.4 数据选择器

数据选择器电路如图3-43所示，功能见表3-8，仿真时，三输入与门可以使用74LS11,4输入或门可以使用4072。

 

图3-43 4选1数据选择器

表3-8 4选1数据选择器真实表

数据选择器可以通过A1A0组成的编号指定4路输入中的哪一路作为输出的值。如果把A1A0看作地址编号，D0、D1、D2和D3看作一位内存存储单元，那么数据选择器不就成了内存读取电路了吗？

3.6.5 数据分配器

数据选择器反过来就是数据分配器，数据分配器可以根据地址，把一路数据分配到多路中的一路上，电路如图3-44所示，真值表如表3-9所示。仿真时，三输入与非门可以使用4023。

 

图3-44 数据分配器

表3-9 数据分配器真值表

3.6.6 比较器

一位数值比较器可以实现两个一位二进制数的大小比较，电路如图3-45所示，真值表如表3-10所示，比如当A>B时，那么Y(A>B)通道会输出高电平。仿真时，与非门可以使用74LS02。

 

图3-45 一位数值比较器

表3-10 一位数值比较器真值表

除了一位的比较器还有4位、8位、16位等更多位的数值比较器，如图3-46所示是一个4585集成4位比较器，可以实现两个4位数的比较，多个4位比较器又能级联成更多位的比较器。

 

图3-46 集成4位比较器逻辑符号

3.7 常用时序逻辑电路

组合逻辑电路的输入会立刻反应到输出上；时序逻辑电路的输入只有到了适当的时间才会反应到输出上，也就是说输入输出除了跟逻辑有关还跟时间有关，所以称为时序电路。

3.7.1 D锁存器

D锁存器能存储一位二进制数，电路如图3-47所示，DI是数据输入端，W是写入操作端，DO输出锁存器里存储的数据。

 

图3-47 D锁存器电路图

组合逻辑电路我们用真值表分析，时序逻辑电路可以使用时序图分析，通过分析时序图可以得出D锁存器的功能。

新建Proteus仿真项目，完成D锁存器的原理图，DI输入端放置“DC”工具，修改为“Pulse”脉冲类型，高电平设置成5V，频率设置成3Hz。W输入端也放置“DC”工具，同样修改为“Pulse”脉冲类型，高电平设置成5V，脉宽（Pulse Width）设置为70%，频率设置为1Hz。放置一个虚拟示波器，A、B、C端分别连接DI、W和DO端，设置虚拟示波器的时间刻度为0.1S，仿真片段如图3-48所示。

 

图3-48 D锁存器时序图

从时序图可以看出：把需要存储的数输入到DI，当W为高电平时，数据写入了D锁存器，DO输出的就是D锁存器里存储的数据，DO和DI保持一致；当W为低电平时，DI数据不能够写入锁存器，所以锁存器的输出就是前面存储好的值，不再改变。简单的说，当W为高电平时，数据写入锁存器，当W为低电平时，锁存器内容保持不变，也就是实现了数据的写入和存储。一位D锁存器的符号可以简化成如图3-49所示。

 

图3-49 D锁存器符号图

3.7.2 数据存储器

图3-50中数据存储器有4个存储单元，每个存储单元能存储1位二进制数。存储电路主要包括1个2-4译码器，4个D型锁存器和1个4-1数据选择器。2-4译码器带有使能端，当使能端为高电平时输出有效，否则输出高阻态，也就是相当于输出端断开，可以当成数据存储器的读/写控制。

 

图3-50 4x1数据存储器电路示意图

当写入数据时，译码器使能端是高电平，译码器的输入是数据存储器的地址编号，译码器相应的输出通道是高电平，D锁存器处于写入状态。比如数据输入是1，地址输入端A1A0是10，并且读/写操作端是1，译码器使能，Y2为高电平，数据就被写入到了第2号锁存器里，写信号结束后，译码器停止使能，译码器全部输出低电平，2号锁存器锁存数据，实现了数据的写入和保存。

当读出数据时，译码器不使能，译码器全部输出低电平，锁存器都处于锁存状态，地址编码驱动数据选择器选择相应的D锁存器的数据输出。比如地址输入端A1A0是10，并且读/写操作端是0，那么第2号锁存器里存储的数据被读出。

这样就实现了4x1的数据存储器（RAM），因为译码器、数据选择器、D型锁存器都可以扩充，所以就可以实现更大容量的二进制数据存储器了，下一章中我们就实现了一个16x4的RAM。

3.7.3 D型触发器

从功能上来说D型触发器也能存储一位二进制数，锁存器是电平触发，有效电平会使锁存器状态不断改变，而触发器是边沿（上升沿、下降沿）触发，一个时钟周期只有一个上升沿，触发器状态只改变一次，触发器工作更可靠、抗干扰能力更强。D型触发器电路图如图3-51所示，CP上升沿写入数据，D是待写入的数据，Q输出触发器存储的数据。R、S是置位端口，当S=0且R=1时，Q=1；当S=1且R=0时，Q=0，置位时，输出不受CP和D信号影响。存储数据时，把R、S置高电平。

 

图3-51 D型触发器电路图

仿真时，R、S端接高电平，CP端输入3Hz脉冲，D端输入1Hz脉冲，但设置D端脉冲开始时间为0.2S，避免D端上升沿和CP端上升沿遇到一起（CP端上升沿时写入数据，如果此时D端也是上升沿，那么就搞不清是写入1还是0了），CP、D、Q端分别接入示波器的A、B、C端，仿真片段如图3-52所示。

 

图3-52 上升沿触发D型触发器时序图

从时序图可以看出，Q的值在CP上升沿时刻开始等于D的值，直到下一个CP上升沿之前，不管D的值怎样改变，Q值都不变，也可以理解成在CP上升沿数据被存储到了触发器里。D型边沿触发器逻辑符号如图3-53所示。

 

图3-53 上升沿触发D型触发器逻辑符号

触发器和锁存器都可以构成寄存器，一个寄存器通常用来存储一个二进制数，寄存器可以是8位、16位、32位等任意位数，无非是含有的触发器或锁存器数量不同，数据存储器则可以由一组固定位宽的寄存器构成。寄存器可以用来暂存中间计算结果，存储一条指令等数据。

3.7.4 计数器

由D触发器构成的模8计数器如图3-54所示，它能统计CP信号的脉冲个数，从0计数到7，再回到0重新开始计数。

 

图3-54 D触发器构成的模8计数器

创建Proteus仿真原理图，D触发器可以使用74LS74，CP使用1Hz脉冲信号，CP、Q0、Q1、Q2分别接入虚拟示波器的A、B、C、D端口，设置虚拟示波器的时间刻度为0.5S，仿真片段如图3-55所示。

 

图3-55 计数器时序图

从计数器的时序图可以看出，在时钟信号CP的驱动下，每有一个CP上升沿，Q2Q1Q0组成的二进制数加一，也就是Q2Q1Q0记录了CP时钟上升沿的个数，记满8个数后，从000再重新开始，也就是实现了模为8记数功能。

计数器有很多用途，我们可以用来生成程序地址，比如模256的计数器可以生成256个地址编号，每个地址编号可以对应程序存储器的一个存储单元，那么在时钟的控制下就能依次取出程序存储器里的指令，计数器又可以预置数，也就能实现程序的跳转了。

3.8 程序存储电路

数据存储器靠有电、没电来记录信息，一旦切断数据存储器的供电，那么存储的数据完全丢失，程序需要能够一直保存，随时读取，数据存储器显然不适合用来存储程序。如果有存储器是靠改变物理结构或者磁性来记录信息，这些改变一旦完成就可以长时间存在，那么存储的信息也就长久存在，跟是否供电就无关了。

一种半导体二极管ROM结构如图3-56所示，它主要由地址译码电路和若干二极管构成。仿真时，二极管可以使用“DIODE”元器件，2-4译码器使用74LS139，改变A1A0的值，使用电压探针查看D3D2D1D0的输出值。

 

                     图3-56 4x4位二极管ROM示意图

图3-56中ROM可以存储4x4位二进制数，它是靠集成二极管来实现记录数据的，出厂时根据客户需要写入的数据集成二极管，称为“掩膜”，ROM一旦制作完成，只能读取，不能写入。

图3-56中所示，若A1A0为00，则W0线上输出高电平，由于二极管有单向导通的特性，在D3、D1数据线上会输出高电平，D2、D0数据线上则是低电平，但W2、W3线上的低电平则对D3、D1数据线没有影响，所以D3D2D1D0输出的数据是1010。可以看成有二极管的位置存储的就是1，没有二极管的位置存储的就是0，所以00地址（也就是W0线）存储的是1010，同理11地址存储的是1011，10地址存储的是1101，01地址存储的是0100。

有了前面这些组合逻辑电路和时序逻辑电路，就好比有了堆积木的基本元件，那计算机就是我们堆积木的目标，冯诺依曼的计算机设计方案为我们提供了堆积木的方法，下一章就开始堆出一台简单的四位计算机。