微型计算机原理及应用课程教案1

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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电位，则左边与门被阻塞而右边与门可让X0通过，这样Q0的既存数据不再受到自锁，而X0可以到达D0端。只要CLK的正前沿一到达，X0即被送到Q0去，这时就叫做装入(LOAD)。一旦装入之后，L端又降至低电平，则利用左边的与门，X0就能自锁而稳定地存在Q0中。

图2.14 可控缓冲寄存器

要记住，以后我们一提到“L门”，大家就要想到图2.13的电路结构及其作用：高电平时使数据装入，低电平时，数据自锁在其中。

对于多位的寄存器，每位各自有一套如图2.13一样的电路。不过只用一个非门，并且只有一个LOAD输入端，如图2.14所示。

可控缓冲寄存器的符号一般画成图2.15那样，LOAD为其控制门，而CLR为高电平时则可用以清除，使其中各位变为0。

图2.15 可控缓冲寄存器的符号

2.3.2 移位寄存器

移位寄存器(shifting register)能将其所存储的数据逐位向左或向右移动，以达到计算机在运行过程中所需的功能，例如用来判断最左边的位是0或1等。电路原理图如图2.16所示。

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图2.16 移位寄存器简化原理图

左移寄存器如图2.16(a)所示，当Din=1而送至最右边的第1位时，D0即为1，当CLK的正前沿到达时，Q0即等于1。同时第2位的D1也等于1。当CLK第2个正前沿到达时，Q1也等于1。结果可得下列的左移过程：

CLK前沿未到 Q=Q3Q2Q1Q0=0000 第1前沿来到 Q=0001 第2前沿来到 Q=0011 第3前沿来到 Q=0111 第4前沿来到 Q=1111

第5前沿来到，如此时Din仍为1，则Q不变，仍为1111。 当Q=1111之后，改变Din，使Din=0，则结果将是把0逐位左移： 第1前沿来到 Q=1110 第2前沿来到 Q=1100 第3前沿来到 Q=1000 第4前沿来到 Q=0000

由此可见，在左移寄存器中，每个时钟脉冲都要把所储存的各位向左移动一个数位。 右移寄存器如图2.16(b)所示。图2.16(b)与图2.16(a)之差别仅在于各位的接法不同，而且输入数据Din是加到左边第1位的输入端D3。根据上面的分析，当Din=1时，随着时钟脉冲而逐步位移是这样的：

CLK前沿未到Q=0000 第1前沿来到Q=1000 第2前沿来到Q=1100 第3前沿来到Q=1110 第4前沿来到Q=1111

由此可见，在右移寄存器中，每个时钟脉冲都要把所存储的各位向右移动一个位置。 可控移位寄存器：和缓冲寄存器一样，在整机运行中，移位寄存器也需要另有控制电路，以保证其在适当时机才参与协调工作。这个电路也和图2.13一样，只要在每一位的电路上

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增加一个这样的LOAD门(L门)即可以达到控制的目的。

可控移位寄存器的符号如图2.17所示，其中新出现的符号的意义是： SHL——左移(shift to the left) SHR——右移(shift to the right)

图2.17可控移位寄存器的符号

2.3.3 计数器

计数器(counter)也是由若干个触发器组成的寄存器，它的特点是能够把存储在其中的数字加1。

计数器的种类很多，有行波计数器、同步计数器、环形计数器和程序计数器等。 (1) 行波计数器(travelling wave counter) 的特点是：第1个时钟脉冲促使其最低有效位(least significant bit,LSB)加1，由0变1。第2个时钟脉冲促使最低有效位由1变0，同时推动第2位，使其由0变1。同理，第2位由1变0时又去推动第3位，使其由0变1，这样有如水波前进一样逐位进位下去。图2.18就是由JK触发器组成的行波计数器的工作原理图。

图2.18中的各位的J，K输入端都是悬浮的，这相当于J，K端都是置1的状态，亦即是各位都处于准备翻转的状态。只要时钟脉冲边缘一到，最右边的触发器就会翻转，即Q由0转为1或由1转为0。各位的JK触发器的时钟脉冲输入端都带有一个“气泡”，这表示是串有一个反相门(非门)，这样，只有时钟脉冲的后沿(产生负的尖峰电压)才能为其所接受。因此，可得计数步骤如下：

图2.18行波计数器的工作原理图

开始时使CLR由高电位变至低电位(这也是由于有“气泡”在CLR输入端之故)，则计数器全部清除，所以：Q=Q3Q2Q1Q0=0000

第1时钟后沿到Q=0001

此Q0由低电位(0)升至高电位(1)，产生的是电位上升的变化，由于有“气泡”在第2位的时钟脉冲输入端，所以第2个触发器不会翻转，必须在Q0由1降为0时才会翻转。接

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着：

第2时钟后沿到Q=0010 第3时钟后沿到Q=0011 第4时钟后沿到Q=0100 第5时钟后沿到Q=0101 第6时钟后沿到Q=0110 第7时钟后沿到Q=0111 第8时钟后沿到Q=1000 ????

第15时钟后沿到Q=1111 第16时钟后沿到Q=0000

在第16个时钟脉冲到时，计数器复位至0，因此这个计数器可以计由0至15的数。如

图2.19 可控计数器的电路原理图

果要计的数更多，就需要更多的位，即更多的JK触发器来组成计数器。如8位计数器可计由0至255的数，12位计数器可计由0至4 095的数，16位则可计由0至65 535的数。图2.19是可控计数器的电路原理图。

图2.18中的J，K输入端是悬浮的，所以每次时钟脉冲到时，它都要翻转一次。图2.19中的各个J，K输入端连在一起引出来，由计数控制端COUNT的电位信号来控制。当COUNT为高电位时，JK触发器才有翻转的可能。当COUNT为低电位时就不可能翻转。图2.20是这种计数器的符号。

图2.20 可控计数器的符号

(2) 同步计数器(synchronous counter)， 行波计数器的工作原理是在时钟边缘到来时开始计数，由右边第一位(LSB)开始，如有进位的话则要一位一位的推进。而每一位触发器都需要建立时间tp(tp约为10纳秒)。如果是16位的计数器，则最大可能的计一个数的时间为160纳秒，这就显得太慢了。

同步计数器是将时钟脉冲同时加到各位的触发器的时钟输入端，而将前一位的输出端(Q)接到下一位的JK端去。这样可以使计数器计数时间只相当于一个触发器的建立时间tp，所

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以同步计数器在很多微型机中常被使用。为了避免初学者陷到电路分析中去，这里就不介绍具体线路了。

(3) 环形计数器(ring counter)也是由若干个触发器组成的。不过，环形计数器与上述计数器不一样，它只是仅有唯一的一个位为高电位，即只有一位为1，其他各位为0。图2.21是由D触发器组成环形计数器的电路原理图。

图2.21 环形计数器的电路原理图

当CLR端有高电位输入时，除右边第1位(LSB)外，其他各位全被置0(因清除电位CLR都接至它们的CLR端)，而右边第1位则被置1(因清除电位CLR被引至其PR端)。这就是说，开始时Q0=1，而Q1，Q2，Q3全为0。因此，D1也等于1，而D0=Q3=0。在时钟脉冲正边缘来到时，则Q0=0，而Q1=1，其他各位仍为0。第2个时钟脉冲前沿来到时，Q0=0，Q1=0，而Q2=1，Q3仍=0。这样，随着时钟脉冲而各位轮流置1，并且是在最后一位(左边第1位)置1之后又回到右边第1位，这就形成环形置位，所以称为环形计数器。环形计数器的符号如图2.22所示。

图2.22 环形计数器的符号

环形计数器不是用来计数用，而是用来发出顺序控制信号的，这在计算机的控制器中是一个很重要的部件。

(4) 程序计数器(program counter) 也是一个行波计数器(也可用同步计数器)。不过它不但可以从0开始计数，也可以将外来的数装入其中，这就需要一个COUNT输入端，也要有一个LOAD门，程序计数器的符号如图2.23所示。

2.23 程序计数器的符号

2.3.4 累加器

累加器也是一个由多个触发器组成的多位寄存器，累加器的英文为accumulator，译作累加器，似乎容易产生误解，以为是在其中进行算术加法运算。其实它不进行加法运算，而

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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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