第2章單片機系統(tǒng)電路基礎(chǔ)

1、第2章 單片機系統(tǒng)電路基礎(chǔ),本章簡要地闡述最主要的數(shù)學(xué)知識及計算機中最基本的單元電路。本章的內(nèi)容是必要的入門知識，是以后各章的基礎(chǔ)。對于已掌握這些知識的讀者，本章將起到復(fù)習(xí)和系統(tǒng)化的作用。,第2章 單片機系統(tǒng)電路基礎(chǔ),2.1 數(shù)制與編碼2.2 單片機系統(tǒng)常用數(shù)字集成電路2.3 單片機系統(tǒng)中的常用存儲器電路本章小結(jié),2.1 數(shù)制與編碼,2.1.1 進位計數(shù)制2.1.2 進位計數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換2.1.3 數(shù)碼和字符

2、的代碼表示,2.1.1 進位計數(shù)制,1. 十進制計數(shù)制,十進制的基為10，它所使用的數(shù)碼為0～9，共10個數(shù)字。,計數(shù)規(guī)律：逢10進1,任意一個十進制數(shù) ( S )10，可以表示為,( S )10 = kn-110n-1+kn-210n-2+…+k0100+k-110-1+k-210-2+…+k-m-110-m-1,(2001.9)10 = 2 × 103 + 0 × 102 + 0 × 101 + 1

3、× 100 + 9 × 10-1,例：,2. 二進制計數(shù)制,2.1.1 進位計數(shù)制,二進制的基為2，它所使用的數(shù)碼為0、1，共2個數(shù)字。,計數(shù)規(guī)律：逢2進1。,任意一個二進制數(shù) ( S )2可以表示成,( S )2 = k n-12n-1 + kn-22n-2 +…+ k020 + k-12-1 + k-22-2 +…+k-m-12-m-1,例：,(1101.101)2 = l×2

4、3 + 1 × 22 + 0 × 21 + 1 × 20 + 1 × 2-1 + 0 × 2-2 + 1 × 2-3,2.1.1 進位計數(shù)制,3. 十六進制計數(shù)制,十六進制的基為16，其使用的數(shù)碼為0～9、A～F，共16個數(shù)字,計數(shù)規(guī)律：逢16進1,任意一個十六進制數(shù) ( S )16可以表示成,( S )16 = kn-116n-1+kn-216n-2+…+k0160+k-1

5、16-1+k-216-2+…+k-m-116-m-1,例：,(8AE6)16 = 8×163+A×162+E×161+6×160,用A～F表示10～15,(8AE6)16也可表示為8AE6H,,2.1.2 進位計數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換,1. 十進制轉(zhuǎn)換成十六進制,一個十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)時，按除16取余的方法進行。,例：,(725)10 = ( ? )16,轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到 (725)10 = (2

6、D5)16。,一個十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制小數(shù)時，可按乘16取整的方法進行。,例：,(0.7875)10 = ( ? )16,1. 十進制轉(zhuǎn)換成十六進制,轉(zhuǎn)換結(jié)果，可得 (0.7875)10 = (0.C99)16,2. 十六進制轉(zhuǎn)換成十進制數(shù),十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成等值的十進制數(shù)時，可用按權(quán)相加的方法進行。,(1C4.68)16 = 1×162+C×161十4×160+6×16-1+8×16

7、-2 = 256+192+4+0.375+0.03125 =(452.40625)10,例：,3. 十六進制與二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換,一位十六進制數(shù)表示的數(shù)值恰好相當于4位二進制數(shù)能表示的數(shù)值。因此彼此之間的轉(zhuǎn)換極為方便，只要從小數(shù)點開始分別向左右展開即可。,(3AB4)16 ＝(0011 1010 1011 0100)2,(1111 1101.0100 1111)2＝(FD.4F)16,2.1.3 數(shù)碼和

8、字符的代碼表示,一、 三個術(shù)語 數(shù)碼：代表一個確切的數(shù)字代碼：特定的二進制數(shù)碼組，是不同信號 的代號，不一定有數(shù)的意義 編碼 ：n位二進制數(shù)可以組合成2n個不同 的信息，給每個信息規(guī)定一個具 體碼組，這個過程叫作編碼。,二、 二進制碼：自然碼：有權(quán)碼，每位代碼都有固定權(quán)值， 結(jié)構(gòu)形式與二進制數(shù)完全相同循環(huán)碼 ：無權(quán)碼，每位代碼無

9、固定權(quán)值，任何 相鄰的兩個碼組中，僅有一位代碼不 同。詳細見主教材第12頁 表2.1 兩種4位二進制編碼,三、 二 - 十進制碼（BCD碼） BCD碼用二進制代碼對十進制數(shù)進行編碼，它既具有二進制碼的形式（4位二進制碼），又有十進制數(shù)的特點（每4位二進制碼是1位十進制數(shù)）。,(6840)10 = (0110 1000 0100 0000)BCD,例：,四、 字母與字符

10、的編碼,由于計算機中采用二進制數(shù)碼表示。要在計算機中表示字母、字符等都要用特定的二進制數(shù)碼表示。字母與字符用二進制碼表示的方法很多，目前在計算機中普遍采用的是ASCII碼（American Standard Code for Information Interchange，美國標準信息交換碼）。它采用8位二進制編碼，故可以表示256個字符。其中包括數(shù)碼0～9、英文字母以及打印和不可打印的字符。詳細見主教材第13頁 表2.2 ASCII

11、碼字符表,2.2 單片機系統(tǒng)常用數(shù)字集成電路,2.2.1 常用的邏輯門電路2.2.2 集電極開路門輸出電路2.2.3 常用組合邏輯電路2.2.4 常用時序邏輯電路,1、與門,2.2.1 常用的邏輯門電路,與運算符，也有用 “∧”、“∩”、“&”表示,與邏輯功能口訣： 有“0”出“0”； 全“1”出“1”。,或運算符，也可用“∨”、“∪”表示,2、 或門,或邏輯功能口訣： 有“1

12、”出“1”； 全“0”出“0”。,“－”非邏輯運算符,3、 非門,4、恒等門,5、 與非門,與非邏輯功能口訣： 有“0”出“1”； 全“1”出“0”。,或非邏輯功能口訣： 有“1”出“0”； 全“0”出“1”。,6、 或非門,異或邏輯功能口訣： 同為“0”； 異為“1”。,7、 異或門,邏輯代數(shù)中的邏輯運算,TTL門電路中，因為輸出級采用了推拉式電路，無論輸出高電

13、平還是低電平，它的輸出電阻都很低，從而有效地降低了輸出級的靜態(tài)功耗并提高了驅(qū)動負載的能力。,2.2.2 集電極開路門輸出電路,但推拉式輸出結(jié)構(gòu)有其局限性：1）它們的輸出端不能并聯(lián)使用，2）無法滿足對不同輸出高低電平的需要；3）不能滿足驅(qū)動較大電流、較高電壓的負載的要求。,克服上述局限的方法就是，門電路的輸出級采用集電極開路的三極管結(jié)構(gòu)，制成集電極開路門電路（OC門, Open Collector Gate）。,OC與非門邏輯符號

14、,,應(yīng)用時輸出端要接一上拉負載電阻RL,1、線與,OC門在單片機系統(tǒng)中主要作用：,2、作為驅(qū)動器。,利用OC門可以控制一些較大電流的執(zhí)行機構(gòu)，如控制電動機。,OC與非門驅(qū)動發(fā)光二極管,2.2.3 常用組合邏輯電路,1. 編碼器（ENC）1）普通編碼器,在普通編碼器中，任何時刻只允許輸入一個編碼信號，否則輸出將發(fā)生混亂。,普通編碼器是多輸入、多輸出的組合邏輯電路：有多個輸入端N，1為有信號，0為無信號（或相反）；多個輸出端n。兩者關(guān)系

15、滿足2n = N。某一輸入與它的編碼輸出是唯一對應(yīng)關(guān)系。,4-2編碼器看作計算機配有的4個外部設(shè)備：聲卡（A0）、硬盤驅(qū)動器（A1）、鼠標（A2）、網(wǎng)卡（A3）作為輸入信號，B0、B1作為編碼輸出。邏輯表達式為：,,,4-2編碼器真值表,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2）優(yōu)先編碼器,在優(yōu)先編碼器電路中，允許同時輸入兩個以上的信號。不過在設(shè)計優(yōu)先編碼器時將所有的輸入信號按優(yōu)先順序排隊，當幾個輸入信號同時出現(xiàn)

16、時，只對其中優(yōu)先權(quán)最高的一個進行編碼。,A3優(yōu)先權(quán)最高，A0優(yōu)先權(quán)最低。優(yōu)先排隊電路的邏輯表達式為：,,,,4-2優(yōu)先編碼器真值表,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單片機系統(tǒng)中常用的優(yōu)先編碼器電路,優(yōu)先編碼器74HC148演示,2. 譯碼器（DEC） 譯碼器是編碼器的逆過程，編碼器和譯碼器成對存在，譯碼器也是多輸入、多輸出的組合邏輯電路，多個輸入端數(shù)為N，則輸出端數(shù)為n = 2

17、N。,1）2 -4線譯碼器,,,,對于任意組輸入編碼，僅有與該編碼相對應(yīng)的一個輸出端輸出為0，稱為譯中；其余所有輸出都為1，稱為未譯中。,邏輯表達式為：,2-4線譯碼器真值表,當編碼輸入A0 = 0, A1 = 0時, B0 = 0（有譯碼輸出），B1 = B2 = B3 = 1（無譯碼輸出）,2）3 -8線譯碼器（74HC138）,3個地址輸入端：A1、A2、A3；3個使能輸入端：G1、G2、G3；8個輸出端：Y0～Y7,

18、,,,74HC138譯碼器輸出邏輯表達式為：,使能輸入邏輯表達式為：當EN = 1時譯碼器工作，3-8線譯碼器有輸出（0 表示有譯碼輸出，1表示無譯碼輸出）,74HC138譯碼器演示,單片機系統(tǒng)中常用的譯碼（驅(qū)動）器電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3. 數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器,1）4選1數(shù)據(jù)選擇器在數(shù)字系統(tǒng)的傳輸過程中，有時需要從多路輸入數(shù)據(jù)中選中某一路輸出，這時就要用到稱為數(shù)據(jù)選擇器（MUX）的邏輯電路。,4路輸入

19、信號是D0、D1、D2和D3，地址選擇端是A和B，輸出端是Y,,輸入信號中的哪一路送到輸出端，決定于A和B的狀態(tài)：AB = 00, Y = D0，信號D0到輸出端； AB = 10, Y = D1，信號D1送到輸出端； AB = 01, Y = D2，信號D2送到輸出端； AB = 11, Y = D3，信號D3送到輸出端。,2）數(shù)據(jù)分配器數(shù)據(jù)分配器也稱多路分配器，是一路輸入、多路輸出的組合邏輯器件。,1-4數(shù)據(jù)分配器是指1

20、路輸入、4路輸出的組合邏輯電路,譯碼器也可以作為數(shù)據(jù)分配器使用，只要將譯碼器的使能端連接數(shù)據(jù)輸入端即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)分配器的功能。,用3-8譯碼器實現(xiàn)數(shù)據(jù)1-8分配器,單片機系統(tǒng)中常用數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4. 三態(tài)門與傳輸門,1）總線： 總線（BUS）是一組導(dǎo)線，是數(shù)據(jù)傳送的公共通路。在總線結(jié)構(gòu)的計算機中，多個部件掛在總線上，共享總線，多個部件分時使用總線，進行部件間的數(shù)據(jù)傳送。所謂分

21、時使用總線，就是在某一時刻，只允許一組數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，使相應(yīng)的部件接收總線上的數(shù)據(jù)。,2）特殊控制開關(guān)—— 三態(tài)門： 三態(tài)門是一種擴展邏輯功能的輸出級，也是一種控制開關(guān)。,恒等門和非門真值表,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.2.4 常用時序邏輯電路,1. 鎖存器由若干個電平觸發(fā)的D觸發(fā)器構(gòu)成的一次能存儲多位二進制代碼的時序邏輯電路，叫作鎖存器。,鎖存器的工作特點為，數(shù)據(jù)信號有效滯后于時鐘信號有效。

22、這意味著時鐘信號先到，數(shù)據(jù)信號后到。,74HC373/74HC573功能表,8位鎖存器74HC373/74HC573 （圖中只畫出4位）,2. 寄存器由若干個正沿D觸發(fā)器構(gòu)成的一次能存儲多位二進制代碼的時序邏輯電路，叫作寄存器，也稱為數(shù)據(jù)觸發(fā)器。,寄存器的工作特點為，時鐘信號有效滯后于數(shù)據(jù)信號有效。這意味著數(shù)據(jù)信號先建立，時鐘信號后建立。在CP上升沿時刻打入到觸發(fā)器。,8位寄存器74HC374/74HC574

23、 （圖中只畫出4位）,74HC374/74HC574功能表,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,74HC374/74HC574寄存器時序圖,單片機系統(tǒng)中常用的鎖存器和寄存器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.3 單片機系統(tǒng)中的常用存儲器電路,存儲器是用來存放數(shù)據(jù)的集成電路或介質(zhì)，常見的存儲器有半導(dǎo)體存儲器（ROM、RAM）、光存儲器（如CD、VCD、MO、MD、DVD）、磁介質(zhì)存儲器（如磁帶、磁盤、硬盤）

24、等。存儲器是計算機極為重要的組成部分，有了它計算機才具有存儲信息的功能，使計算機可以脫離人的控制自動工作。單片機系統(tǒng)中主要使用的存儲器是半導(dǎo)體存儲器，從使用功能上，可分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩類。,2.3.1 RAM存儲器,RAM存儲器是指斷電時信息會丟失的存儲器，但是這種存儲器可以現(xiàn)場快速地修改信息，所以RAM存儲器是可讀寫存儲器，一般都作為數(shù)據(jù)存儲器使用，用來存放現(xiàn)場輸入的數(shù)據(jù)或者存放可以更改的運行程序和

25、數(shù)據(jù),RAM存儲器分類：,SRAM的基本結(jié)構(gòu),1. 地址譯碼方式,,地址譯碼有兩種方式，一種是單譯碼方式，或稱為字結(jié)構(gòu)方式，適用于小容量存儲器；另一種是雙譯碼方式，或稱為X-Y譯碼結(jié)構(gòu)。,1）單譯碼方式,16字×4位單譯碼存儲器結(jié)構(gòu),2）雙譯碼方式,雙譯碼結(jié)構(gòu)地址譯碼存儲器,2.讀寫控制電路,在RAM結(jié)構(gòu)中，讀出和寫入的數(shù)據(jù)線是公用的，為控制電路中數(shù)據(jù)的流向，設(shè)立了專門的讀寫控制電路。,1）引腳圖,3.靜態(tài)RAM 62256,

26、2）工作方式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3）連接使用方法,RAM 62256寫入、讀出數(shù)據(jù)演示,只讀存儲器（ROM）的特點是：其內(nèi)容是預(yù)先寫入的而且一旦寫入，使用時就只能讀出不能改變，掉電時也不會丟失，ROM器件還具有結(jié)構(gòu)簡單、信息度高、價格低、非易失性和可靠性高等特點。對ROM內(nèi)容的設(shè)定（寫入）稱為編程。,2.3.2 ROM存儲器,ROM的分類：,按編程方式,1、ROM的結(jié)構(gòu)與工作原理,ROM由存儲矩陣、地址譯

27、碼器、讀放與選擇電路組成。,2、 ROM的點陣結(jié)構(gòu)表示法,,,3、可用紫外線擦除可編程只讀存儲器EPROM,1）引腳與接線,常用EPROM主要技術(shù)特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2）編程操作,EPROM在工廠提供的產(chǎn)品未被編程前，所有的位都是邏輯1狀態(tài)，用戶根據(jù)需要使用專用設(shè)備編程器把邏輯0狀態(tài)寫入到所希望的位中。,4、閃速存儲器,閃速存儲器（Flash EEPROM）可以用來存放程序，但由于其讀寫方便，

28、也可以像RAM一樣存放經(jīng)常需要修改的數(shù)據(jù)，所以又稱為Flash Memory。 下新一代閃速存儲器的特點及其功能。1）低電壓在線編程，使用方便，可多次擦寫2）按塊/按扇區(qū)擦除，按字節(jié)編程3）完善的數(shù)據(jù)保護功能,本章小結(jié),在計算機中常用的數(shù)制有十進制、二進制和十六進制。 常用的數(shù)字編碼為BCD碼，常用的字符編碼是ASCII碼 。單片機系統(tǒng)中常采用數(shù)字集成邏輯門電路作為隔離、驅(qū)動和擴展接口。單片機常采用ROM存儲器作為程序存儲