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第2讲 单片机系统的电路基础


第2章 单片机系统设计的电路基础

2.1 数制与编码 2.2单片机系统常用数字集成电路 单片机系统常用数字集成电路 2.3 单片机系统中的常用存储器电路

2.1 数制与编码
数制是人们利用符号进行计数的科学方法。在计算机中常用的数 制有十进制、二进制和十六进制。二进制数在计算机中最容易实 现,数字计算机中数据的存储和计算都使

用二进制数,二进制虽 简单,但书写和阅读非常不便,所以在计算机中常用十六进制书 写,而十进制则是人们日常生活中最常使用的数制,人机之间对 话常采用十进制。 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。 由于计算机的硬件只能存储二进制数0或1,所以输入计算机的信 息必须用二进制的代码表示,这就是编码。常用的数字编码为 BCD码,BCD码是用4位二进制数给1位十进制数编码。常用的数 字编码是ASCII码,ASSII码是用8位二进制数给1个字符编码。

1. 十进制计数制
十进制的基为10,即它使用的数码为0~9,共10个数字。 十进制各位的权是以10为底的幂,每个数因所处位置不 同,其值是不同的,每一位数是其右边相邻那位数的10 倍。 计数规律:逢10进1。 任意一个十进制数(S)10,可以表示为: (S)10=kn-110n-1+kn-210n-2+....+k0100+k-110-1+k-2102+...+k 10-m-1 -m-1 式中,ki是0~9中的任意一个数字,m、n是整数,10是 十进制的基数。

1. 十进制计数制
例2.1 (2001.9)10=2×103+0×102+0×101+1×100+9×10-1 十进制在书写中通常可省去下标,如2009.1即表示 (2001.9)10。 十进制是日常生活中常用的数制,人机交互常采用十进 制。

2. 二进制计数制
二进制的基为2,即它所使用的数码为0、1,共两个数 字。二进制各位的权是以2为底的幂,每个数因所处位 置不同,其值是不同的,每一位数是其右边相邻数的2 倍。 计数规律:逢2进1。 任意一个二进制数(S)2可以表示成: (S)2=kn-12n-1+kn-22n-2+...+k020+k-12-1+k-22-2+…+k-m2-m-1 1 式中,ki只能取0或1,m、n是正整数,2是二进制的基 数。

2. 二进制计数制
例2.2 (1101.101)2 =1×23+1×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2+1×2-3 二进制数只有两个数码,即0和1,在电子计算机中容易 实现。例如,可以用高电平表示1,低电平表示0,或者 晶体管截止时的输出表示1,导通时的输出表示0等。所 以,采用二进制就可以利用电路进行计数工作。二进制 数的运算规则类似于十进制,加法为逢2进1,减法为借 1为2。利用加法和减法就可以进行乘法、除法及其他数 值运算

十六进制计数制
由于二进制位数太长,不易记忆和书写,所以人们又提 出了十六进制的书写形式。 十六进制数的基为16,即它所使用的数码为0~9和A~F, 共16个数字。十六进制各位的权是以16为底的幂,每个 数因所处的位置不同,每一位数是其右边相邻那位数的 16倍。 任意一个十六进制数(S)16可以表示成: (S)16=kn-116n-1+kn-216n-2+…+k0160+k-116-1+k-2162+…+k -m-1 -m-116 式中,ki可取0,1,2,…,9,A,B,C,D,E,F等16 个数码和字母之一,用A~F表示10~15;m、n是正整数; 16为十六进制的基数。

十六进制计数制
例2.3 (8AE6)16=8×163+A×162+E×161+6×160 十六进制数在书写中可使用另一种表示方式, 如(8AE6)16可表示为8AE6H。 人们习惯使用的是十进制数,计算机采用的是二进制数, 人们书写时又多采用十六进制数,因此,必然产生各种 进位计数制之间的相互转换问题。

十进制数转换成十六进制数
一个十进制整数转换成十六进制数时,按除16取余的方 法进行。 例2.4 (725)10=(?)16 16 ?5 2 7?? 余数 5 16 ?5 4?? 余数13,即十六进制数D 16 ?2?? 余数 2 转换结果,可得(725)10=(2D5)16

十进制数转换成十六进制数
一个十进制小数转换成十六进制小数时,可按乘16取整 的方法进行。 例2.5 (0.7875)10=(?)16 0.7875 × 16 12.6 取整数12,即十六进制数C 0.6 × 16 9.6 取整数9 0.6 × 16 9.6 取整数9 转换结果,可得(0.7875)10=(0.C99)16。

十进制数转换成十六进制数
一个十进制小数转换成十六进制小数时,可按乘16取整 的方法进行。 例2.5 (0.7875)10=(?)16 0.7875 × 16 12.6 取整数12,即十六进制数C 0.6 × 16 9.6 取整数9 0.6 × 16 9.6 取整数9 转换结果,可得(0.7875)10=(0.C99)16。

十六进制数转换成十进制数
十六进制数转换成等值的十进制数时,可用按权相加的 方法进行。 例2.6 (1C4.68)16=1×162+C×161+4×160+6×161+8×16-2 =256+192+4+0.375+0.03125 =(452.40625)10

十六进制数与二进制数的转换
一位十六进制数表示的数值恰好相当于4位二进制数能 表示的数值,因此彼此之间的转换极为方便,只要从小 数点开始分别向左右展开即可。 例2.7 (3AB4)16=(0011 1010 1011 0100)2 (1111 1101.0100 1111)2=(FD.4F)16 可见,在计算机中用十六进制书写要比用二进制书写 简短,而且用十六进制表示的数据信息很容易转换成用 二进制表示。这就是普遍使用十六进制数的原因。 当十进制数转换成二进制数时,可采用十六进制数作 为中间过渡

数位计数的相互转换
注意:小数转换不一定能算尽,只需算到一定精度的位 数即可,因此可能会产生一些误差,但当为数较多时, 这个误差就很小了。 如果一个十进制数即有整数部分又有小数部分,可将 整数部分和小数部分分别进行十六进制数的等值转换, 然后合并即可得到结果。

数码和字符的代码表示
1. 三个术语 数码:代表一个确切的数字,如二进制数、八进制数等。 数码 代码:特定的二进制数码组,是不同信号的代号,不一 代码 定有数的意义。 编码:n位二进制数可以组成2n个不同的信息,给每个信 编码 息规定一个具体码组,这个过程叫做编码。

数码和字符的代码表示
2. 二进制码 自然码:有权码,每位代码都有固定权值,结构形式与 自然码 二进制数完全相同。 循环码:无权码,每位代码无固定权值,任何相邻的两 循环码 个码组中,仅有一位代码不同。

数码和字符的代码表示

数码和字符的代码表示
3.二—十进制码(BCD码) 二 十进制码 十进制码( 码 BCD码用二进制代码对十进制数进行编码,它既具有二 进制码的形式(4位二进制码),又有十进制数的特点 (每4位二进制码是1位十进制数)。BCD码有多种形式, 单片机系统软件中常常用到8421BCD码,编码值与字符 0~9的低4位码相同,易于实现人机交互。 例2.8 (1999)10=(0001 1001 1001 1001)BCD (0110 1000 0100 0000)BCD=(6840)10

数码和字符的代码表示
4.字母与字符的编码 字母与字符的编码 由于计算机中采用二进制数码表示。要在计算机中表示 字母、字符等都要用特定的二进制码表示。字母与字符 用二进制码表示的方法很多,目前在计算机中普遍采用 的是ASCII码(American Standard Code for Information Interchange,美国标准信息交换码)。它采用8位二进制 编码,故可以表示256个字符。其中包括数码0~9、英文 字母,以及可打印和不可打印的字符。

数码和字符的代码表示

2.2单片机系统常用数字集成电路 单片机系统常用数字集成电路 无论多么复杂的单片机系统,都是由单片机和若 干基本电路单元组成的。 本节对单片机系统中最常见的基本电路进行简单 介绍,这些电路是组成单片机的硬件基础。 对于这些器件的详细分析和计算,请读者参考有 关的数字电路教材。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
最基本的门电路是与门、或门、非门,把它们适 当连接可以实现任意复杂的逻辑功能。用小规模 集成电路构成复杂逻辑电路时,最常用的门电路 是与门(AND)、或门(OR)、非门 (INVBUFF)、恒等门(BUFF)、与非门 (NAND)或非门(NOR)、异或门(XOR)。 主要是因为这7种电路既可以完成基本逻辑功能, 又具有较强的负载驱动能力,便于完成复杂而又 实用的逻辑电路设计。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
1.与门 与门 与门是一个能够实现逻辑乘运算的、多端输入、 单端输出的逻辑电路。 其逻辑函数式是:F=A?B(或AB)。 该电路输入与输出之间的逻辑运算关系可用真值 表表示? 其记忆口诀为:有0出0,全1才1。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
2. 或门 或门是一个能够实现逻辑加运算的多端输入、 单端输出的逻辑电路。 其逻辑函数是:F=A+B。 该电路输入与输出之间的逻辑运算关系可用真只 值表表示,? 其记忆口诀为:有1出1,全0才0。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
3.非门 非门 实现非逻辑功能的电路称为非门,有时又叫 反相缓冲器。 非门只有一个输入和一个输出端。 其逻辑函数式是:F= ? 该电路输入与输出间的逻辑运算关系可用真值表 表示?

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
4.恒等门 恒等门 实现恒等逻辑功能的电路成为恒等门,有时又叫 同相缓冲器。 恒等门只有一个输入端和一个输出端。 其逻辑函数式是:F=A。 该电路输入与输出间的逻辑运算关系可用真值表 表示,? 同相缓冲器和反相缓冲器在数字系统中用于增强 信号的驱动能力。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
5. 与非门 与和非的复合运算为与非运算。 其逻辑函数式是: 该电路输入与输出间的逻辑运算关系可用真值 表表示,? 其记忆口诀为:有0出1,全1才0。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
6.或非门 或非门 或与非的复合运算称为或非运算。 其逻辑函数式是: 该电路输入与输出间的逻辑运算关系可用真值 表表示? 其记忆口诀为:有1出0,全0才1。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
7. 异或门 异或逻辑也是一种广泛应用的符合逻辑。 其逻辑函数式是:? 该电路输入与输出间的逻辑关系可用真值表表 示,? 其记忆口诀为:相同出0,相异出1。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
逻辑门电路是单片机外围电路运算、控制功能所必须的 电路。在单片机系统中经常使用集成逻辑电路(常成为 集成电路)。一片集成逻辑门电路中通常含有若干个逻 辑门电路,如7400为4重二输入与非门,即7400内部有 4个二输入的与非门,其外部引线如图所示(注意:图 中只画出了第2个, 有3个未画出)。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
高速CMOS74HC逻辑系列集成电路具有功耗低、 宽工作电压、强抗干扰特性,是单片机外围通用 集成电路的首选系列。常用的逻辑门基本上都有 相应的HC型号。表2.10所示为单片机系统中常 用HC型号的逻辑门电路。随着单片机内部功能 的不断增强和硬件软件化,外部所用的逻辑门电 路将越来越少.

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
高速CMOS74HC逻辑系列集成电路具有功耗低、 宽工作电压、强抗干扰特性,是单片机外围通用 集成电路的首选系列。常用的逻辑门基本上都有 相应的HC型号。表2.10所示为单片机系统中常 用HC型号的逻辑门电路。随着单片机内部功能 的不断增强和硬件软件化,外部所用的逻辑门电 路将越来越少.

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路
8.门电路的国际符号与国际常用符号 门电路的国际符号与国际常用符号

2.2 集电极开路门输出电路

TTL门电路中,因为输出级采用了推拉电路,无 论输出高电平还是低电平,它的输出电阻都很低, 从而有效的降低了输出级的静态功耗并提高了驱 动负载的能力。这种形式的电路称为推拉 (Push-pull)电路或图腾柱(Totem-pole)输 出电路。

2.2 集电极开路门输出电路 TTL门电路中,因为输出级采用了推拉电路,无论输出高电 平还是低电平,它的输出电阻都很低,从而有效的降低了输 出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。这种形式的电路 称为推拉(Push-pull)电路或图腾柱(Totem-pole)输出 电路。 但推拉式输出结构有其局限性:首先,它们的输出端不能并 联使用,因为若一个们输出高电平而另一个门输出低电平, 则并联后将有很大的负载电流同时流过这两个门的输出级, 可能使门损坏;其次,无法满足不同输出高低电平的需要; 第三,不能满足驱动较大电流、较高电压的负载的要求。

2.2 集电极开路门输出电路 TTL门电路中,因为输出级采用了推拉电路,无论输出高电 平还是低电平,它的输出电阻都很低,从而有效的降低了输 出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。这种形式的电路 称为推拉(Push-pull)电路或图腾柱(Totem-pole)输出 电路。 但推拉式输出结构有其局限性:首先,它们的输出端不能并 联使用,因为若一个们输出高电平而另一个门输出低电平, 则并联后将有很大的负载电流同时流过这两个门的输出级, 可能使门损坏;其次,无法满足不同输出高低电平的需要; 第三,不能满足驱动较大电流、较高电压的负载的要求。

2.2 集电极开路门输出电路 克服上述局限的方法就是,门电路的输出级采用集电极开路 的三极管结构,制成集电极开路门电路(OC门,Open Collector)。OC与非门的逻辑符号如图2.10所示。

2.2 集电极开路门输出电路 由于OC们的输出端是开路的,即 悬空的,故OC门在应用时输出端 需要外接一个上拉负载电阻到电 源。通过选择合适的电阻和电源 电压,既可以保证输出的高、低 电平合乎要求,又可使输出端三 极管的负载电流不会过大。 OC门在单片机系统中主要有两个 作用:线与和作为驱动器。几个 OC门的输出端连在一起,输出可 以实现与的功能(F=F1F2…Fn) ,简称线与,如图2.11所示。

2.2 集电极开路门输出电路 OC门在单片机系统 中,还常常作为控 制执行机构。利用 OC门可以控制一些 较大电流的执行机 构,用OC门和晶体 管控制电动机的电 路如图2.12所示

2.2 集电极开路门输出电路 此外,还可以 利用OC们直接 驱动发光二极 管和指示灯现 实器件,电路 如图2.13所示。

2.2.1常用的逻辑门电路 常用的逻辑门电路

2.2.3 常用组合逻辑电路 1. 编码器(ENC) 编码器( ) 在逻辑电路中用二进制表示事物的状态或数,简称代码. 为了区分一系列不同的事物,通常将其中的每个事物用一 个二值代码表示。设计者规定用什么形式的代码表示事物 或数,成为编码。 一般来说,编码只是将每一个事件或数用特设的符号表示 ,不需要有特殊的规则。实现编码的组合逻辑电路称为编 码器。 目前,经常使用的编码器有普通编码器和优先编码器两大 类。

1. 编码器(ENC) 编码器( ) (1) 普通编码器 在普通编码器中,任何时刻只允许输入一个编码信号,否 则输出将发生混乱。下面以2位普通编码器为例,分析普通 编码器的工作原理。图2.14所示为4-2编码器。 4-2 编码器将计算机看做配有的4个外部设备:声卡(A0) 、硬盘驱动器(A1)、鼠标(A2)、网卡(A3)作为输入 信号,B0、B1作为编码输出。

1. 编码器(ENC) 编码器( )

1. 编码器(ENC) 编码器( )

(2)优先编码器
在优先编码电路中,允许同时输入两个以上的信号。 不过在设计优先编码器时将所有的输入信号按优先顺序排 队,当几个输入信号同时出现时,只对其中优先权最高的 一个进行编码。 优先编码器电路由优先排队电路和普通编码器组成。例如 ,图2.15所示电路规定:A3优先权最高,A0优先权最低。 优先排队电路的逻辑表达式为:

(2)优先编码器

(2)优先编码器

(2)优先编码器

表2.14 单片机系统中常用的优先编码器电路

2. 译码器 译码器是编码器的逆过程,编码器和译码器成对存在。译 码器的逻辑功能时将每个输入的二进制编码译成对应的高 、低电平输出。译码器也是多输入、多输出的组合逻辑电 路,多个输入端数为N,则输出端数为N=2N。 图2.16所示是一个2-4译码器电路,如果编码器输入N=2, 则译码器输出n=4。对于任意组输入编码,仅有与该编码相 对应的一个输出端输出为0,称为译中,其余所有输出都为 1,称为未译中。

2. 译码器

2. 译码器

2. 译码器 也可以对于任意组输入编码,仅有与该编码相对应的一个 输出端输出为1,称为译中,其余所有输出均为0,称为未 译中。 图2.17所示为一个3-8译码器电路,当A2A1A0=100,B4译 中,有译码输出,A2A1A0=110,B6译中,有译码输出。

2. 译码器

数据选择器
在数字系统的数据传输过程中,有时需要从多路输入数据 中选中某一路输出,这时就要用到称为数据选择器(MUX )的逻辑电路。 数据选择器也称多路选择器或多路开关,是多路输入、一 路输出的组合逻辑器件。 选择哪一路输入传送到输出端,由当时的控制信号决定。 MUX实现了多通道的数据传送。 下面以4选1选择器为例,说明其工作原理。

数据选择器
4选1数据选择器是指, 从4路输入信号中有选择 性的选中某一路信号送 到输出端的组合逻辑电 路。逻辑电路图如图 2.19所示。4路输入信号 时D0、D1、D2、和D3 ,地址选择端时A和B, 输出端时Y。逻辑表达式 为

数据分配器
数据分配器也称多路分配器,是一路输入、多路输出的组 合逻辑器件。 一路输入信号传送到哪一路输出端,由当时的控制信号决 定。 四数分配器与数据选择器的用途相反,他们配合使用,实 现多通道的数据传送

数据分配器
1-4数据分配 器是指1路输 入、4路输出 的组合逻辑电 路,逻辑电路 图如图2.20所 示。

数据分配器

4.三态门与传输门 三态门与传输门
特殊控制开关―三态门 在比较复杂的系统中,为 了能在一条传输线上传送 不同部件的的信号,研制 的相应的逻辑器件称为三 态门。三态门是一种扩展 逻辑功能的输出级,也是 一种控制开关。三态门中 恒等门和非门的逻辑符号 如图2.22所示,真值表如 表2.18所示。

4.三态门与传输门 三态门与传输门
三态门结构是由普通逻辑门增加了一个控制信号构成的。图 2.22(a)所示为由恒等门和控制开关( 为控制信号)组成 的三态恒等门。在 =0时,开关接通,三态门传输信号,输 出等于输入,成为工作状态;在 =1时,开关断开,三态门 不能传输信号且有很高的输出阻抗,成为高阻态。图2.22(b) 所示为由非门和控制开关( 为控制信号)组成的三态非门。 在 =0时,开关接通,三态门传输信号,输出等于输入的非 ,称为工作状态;在 =1时,开关断开,三态门不能传输信 号,且有很高的输出阻抗,称为高阻态。

2.2.4 常用时序逻辑电路
1. 锁存器 由若干个电平出触发的D触发器构成的一次能存储多位二进制代 码逻辑电路如图2.23所示。其中使能端G加入CP信号,D为数据 信号。输出控制信号为0时,锁存器的数据通过三太门输出。

2.2.4 常用时序逻辑电路
1. 锁存器

2.2.4 常用时序逻辑电路
2. 寄存器 由若干个正沿D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻 辑电路,叫做寄存器,也称为数据触发器。8位寄存器 74HC374/74HC574(图中只画出了4位)的逻辑图如图2.24所示。

2.2.4 常用时序逻辑电路
2. 寄存器

2.2.4 常用时序逻辑电路
2. 寄存器

2.2.4 常用时序逻辑电路
2. 寄存器

寄存器的工作特点为时钟信号有效滞后于数据信号有 效,这就意味着数据信号先建立,时钟信号后建立, 在CP上升沿时刻打入到触发器。 CP 寄存器时计算机系统或其他数字系统中使用最多的时 序逻辑构件,可以说是无处不在,无处不有。它用来 保存一个字,这个字一般由n位二进制码组成。

2.2.4 常用时序逻辑电路
2. 寄存器


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