第2章單片機(jī)系統(tǒng)電路基礎(chǔ)計算機(jī)是微電子學(xué)與計算數(shù)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。微電子學(xué)的基本元器件及其集成電路形成了計算機(jī)的硬件基礎(chǔ)，而計算數(shù)學(xué)的計算方法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則構(gòu)成了計算機(jī)的軟件基礎(chǔ)。本章簡要闡述與計算機(jī)有關(guān)的數(shù)學(xué)知識及單片機(jī)系統(tǒng)中最基本的單元電路。2.1數(shù)制與編碼2.2單片機(jī)系統(tǒng)常用數(shù)字集成電路2.3

單片機(jī)系統(tǒng)中的常用存儲器電路2.4電源電路2.5時鐘與復(fù)位電路本章小結(jié)2.1數(shù)制與編碼2.1.1進(jìn)位計數(shù)制2.1.2進(jìn)位計數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換2.1.3數(shù)碼和字符的代碼表示2.1.1進(jìn)位計數(shù)制1.十進(jìn)制計數(shù)制十進(jìn)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(jìn)1任意一個十進(jìn)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+1×100+9×10-1例：2.二進(jìn)制計數(shù)制2.1.1進(jìn)位計數(shù)制二進(jìn)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(jìn)1。任意一個二進(jìn)制數(shù)(S)2可以表示成(S)2=kn-12n-1+kn-22n-2+…+k020+k-12-1+k-22-2+…+k-m-12-m-1例：(1101.101)2=l×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-32.1.1進(jìn)位計數(shù)制3.十六進(jìn)制計數(shù)制十六進(jìn)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(jìn)1任意一個十六進(jìn)制數(shù)(S)16可以表示成(S)16=kn-116n-1+kn-216n-2+…+k0160+k-116-1+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8AE6H2.1.2進(jìn)位計數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換1.十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制一個十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)時，按除16取余的方法進(jìn)行。例：(725)10=(?)16

轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到(725)10=(2D5)16。一個十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制小數(shù)時，可按乘16取整的方法進(jìn)行。例：

(0.7875)10=(?)16

0.7875×1612.6取整數(shù)12，即16進(jìn)制數(shù)C

0.6×16

9.6取整數(shù)9

0.6

×169.6取整數(shù)91.十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換結(jié)果，可得(0.7875)10=(0.C99)162.十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成等值的十進(jìn)制數(shù)時，可用按權(quán)相加的方法進(jìn)行。(1C4.68)16=1×162+C×161十4×160+6×16-1+8×16-2=256+192+4+0.375+0.03125=(452.40625)10例：3.十六進(jìn)制與二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換一位十六進(jìn)制數(shù)表示的數(shù)值恰好相當(dāng)于4位二進(jìn)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(diǎn)開始分別向左右展開即可。(3AB4)16＝(0011101010110100)2(11111101.01001111)2＝(FD.4F)162.1.3數(shù)碼和字符的代碼表示一、

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)制數(shù)完全相同循環(huán)碼：無權(quán)碼，每位代碼無固定權(quán)值，任何相鄰的兩個碼組中，僅有一位代碼不同。詳細(xì)見主教材第22頁表2.1兩種4位二進(jìn)制編碼三、

二-十進(jìn)制碼（BCD碼）

BCD碼用二進(jìn)制代碼對十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，它既具有二進(jìn)制碼的形式（4位二進(jìn)制碼），又有十進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)（每4位二進(jìn)制碼是1位十進(jìn)制數(shù)）。(6840)10=(0110100001000000)BCD例：四、

字母與字符的編碼由于計算機(jī)中采用二進(jìn)制數(shù)碼表示。要在計算機(jī)中表示字母、字符等都要用特定的二進(jìn)制數(shù)碼表示。字母與字符用二進(jìn)制碼表示的方法很多，目前在計算機(jī)中普遍采用的是ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼）。它采用8位二進(jìn)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(xì)見主教材第23頁

表2.2ASCII碼字符表2.2單片機(jī)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(yùn)算符，也有用“∧”、“∩”、“&”表示與運(yùn)算表達(dá)式

Y=A·B=AB與門邏輯符號&AYBYAB

ABY

000010100111與運(yùn)算真值表與邏輯功能口訣：有“0”出“0”；全“1”出“1”。

或運(yùn)算符，也可用“∨”、“∪”表示或運(yùn)算表達(dá)式

Y=A+B或門邏輯符號≥1

ABYYAB2、或門或邏輯功能口訣：有“1”出“1”；全“0”出“0”。

ABY

000011101111或運(yùn)算真值表“－”非邏輯運(yùn)算符非運(yùn)算表達(dá)式

Y=A非門邏輯符號1AYYA3、非門

AY

0110

非運(yùn)算真值表4、恒等門運(yùn)算表達(dá)式

Y=A恒等門邏輯符號1AYYA

AY

0011

恒等門運(yùn)算真值表5、與非門

ABY

001011101110與非邏輯真值表與非邏輯表達(dá)式與非邏輯功能口訣：有“0”出“1”；全“1”出“0”。

&AYBYAB與非門邏輯符號或非邏輯功能口訣：有“1”出“0”；全“0”出“1”。

ABY

001010100110或非邏輯真值表6、

或非門或非邏輯表達(dá)式或非門邏輯符號≥1

ABYYAB異或邏輯功能口訣：同為“0”；異為“1”。

7、異或門

ABY

000011101110異或邏輯真值表異或邏輯表達(dá)式異或門邏輯符號YAB=1AYBAYB⊕邏輯代數(shù)中的邏輯運(yùn)算TTL門電路中，因?yàn)檩敵黾壊捎昧送评诫娐罚瑹o論輸出高電平還是低電平，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(fù)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(fù)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,OpenCollectorGate）。OC與非門邏輯符號應(yīng)用時輸出端要接一上拉負(fù)載電阻RL1、線與OC門的主要作用：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(jī)構(gòu)，如控制電動機(jī)。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(jī)配有的4個外部設(shè)備：聲卡（A0）、硬盤驅(qū)動器（A1）、鼠標(biāo)（A2）、網(wǎng)卡（A3）作為輸入信號，B0、B1作為編碼輸出。邏輯表達(dá)式為：4-2編碼器真值表A3A2A1A0B1B00001000010010100101000112）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(duì)，當(dāng)幾個輸入信號同時出現(xiàn)時，只對其中優(yōu)先權(quán)最高的一個進(jìn)行編碼。A3優(yōu)先權(quán)最高，A0優(yōu)先權(quán)最低。優(yōu)先排隊(duì)電路的邏輯表達(dá)式為：

4-2優(yōu)先編碼器真值表A3A2A1A0B1B0000100001x0101xx101xxx11單片機(jī)系統(tǒng)中常用的優(yōu)先編碼器電路功

能型

號說

明10-4優(yōu)先編碼器74HC147十進(jìn)制-二進(jìn)制編碼器8-3優(yōu)先編碼器74HC148八進(jìn)制-二進(jìn)制編碼器3狀態(tài)8-3優(yōu)先編碼器74LS348八進(jìn)制-二進(jìn)制編碼器，三態(tài)輸出，可接單片機(jī)數(shù)據(jù)總線優(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=2N。

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(dá)式為：2-4線譯碼器真值表A0A1B0B1B2B3000111011011101101111110當(dāng)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

74HC138譯碼器輸出邏輯表達(dá)式為：使能輸入邏輯表達(dá)式為：當(dāng)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(jī)系統(tǒng)中常用的譯碼（驅(qū)動）器電路功

能型

號說

明2-4譯碼器74HC139雙重3-8譯碼器74HC1384-16譯碼器74HC154BCD十進(jìn)制譯碼驅(qū)動器74LS145OC門輸出7段顯示譯碼驅(qū)動器74LS48二-十進(jìn)制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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分配器的功能。用3-8譯碼器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)1-8分配器單片機(jī)系統(tǒng)中常用數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器功

能型

號說

明16-1數(shù)據(jù)選擇器74HC1508-1數(shù)據(jù)選擇器74HC151有反相輸出8-1數(shù)據(jù)選擇器74HC1524-1數(shù)據(jù)選擇器74HC153雙重4選12-1數(shù)據(jù)選擇器74HC257三態(tài)輸出2-4數(shù)據(jù)分配器74HC1552-4數(shù)據(jù)分配器74LS156OC門輸出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(jī)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(jìn)行部件間的數(shù)據(jù)傳送。所謂分時使用總線，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(kuò)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恒

等

門非

門ENAFENAF0000010110101x高阻1x高阻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(jìn)制代碼的時序邏輯電路，叫作鎖存器。鎖存器的工作特點(diǎn)為，數(shù)據(jù)信號有效滯后于時鐘信號有效。這意味著時鐘信號先到，數(shù)據(jù)信號后到。

74HC373/74HC573功能表輸

出

控

制GD輸

出01110000xQn1xx高阻

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(jìn)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(diǎn)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

（圖中只畫出4位）

74HC374/74HC574功能表輸

出

控

制CPD輸

出0

110

0000xQn1xx高阻74HC374/74HC574寄存器時序圖單片機(jī)系統(tǒng)中常用的鎖存器和寄存器功

能型

號觸發(fā)送數(shù)方式備

注雙D型觸發(fā)器74HC74上升沿帶清0端4D型鎖存器74HC75高電平6D型觸發(fā)器74HC174上升沿帶清0端8D型觸發(fā)器74HC273上升沿帶清0端8D型觸發(fā)器74HC574上升沿8D型鎖存器74HC573高電平2.3單片機(jī)系統(tǒng)中的常用存儲器電路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）等。存儲器是計算機(jī)極為重要的組成部分，有了它計算機(jī)才具有存儲信息的功能，使計算機(jī)可以脫離人的控制自動工作。單片機(jī)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(jī)存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩類。2.3.1RAM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(yùn)行程序和數(shù)據(jù)RAM存儲器分類：靜態(tài)讀寫存儲器（SRAM，StaticRAM）動態(tài)讀寫存儲器（DRAM，DynamicRAM）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)RAM622562）工作方式方

式功

能001寫入D0～D7數(shù)據(jù)寫入62256010讀出讀62256數(shù)據(jù)到D0～D71xx未選中D0～D7輸出高阻態(tài)3）連接使用方法RAM62256寫入、讀出數(shù)據(jù)演示

只讀存儲器（ROM）的特點(diǎn)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(diǎn)。對ROM內(nèi)容的設(shè)定（寫入）稱為編程。2.3.2ROM存儲器ROM的分類：固定ROM可編程的PROM可擦可編程的EPROM按編程方式1、ROM的結(jié)構(gòu)與工作原理ROM由存儲矩陣、地址譯碼器、讀放與選擇電路組成。2、ROM的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表示法3、可用紫外線擦除可編程只讀存儲器EPROM1）引腳與接線常用EPROM主要技術(shù)特性參數(shù)型號EPROM2764EPROM27128EPROM27256容量（B）8×102416×102432×1024引腳數(shù)282828最大維持電流(mA)111最大工作電流(mA)303030存取時間(ns)100100100工作電壓(V)5552）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（FlashEEPROM）可以用來存放程序，但由于其讀寫方便，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FlashMemory。下新一代閃速存儲器的特點(diǎn)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(hù)功能2.4電源電路電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位，但卻往往被忽略。如果電源系統(tǒng)處理得好，整個系統(tǒng)的故障往往減少了一大半。電源供電模塊以電源穩(wěn)壓部分為主體，外圍輔助部分可包含過壓過流保護(hù)部分、電壓監(jiān)控部分以及其他部分等。本節(jié)介紹電源穩(wěn)壓部分，其他部分參考有關(guān)書籍。2.4電源電路電源供電模塊概述電源供電模塊包括前級和末級部分，如圖2.35所示。圖2.35電源供電模塊示意圖2.4電源電路前級接單片機(jī)系統(tǒng)的主供電電源，可以是交流AC220V、設(shè)備電源、電池或電腦的USB電源之一，

末級的輸入接前級的輸出，末級由集成穩(wěn)壓電路組成，末級集成穩(wěn)壓電路的作用就是在供電電源電壓波動和負(fù)載變動時，其輸出的直流電壓不受影響。末級是本節(jié)討論重點(diǎn)2.4電源電路集成線性穩(wěn)壓電路圖2.3778/79系列固定輸出典型應(yīng)用電路2.4電源電路低壓差線性穩(wěn)壓電路2.4電源電路LM1117系列低壓差線性穩(wěn)壓電路LM1117也是一款低壓差集成電路，可固定輸出電壓，也可調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓范圍為1.5～15V，封裝形式和用法與LM1085基本相同，其不同點(diǎn)如下：輸出固定電壓值較多，電壓低，精度高。固定輸出集成電路有LM1117-1.5、LM1117-1.8、LM1117-2.5、LM1l17-2.85、LM1117-3、LM1117-3.3、LM1117-3.5、LM1117-5。2.4電源電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路采用線性穩(wěn)壓器件（如78xx系列三端穩(wěn)壓器件）作為電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓器件，可將較高的直流電壓轉(zhuǎn)變MCU所需的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會有大的“熱損失”而開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件則以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作。因此，工作時要么是大電流流過低導(dǎo)通電壓的開關(guān)管、要么是完全截止而無電流流過。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，2.4電源電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路圖2.40LM