单片机的基础知识

1.1.1、单片机基础电路

单片机内部主要由数字电路组成。为了在分析单片机内部电路结构时更容易理解，这里简单介绍一下单片机中常用的基础电路。

1．与门

与门如图1-6所示。它是一个由二极管和电阻构成的电路，其中A、B为输入端，Y为输出端，+5V电压经R1、R2分压，在E点得到3V的电压。

图1-6 二极管与电阻构成的与门

（1）工作原理

当A、B两端同时输入低电平（0V）时，由于E点电压为3V，所以二极管VD1、VD2都导通，E点电压马上下降到0.7V （低电平），即当A、B端均输入低电平“0”时，Y端输出低电平“0”。

当 A 端输入低电平（0V）、B 端输入高电平（5V）时，由于E点电压为3V，所以二极管VD1马上导通，E点电压下降到0.7V。此时VD2正端电压为0.7V，负端电压为5V，VD2处于截止状态，即当A端输入低电平“0”、B 端输入高电平“1”时，Y端输出低电平“0”。

当A端输入高电平（5V）、B端输入低电平（0V）时，VD1截止，VD2导通，E点电压为0.7V （低电平），即当A端输入高电平“1”、B端输入低电平“0”时，Y端输出低电平“0”。

当A、B端同时输入高电平（5V）时，VD1、VD2均不能导通，E点电压为3V（高电平），即当A、B两端都输入高电平“1”时，Y端输出“1”。

由此可见，与门的特点是：只有输入端都输入高电平时，输出端才会输出高电平；只要有一个输入端输入低电平，输出端就会输出低电平。

（2）真值表

真值表是列举电路的各种输入值和对应输出值的表格，它能使人们直观地看出电路的输入与输出之间的关系。表1-1是上述与门的真值表。

（3）逻辑表达式

真值表虽然能直观描述电路的输入和输出之间的关系，但比较麻烦且不便记忆，为此可以用一个关系式来表示电路的输入与输出之间的关系，该关系式称为逻辑表达式。上述与门的逻辑表达式为：

式中：A、B之间的“· ”表示“与”，读作“A”与“B”（或“A”乘“B”）。

（4）逻辑符号

图1-6所示的与门由4个元器件组成，在画图和分析时很不方便，为此可用一个简单的符号来表示整个与门，该符号称为逻辑符号。与门的逻辑符号如图1-7所示，其中旧符号是指早期采用的符号，常用符号是指有些国家采用的符号，新标准符号是指我国公布的最新的标准符号。

表1-1 与门的真值表

图1-7 与门逻辑符号

2．或门

（1）逻辑符号

或门的逻辑符号如图1-8所示。

（2）逻辑表达式

或门的逻辑表达式为：

（3）真值表

或门的真值表见表1-2

图1-8 或门逻辑符号

表1-2 或门的真值表

由或门的真值表可以看出，或门的特点是：只要有一个输入端输入高电平，输出端就会输出高电平；只有输入端都为低电平时，输出端才输出低电平。

3．非门

（1）逻辑符号

非门的逻辑符号如图1-9所示。

（2）逻辑表达式

非门的逻辑表达式为：

式中：“－”表示非（或相反）

（3）真值表

非门的真值表见表1-3

图1-9 非门逻辑符号

表1-3 非门的真值表

由非门的真值表可以看出，非门的特点是：输入状态与输出状态总是相反。

4．与非门

与非门由一个与门和一个非门组成，其逻辑结构及逻辑符号如图1-10所示。

图1-10 与非门的逻辑结构及逻辑符号

（1）工作过程分析

与非门的工作过程比较简单，下面以图1-10（a）来说明。

当A端输入“0”、B端输入“1”时，与门的C端（输出端）会输出“0”，C端的“0”送到非门的输入端，结果非门的Y端（输出端）输出“1”。

A、B端的其他3种输入情况读者可以按上述方法分析，这里不再赘述。

（2）逻辑表达式

与非门的逻辑表达式为：

根据逻辑表达式很容易求出输入值和对应的输出值，例如当A=0、B=1时，Y=1。

（3）真值表

与非门的真值表见表1-4。

表1-4 与非门的真值表

由与非门的真值表可以看出，与非门的特点是：只有输入端都为高电平时，输出端才输

出低电平；只要有一个输入端为低电平，输出端就为高电平。

5．或非门

或非门由一个或门和一个非门组合而成，其逻辑结构及逻辑符号分别如图1-11（a）和图1-11 （b）所示。

（1）工作过程分析

或非门的工作过程比较简单，下面以图1-11（a）来说明。

当A端输入“0”、B端输入“1”时，或门的C端（输出端）会输出“1”，C端的“1”送到非门的输入端，结果非门的Y端（输出端）输出“0”。

A、B端的其他3种输入情况读者可以按上述方法分析，这里不再赘述。

（2）逻辑表达式

或非门的逻辑表达式为：

例如当A=0、B=1时，Y=0

（3）真值表

或非门的真值表见表1-5

图1-11 或非门的逻辑结构及逻辑符号

表1-5 或非门的真值表

由或非门的真值表可以看出，或非门的特点是：只有输入端都为低电平时，输出端才为高电平；只要输入端有一个为高电平，输出端就为低电平。

6．三态门

（1）逻辑符号

三态门的逻辑符号如图1-12所示。

图1-12 三态门逻辑符号

三态门有输入端、输出端和控制端三端，它的输出不但取决于输入，还与控制端有关。以图1-12 （a）所示的高电平有效型三态门为例，若控制端 EN=1，输出端与输入端反相，即如果 A=1 时，输出端 Y=0；若 EN=0，输入端与输出端之间相当于开路，三态门处于高阻状态（又称悬浮状态或禁止状态），输入信号无法通过三态门。

（2）三态门的应用

在单片机中三态门常用于数据传送电路，利用它不但可以进行单向数据传送，还能进行双向数据传送。用三态门构成的数据传送电路如图1-13所示。

图1-13 三态门数据传送电路

图1-13（a）所示为三态门构成的单向数据传送电路。当控制端EN=1时，两个三态门都导通，存储器输出的数据可以通过这两个三态门送到两根数据总线上。

图1-13（b）所示为三态门构成的双向数据传送电路。当控制端EN=1时，三态门A导通，三态门B处于禁止状态，存储器输出的数据可以通过三态门A送到数据总线上；当控制端EN=0时，三态门A处于禁止状态，三态门B导通，数据总线上的数据可以通过三态门B送入存储器。

7．寄存器

单片机内部有大量寄存器，寄存器是一种能够存储数据的电路，由触发器构成。

（1）触发器

触发器是一种具有记忆存储功能的电路，由门电路组成。常见的触发器包括：RS 触发器、D 触发器和 JK触发器等，其中D触发器最为常用。D触发器的逻辑符号如图1-14所示。

图1-14 D触发器逻辑符号

从图1-14中可以看出，D触发器的端子包括：输入端D、输出端Q、反相输出端 、时钟脉冲输入端CLK、置“0”端R和置“1”端S。

数据存储过程：当D触发器的D端输入数据“1”时，数据并不能马上被存入触发器，只有CLK端时钟脉冲信号上升沿（即低电平转为高电平时）到来时，“1”才能被存入触发器，存入后Q端输出“1”， 端输出“0”。也就是说，只有时钟脉冲上升沿到来时，D触发器才能将输入端的数据存储起来，并从Q端输出。

D触发器的置“0”和置“1”：当置“0”端R为低电平时，触发器被置“0”，即Q端为“0”；当置“1”端S为低电平时，触发器被置“1”，即Q端为“1”。

（2）寄存器

寄存器是单片机内部的基本存储单元，由触发器构成，一个触发器就是1位寄存器。图1-15所示是一种由D触发器构成的4位寄存器。

图1-15 由D触发器构成的4位寄存器

在工作时，寄存器先让清0线为低电平，该低电平送到各触发器的CLR端（实际为D触发器的R端），将各触发器清0，Y3Y2Y1Y0=0000；然后将数据送到各触发器输入端，当CLK端的时钟脉冲上升沿到来时，输入端的数据就被存入到各触发器中，并从输出端输出。

8．锁存器

锁存器也是一种能存储数据的电路。其特点是当锁存信号没有到来时，输出端的状态随输入端状态的变化而变化；当锁存信号来到时，输入端的数据被锁存到输出端，即当输入端的信号再变化时输出端也不会发生变化。下面以图1-16为例来说明锁存器的工作原理。

图1-16 锁存器示意图

当锁存器的控制端EN=1时，锁存器输出端Y与输入端A的状态保持一致，即A端数据变化时，Y端数据也变化；当锁存器的控制端EN由“1”变为“0”时，输入端此刻的数据马上被锁存到输出端，在EN=0期间，输出端的数据始终保持不变，不会随输入端而变化；当EN又变为“1”时，即取消锁存，输出端又会随输入端的变化而变化。